§11.5粉末注射成形技術

粉末注射成形(powderinjectionmolding，簡稱PIM)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近凈形成形新技術。它的基本工藝過程如圖11-14所示。

第11章粉末冶金新技術新工藝§11.5粉末注射成形技術粉末注射成形(p1粉末注射成形的基本工藝過程是：首先將固體粉末與有機黏結劑均勻混合并制成粒狀喂料，在加熱狀態下用注射成形機將其注入模腔內冷凝成形，然后用化學溶解或熱分解的方法將成形坯中的黏結劑脫除，最后經燒結致密化得到最終產品。該技術的最大特點是可以直接制造出具有最終形狀的零部件，產品不僅精度高、組織均勻、性能優異，而且生產成本只有傳統成形工藝的20％~60％。因此，國際上普遍認為該技術的發展將會導致零部件成形與加工技術的一場革命，已成為國際上“當今最熱門的零部件成形技術”。

粉末注射成形的基本工藝過程是：首先將固體粉末2

粉末注射成形技術的原型起源于20世紀20年代，最早是應用于制造陶瓷火花塞。第二次世界大戰期間，在美國的曼哈頓計劃中，美國橡樹嶺國家實驗室采用粉末注射成形方法制備了用于原子彈核燃料鈾同位素分離的鎳管。1976年，第一項金屬粉末注射成形技術的專利授權給River。由于當時粉末原料成本高、脫脂時間長、產品易變形等問題沒有解決，其發展非常緩慢。直道1979年，美國Parmatech公司有兩件PIM產品在國際粉末冶金大會的產品設計大賽中獲獎后，PIM技術才開始受到粉術冶金界的關注。

粉末注射成形技術的原型起源于20世紀20年代，320世紀80年代由于美國政府研究機構和大學的介入，使研究工作向深層次發展，從完全憑經驗進入到在一定理論指導下工作，這一時期PIM技術得到了迅速的發展。這一方面歸于在流體力學和氣體動力學研究成果基礎上開發出的超高壓水霧化和高壓惰性氣體霧化技術的發展，使細粉率大大提高，原材料成本下降。另一方面，在黏結劑設計理論和脫脂機理等研究成果的指導下，新一代黏結劑及其脫除技術的開發成功，不僅使原來的脫脂時間從數十小時縮到幾個小時，而且其保形性得到明顯的改善，大規模生產的產品的尺寸精度從±0.5％提高到了±0.3％。進入20世紀90年代，一方面，是PIM工藝進一步改進，新材料、新工藝不斷涌現，另一方面，產業化發展非常迅速。20世紀80年代由于美國政府研究機構和大學的4黏結劑是PIM技術的核心，在PIM中黏結劑具有增強粉體流動性和維持坯塊形狀的兩個基本職能，此外它還應具有易于脫除、無污染、無毒性、成本合理等特點。黏結劑一般是由低分子量組元與高分子量組元加上一些必要的添加劑和表面活性劑構成。

低分子量組元黏度低，流動性好，易脫去；高分子量組元黏度高，強度高，保證成形坯具有一定的強度。添加劑和表面活性劑主要用以增強黏結刺的流動性和與粉末的相容性。各組元以適當比例搭配以獲得高的粉末裝載量，最終得到高精度和高均勻性的產品。通常采用的黏結劑體系主要有：熱塑性體系(石蠟基、汕基和聚合物基)、熱固性體系、熱固-熱塑性體系，凝膠體系和水溶性體系等。表11-2列舉了一些已公開的黏結劑配方。

