工程师需要了解的工艺 | MIM金属注射成型工艺介绍

MIM，金属注射成型，已经成为粉末冶金领域发展迅速、最有前途的一种新型近净成形技术，被誉为“国际最热门的金属零部件成形技术”之一。

本文将介绍MIM工艺的基本概念、工艺流程、优势、与其它工艺对比、适合的零件类型以及MIM应用等基本知识。

对于工程师来说，如果我们想要做好产品结构设计，我们需要主动去学习和了解MIM工艺，也许我们会发现可以通过使用MIM工艺来实现降本。

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MIM基本概念        

       

金属注射成型，简称MIM（Metal Injection Molding），是一种将金属粉末与粘结剂混合进行注射成型的方法。        

它首先将所选粉末与粘结剂进行混合，然后将混合料进行制粒再注射成形所需要的形状，经过脱脂烧结将粘结剂处理掉，从而得到我们想要的金属产品，或再经过后续的整形、表面处理、热处理、机加工等方式使产品更加完美。        

       

MIM = 粉末冶金 + 注塑成型        

MIM是典型的学科跨界产物，将两种完全不同的加工工艺（粉末冶金和塑料注塑成型）融为一体，使得工程师能够摆脱传统束缚，以塑料注塑成型的方式获得低价、异型的不锈钢、镍、铁、铜、钛和其它金属零件，从而拥有比很多其它生产工艺更大的设计自由度。        

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MIM的工艺过程        

       

MIM工艺过程主要分为四个阶段，包括造粒、注射、脱脂和烧结，如有需要后续可以进行机加工或者拉丝、电镀等二次加工工艺。        

       

       

2.1 造粒        

精细金属粉末和石蜡粘结剂、热塑性塑料按照精确比例进行混合。混合过程在一个专门的混合设备中进行，加热到一定的温度使粘结剂熔化。        

大部分情况使用机械进行混合，直到金属粉末颗粒均匀地涂上粘结剂冷却后，形成颗粒状（称为原料），这些颗粒能够被注入模腔。        

       

       

2.2 注射        

颗粒状的原料被送入机器加热并在高压下注入模腔，通过注射成型得到生坯（green part），该过程同塑料注塑成型很类似 。模具可以设计为多腔以提高生产率，模腔尺寸设计要考虑金属部件烧结过程中产生的收缩。        

       

       

2.3 脱脂        

脱脂是将生胚中粘结剂去除的过程，脱脂后得到棕坯（brown part）。这个过程通常分几个步骤完成，绝大部分的粘结剂是在烧结前去除的，残留的部分能够支撑部件进入烧结炉。

脱脂可以通过多种方法完成，最常用的是溶剂萃取法。脱脂后的部件具有半渗透性，残留的粘结剂在烧结时很容易被挥发。

       

       

2.4 烧结        

经过脱脂的棕坯被放进高温、高压控制的熔炉中。棕坯在气体的保护下被缓慢加热，以去除残留的的粘合剂。粘结剂被完全清除后，棕坯就会被加热到很高的温度，颗粒之间的空隙由于颗粒的融合而消失。棕坯定向收缩到其设计尺寸并转变为一个致密的固体，得到最终的成品。

在烧结过程中，棕坯会发生约20%的整体尺寸收缩。

       

