金屬粉末注射成形技術及其數值模擬

侯成龍 ，郭俊卿 ?，陳拂曉 ，皇 濤

1) 河南科技大學材料科學與工程學院, 洛陽 471023 2) 河南科技大學有色金屬新材料與先進加工技術省部共建協同創新中心, 洛陽 471023

金屬粉末注射成形（metal powder injection molding，MIM）技術[1]是將現代塑料注射成形技術引入粉末冶金領域而形成的一門新型粉末冶金近凈成形技術，是粉末注射成形技術的一種。與傳統的粉末冶金產品相比，金屬粉末注射成形產品具有精度高、組織均勻等優點，采用該技術可以大批量、低成本地生產結構復雜、性能優異的金屬零件。

粉末注射成形技術起源于20世紀20年代，被用于生產陶瓷零件。20世紀80年代，Wiech[2?3]和Rivers[4]開始采用粉末注射成形技術制備金屬零件。進入21世紀，金屬粉末注射成形工藝進一步發展，成為了制備難熔金屬基復合材料和金屬間化合物的新型工藝。李云平等[5]對金屬粉末注射成形技術在W–Cu復合材料方面的應用做出了全面的綜述。Hu等[6]用金屬粉末注射成形技術制備多孔鎳鈦形狀記憶合金零件，采用兩步脫脂工藝，脫脂率可達98.8%。Bose和German[7]用金屬粉末注射成形技術制備Ni3Al基復合材料零件，克服了金屬間化合物因硬度過高難以進行加工的缺陷，極大地提高了其加工效率。

傳統的實驗方法很難直觀地觀測到金屬粉末注射成形充模流動過程，計算機模擬可以很好地解決這個問題。從研究特點看，對模腔中熔體流動模擬的研究經歷了從一維向三維、從餅形和矩形簡單零件向復雜零件、從簡單邊界條件向復雜邊界條件、從經典的薄壁零件向厚壁零件發展的探索過程。1972年，Kamal和 Kenig[8?9]基于冪率流體的蠕變流動理論建立了一維徑向流動的數學模型，不過該模型只適用于研究澆注系統內的流動模擬。Hieber和Shen[10?11]用有限差分法分析計算了流體的二維流動過程，提出了確定某一時刻流體前沿位置的“預測–校正”兩步法。20世紀80年代后期，Hieber提出采用流動路徑法和控制體積法對流體三維流動過程進行模擬，計算結果與現實基本吻合。

本文介紹了金屬粉末注射成形的工藝概況，對金屬粉末注射成形及其數值模擬研究進行了深入分析，在此基礎上對其發展趨勢進行了展望。

1 金屬粉末注射成形工藝概況

金屬粉末注射成形工藝流程如圖1所示，基本過程是將金屬粉末與粘結劑混合均勻，制成注射料，通過注射機注射成形，然后除去粘結劑（脫脂），最終燒結成接近全致密的成品零件。有些零件在脫脂和燒結過程中會出現一定的變形，需要進行一定的后處理才能夠得到最終產品。

圖1 金屬粉末注射成形技術工藝流程圖Fig.1 Flow chart of the metal powder injection molding

1.1 混料

混料是使用密煉機和造粒機（如圖2所示）將金屬粉末和粘結劑均勻混合，在此過程中金屬粉末被粘結劑完全包裹，最終得到均勻的注射料。Lacey[12]指出在混料的過程中，存在擴散混合（喂料中金屬顆粒分布于新形成的表面）、層流混合（在喂料中建立滑移面）、分散混合（相鄰顆粒組從喂料中的一個位置轉移到另一個位置）三種機制。梁叔全和黃伯云[13]在此基礎上進一步指出，擴散混合機制是混合均勻的熱力學基礎，層流混合機制和分散混合機制是混合均勻的動力學保證。

圖2 密煉機（a）和造粒機（b）Fig.2 Mixer (a) and the granulator (b)

