MIM工艺中的固相烧结和液相烧结

在金属注射成形工艺中，烧结是一个非常关键的环节，它是将脱脂后的多孔坯件进行致密化的过程。烧结过程中温度和时间的把握直接影响到***终成品的性能，在该工艺中，名副其实需要掌握好火候的就是这个环节。脱脂后的坯件在进行烧结时粉末在低于其主要组成成分的温度下通过原子前一来完成粉末颗粒间的联结，减少颗粒间的空隙，从而达到致密化的目的。当使清洁的金属表面相互接触时，由于它们之间的接触面积小，从而它们之间的黏着力小。在MIM工艺中，致密化后的坯件还是会具有人们事先设计好的与注射模具相符的形状，只是经过烧结变得具有了一定强度和性能，可以承受一定的外力，不会像刚脱完脂的坯件那样多孔易碎。

曾经有人从两个方面总结MIM烧结的特点，从宏观来看，坯件整体的气孔率下降、坯件的致密度提高，从微观来看，粉末颗粒的原子发生里质点转移，使粉末不需要粘结剂的作用便可产生颗粒间的粘结来保持一定的形状和性能。

烧结的原理就是在一定的温度下，利用热的力量刺激粉末的原子使其发生物理位置的迁移，将粉体状的坯件变成颗粒联结紧密的块状的坯件。由此可以看出温度对于烧结的重要性，从理论上来讲，温度越高，烧结过程中产生的原子迁移运动越迅速，从一个位置到另一个位置的原子的量也就越多，烧结过程也就进行得越快。放热型可用于控制粉末冶金（含注射成形）烧结制品中的碳含量控制，分为淡型和浓型气氛，淡型放热气氛的碳势很低，用作低碳钢、铜制品的烧结时，只用作无氧化加热。

在实际的生产应用中，人们会经常提到两个词：固相烧结和液相烧结，其实这没有什么费解的，关于二者的区别，简单一点说就是根据烧结温度不同，固相烧结就是烧结温度低于所有组成成分的熔点，而液相烧结则是烧结温度低于主要组成成分的熔点。同时这两种烧结方法又有一个共同点：都是不施加外部压力的情况下进行的。说到喂料生产就不得不提混炼，混炼是喂料生产的***步，它是使金属粉末表面包覆一层粘结剂，使得金属粉末和粘结剂组成均匀一致混合料的过程。

因此，固相烧结和液相烧结又被成为无压烧结，这主要是相对于热压、热锻、热等静压等加压烧结方法而言的。在MIM工艺中一般都是采用无压烧结的方法进行坯件的烧结。

粉末冶金行业发展势不可挡

粉末冶金属于现代工业发展的朝阳产业，以制取金属或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。

　　我国粉末冶金行业起步较晚，但发展迅猛，特别是汽车行业、机械制造、金属行业、航空航天、仪器仪表、五金工具、工程机械、电子家电及高科技产业等迅猛发展，为粉末冶金行业带来了较大的发展机遇。

　　具体数据显示，1948年我国硬质合金产量仅有2-3万吨，但2000年后我国粉末冶金市场迅速崛起。2009年我国粉末冶金行业产量为11.30万吨，超过日本跃居亚洲首位。2014年粉末冶金行业销量达19.18万吨，2017年增长至20.08万吨，增幅为4.7%。发黑时所需温度的宽容度较大，大概在135摄氏度到155摄氏度之间都可以得到不错的表面，只是所需时间有些长短而已。

　　从应用领域来看，现阶段，我国粉末冶金产品主要应用于汽车、家电、电动工具、摩托车、农业机械及工程机械等工业。随着我国汽车行业的快速发展，粉末冶金制品本土化需求不断扩大，2016年，应用于汽车方面的粉末冶金零件共10.09万吨，占比54.69%，同比上升6.55%。未来下游产业的发展将会继续拉动上游产业的发展，整个行业的容量仍在不停扩大。因此，国际上普遍认为该技术的发展将会导致零部件成形与加工技术的一场革命，被誉为“当今***热门的零部件成形技术”和“21世纪的成形技术”。

　　汽车领域应用较少，技术相对落后

　　在发达国家如美国、欧洲、日本，粉末冶金产品主要应用于汽车领域，汽车粉末冶金产品占粉末冶金总产品的比例高达80%以上，其产品包括VVT(可变气门正时系统)、VCT(可变气门凸轮轴正时系统)、各类泵组件、链轮、同步环、行星齿轮等，种类覆盖十分齐全。使金属表面形成一层氧化膜，以防止金属表面被腐蚀，此处理过程称为“发蓝”。

　　而在我国，2017年，粉末冶金市场汽车应用占比仅为60%。我国粉末冶金汽车零件占比远低于发达国家，占比提升潜力大。

　　单车用量方面，中国提升空间同样相对可观。2017年，北美粉末冶金零件单车用量可达18.6Kg，日本为8.0Kg，欧洲为7.2Kg，而中国仅为4.5Kg。这种差距产生的主要原因是，我国国内很多粉末冶金产品达不到要求的尺寸公差与性能参数，因此，汽车主机厂只能选择成本更高的锻造零件与机加工零件。目前大部分金属喂料都有***的供应商，有些比较有实力的大型工艺使用商也在喂料生产领域积极探索，试图降低生产成本的同时生产出适合更多适合自身生产需要的喂料。

