粉末注射成形（PIM）屬于凈成形工藝，但不是新制造方法。該工藝在20世紀20年代就已經(jīng)被首次使用，一些當前PIM應用的起源也可以追溯到20世紀60年代。然而，在20世紀90年代之前PIM缺少必要的工業(yè)基礎，一直沒有被廣泛地成功應用。最近幾十年來，PIM應用的數(shù)量和規(guī)模加速發(fā)展，引起了對該技術的重視。今天，PIM重要的三步工序包括：

1.釆用合適的粉末和高分子材料制造喂料。

2.將喂料注射到根據(jù)最終產(chǎn)品設計的模具中。

3.對成形后的粉末進行熱處理，除去高分子材料并燒結粉末。

最后一步可以在一道工序中完成，也可以是兩個分開的工序，先脫脂去除粘結劑，然后進行燒結。

PIM主要工藝流程

在基本形式的PIM中，典型的粉末和塑料的混合比例為將近60%的粉末和40%的粘結劑。上述混合物中含有85%-98%質(zhì)量比的粉末，取決于粉末和粘結劑的密度。粘結劑通常是在加熱過程中軟化和熔化的高分子材料。常見的粘結劑是石蠟、聚乙烯或聚丙烯的混合物。粉末通常小于20μm。粉末和粘結劑的混合物稱為喂料，喂料的生產(chǎn)是支撐PIM的重要業(yè)務。

在注射階段，粉末-粘結劑喂料在注射機內(nèi)部被加熱至高分子材料熔化。注射機將熔化的高分子和固體粉末的混合物壓入模具的型腔。在注射過程中，粉末不會受髙分子熔化的影響，因為最高溫度遠遠低于粉末的熔化溫度。受壓的喂料在模具的型腔中冷卻，高分子此時凝固，粉末顆粒也被在原處冷卻。部分高分子材料在脫模后通過加熱、溶解、催化等方法被除去，而不改變成形后的粉末，這一工藝稱為脫脂。將成形后的粉末加熱至燒結溫度時，殘余的高分子材料會分解掉。

燒結是顆粒結合的過程，當壓緊的粉末在加熱到原子運動被激活時會自然發(fā)生燒結。對于大部分粉末而言，燒結在低于熔點的適當溫度開始。零件的致密化是燒結的一個通常結果。相應地，零件的最終尺寸通常比最初的模具型腔的尺寸小大約15%（因為原來被粘結劑所占有的空間消失了）。燒結后的零件中沒有原始的粉末和粘結劑所留下的痕跡。因此，PIM產(chǎn)品的性能遠遠超過高分子材料，可以與其他金屬和陶瓷加工方法相匹敵。

從右到左依次為產(chǎn)品的成型、脫脂、燒結狀態(tài)

PIM的顯著特點

粉末注射成形可以生產(chǎn)范圍很廣的高性能、復雜形狀的零件。從本質(zhì)上講，這是一種凈成形工藝，也就是說只需要通過很少的機加工就可以成形最終的零件。但該工藝唯一的局限性就是能否獲得可以燒結成期望性能水平的細粉。PIM產(chǎn)品因為具有高的最終密度,通常在性能上比其他凈成形方法優(yōu)越。

通過PIM加工的材料包括最常用的陶瓷和合金。此外，針對輕質(zhì)材料、多孔材料、層狀結構和功能性結構的廣泛應用，也出現(xiàn)了根據(jù)需求定制的新材料成分。

PIM的主要優(yōu)點在于成形零件的形狀復雜性、低成本和高性能。最集中的目標區(qū)域在三個因素的交匯處。其他的次要的特性也影響著是否決定采用PIM工藝。一些有利的因素包括設備的生產(chǎn)效率高,材料利用率高，表面質(zhì)量好以及公差精度高。例如，注射零件可以成形內(nèi)外螺紋,從而省去機加工。此外，鋸齒形狀、網(wǎng)格圖案、零件標識碼和徽章等可以直接在注射階段成形到零件上。PIM可以控制材料的孔隙，甚至分層的孔隙或材料相組織可以設定在零件的指定區(qū)域，從而實現(xiàn)用戶定制的功能。

PIM與模壓比較

粉末注射成形和基于模壓的其他方法之間的差別有時會被混淆。模壓經(jīng)常被用于傳統(tǒng)的粉末冶金、陶瓷和硬質(zhì)合金的生產(chǎn)。模壓是應用已久的技術，用來成形時材料范圍很廣——從陶瓷到醫(yī)藥品。模壓采用上下沖頭將模具中的粉末壓制成形，如壓制阿司匹林藥片。模壓通常被用于壓制高度低的形狀，容易從模具中頂岀的產(chǎn)品。在一些情況下，成形壓力可以達到840MPa。然而，由于需要將零件從模具中頂出，所以只能在壓制方向存在復雜形狀。在與壓制垂直的方向上的特征相對較少，甚至這些特征也會受到限制。此外，由于粉末和模具之間存在摩擦力，模壓后的粉末內(nèi)部存在密度梯度。與之相比，PIM的成形壓力低而且均勻一致。模壓引起的密度梯度會導致燒結過程中的變形，而勻質(zhì)的PIM坯件在高溫燒結致密化后，尺寸是一致的。因此，通過壓制粉末成形的零件存在如下缺點：

1.在低溫燒結，避免燒結致密化。

2.燒結后常常需要機加工以校正關鍵尺寸。

3.如果燒結至全致密，尺寸一致性會很差。

4.如果不燒結至全致密，性能會由于空隙而降級。

PIM與注塑關系

注塑是另一種影響著PIM的關鍵技術。事實上，一旦PIM技術建立后，流行的方式是注塑模具制造商同時開始提供金屬和陶瓷模具。PIM的成形機器、模具、甚至注射周期與注塑很相似。許多注塑模具組件被用來演示這些相似性，顯然PIM和注塑具有很多共同之處。然而，所有的相似性在注射階段之后就沒有了。塑料件在注射成形后沒有如燒結那樣的后續(xù)操作以及15%左右的尺寸收縮。此外，注塑不像PIM那樣，關注在注射之后的工序中材料組成和微觀結構的控制。

PIM和注塑的其他差別在性能和經(jīng)濟性方面。對于注塑，樹脂是最大的成本因素。然而與之不同的是注射后的脫脂和燒結工序則是PIM重要的成本組成。這使得成本的度量由注塑中的樹脂成本轉(zhuǎn)變?yōu)镻IM中的工藝成本。就應用而言，許多領域同時使用塑料和PIM零件，因此這不是本質(zhì)上的差別。但在性能方面卻是截然不同的，首先是零件的質(zhì)量。與塑料相比，金屬和陶瓷的密度要高得多，并且它們具有塑料所不具備的熱、電、磁、力學、磨損和其他方面的性能。事實上，注塑和PIM是相互補充的。P1M僅僅是在低成本的注塑不能獲得必需的性能時才被應用。舉個例子，常用聚乙烯的有效強度小于20MPa,而PIM鋼的強度則高岀20~100倍。僅僅一些纖維增強特殊高分子系統(tǒng)可能達到這一級別的性能。盡管兩種技術使用同樣的注射機、模具設計方法和注射操作，但是通過PIM制造出的零件的工程特性超過了同時代的塑料所能達到的范圍。

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