黏結劑是PIM技術的核心，在PIM中黏結劑具5表11-2列舉了一些已公開的黏結劑配方：表11-2列舉了一些已公開的黏結劑配方：6材料加工新技術與新工藝-11-2課件7傳統的黏結劑在熱脫脂過程中，由于幾乎是在成形坯內外同時分解，脫脂速率極慢，往往需要數十小時甚至數天，加快熱脫脂速度往往會造成鼓泡和開裂等無法彌補的缺陷。采用液／固或氣／固界面反應脫脂(即溶劑脫脂和氣相脫脂)，可以使脫脂過程由外及里推進，可以有效地提高脫脂速率，已成為黏結劑開發的主要發展方向。由于水的價格低廉、無毒，有利于環保，開發水溶性黏結劑體系是溶劑脫脂技術研究的重點。由德國BASF公司開發的黏結劑及其催化脫脂技術是目前應用于工業化生產中最先進的脫脂技術之一，并可為粉末注射成形廠家直接供應喂料和提供后續生產工藝。德國CREMER公司已開發出了適應該技術的連續脫脂和燒結一體化爐，該技術的脫脂速率可達到1～4mm／h。傳統的黏結劑在熱脫脂過程中，由于幾乎是在成形8粉末注射成形技術由于采用了大量的黏結劑作為粉末流動填充模腔的載體，所以可以像成形塑料那樣制備出各種任意形狀的粉末冶金零部件，這是傳統粉末冶金模壓工藝不可能達到的。由于射成形是一種近凈形成形工藝，產品基本上不需要后續加工，有些需要幾十道機加工工序才能完成的產品采用PIM可以一次成形，制造成本相對較低。PIM技術還可以實現零部件一體化。由于加工技術或者材料性能的原因，有些部件采用傳統技術制造時，需要加工成幾個零件來組裝，有時幾個零件的材料還不一樣。

粉末注射成形技術由于采用了大量的黏結劑作為粉9采用PIM技術則可以直接制成一個整體復合部件如圖11-15所示。

采用PIM技術則可以直接制成一個整體復合部件如10由于注射成形的原料是以流態狀均勻充填模腔，成形坯粉術密度分布均勻，避免了粉冶金模壓工藝中由于模壁摩擦壓力損失所造成的成形坯密度分布不均勻問題，這樣可以大大減少燒結變形。此外，由于PIM技術所用的粉來一般較細，產品燒結后可以達到很高的密度，因此，PIM產品的力學性能一般優于粉末冶金模壓和精密鑄造產品。圖11-16是一些典型的粉末往射成形產品的照片。由于注射成形的原料是以流態狀均勻充填模腔，成11材料加工新技術與新工藝-11-2課件12§11.6溫壓成形技術溫壓成形的基本工藝過程是：將專用金屬或合金粉和聚合物潤滑劑混合后，采用特制的粉末加熱系統、粉末輸送系統和模具加熱系統，升溫到75～150℃，壓制成壓坯，再經預燒、燒結、整形等工序。采用溫壓成形技術可獲得密度高達7.2～7.5g／cm3的鐵基粉末冶金零件。溫壓成形的工藝路線如圖11-17所示。

§11.6溫壓成形技術13溫壓可以顯著提高壓坯密度的機理一般歸于在加熱狀態下粉末的屈服強度降低(如圖11-18所示)和潤滑劑作用增強。溫壓成形技術由Hoeganaes公司于1994年正式工業化應用，并推出了Ancordense和Densemix兩種牌號的溫壓成形專用粉末。在材料達到同等密度的前提下，溫壓工藝的生產成本比粉末鍛造低75％，比復壓／復燒低25％，比滲銅低15％。

溫壓可以顯著提高壓坯密度的機理一般歸于在加熱14在零件達到同等力學性能和加工精度的前提下，溫壓工藝的生產成本比現行熱、冷機械加工工藝低50％~80%，生產效率提高10~30倍。溫壓成形因其成本低、密度高、模具壽命長、效率高、工藝簡單、易精密成形和可完全連續化、自動化等一系列優點而受到關注，被認為是20世紀90年代粉末冶金零件致密化技術的一項重大突破，被譽為“開創粉末冶金零件應用新紀元的一項新型制造技術”。該技術已廣泛應用于制造汽車零件和磁性材料制品，如：渦輪輪轂、形狀復雜的齒輪和斜齒輪、鎖零件、發動機連桿和閥座等。

在零件達到同等力學性能和加工精度的前提下，溫15溫壓成形的鐵基材料的力學性能可以與鍛鋼比美，兩者的屈服強度和拉伸斷裂強度都基本相當，因此可以用溫壓成形制品來取代部分鍛鋼產。需要指出的是，粉術冶金產品的伸長率一般較低，選擇溫壓成形工藝需要考慮其產品的延性和沖擊韌性。溫壓成形技術使用的壓機和模具與傳統模壓基本相同，惟一不同的是溫壓成形需要一套粉末和模具加熱系統。模具和粉末的溫度一定要均勻和穩定，一般控制在±2.5℃，最高溫度不超過170℃，超過此溫度后，添加的潤滑劑和黏結劑就會分解，從而影響粉末的流動性。