1.1.1 粉末

一般來說，能夠用于粉末冶金的所有金屬粉末都能夠用于金屬粉末注射成形，目前常用的材料系列如表1所示。用于金屬粉末注射成形的金屬粉末一般通過羥基法和霧化法制備。羥基法的原理是將金屬與CO合成羥基金屬化合物，再通過熱分解的方式制得金屬粉末，采用該方法制得的粉末呈球形且粒度較小，但成本較高。霧化法包括超高壓水霧化法、高壓氣霧化法以及層流霧化法。水霧化法生產效率高且經濟實用，但制得的粉末形狀不規則；氣霧化法制得的粉末為球形，但細粉率低，生產成本較高；層流霧化法適用于生產貴金屬粉、銅合金粉以及超合金粉，粉末粒度一般在20 μm以下。除上述兩種方法外，工業上常用于生產金屬粉末的方法還有還原法、電解法以及研磨法等，但無論是采用哪種方法，制得的粉末都不可能絕對均勻。采用掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察316L不銹鋼粉末，得到如圖3所示掃描電子顯微鏡形貌，從圖中可以明顯看到，金屬粉末的粒度并不是絕對均勻的，而是大多數粉末的粒度都在一個很小范圍內波動。尉念倫和孫世清[14]采用水汽聯合霧化制造工藝制備鈷鉻鉬粉末，所制得的金屬粉末兼有水霧化粉末粒徑小和氣霧化粉末球形度好的優點。

表1 金屬粉末注射成形常用材料系列Table 1 Common material series in MIM

圖3 316L不銹鋼粉末掃描電子顯微形貌Fig.3 SEM images of the 316L stainless steel powders

粉末粒度和粉末之間的摩擦影響喂料的成分均勻度。粉末粒度越大，由于質量所引起的偏析就越大；粉末之間的摩擦系數越大，團聚傾向也就越大，從而導致制成均勻注射料的難度也越大。因此在混料的過程中，經常添加一定的表面活性劑以減小粉末表面之間的摩擦，進而改善其團聚傾向[15]。

金屬粉末注射成形所使用的細球形粉末制備成本較高是限制該技術發展的一個重要原因，郝向陽等[16]利用高速氣流沖擊對非球形氫化脫氫鈦粉（HDH）進行干式機械化球化處理，獲得了低成本的球化細粉。Mahmud等[17]直接將低成本的非球形氫化脫氫鈦粉用于金屬粉末注射成形，成功生產出無裂紋、無變形且燒結密度達到95%的合格零件。

1.1.2 粘結劑

理想的粘結劑具備以下特征[18]：熔點低，固化性好，黏度低，流動性好，黏度隨溫度變化小，與金屬粉末不發生反應，潤濕性好，粘附性強，粘結劑中各組元不發生相分離，分解溫度高于混料溫度和成形溫度，分解產物無腐蝕性、無毒、無殘留，原料成本低，可循環使用。根據粘結劑的組元和性質可以分為熱塑性體系、熱固性體系、凝膠水基體系和水溶性粘結劑體系，各類粘結劑體系的優缺點如表2所示。

表2 金屬粉末注射成形常用粘結劑體系及其優缺點Table 2 Common binder systems and the characteristics of MIM

熱塑性粘結劑是以熱塑性有機化合物為主體的粘結劑，根據其中低分子組元的不同又可以分為蠟基粘結劑和聚合物基粘結劑。Muller等[19]發明了一種以合成聚酰胺為主要成分的粘結劑，該粘結劑能夠以加熱的方式快速去除。熱固性粘結劑以熱固性有機物作為主要成分，Hens等[20]研制了一種聚乙二醇/聚乙烯醇縮丁醛酯（PEG/PVB）粘結劑，其中PEG可用水溶解，PVB受紫外線照射發生固化反應。凝膠水基粘結劑利用特定樹脂受熱產生凝膠反應獲得粘結強度，Honeywell公司使用凝膠水基粘結劑和不銹鋼粉混合，成功生產了17-4PH不銹鋼飛機引擎葉輪、316L不銹鋼輪船推進器等尺寸較大的金屬部件。Hens等[21]通過研究發現，凝膠水基粘結劑雖然有助于獲得更高的生坯強度，但由于粘結劑中含大量水分，注射時水分蒸發導致注射料黏度變化太大，粘結劑難以重復利用。水溶性粘結劑主要由水溶性組元和水不溶性組元組成，其優點是脫脂方便，不需要使用有毒的有機溶劑進行脫脂。

