MIM的产品常见的后期处理

目录 

• 8.1 介绍

• 8.2 改善尺寸控制的操作

• 8.2.1 机械变形（尺寸）

• 8.2.2 机加工

• 8.3 增强机械性能的操作

• 8.4 改善外观和表面特性的操作

• 8.5 降低工具成本和增强应用的操作

• 8.6 未来展望

8.1 介绍

金属注射成型的经典流程通常以烧结过程结束。在最终检验和包装后，零件准备好装运给客户。金属注射成型工艺被认为是一种网状技术，因此任何额外的工艺步骤都会导致生产成本增加，因此应避免。对于许多金属注射成型（MIM）零件，这是正确的。特别是如果最终客户愿意根据MIM工艺的具体情况调整其零件的设计，那么将这些零件作为烧结零件交付给客户并不是什么大的挑战。这种部件的一个很好的例子是图8.1所示的液压连接器。由于设计上的微小变化，这种316L不锈钢部件不需要任何额外的操作。添加少量辅助支撑剂后，零件不需要任何特殊支撑，也不会在烧结过程中弯曲。

图 8.1 316L液压连接器-由于MIM的设计，无需任何二次操作即可使用

另一方面，MIM零件将始终与其他生产路线竞争，如熔模铸造、传统压力机和烧结、冲压和最近的增材制造。在过去的几十年中，MIM已经证明了其在中大型复杂形状零件方面的成本优势。仍然成本只是一个决定因素。优秀的产品设计师将根据广泛的性能和要求做出选择，这将在很大程度上取决于所选的生产方法，如表8.1所示。

显然，没有任何技术可以提供完美的解决方案。许多MIM公司在与新客户的讨论中都会遇到这种情况。受高成本降低前景的吸引，当讨论其他房地产时，最初的乐观可能会转变为怀疑。例如，如果尺寸公差很关键，PIM工艺既不能与现代加工操作相匹配，也不能与传统压力机和烧结机相竞争。虽然表8.1中所述的情况可能会让MIM行业的新人感到沮丧，但经验丰富的MIM制造商知道这是短视的。MIM工艺不必在烧结后结束。

表格 8.1 竞争技术（MIM Expertenkreis，n.d.）

由于高密度和封闭的孔隙率，MIM零件可以作为传统的完全致密材料处理，因此可以对其进行所有常规操作，如机加工、成型、热处理、表面精加工、涂层和连接（另见表8.2）。

表格 MIM零件二次加工

尽管二次操作会增加生产成本，但当今许多MIM制造商已经在使用这些操作来满足客户不断增长的需求，并为其产品增加价值。可以对以下操作进行区分：

1. 改善尺寸公差

2. 提高机械性能

3. 改善外观和表面性能

4. 降低模具成本，扩大MIM工艺的应用。

在下面的段落中，将更详细地描述每个操作。

8.2 改善尺寸控制的操作

如前几章所述，MIM零件在烧结过程中基本收缩，这取决于材料在12%和22%之间的线性收缩。尽管已经做出了大量努力来预测收缩率，但仍难以控制将导致尺寸变化的诸多因素：

1. 原料的均匀性，包括批次间的差异

2. 零件尺寸

3. 壁厚变化大

4. 粘在烧结支架上

5. 烧结过程中的重力

6. 每个周期之间烧结的变化

7. 设备内部烧结参数的变化。

事实上，与上述因素相比，模塑参数变化的影响可以忽略不计。尽管如此，如果将上述所有变化保持在最小值，工业规模生产的典型公差对于较大尺寸（30mm或11/400及以上）将为±0.5%左右，但对于较小尺寸（小于3mm或1/8''）可高达±1.5%。除此之外，直线度、平整度和平行度的限制为最长尺寸的0.5%，角度的不确定度为±0.5度。为了精确起见（如图8.2所示的机器零件）。