溫壓成形的鐵基材料的力學性能可以與鍛鋼比美，16§11.7熱壓成形技術

熱壓又稱為加壓燒結，是把粉末裝在模腔內，在加壓的同時使粉末加熱到正常燒結溫度或更低一些，經過較短時間燒結獲得致密而均勻的制品。熱壓可將壓制和燒結兩個工序一并完成，可以在較低壓力下迅速獲得冷壓燒結所達不到的密度，從這個意義上說，熱壓是一種強化燒結。原則上，凡是用一般方法能制得的粉末零件，都適于用熱壓方法制造，尤其適于制造全致密難熔金屬及其化合物等材料。熱壓方法的最大優點是可以大大降低成形壓力和縮短燒結時間，另外，可以制得密度較高和晶粒較細的材料。§11.7熱壓成形技術17熱壓模可選用高速鋼及其他耐熱合金，但使用溫度應在800℃以下。當溫度更高(1500～2000℃)時，應采用石墨材料，但承壓能力卻降低到70MPa以下。一般對于低溫、高壓的操作，可選擇金屬或硬質合金模；高溫、低壓操作則選擇石墨模。熱壓加熱的方式分為電阻間接加熱式、電阻直接加熱式和感應加熱式三種。●電阻間接加熱式電阻間接加熱是電流通過碳管發熱（圖中1），對模具和粉末坯同時加熱。

熱壓模可選用高速鋼及其他耐熱合金，但使用溫18●電阻直接加熱式（圖b）采用電阻直接加熱時，電流主要通過壓橫材料發熱，使得與上下沖模和模腔接觸的部位比其他部位溫度高。●

感應加熱式（圖c）采用感應加熱時，由于粉末坯塊中的渦流大小與坯塊密度有關，在熱壓后期密度升高，電阻降低，渦流發熱也減少，溫度不好控制。因此，在進行熱壓模具沒計時，除了要保證溫度外，要特別注意溫度分布的均勻性。●電阻直接加熱式（圖b）●感應加熱式（圖c）19為了減少空氣中氧的危害，真空熱壓機已經得到廣泛應用。在沒有真空熱壓機的條件下，可以采用如下措施來減少壓坯的氧化：(1)加熱前先將粉末壓實：(2)模具配合嚴密，可防止空氣大量進入模腔；(3)將保護氣氛經過專門的管道引入模腔內；(4)將整個模具置入一密封的耐熱管中，并采用外置式間接加熱或感應加熱方式；(5)在粉末中加進一些高溫下能產生還原性氣氛的物質，如碳、金屬氫化物、酒精等。

為了減少空氣中氧的危害，真空熱壓機已經得到廣20§11.8等靜壓成形技術等靜壓制是伴隨現代粉末冶金技術而發展起來的一種新的成形方法。通常，等靜壓成形按其特性分成冷等靜壓(CIP)和熱等靜壓(HIP)，前者常用水或油作壓力介質，故有液靜壓、水靜壓或油水靜壓之稱；后者常用氣體(如缸氣)作壓力介質，故有氣體熱等靜壓之稱。

等靜壓成形是將待壓試樣置于高壓容器中，利用液體（或氣體）介質不可壓縮的性質和均勻傳遞壓力的性質從各個方向對試樣進行均勻加壓，當液體介質通過壓力泵注入壓力容器時，根據流體力學原理，其壓強大小不變且均勻地傳遞到各個方向。此時高壓容器中的粉料在各個方向上受到的壓力是均勻的和大小一致的。§11.8等靜壓成形技術21等靜壓制過程是借助于高壓泵的作用把流體介質(氣體或液體)壓人耐高壓的鋼質密封容器內。高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內的粉末上，粉末體在同一時間內在各個方向上均衡地受壓而獲得密度分布均勻和強度較高的壓坯(如圖11-20所示)。等靜壓制過程是借助于高壓泵的作用把流體介質(22等靜壓制法比一般的鋼模壓制法有下列優點：