1.2 注射

注射是金屬粉末注射成形的一個重要環節，其目的是獲得具有一定形狀的生坯。該環節采用的設備和塑料注射成形基本相同，整個過程分為填充、保壓、冷卻三個階段。喂料充模流動機理如圖4所示，喂料熔體進入模具之后，最前端熔體與冷空氣接觸之后形成一層黏度很高的前沿膜，阻礙熔體的進一步流動；同時，喂料熔體與溫度較低的模具內壁接觸之后也會迅速凝固，形成一層冷凝層。產品的大多數缺陷也是在這個環節被引入的，如模具的溫度過低或注射壓力偏小，將導致產品的表面極易出現裂紋和褶皺，甚至出現“欠注”現象；注射壓力過大或者注射溫度較高時，容易引起“噴泉”效應，在產品的內部形成氣孔或疏松[22]。

圖4 喂料充模流動機理Fig.4 Filling flow mechanism of the feeding

雖然金屬粉末注射成形在注射階段和塑料注射成形基本相同，但還是有自己特有的性質，因此對于注射階段喂料充模過程的研究十分重要。目前對于該過程的研究主要是采用數值模擬的方法。相對于塑料流動模擬，金屬粉末注射成形充模流動模擬起步較晚，且發展也較為緩慢。韓國Pohang大學的Kwon等[23]對熔體與模壁的滑移現象進行了數值仿真，并開發了專門用于粉末注射成形的CAE軟件Pimflow，為粉末注射成形模具設計和過程分析提供理論指導。

1.3 脫脂

脫脂是利用生坯中不同物質的不同熔點或溶解度去除粘結劑的過程。脫脂工藝的選擇取決于金屬粉末注射成形所用的粘結劑體系。采用多組元粘結劑體系，在脫脂過程中可以分步去除，既可以提高脫脂效率，又能保證脫脂過程中剩余足夠的其他組元來保持金屬粉末在其適當的位置[22]。肖平安等[24]發明了一種梯度負壓熱脫脂技術，圖5為該技術的裝置示意圖。脫脂時將零件埋于填料粉末中，容器的底部進行抽真空的同時在容器的頂部通入氣體，形成梯度負壓，脫脂速度更快更徹底，并解決脫脂后粘結劑的回收問題。

圖5 梯度負壓脫脂技術裝置示意圖[25]Fig.5 Schematic diagram of the gradient vacuum degreasing technology[25]

熱脫脂的核心是控制熱分解產生的物質在粉末顆粒中的擴散過程。熱脫脂工藝簡單、成本低、對設備要求低，但同時也存在注射坯易變性、脫脂效率低以及脫脂不徹底等缺點。Camargo等[25]通過對熱脫脂工藝動力學的研究發現，擴散是熱脫脂的決定因素。圖6[25]為使用兩種不同粘結劑脫脂后樣品的微觀結構，熔體流動指數（MFI）較低的樣品（LFPP）比熔體流動指數較高的樣品（HFPP）顯示出更大的孔，這表明熔體流動指數較低的樣品分解形成大碎片，粗化了原始的毛孔，證明了擴散是熱脫脂的決定因素。

圖6 脫脂后樣品的微觀結構：（a）LFPP；（b）HFPP[25]Fig.6 Microstructure of the sample after degreasing: (a) LFPP; (b) HFPP[25]

溶劑脫脂工藝是將溶劑滲透到注射坯的內部，將注射坯內部粘結劑中可溶解成分溶解并隨溶劑脫出。由于溶劑脫脂只脫去粘結劑中的可溶解成分，因此通常會在溶劑脫脂之后再進行一次熱脫脂。溶劑脫脂工藝脫脂速度快，且脫脂溫度在粘結劑軟化溫度之下，不易產生熱變形。但溶劑進入注射坯內部后，也可能因其過分膨脹而導致注射坯變形開裂。除此之外，溶解劑一般為有機溶劑，對人體和環境有害。

催化脫脂是目前國內外應用較多的脫脂工藝，該工藝綜合了熱脫脂和溶劑脫脂的優點，克服了傳統脫脂工藝脫脂時間長、脫脂不徹底的缺點。20世紀90年代，德國BASF公司開發出了Metamold脫脂工藝[26]，脫脂時從零件外部區域向內部區域進行，解決了傳統熱脫脂工藝脫脂時氣體難以逸出所造成的脫脂不完全問題。