图 8.2 高精度机器零件，关键尺寸的公差在0.1%左右

8.2.1 机械变形（尺寸）

如前所述，在烧结过程中，棕色部件会线性收缩12%到22%。脱胶后，所谓的棕色部件仍然含有大量的粘结剂，根据粘结剂系统的不同，其起始体积在10%到70%之间。在烧结的第一阶段，这些粘结剂的残留物通过热降解去除，温度范围通常在200℃至600℃之间。在这个阶段可能已经发生变形，因为颗粒之间还没有金属结合。初始烧结（颈部形成）将从大约600℃开始，这取决于所使用的粉末类型。如果认为从那时起就不会发生变形，那是不正确的。

在烧结过程中，部件在收缩，因此会有很多沿支架表面的移动。一个100毫米的大部件可能在边缘显示出高达11毫米的移动。陶瓷支架不应阻碍这些运动，因为这可能导致不可预测的变形。

图8.3中显示了一个复杂的陶瓷支架的例子。当零件在表面上 "移动 "时，可能会发生偶然的粘连，即使定期清洁支撑物也不能总是防止这种情况。

这些变形是不需要的，如果超过允许的公差，就必须予以消除。典型的操作是矫直、弯曲和定型。尽管看起来很简单，但零件设计者必须意识到，最大的变形程度在很大程度上取决于材料特性，如屈服强度（YS）和伸长率。例如，用316L材料制成的扁平医疗设备（YS 180MPa/伸长率50%）很容易拉直，但用17-4-PH材料制成的相同形状则需要更大的力，而且最大变形量也有限（YS 660MPa，断裂伸长率3%）。另一个挑战是，17-4-PH的机械性能受到炉内冷却速度的影响（较慢的冷却速度会导致较高的沉淀度，使零件更难拉直）。较少控制的热处理导致机械性能更加分散，因此，变形的影响将更难预测。

图 8.3 形状复杂的陶瓷支架，用于减少烧结过程中的变形

对于一些材料，如钛，情况甚至更复杂，因为零件必须加热以允许可接受的变形程度。根据零件的复杂性，使用热风枪或感应线圈进行局部加热可能就足够了，但对于形状复杂的零件，可能需要额外的加热炉。在所有情况下，都会对物流和运营布局产生巨大影响。必须将温度高达500℃或更高的零件移至校准压力机，这需要对操作员进行额外的安全措施。

总之，机械变形是一项复杂的操作，取决于零件及其合金的设计，需要特殊的工具和持续的控制来确保积极的结果。如果整个操作是自动化的，则会获得最佳结果。在图8.4中，显示了机器零件尺寸操作的高级解决方案。机器人系统在自动定尺寸操作中定位零件。光学测量系统用于检查最终尺寸，并在必要时调整力。此操作可获得0.01%的最终公差。

图 8.4 全自动校准系统，包括自动测量和质量控制

总之，机械变形是一项复杂的操作，取决于零件及其合金的设计，需要特殊的工具和持续的控制来确保积极的结果。如果整个操作是自动化的，则会获得最佳结果。在图8.4中，显示了机器零件尺寸操作的高级解决方案。机器人系统在自动定尺寸操作中定位零件。光学测量系统用于检查最终尺寸，并在必要时调整力。此操作可获得0.01%的最终公差。

8.2.2 机加工

MIM零件几乎完全致密，其机械性能与锻造产品相当。因此，它们可以进行相应的加工。典型的加工操作如下：

-钻孔，尤其是与ISO螺纹攻丝相结合

-铣削

-磨削高精度尺寸并提高平整度

-电火花加工

图 8.5 大规模作业中的磨削需要专用工具，以便一次固定数十个零件

具有挑战性的部分是尽可能减少机械加工，或者如果不可避免，允许使用自动化系统。图8.2所示的零件是MIM零件的一个很好的例子，这些零件需要二次操作，包括机加工。临界公差小至0.1%。这只能通过图8.5所示的选择性研磨操作来实现。使用特殊设计的夹具，制造商可以一次加工50-100个零件。严格的质量控制和频繁的工具校准确保了几年生产过程中的高再现性。

尽管二次加工总是会增加每个零件的制造成本，但与竞争的成形技术相比，客户的总成本可能更低。对于小系列（通常为几百个零件），尤其如此。高度复杂零件的小系列需要昂贵的工具（多芯和滑块）。因此，在某些情况下，一个简单的工具结合二次操作（如钻孔）可能会提供最经济的解决方案。