①能夠壓制具有凹形、空心等復雜形狀的壓件；②壓制時，粉末體與彈性模具的相對移動很小，所以摩擦損耗電很小，單位壓制力較鋼模壓制法低；③能夠壓制各種金屬粉末和非金屬粉末，壓制坯件密度分布均勻，對難熔金屬粉末及其化合物尤為有效；④壓坯強度較高，便于加工和運輸；⑤冷等靜壓的模具材料是橡膠和塑料，成本較低廉；⑥能在較低的溫度下制得接近完全致密的材料。等靜壓制法比一般的鋼模壓制法有下列優點：23等靜壓制法的缺點：

①對壓坯尺寸精度的控制和壓坯表面的光潔度都比鋼模壓制法低；②盡管采用干袋式或批量濕袋式的等靜壓制，生產效率有所提高，但一般地說，生產率仍低于自動鋼模壓制法；③所用橡膠或塑料模具的使用壽命比金屬模具要短得多。等靜壓制法的缺點：241.冷等靜壓制冷等靜壓力機主要由高壓容器和流體加壓泵組成。輔助設備有流體儲罐、壓力表、輸送流體的高壓管道和高壓閥門等。圖11-21所示為冷等靜壓力機的工作系統。物料裝入彈性模套被放置入高壓容器內。壓力泵將過濾后的流體注入壓力容器內使彈性模套受壓，施加壓力達到了所要求的數值之后，開啟回流閥使流體返回儲罐內備用。1.冷等靜壓制物料裝入彈性模套被放置入高壓25

壓力容器是壓制粉末的工作室，其大小由所需要壓制工件的最大尺寸按一定的壓縮率放大計算。工作室承受壓力的大小應由粉末特性、壓坯性能和壓坯尺寸來確定。根據不同的要求，高壓容器可被設計成單層筒體、雙層筒體或纏繞式筒體。等靜壓力機按照工作室尺寸、壓力及軸向受力狀態可分成三種基本類型，即拉桿式、螺紋式及框架式。表11-6比較了它們的特、缺點和適用范圍。壓力容器是壓制粉末的工作室，其大小由所需要壓26材料加工新技術與新工藝-11-2課件27冷等靜壓制按粉料裝模及其受壓形式可分為濕袋模具和干袋模具壓制。

濕袋模具壓制的壓制裝置如圖11-22(a)所示。把無須外力支持也能保持一定形狀的薄壁軟模裝入粉末料，用橡皮塞塞緊密封袋口然后套裝入穿孔金屬套一起放入高壓容器中，使模袋泡浸在液體壓力介質中經受高壓泵注入的高壓液體壓制。濕袋模具壓制的優點：能在同一壓力容器內同時壓制各種形狀的壓件；模具壽命長、成本低。濕袋模具壓制的主要缺點是，裝袋脫模過程中消耗時間較多。冷等靜壓制按粉料裝模及其受壓形式可分為濕袋模28

干袋模具壓制的壓制方式如圖11-22(b)所示。干袋固定在簡體內，模具外層襯以穿孔金屬護套板，粉末裝人模袋內靠上層封蓋密封。高壓泵將液體介質輸入容器內產生壓力使軟模內粉末均勻受壓。壓力除去后即從模袋取出壓塊，模袋仍然留在容器內供下次裝料用。干袋式模具壓制的特點是生產率高，易于實現自動化，模具壽命較長，據報道自動干袋模具壓制生產率可達10～15個／min。直徑較大的制品(如直徑為

150mm)的生產率也可以達到300件／h。干袋模具壓制的壓制方式如圖11-22(b)所292.熱等靜壓制把粉末壓坯或把裝入特制容器(粉末包套)內的粉末體置入熱等靜壓機高壓容器中，施以高溫和高氣壓，使這些粉末體被均勻壓制和燒結成致密的零件或材料的過程稱為粉末熱等靜壓制。粉末體(粉末壓坯或包套內的粉末)在等靜壓高壓容器內同一時間經受高溫和高壓的聯合作用，可以強化壓制與燒結過程，降低制品的燒結溫度，改善制品的組織結構。消除材料內部顆粒間的缺陷和孔隙，提高材料的致密度和強度。