1.4 燒結

和傳統粉末冶金技術一樣，金屬粉末注射成形進行燒結的目的也是使金屬粉末之間發生冶金結合，從而提高零件的強度。一般來說，金屬粉末注射成形燒結時的溫度控制在金屬熔點的0.7～0.8。根據燒結的過程中是否有液相的產生，又分為固相燒結和液相燒結。范景蓮等[27]通過實驗證明，即使是液相燒結，金屬粉末發生大部分致密化也是產生于固相燒結階段。

金屬粉末注射成形燒結的研究重點主要集中在燒結設備的設計以及燒結尺寸精度的控制。德國CREMER公司針對Metamold脫脂技術發明了一種連續脫脂燒結爐，實現了脫脂、燒結一體化，脫脂速率可達1～4 mm·h?1。在燒結過程中，注射坯會產生14%～18%的均勻收縮，收縮比例的大小取決于注射料中粘結劑的含量以及金屬粉末的粒度，想要得到和預期一樣形狀的零件，就要求前期的混料接近絕對均勻，且在注射階段不發生兩相分離。為了獲得所需的性能，燒結時需控制燒結體的組織和密度，從而控制產品的尺寸和精度。此外，燒結過程中升溫速度、燒結氣氛以及保溫時間、降溫速度等也會影響燒結的效果。戴煜和王利民[28]在已有真空脫脂燒結爐基礎上，設計了一種分壓控制式真空脫脂燒結一體爐，其結構如圖7所示，該裝置通過兩套壓力控制系統分別實現分壓脫脂以及恒壓燒結。

圖7 分壓控制式真空脫脂燒結一體爐示意圖[28]Fig.7 Schematic diagram of the partial pressure controlled vacuum degreasing and sintering integrated furnace[28]

1.5 工藝改進

為了將不同性能的兩種或幾種材料結合在同一零件中，在金屬粉末注射成形的基礎上開發出了一種粉末共注射成形技術，通過一臺帶有兩個或兩個以上料筒，但是只有一個噴嘴的注射機實現，其中一個料筒用于成形零件的外殼，另一個料筒用于成形零件的芯部[29]。Chen等[30]采用粉末共注射成形技術制備了一種新的仿生種植結構，該結構有利于種植骨中的界面應力傳遞到周圍的骨質結構中，其外層多孔結構最大孔隙可達400 μm。

German[31]和Zauner[32]針對微型零件的生產提出微粉末注射成形技術，Rota等[33]研究發現該技術用于金屬成形領域可制得高強度、耐腐蝕、磁性能優異的微型零件。Zeep等[34]和Piotter等[35]采用微粉末注射成形技術制備氦冷卻偏濾器，如圖8（a）所示，燒結密度可達96%，表明微粉末注射成形技術能夠生產出符合使用要求的小型零部件。Nishiyabu[36]將 LIGA（lithographie galvanoformung abformung）技術與金屬粉末注射成形相結合，制備出高精度的微型柱狀316L不銹鋼零件。但是，LIGA技術會使整個制備過程極為復雜且耗時較長，Ammosova等[37]利用微加工機器人在模具鑲件表面制造微織構結構，進而快速生產具有相應微結構的零件。Piotter等[38]使用微粉末注射成形技術制備316L不銹鋼微型臺階齒輪，如圖8（b）所示，最小齒寬可以達到50 μm。尹海清等[39]研究了齒頂圓直徑小于1 mm的微型齒輪的粉末微注射成形工藝，并對零件性能表征的測試設備及方法進行了介紹。

圖8 微注射成形零件：（a）氦冷卻偏濾器[34?35]；（b）316L不銹鋼微型臺階齒輪[38]Fig.8 Micro injection molding parts: (a) helium cooled divertor[34?35]; (b) 316L stainless steel miniature step gear[38]

1.6 國內外應用領域

作為當今熱門的金屬零部件成形技術，金屬粉末注射成形技術被廣泛應用于電子產品、醫療器械、汽車等行業，圖9是2017年世界金屬粉末注射成形產業市場分布圖[40]。我國金屬粉末注射成形產品中的82%為3C產品[41]，其中手機67.5%，可穿戴設備7.1%，計算機7.4%。然而在醫療器械方面，日本和北美在市場上占有主要份額，分別為38%和21.3%。汽車產業方面則由歐洲占有最大市場份額（22%）。

圖9 2017年世界金屬粉末注射成形產業市場分布[40]Fig.9 Market distribution of the world MIM industry in 2017[40]