8.3 增强机械性能的操作

MIM零件可以由不同的合金制成。烧结后，大多数合金的性能与传统金属材料相似，因此可以进行类似的热处理。表8.3列出了一些可能的热处理示例。

表格 8.3 MIM零件的常见热处理

MIM零件的热处理已变得非常普遍。根据基础材料的不同，可提供多种热处理选项。

例如，碳钢MIM零件可以像任何其他可热处理碳钢一样进行热处理，方法是将零件加热到奥氏体化温度以上，然后进行适当的淬火操作，通常在油中进行。为了恢复一定的韧性，零件通常在随后进行退火，以降低一些硬度来换取延展性。

当零件必须进行热处理和矫直时，MIM生产商的一个常见问题就出现了。矫直可能会在热处理过程中产生应变。另一方面，由于零件内部的冷却梯度不同，零件在热处理期间可能会变形。因此，一些高精度MIM零件必须在热处理后进行机械加工和/或矫直，这会导致机器的高磨损。

硬化仅限于表面的表面硬化操作也可以使用标准渗氮和渗碳技术进行。由于所有硬化作业都需要广泛的专业知识和质量控制，较小的MIM作业将这些活动外包给专业的热处理公司。表8.4显示了热处理对MIM零件机械性能的影响示例。

表格 8.4 热处理对MIM合金力学性能影响的实例

一种越来越流行的热处理是热等静压（HIP）。在该操作中，烧结MIM部件在高压保护气体气氛下暴露于900℃至1250℃之间的温度。当压力在100和200MPa之间时，零件的任何剩余孔隙都将被消除。由于气体压力在所有方向上均匀作用，导致的收缩是各向同性的，机械性能的改善也是如此。HIP炉的示意图如图8.6所示。

图 8.6 HIP炉的示意图

大多数MIM零件的孔隙率已经小于4%。因此，YS和极限抗拉强度（UTS）的改善并不明显。去除剩余孔隙率将影响延展性。对Co-28Cr-6Mo合金进行HIP处理可将延展性从15提高到205。甚至更经典的材料，例如，17-4PH不锈钢可以从HIP操作中受益，如LaGoy和Bulger（2009）所示：冲击能量从5.4J的烧结HIP治疗后仅部分达到24.4J。

因此，对于医疗或航空航天应用中的关键部件，HIP操作通常是强制性的。在过去十年中，HIP操作的成本降低了50%。但即使是图8.7所示的中试设备也需要大量投资，如果没有广泛的安全预防措施，就无法安装。因此，大多数HIP操作外包给专业公司。

图 8.7 中试规模的HIP装置，可用容积为80L，最高工作温度为2000℃

8.4 改善外观和表面特性的操作

烧结步骤是MIM工艺成功的关键。如果执行得当，许多零件可用于-烧结条件当细粉末和高烧结温度与降低烧结气氛（在大气压或减压下）结合使用时烧结零件通常没有任何变色。密集烧结零件显示出有吸引力的明亮表面结构，典型粗糙度为Ra 1.2μm（0.047mil）。图8.8描述了刚离开连续烧结炉的零件烧结在100%氢气下。这些17-4-PH不锈钢部件将用于-烧结条件

图 8.8 不锈钢17-4-PH零件直接在连续炉中烧结后制成

对于汽车工业和机械工程，零件通常以-烧结条件然而，取决于应用和竞争技术，例如，产品设计师可能要求修改MIM零件的表面结构或外观。

-减少表面粗糙度

-改善光学性能

-添加颜色

-提高耐腐蚀性

由于MIM零件几乎完全致密，几乎可以进行所有表面处理。

经典操作旨在通过机械去除缺陷来改善表面的机械性能。表8.5给出了示例。通过组合这些操作，表面粗糙度可以降低到Ra<0.01μm的镜面光洁度。

表格 8.5 用于改善MIM零件表面质量的机械操作示例

高端抛光总是从喷砂或翻滚开始烧结零件，然后进行实际抛光操作。在图8.9中，显示了不同阶段此类零件的示例。然而，良好的抛光需要从完美的零件开始。必须始终避免表面缺陷。如图8.10所示，内部缺陷也会导致抛光零件出现不必要的凹痕。