2.熱等靜壓制30熱等靜壓制設備通常是由裝備有加熱爐體的壓力容器和高壓介質輸送裝置及電氣設備組成。但熱等靜壓制技術發展中一個值得重視的動向是用預熱爐在熱等靜壓機外加熱工件，省去壓力容器內的加熱爐體，這將會提高壓機容器的有效容積，消除了由于容器內爐體裝接電極柱造成密封的困難，成倍地提高熱等靜壓機的工作效率。熱等靜壓機的壓力容器是用高強度鋼制成的空心圓筒體，直徑一般為150~1500mm，高500～3500mm，工件的體積在0.028~2m3之間。通常壓力范圍7~200MPa，最高使用溫度范圍一般為1000~2300℃。

熱等靜壓制設備通常是由裝備有加熱爐體的壓力容31壓力容器主要有兩種密封形式，即螺紋式及框架式。螺紋式密封的熱等靜壓機的壓力容器容積都比較小，只適于在實驗室內壓制小型制品。框架式密封的壓力容器的特點是容積大，運轉速度快，操作方便，安全可靠。除壓力容器外，容器內的加熱爐是熱等靜壓機的重要部件，主要由加熱元件、熱電偶與隔熱屏組成。加熱元件的材料按設計的溫度范圍選定。當爐子設計溫度為1000～1200℃時，可選擇Fe-Cr-Al-Co耐熱合金絲作發熱元件，它可在1230℃長期使用。當設計溫度在1700℃以上時，可選擇鉬絲、石墨、鎢絲等作發熱元件，但這些材料需要在保護氣氛或惰性氣氛中工作。

壓力容器主要有兩種密封形式，即螺紋式及框架式32熱等靜壓制時常選用惰性氣體如氦及氬作壓力介質。由于氬氣的熱導率比氦低(氬的熱導率為0.158kW／m·K，氦的熱導率為l.38kW／m·K)，用氬氣作壓力介質時能夠使工作區爐溫很快地達到所要求溫度并能保持溫度分布均勻。此外，氬氣的成本比氦低。在熱等靜壓制系統中必須精確可靠地控制壓力和溫度參數。適當的自動化能降低成本和保證安全，兩者對于有效的組織生產都是十分重要的。典型的熱等靜壓升溫加壓過程如圖11-23中所示。

熱等靜壓制時常選用惰性氣體如氦及氬作壓力介質33升壓和降壓速度一般不需任何控制，溫度的控制需要特別注意。爐內溫度分布均勻度很大程度取決于爐子的設計和電熱體的配置。目前，工業上使用爐體恒溫時溫度均勻度可控制在±5℃到±14℃之間，連續冷卻速度可大于30℃／min。

升壓和降壓速度一般不需任何控制，溫度的控制需34熱等靜壓是消除制品內部殘存微量孔隙和提高制品相對密度的有效方法。目前已有許多金屬粉末或非金屬粉末采用熱等靜壓法壓得接近理論密度值的制品和材料，如表11-7所示。熱等靜壓是消除制品內部殘存微量孔隙和提高制品35國內外已采用熱等靜壓技術制取了核燃料棒、粉末高溫合金渦輪盤、鎢噴嘴、陶瓷及金屬基復合材料等。至今，它在制取金屬陶瓷、硬質合金、難熔金屬制品及其化合物、粉末金屬制品、金屬基復合材料制品、功能梯度材料、有毒物質及放射性廢料的處理等方面都得到了廣泛應用。熱等靜壓技術已成為提高粉末冶金制品性能及壓制大型復雜形狀零件的先進技術。圖11-24顯示了熱等靜壓技術壓制的一些產品。國內外已采用熱等靜壓技術制取了核燃料棒、粉末36材料加工新技術與新工藝-11-2課件373.燒結-熱等靜壓法燒結-熱等靜壓制(sinter-HIP)過程是把經模壓或冷等靜壓制的坯塊放入熱等靜壓機高壓容器內，依次進行脫蠟、燒結和熱等靜壓制，使工件的相對密度接近100％。這是繼常規熱等靜壓制技術之后開發出的一種先進工藝。

