用金属和陶瓷生产复杂的成型零件

如今，使用粉末材料的注塑成型技术主要用于制造工业用复杂组件。 粉末注塑成型是除了其它成型工艺（精密铸造和轴向或均衡压制）外的另一种可供选择的工艺。

近年来，用陶瓷或金属粉末来制造注塑成型零件的应用领域主要包括汽车工业、刀具工业、磁体生产、纺织工业、钟表工业、家居用品、精密工程、医疗和牙科技术以及陶瓷工业。

表1: 金属和陶瓷组件的典型公差

粉末注塑成型技术使组件的批量生产成为可能，因为采用机械加工或压制技术进行批量生产已经不再是一种经济有效的方式。注塑成型技术使组件的设计和制造过程具有几乎无限的自由度。

粉末注塑成型制造过程包括成型零件的初始注塑成型、脱脂和烧结。

组件公差由以下重要因素确定：

粘合剂含量

粉末特性

混合过程

注塑成型参数

重力变形

在烧结托盘上的滑动性能

可用材料范围广泛

原则上，所有细颗粒、可烧结的粉末都可以和相应的粘合剂混合并在注塑机上加工。包括氧化陶瓷、金属、碳化物及氮化物。

由于混合和注塑设备在处理粉末材料的过程中会受到较强磨损，因此建议选择粒度尽可能小的粉末。 较细的粉末可降低表面粗糙度，从而在加工过程中降低磨损并提高生坯强度。 各种粉末材料的性能范围如表3中所示。

表2: 在严格的公差范围内的高重复性

粘合剂使粉末可用来注塑

对粘合剂最重要的要求是：脱脂过程中的尺寸稳定性、良好的保存特性、不与粉末材料发生反应、很高的零件强度、良好的脱模特性、热稳定性和在脱脂过程中易于去除并可完全去除。

粘合剂与粉末颗粒之间的粘附力还应尽可能高，以便在注塑过程中增高压力不会使两个组份分离，而导致填充的零件不均匀。 为了获得良好的注塑成型特性并以低收缩率获得均匀的烧结质量，建议采用球形粉末。

具有最佳配比的粘合剂与粉末

在混合过程中，粘合剂和粉末混合成一种匀质的混合物，即原料。 市场上有出售金属粉末和陶瓷粉末的原料供货商。 他们供应的材料品种繁多，并不断推出新品。

因此，MIM（金属注塑成型）或 CIM（陶瓷注塑成型）所需的原料都是现成的，可立即用于注塑，而不再需要内部制作。如果可用材料的性能不能充分满足所需的用途，专业化的材料供货商可以开发并生产客户需要的特定原料。

注塑成型过程中的加工步骤

用原料（粉末/粘合剂的混合物）制造成型零件的过程与塑料的注塑成型过程相似。

▲ 预塑

在塑化单元中，原料的粘合剂部分会在温度的作用下熔化。

▲ 注塑

塑料混合物在高压下被注塑到固定在锁模装置中的模具中。 模具保持闭合，同时成型零件硬化。

▲ 开模

在零件冷却后，喷嘴会通过注塑装置的移动从模具位置移开。 锁模装置打开，注塑成型机的顶针系统会自动顶出成型零件。

▲ 零件脱模

使用机械手系统从模具中脱出易碎的零件而不造成损坏。 在粉末材料的注塑成型时，推荐使用此工艺来保护绿件免受震动或冲击，从而避免损害成型零件的质量。

及时适量生产

材料和模具的更换可以在不到 20 分钟之内完成，这使它适用于精益生产(Just-In-Time Production)。 由于具有各种自动化选配件，因此可在无需操作者太多参与的情况下，对由金属或陶瓷粉末制造的组件实现批量生产。

注塑成型机的结构

传统螺杆式注塑成型机由锁模装置、注塑装置和控制系统构成。 由两个半面构成的模具固定在锁模装置中。 锁模装置本身具有静止模板（即所谓的固定模板）和可移动范本。 当锁模装置合闭以及模具随之合闭时，即可以注入材料。 当通过打开锁模装置而打开模具时，即可将成型零件脱出。

注塑装置的结构

注塑成型机上的注塑装置由螺杆（用于进料、压缩混合料并去除气泡）、加热系统（将混合料加热到一定温度）和喷嘴（经过压缩和加热的材料通过该喷嘴在压力下注塑到模具中）构成。 注塑成型机的所有移动和生产过程都可以通过屏幕控制功能加以协调控制。 调节参数一经确定，即可以保存到数据媒体上，从而确保了以前使用的生产周期的可重复性。 在生产过程中，可以自动识别并分离不合格零件和合格零件。

注塑模具

塑料注塑成型技术中常用的模具设备（如滑板、抽芯机构、脱螺纹装置和内部压力传感器）也可以用于粉末材料的注塑成型。 不过，由于粉末/粘合剂熔化材料具有研磨性，因此必须保护模具型腔和注塑装置以防止磨损（例如通过特殊硬化工艺或合金）。

粉末注塑成型适合于复杂、高精度成型零件的大批量生产；对具有内螺纹、难于加工的底切和不规则表面的组件实现简单、自动化的生产，同时保证出色的表面质量。

粉末材料注塑成型的好处包括:

批量生产

使用传统工艺无法生产的零件可以一步完成生产

实现复杂的成型零件设计

可以快速调整生产

成型零件表面质量高

成型零件尺寸稳定性高

零件无需费时耗资的再加工

可以自动化生产

生产基本无浪费

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专家简介

娄嘉，男，在中南大学和新西兰怀卡托大学（2017年QS世界排名第292位）分别获学士和博士学位，现担任湘潭大学讲师、湖南瀚德微创医疗科技有限公司研发部负责人。

长期从事金属注射成形新工艺、粉末冶金和新材料的研发工作。2010年获国外全额奖学金赴新西兰攻读博士学位。作为项目组成员参与了国家高技术研究发展计划项目（863），新西兰商业、创新和就业部项目（MBIE）等项目的工作。

在注射成形理论、粉末压制、粉末热加工、微创医疗器械、钛合金、铁基合金、镍基合金等领域积累一定的研究工作经验和成果，以第一作者和通讯作者在Powder Technology, Materials& Design, Journal of Alloys and Compounds, Metallurgical and Materials Transactions A, Journal of Materials Processing Technology, Powder Metallurgy等国外知名刊物发表论文9篇。

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