图 8.9 表面改善阶段，显示（A）生坯部件；（B） 烧结部件（C） 振动研磨部件；和（D）高光泽手工抛光部件

图 8.10 内部故障导致的表面缺陷示例

潜在的内部缺陷是高端用户对零件剩余孔隙率至关重要的原因之一。使用HIP，剩余孔隙率可降至零。然而，在热等静压过程中，表面下方的空隙可能导致表面结构凹陷，从而导致可见凹痕。

如图8.11所示，在手工抛光过程中，仍然可以检测到这些缺陷并进行手动分类。然而，手工抛光非常昂贵，只能推荐用于非常小的生产数量（最多几百个）。

图 8.11 316L和钛（B）休闲和医疗应用的手动抛光操作（A）

如今，即使是高端陶瓷零件，也会在自动生产线上进行抛光，如图8.12所示。根据初始表面粗糙度的不同，需要几个连续的抛光步骤，每个步骤使用不同的介质。现代抛光设备的使用保证了恒定的质量，不依赖于操作人员的技能，从而产生如图8.13所示的零件。

图 8.12 手表行业的自动抛光

图 8.13 具有“完美”表面光洁度的技术陶瓷PIM部件

其他类型的表面涂层使用化学或物理工艺，如

1. 黑色氧化

2. 锰磷化

3. 阳极氧化

4. 盐浴氮化（淬火抛光淬火，QPQ）

5. 电镀

6. 钝化（不锈钢316L）

7. 涂层（17-4-PH航空航天）

8. 物理或化学气相沉积。

由于MIM零件的性能与普通原材料相似，因此涂层没有限制。

尽管如此，这些类型的涂层是非常独立的，并且强烈取决于最终应用和特定领域的标准。稍后将描述一些典型示例。

黑色氧化和锰磷化是机械工程或火器零件中低合金钢表面处理的经典实例。除了提供黑色，涂层还提高了耐腐蚀性。

在黑色氧化过程中，将零件置于约135-145℃的热盐浴中，在零件表面生成非晶Fe3O4氧化物层。该过程中的关键步骤是在盐浴前对零件进行清洁和脱脂。这种所谓的两步氧化工艺实际上由表8.6所述的10个连续工艺步骤组成。

表格 8.6 黑色氧化与锰磷化的区别

锰磷化工艺与此类似，但保护层明显较厚且呈结晶状。因此，该层将为油提供更好的粘附性，有助于减少摩擦并进一步增强耐腐蚀性。从环境的角度来看，该工艺是有利的，因为使用的化学品的浓度和数量减少了四倍。

这两种工艺通常在由几个浴槽和净化系统组成的自动化生产线中进行。MIM过程中的一个关键问题是污染。尽管自动氧化和磷化工艺旨在清洁和脱脂机加工零件，但MIM工艺还面临两个挑战。一个是设置器的污染风险。在多次烧结循环中，杂质往往会积聚在固定器上，并可能导致零件表面污染。一些公司在固定器上使用精细的陶瓷粉末，以尽量减少较大零件的粘连；然而，这些粉末也倾向于粘附在MIM部件上并结合到表面结构中。这些污染物无法用常规方法去除，会在零件上留下标记。

图8.14显示了钛MIM零件的示例。烧结钛零件通常经过处理，例如喷砂，以获得光滑的均匀表面。此外，钛非常适用于阳极氧化，这可以实现颜色鲜艳的零件，并且可以应用于喷砂或抛光零件。

在图8.14B中，显示了两个不同MIM部分的组合。钛合金外壳带有两个17-4-PH不锈钢半螺纹。根据航空航天标准，对乙醚进行钝化，然后进行低摩擦涂层表面处理。

图 8.14 阳极氧化钛牙嵌件（A）和紧固件（B）。两者都作为-烧结以及抛光部件已阳极氧化

钝化通常用于不锈钢零件，以确保其耐腐蚀性。将零件浸入硝酸或柠檬酸溶液中，以去除表面的游离铁，并加快表面铬钝化氧化物层的形成。与自动发黑线类似，不锈钢钝化需要几个步骤：