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3.1 可成型高度复杂的零件

相对于其它金属成型工艺，例如钣金冲压、粉末成型、锻造以及机加工等，MIM可成型高度复杂几何形状的零件。

塑料注塑成型所能达成的复杂零件结构，一般来说MIM也可以实现。

利用这一特点，使用MIM有机会把原本由其它金属成型加工的多个零件合并为一个零件，简化产品设计，减少零部件数量，从而减少产品的装配成本。

3.2 材料利用率高

MIM成型是一种近净成型的工艺，其零件其形状已接近最终产品形态，材料利用率高，这一点对于贵重金属的加工损失尤其具有重要意义。

3.3 零件微观组织均匀、密度高、性能好

MIM是一种流体成型工艺，粘接剂的存在保障了粉末的均匀排布，从而可消除毛坯微观组织上的不均匀，进而使烧结制品密度可达到其材料的理论密度。

一般来说，MIM可以达到理论密度的95%~99%，高致密性可使MIM零件强度增加、韧性加强、延展性和导电导热性得到改善，磁性能提高。

而传统粉末成型压制的零件，其密度最高只能达到理论密度的85%，这主要是由于模壁与粉末以及粉末与粉末之间的摩擦力，使得压制压力分布不均匀，也就导致了压制毛坯在微观组织上不均匀，这样就会造成压制粉末冶金件在烧结过程中收缩不均匀，因此不得不降低烧结温度以减少这种效应，从而使制品孔隙度大、材料致密性差、密度低，严重影响零件的机械性能。

3.4 效率高，易于实现大批量和规模化生产

MIM使用注射机成型产品生坯，生产效率大幅度提高，适合大批量生产；同时注射成型产品的一致性、重复性好，从而为大批量和规模化工业生产提供了保证。

3.5 适用材料范围宽，应用领域广阔

适用于MIM的金属材料非常广泛，原则上任何可高温浇结的粉末材料均可由MIM工艺制造成成零件，包括传统制造工艺中的难加工材料和高熔点材料。

MIM能加工的金属材料包括低合金钢、不锈钢、工具钢、镍基合金、钨合金、硬质合金、钛合金、磁性材料、Kovar合金、精细陶瓷等。

此外，MIM也可以根据用户要求进行材料配方研究，制造任意组合的合金材料，将复合材料成型为零件。

3.6 零件精度高

MIM零件的尺寸精度通常是尺寸的± 0.5%，精密级别能达到±0.3%以上。

对于较小的零件尺寸来说，相对其它铸造工艺，MIM的精度较高，一般不必进行二次加工或只需少量精加工，从而减少二次加工的成本。

同其它工艺一样，尺寸精度要求越高成本越高， 因此在质量允许情况下鼓励适度放宽公差要求。

MIM一次成型无法达到的公差可以借助表面处理实现。

       

       

       

6.1 消费电子领域

消费电子产品通常包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、数码相机、智能穿戴设备、无人驾驶飞机等。

2010年，黑莓手机的标牌外观件采用了 MIM 制程工艺技术，开启了MIM零件在手机上的批量化使用。

苹果公司也自2010年开始使用MIM零件，并不断拓展、引领MIM的使用范围，电源接口件、卡托、铰链、摄像头圈、按键等MIM零件在手机上均实现成功应用。

随着智能手机、智能穿戴设备等消费电子产品向更加轻薄化发展，这些产品的核心零部件也将更加精密化和复杂化。在此背景下，MIM 工艺的应用前景将日益广阔。

6.2 汽车零部件

在汽车零部件制造领域，MIM工艺作为一种无切削的金属零件成形工艺，可节省材料，降低生产成本，因此 MIM工艺受到汽车产业的高度重视，并于 20 世纪 90年代开始应用于汽车零部件市场。

目前，汽车产业已经采用MIM工艺生产的一些形状复杂、双金属零件以及成组的微小型零件，如涡轮增压零件、调节环、喷油嘴零件、叶片、齿轮箱、助力转向部件等。

6.3 医疗器械

在医疗器械领域，MIM工艺生产的医疗配件有很高精度，能满足大多数精密医疗器械对配件所需要的小型、高复杂度、高力学性能等要求。

近年来MIM工艺得到了越来越广泛地应用，如手术刀柄、剪刀、镊子、牙科零件、骨科关节零件等。

6.4 电动工具

电动工具配件的机加工较复杂、加工成本较高、材料利用率低，对MIM 的依赖度更高，典型产品包括近几年开发的异形铣刀、切削工具、紧固件、微型齿轮、松棉机/纺织机/卷边机零件等。