2 金屬粉末注射成形數值模擬

2.1 流動模型研究進展

目前已有的流動模型大體上可以分為連續介質模型、兩相流模型以及顆粒模型三種。

連續介質模型把金屬粉末注射成形喂料熔體假設為內部沒有任何孔隙的均一連續介質，將充模過程看作非牛頓流體的非等溫、非穩態層流流動。Najima[42]和卓海宇等[43]基于以上假設理論分別建立了金屬粉末注射成形充模流動的基本控制方程。該模型由于將金屬粉末和粘結劑看成同一介質，故無法分析出金屬粉末注射成形中的兩相分離問題。

兩相流模型將喂料中的金屬粉末和粘結劑分別看作兩種流體，該模型能夠很好預測注射過程中必然出現的兩相分離現象。Samanta等[44]結合粘結劑的半晶體特性，模擬分析了喂料的填充過程，并預測了粉末–粘結劑的分離情況。王會玉等[45?47]基于粉末–粘結劑雙流體模型，利用CFX軟件對充模過程中粉末和粘結劑的分布情況進行了數值分析，證明了粉末注射成形中特有的邊界層效應的存在，通過研究進一步發現減小密度差以及適當增加喂料的黏度均可有效減少邊界層效應。

顆粒模型直接將粉末顆粒作為一個單元，從顆粒與顆粒、顆粒與粘結劑的相互作用中導出動量輸運方程[48]。使用這種方法可以直接考察粉末特性（粒度、粘徑分布、密度、形狀）對流動過程的影響，從而通過監視流動過程中粉末的變化、聚積來預測密度分布和分離現象等。Iwai等[49]提出了粉末和粘結劑共同作用完成填充的顆粒模型，可以計算每一個顆粒的運動情況，其模型如圖10所示，假設每一粒金屬粉末都被粘結劑所包裹，包裹不同顆粒的粘結劑之間產生相互作用。鄭洲順等[50]、劉煜等[51]、李大鵬[52]將型腔中的喂料分為金屬粉末、粘結劑以及空氣，進而建立了三相流模型，也是顆粒模型的一種表現形式。該模型雖然有創意，但在實際應用中，由于還存在一系列的微觀邊界條件和參數的測定問題，所以與連續介質模型和兩相流模型相比，顆粒模型難度大、復雜度高，目前還不成熟。

圖10 Iwai顆粒模型示意圖[51]Fig.10 Schematic diagram of Iwai particle model[51]

2.2 數值模擬應用

對金屬粉末注射成形進行數值模擬主要是對其注射階段充模過程進行模擬，主要研究工藝參數及模具結構對生坯質量的影響。鄭洲順等[53]建立了澆道模壁凝固層厚度的數學模型，該模型可預測澆道模壁凝固層厚度的增長情況，為進一步優化工藝設計提供了理論依據。吳苑標和鄭振興[54]建立了粉末注射模具的澆注系統優化設計模型，并采用Moldflow進行模擬分析，結果表明優化后的模具鎖模力和成形周期明顯下降，且生坯密度明顯提高。劉飛和李文明[55]采用Moldflow軟件分別對不同數量和位置的四種澆口方式進行了模擬，得出了最優澆口方式。鄭振興等[56]對金屬粉末注射成形中的注射過程進行數值模擬，成功預測了各工藝參數及其交互作用對生坯質量的影響，得出了最優工藝參數組合。

3 結論與展望

（1）為降低原材料的成本，增強市場競爭力，應開展對大顆粒金屬粉末成形技術的研究。但采用大顆粒金屬粉末也會帶來尺寸精度難以控制且后處理較為復雜等問題，應在降低原材料成本的同時充分考慮整體成本問題。

（2）開發新的脫脂燒結工藝，減少零件中殘留的粘結劑成分，從而降低因殘留有粘結劑成分而導致的力學性能下降。

（3）研究多金屬組元注射成形技術，尤其是針對結構較為復雜、性能要求較高的高精密零件的注射成形技術。

（4）將金屬粉末注射成形與增材制造相結合，深入研究粘結劑噴射成形技術或者間接3D打印技術，拓寬金屬粉末注射成形應用范圍。

（5）開發更為先進的金屬粉末注射成形仿真模擬軟件，尤其是屬于自己的仿真軟件，充分發揮數值模擬技術對于金屬粉末注射成形的指導作用。