1. 烷烃清洗

2. 水洗

3. 浸泡在硝酸或柠檬酸中

4. 水洗 (2×)

5. 干燥

同样，重要的是避免过度污染烧结设置器，因为任何杂质都会粘附在MIM部件上，并且在钝化之前无法去除。因此，耐腐蚀性受到危害。

对于图8.15所示的零件，客户需要一层坚韧的黑色涂层，能够承受应力和连续移动。决定使用盐浴氮化（QPQ工艺）代替普通的黑色涂料。这提供了增加的表面硬度，使磨损最小化，同时提供了适合最终应用的黑色。

图 8.15 盐浴氮化不锈钢零件。坚韧的氮化物涂层可防止磨损，比任何聚合物基涂层的使用寿命长得多

8.5 降低工具成本和增强应用的操作

MIM工艺特别适用于大规模应用。其中一个主要原因是模具的成本。根据其复杂性，单腔模具的成本可能为20000美元或更多。这些成本与要生产的零件数量无关，通常由客户承担。因此，很难让新客户相信MIM对其应用的好处。第二个问题是如何将模具成本分摊到总生产数量上。在一些典型的MIM应用中，所需的零件数量可以低至每年1000个。

因此，对于新的应用和（预期）低的总体积，必须限制模具的成本。模具成本可以通过去除成型后可加工的特征来控制。根据原料，MIM零件已经可以在绿色状态下加工。图8.16说明了如何通过不同的二次操作组合来生产一小系列钛零件（例如图8.17所示的医疗应用）。

图 8.16 从模制零件到最终部件的少量钛MIM零件的工作流程示意图。

图 8.17 内窥镜钛零件的绿色加工示例，包括一些中间阶段模制零件（A和B）、加工（C）、去毛刺（D）、烧结和喷砂（E）以及抛光（F）

最终，这些零件很难被识别为MIM零件，成本节约可以高达50%。

8.6 未来展望

MIM已经存在了几十年。然而，直到最近，MIM生产商才开始使用二次操作，而不是不惜一切代价避免二次操作。通过这样做，MIM生产商可以提高其在市场中的地位并获得附加值。二次操作提供以下可能性：

-提高公差

-改善属性

-改善外观

-降低总成本

事实上，根据他们的背景，并非所有MIM公司都熟悉这些可能性。特别是关于表面特性和涂层的知识有时是一个薄弱环节，为进一步改进提供了可能性。绿色加工是一种经常被误解的选择，但实际上可以使MIM生产商将其领域扩展到增材制造。将简单的基础几何形状与绿色加工相结合，为MIM生产商提供了一种无需制造复杂工具即可生产先导零件的可能性。这样，他们可以在产品设计的早期阶段说服客户。在技术陶瓷领域经营的专业公司证明，即使生产量较小，生意兴隆也是可能的。

在汽车等大规模应用中，MIM工业不如传统压力机和烧结工业先进。在后一种情况下，零件的热处理已经成为一种标准，因此通常热处理循环被整合到烧结过程中。这些所谓的高温烧结硬化线如图8.18所示。这些先进的熔炉装置使粉末冶金生产商能够在一个系统中对其零件进行硬化和退火，冷却速度超过6 K/s。

图 8.18 脱脂和烧结炉，具有集成的碳控制和淬火能力，适用于MIM零件的集成热处理

最后一个需要进一步发展的主题是加入。激光焊接和钎焊已经在汽车粉末冶金钢部件中大规模应用。根据最终应用，全自动激光焊接装置可能是一项值得投资的投资。显然，必须检查这些系统如何容易地转换为不锈钢部件的激光焊接，例如17-4-PH、316L甚至钛。

说到钎焊，传统粉末冶金行业已经有了丰富的经验。十多年来，P/M公司已经在烧结过程中集成了多个部件的钎焊。然而，MIM公司几乎从未考虑过通过钎焊连接零件。令人惊讶的是，如果你认为间歇式MIM烧结炉非常适合钎焊，因此不需要额外的硬件投资。