脫蠟(或其他成形劑)和燒結可在真空狀態下或在工藝確定的氣體(如氯、氮氫混合氣、甲烷)保護下進行。按照傳統的燒結概念，液相和固相燒結都會促進燒結坯塊內部孔隙減少，并產生收縮和致密化。在這一過程中，燒結溫度和時間是要準確控制的參數，熱等靜壓制是使燒結坯塊密度進一步提高，以接近理論密度值。3.燒結-熱等靜壓法38壓塊在同一爐體(壓力容器)內進行燒結和熱等靜壓制，壓塊在燒結后期直接施加高壓，這就避免了降溫冷卻升溫加熱的附加操作，也避免了壓坯轉運時可能受到的損壞，并保持燒結與熱等靜壓制時溫度穩定。燒結-熱等靜壓過程中的熱等靜壓制階段使產品均勻收縮與致密化，溫度、壓力、時間三個工藝參數相互關系示于圖11-25。

壓塊在同一爐體(壓力容器)內進行燒結和熱等靜39粉末體的致密化是由材料的塑性、高溫下蠕變和原子擴散速度所確定。試驗結果表明，液相燒結材料在較低的壓力下短時熱處理可以完全致密化，固相燒結材料要完全致密化則需要更高壓力和更長時間。燒結-熱等靜壓已在硬質合金、鈦合金、先進陶瓷材料的制備方面獲得了廣泛應用。

液相燒結至少具有兩種組分的粉末或壓坯在形成一種液相的狀態下燒結。

粉末體的致密化是由材料的塑性、高溫下蠕變和原404.準熱等靜壓工藝熱等靜壓技術雖然有很多優點，但存在設備昂貴和加工周期長等缺點，雖然采取在高壓容器中加壓介質急劇對流和在爐內強制冷卻等方法提高生產效率，但效率仍明顯低于普通冶煉方法。為克服上述缺點所發展的準熱等靜壓技術是利用簡單設備以較高的效率生產大體具有各向同性的制品或材料的一種工藝方法。該方法是采用一種高溫下具有流體特性的顆粒(如石墨顆粒、陶瓷顆粒)作為傳遞壓力的介質以代替熱等靜壓制所用惰性氣體。4.準熱等靜壓工藝41工作時，將經過預燒的粉末預制件在保護氣氛中加熱至致密化溫度，將作為加壓介質的陶瓷顆粒也加熱至相等溫度并充填于加壓容器中，然后將經過加熱的預制件插入其中，陶瓷顆粒的流動將施加的單向壓力轉變為等靜壓施加于預制件上，使之在保持原來形狀的基礎上致密化。準熱等靜壓制工藝過程如圖11-26所示。此方法是由美國金屬合金公司研究成功，現已將專利轉讓投入生產。工作時，將經過預燒的粉末預制件在保護氣氛中加42§11.9場活化燒結技術

場活化燒結是利用外場的活化作用實現低溫快速燒結致密化的一種燒結技術。活化燒結用物理的或化學的方法促進燒結過程或提高制品性能所采取的有利于燒結的措施。如鐵粉通過鹵化氫氣體活化，鎢或鉬在水汽、CO2中燒結；鋯粉中加入氫化物等；物理法如液相燒結、鐵基合金加入磷和硼粉、超聲波燒結、磁場燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結和真空燒結等。

§11.9場活化燒結技術4320世紀80年代以來，脈沖放電對粉體燒結的有效作用得到的廣泛的關注，一系列的場活化燒結設備相繼開發出來并得到應用。如：日本開發了脈沖放電固結設備、電火花／等離子燒結設備或稱等離子活化燒結設備；韓國開發了電阻／電火花加壓燒結設備；俄羅斯研制了脈沖放電加壓燒結設備；美國開發了高能高速工藝和設備；巴西開發了等離子燒結設備。20世紀80年代以來，脈沖放電對粉體燒結的有44到目前為止，對場活化燒結的機理還不是十分清楚，但一般認為是外場可以清除粉末表面的氧化膜和雜質，促進燒結頸的形成。日本第三代電火花／等離子燒結機(SPS)的開發成功極大地推進了該技術作為一種先進的粉末冶金技術的工業化應用。圖10-27顯示了電火花／等離子燒結機的工作原理和一般的工藝過程。

到目前為止，對場活化燒結的機理還不是十分清楚45第三代