　　国内企业成本优势显著，进口替代空间广阔

　　与国外公司相比，国内企业在人力成本、土地成本、原料成本等方面均具有优势，能够为主机厂与一级供应商提供更***的粉末冶金产品。同时，国内企业交货周期短，售后服务快速、及时，能够为国内主机厂提供更***的服务。

　　从技术角度来看，2015年，发布《中国制造2025》的通知，其中重点提出要大力发展智能制造、增材制造、新材料、生物***等领域。我们认为在国家政策的大力扶持下，国内粉末冶金技术有望得到快速发展，替代市场逐步由低端转向高技术。

　　另外，***申请授权量的持续增长彰显粉末冶金技术的不断成熟。2016年，我国铸造、粉末冶金***申请授权量为8295项，同比增长11.62%，近五年(2012-2016年)复合增长率为16.02%。

　　综合来看，国内粉末冶金产品进口替代空间十分广阔

我国近十年来粉末冶金成形新技术综述

粉末冶金是一项集材料制备与零件成形于一体，节能、节材、***、***终成形、少污染的***制造技术，在材料和零件制造业中具有***的地位和作用，已经进入当代材料科学的发展前沿。

   目前粉末冶金技术正向着高致密化、***化、低成本方向发展，本文着重介绍几种近十年来粉末冶金零件的成形新技术。

   一、温压技术

   温压技术是粉末冶金领域近几年发展起来的一项新技术，可生产出高密度、高强度，具有非常广泛的应用前景。所谓温压技术就是采用te制的粉末加温、粉末输送和模具加热系统，将加有特殊润滑剂的预合金粉末和模具等加热至130～150℃，并将温度波动控制在±2．5℃以内，然后和传统粉末冶金工艺一样进行压制、烧结而制得粉末冶金零件的技术。其技术关键：一是温压粉末制备，二是温压系统。69%，熔点约为1227度，晶体结构复杂，硬度很高，脆性极大，几乎没有塑性。

   与传统工艺相比，温压成形的压坯密度约有0.15～0.30g／cm3的增幅，其密度可达7.45g／cm3。在相同的压制压力下，温压材料的屈服强度比传统工艺平均高11％，极限拉伸强度平均高13．5％，冲击韧性可提高33％。另外，温压零件的生坯强度高，可达2O～30MPa，比传统方法提高50—100％，不仅降低生坯搬运过程中的破损率而且能对生坯进行机加工，表面光洁度好。对粉末冶金生坯强度的这种解释就将重点放在了建立颗粒之间原子与原子的金属接触。此外，温压工艺的压制压力低和脱模力小，同时零件性能均一，产品精度高，材料利用率高。

   温压工艺还有一个特点是工艺简单，成本低廉。研究表明，假如一次压制、烧结的普通粉末冶金工艺的成本为1.0，则粉末锻造的相对成本为2.0，复压复烧的相对成本为1.5，渗铜的相对成本为1.4，而温压技术的相对成本为1．25。目前，采用温压技术生产的粉末冶金零件已达200多种，零件重量在5—1200g。例如，德国SinterstahlGmbH公司用温压技术生产复杂的摩擦传动用同步齿环，在美国新奥尔兰举行的PM2TEC2001国际会议上获奖。该零件的齿部密度超过7.3g／cm，环体密度超过7.1g／cm，生坯强度达到28MPa。实际操作中，需要注意的是工件发黑前除锈和除油的质量，以及发黑后的钝化浸油。采用了扩散合金化的烧结硬压粉末，zui低抗拉强度为850MPa。由于使用了温压技术和采用粉末冶金零件，使得综合成本降低了38％。

   二、流动温压技术

   流动温压技术(Warm Flow Compaction，简称WFC)是在粉末压制、温压成形工艺的基础上，结合了金属粉末注射成形工艺的优点而提出来的一种新型粉末冶金零部件近净成形技术。其关键技术是提高混合粉末的流动性。它通过提高了混合粉末的流动性、填充能力和成形性，从而可以在8O～130~C温度下，在传统压机上精密成形具有复杂几何外形的零件，如带有与压制方向垂直的凹槽、孔和螺纹孔等零件，而不需要其后的二次机加工。对相互联锁现象的解释仍然有争议，但看起来可能是由于在由不规则颗粒压制的压坯中，在相当大程度上，相邻颗粒之间形成了较好的原子接触。WFC技术既克服了传统粉末冶金在成形复杂几何形状方面的不足，又避免了金属注射成形技术的高成本，是一项极具潜力的新技术，具有非常广阔的应用前景。

   WFC技术作为一种新型的粉末冶金零部件近净成形技术，其主要特点如下：(1)可成形具有复杂几何形状的零件；(2)压坯密度高、密度均匀；(3)对材料的适应性较好；(4)工艺简单，成本低。