产品设计工艺知多少——金属注射成型

这种工艺结合了粉末冶金和注塑技术。它适合用于生产钢、不锈钢、磁性合金、青铜、镍合金和钴合金材质的小零件。

工艺简介

金属注射成型（MIM）是一种粉末工艺，与粉末注塑成型（PIM）类似，用于加工陶瓷材料和金属复合材料。

它结合了注塑成型的优点和金属的物理特性，可以用于加工复杂的形状、精细的表面细节和精确的尺寸。成型零件具有延展性、弹性和强度，可以像其他金属零件一样进行加工，包括焊接、机加工、弯曲、抛光和电镀。

这种工艺适用于加工小型组件，一般重达100g。与传统注塑成型（50页）一样，金属注射成型主要用于大批量生产，尽管相对其他制造工艺它提供了中小批量生产技术、设计或生产优势。

典型应用

它能够用于加工多种几何形状，因此被许多行业所采用。该工艺的精度和加工速度使其成为航空航天、汽车和消费电子工业制造组件的理想选择。

相关工艺

熔模铸造、压铸、锻造和CNC加工可用于生产类似的几何形状。事实上，熔模铸造和金属注射成型通常可互换，具体取决于公差和特征的复杂程度。

虽然压铸可以获得与金属注射成型相似的特征和公差，但它只能用于非铁金属材料，而不能用于钢等高熔点金属。锻造通常用于较大的组件，通常是重量超过100g的，由黑色金属和有色金属制成，但锻造达不到金属注射成型所呈现的复杂特征和精度。

金属注射成型减少或消除了对二次加工的需求。它能够生产较复杂的精密零件，这些零件在其他任何加工过程中都可能是无法实现的。对于大批量生产而言，二次加工也可能使成本更高。

加工质量

像注塑成型一样，这种工艺所用的高压确保了较小的表面粗糙度、精细的细节复制及优异的重复性。然而，金属注射成型具有相同的潜在缺陷，包括凹痕、焊缝和飞边。与许多塑料不同，金属制成的零件可以通过磨光和抛光来减小表面粗糙度。

良好的设计将消除对二次加工的需求。这对于合模线处的飞边变得尤为重要，因为该飞边在烧结后变为金属毛刺。毛边在烧结之后通常很容易除去，但是在表面纹理和螺纹中可能会有问题。将螺纹中的平坦区域考虑进去和对非关键区域中的分割线进行定位可以减少这些问题。

设计机遇

烧结后，金属注射成型零件几乎全部致密，具有各向同性的特性。换旬话说，孔隙率非常小。这确保了金属零件的结构完整性和延展性。金属注射成型的设计机遇和考虑因素与注塑成型密切相关，而不是与传统的金属加工相关。例如，金属注射成型可以减少传统金属加工的组件数量和后续二次加工，因为它可以在单一操作中加工复杂的几何形状。模具有活动的型芯和拧松的螺纹，使得包含内螺纹、底切与盲孔成为可能。

复杂的模具因为包括活动的零件，可能会大幅增加模具成本，但是若它消除了金属注射成型零件的二次加工，则额外的成本可以抵消，特别是在大批量生产的情况下。

没有任何额外的成本，纹理和其他表面细节可以被纳入成型过程中，消除修整操作。可以将孔和凹槽模制到金属零件中，并且生产深度与直径比达到10：1的零件是可行的。

技术说明

细金属粉末，颗粒直径不大于25μm，与热塑性塑料和蜡黏合剂混合。球形金属颗粒大约占混合物的80％。制造商自己经常配制这种原料，但具体的成分比例可能是保密的。

对于金属注射成型而言，注塑机经过稍微改进以适用于塑化粉末复合材料。

在阶段1，注射周期与其他注塑成型工艺大致相同。尽管在加热和烧结之前，模制零件在每个尺寸上大约大20％。这是为收缩留余地，它发生在黏合剂被去除时。

在阶段2，将“绿色”零件放在特殊的脱脂烘箱中加热，以蒸发和除去热塑性塑料和蜡黏合剂。模制零件此时处于纯金属中，并且除去了所有的黏合剂材料。

最后一步是在真空炉中烧结零件。这通常以氮气／氢气混合物开始，（取决于材料类型）随着烧结温度增加而变为真空。“绿色”零件在烧结期间收缩15％～20％，以适应在脱脂过程中材料的损失。最终的金属零件具有非常小的孔隙率。

某些零件，特别是那些具有突出特征的零件，由专门设计的陶瓷支撑板支撑，以便它们在高温下不会下垂。带有平板底座的零件通常不需要额外的支撑。

设计注意事项

与传统的注塑成型一样，当指定程至关重要，以确保该零件能够充分利用金属注射成型工艺的全部优势。该工艺的一个重要考虑因素和限制因素是零件的尺寸。零件一般为0.1～100g，或长达150mm。这种尺寸限制涉及烧结操作，以去除塑料基体并使零件显著收缩。这是因为在加热和烧结过程中，大型零件和厚壁部分更容易扭曲。

壁厚一般在1～5mm之间，但0.3～10mm的壁厚也可以生产出来，只是如此极端的尺寸可能会导保持不变。为了保持均匀的壁厚并将材料消耗维持在最低限度，必须挖空零件，做出凹槽、盲孔甚至通孔。

内角是应力集中的根源，最小半径应为0.4mm。

加工成本

模具成本与塑料注塑成型模具非常相似。金属注射成型材料的成本通常很高，这是由于要对其加工和预处理以使其适合用来进行操作。

注射周期很短。像注塑成型一样，零件可在 30 ～ 60 秒内成型。与注塑成型不同的是，金属注射成型零件需要将黏合剂去除后再进行烧结，通常需要 2 ～ 3 天，因为脱脂时间为1 5 ～ 20 /」\时，再加上几个小时的烧结。注塑成型的人工成本很低，因为它通常是完全自动化的。然而，金属注射成型需要烧结，这确实增加了手工操作，也相应增加了成本。

环境影响

注塑成型过程中产生的废料可以直接回收利用。一旦材料已经被烧结，它就没那么容易被回收利用，但是由于零件生产精度高且可重复，废品率在这个阶段是很低的。

塑料黏合剂在脱脂操作过程中蒸发并被收集在废物收集器中，不会产生任何环境问题。