工程師需要了解的工藝——MIM金屬注射成型工藝介紹

MIM，金屬注射成型，已經成為粉末冶金領域發展迅速、最有前途的一種新型近淨成形技術，被譽為「國際最熱門的金屬零部件成形技術」之一。

本文將介紹MIM工藝的基本概念、工藝流程、優勢、與其它工藝對比、適合的零件類型以及MIM應用等基本知識。

對於工程師來說，如果我們想要做好產品結構設計，我們需要主動去學習和了解MIM工藝，也許我們會發現可以通過使用MIM工藝來實現降本。

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MIM基本概念

金屬注射成型，簡稱MIM（Metal Injection Molding），是一種將金屬粉末與粘結劑混合進行注射成型的方法。

它首先將所選粉末與粘結劑進行混合，然後將混合料進行制粒再注射成形所需要的形狀，經過脫脂燒結將粘結劑處理掉，從而得到我們想要的金屬產品，或再經過後續的整形、表面處理、熱處理、機加工等方式使產品更加完美。

MIM = 粉末冶金 + 注塑成型

MIM是典型的學科跨界產物，將兩種完全不同的加工工藝（粉末冶金和塑料注塑成型）融為一體，使得工程師能夠擺脫傳統束縛，以塑料注塑成型的方式獲得低價、異型的不鏽鋼、鎳、鐵、銅、鈦和其它金屬零件，從而擁有比很多其它生產工藝更大的設計自由度。

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MIM的工藝過程

MIM工藝過程主要分為四個階段，包括造粒、注射、脫脂和燒結，如有需要後續可以進行機加工或者拉絲、電鍍等二次加工工藝。

2.1 造粒

精細金屬粉末和石蠟粘結劑、熱塑性塑料按照精確比例進行混合。混合過程在一個專門的混合設備中進行，加熱到一定的溫度使粘結劑熔化。

大部分情況使用機械進行混合，直到金屬粉末顆粒均勻地塗上粘結劑冷卻後，形成顆粒狀（稱為原料），這些顆粒能夠被注入模腔。

2.2 注射

顆粒狀的原料被送入機器加熱並在高壓下注入模腔，通過注射成型得到生坯（green part），該過程同塑料注塑成型很類似 。模具可以設計為多腔以提高生產率，模腔尺寸設計要考慮金屬部件燒結過程中產生的收縮。

2.3 脫脂

脫脂是將生胚中粘結劑去除的過程，脫脂後得到棕坯（brown part）。這個過程通常分幾個步驟完成，絕大部分的粘結劑是在燒結前去除的，殘留的部分能夠支撐部件進入燒結爐。

脫脂可以通過多種方法完成，最常用的是溶劑萃取法。脫脂後的部件具有半滲透性，殘留的粘結劑在燒結時很容易被揮發。

2.4 燒結

經過脫脂的棕坯被放進高溫、高壓控制的熔爐中。棕坯在氣體的保護下被緩慢加熱，以去除殘留的的粘合劑。粘結劑被完全清除後，棕坯就會被加熱到很高的溫度，顆粒之間的空隙由於顆粒的融合而消失。棕坯定向收縮到其設計尺寸並轉變為一個緻密的固體，得到最終的成品。

在燒結過程中，棕坯會發生約20%的整體尺寸收縮。

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MIM的優勢

MIM 結合了粉末冶金與塑料注塑成形兩大技術的優點，突破了傳統金屬粉末模壓成形工藝在產品形狀上的限制，同時利用了塑料注塑成形技術能大批量、高效率成形具有複雜形狀的零件的特點，成為現代製造高質量精密零件的一項近淨成形技術，具有常規粉末冶金、機加工和精密鑄造等加工方法無法比擬的優勢。

3.1 可成型高度複雜的零件

相對於其它金屬成型工藝，例如鈑金衝壓、粉末成型、鍛造以及機加工等，MIM可成型高度複雜幾何形狀的零件。

塑料注塑成型所能達成的複雜零件結構，一般來說MIM也可以實現。

利用這一特點，使用MIM有機會把原本由其它金屬成型加工的多個零件合併為一個零件，簡化產品設計，減少零部件數量，從而減少產品的裝配成本。

3.2 材料利用率高

MIM成型是一種近淨成型的工藝，其零件其形狀已接近最終產品形態，材料利用率高，這一點對於貴重金屬的加工損失尤其具有重要意義。

3.3 零件微觀組織均勻、密度高、性能好

MIM是一種流體成型工藝，粘接劑的存在保障了粉末的均勻排布，從而可消除毛坯微觀組織上的不均勻，進而使燒結製品密度可達到其材料的理論密度。

一般來說，MIM可以達到理論密度的95%~99%，高緻密性可使MIM零件強度增加、韌性加強、延展性和導電導熱性得到改善，磁性能提高。

而傳統粉末成型壓制的零件，其密度最高只能達到理論密度的85%，這主要是由於模壁與粉末以及粉末與粉末之間的摩擦力，使得壓制壓力分布不均勻，也就導致了壓制毛坯在微觀組織上不均勻，這樣就會造成壓制粉末冶金件在燒結過程中收縮不均勻，因此不得不降低燒結溫度以減少這種效應，從而使製品孔隙度大、材料緻密性差、密度低，嚴重影響零件的機械性能。

3.4 效率高，易於實現大批量和規模化生產

MIM使用注射機成型產品生坯，生產效率大幅度提高，適合大批量生產；同時注射成型產品的一致性、重複性好，從而為大批量和規模化工業生產提供了保證。

3.5 適用材料範圍寬，應用領域廣闊

適用於MIM的金屬材料非常廣泛，原則上任何可高溫澆結的粉末材料均可由MIM工藝製造成成零件，包括傳統製造工藝中的難加工材料和高熔點材料。

MIM能加工的金屬材料包括低合金鋼、不鏽鋼、工具鋼、鎳基合金、鎢合金、硬質合金、鈦合金、磁性材料、Kovar合金、精細陶瓷等。

此外，MIM也可以根據用戶要求進行材料配方研究，製造任意組合的合金材料，將複合材料成型為零件。

MIM成型有色合金鋁和銅在技術上是可行的，但是通常由其它更經濟的方式進行處理，如壓鑄或機加工。

3.6 零件精度高

MIM零件的尺寸精度通常是尺寸的± 0.5%，精密級別能達到±0.3%以上。

對於較小的零件尺寸來說，相對其它鑄造工藝，MIM的精度較高，一般不必進行二次加工或只需少量精加工，從而減少二次加工的成本。

同其它工藝一樣，尺寸精度要求越高成本越高， 因此在質量允許情況下鼓勵適度放寬公差要求。

MIM一次成型無法達到的公差可以藉助表面處理實現。

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MIM與其它工藝的對比

MIM與其它工藝的對比，如下所示：

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哪些零件適合MIM工藝

儘管MIM被稱為第五代金屬成型技術，但並非所有金屬零件都適合使用MIM、或者說使用MIM具有經濟價值。

只有大批量生產的小型、精密、具備複雜三維幾何形狀及特殊要求的金屬零件，才適合使用MIM、才具有經濟價值。

5.1 重量

MIM工藝比較適合重量小的金屬零件。

最典型MIM零件重量通常在10~15g左右，少於50克是最具經濟價值的，最大不超過300g。

5.2 尺寸

MIM工藝比較適合尺寸小的金屬零件。

最典型MIM零件尺寸是在25mm左右，最大不超過150mm。

為什麼MIM工藝不適合大尺寸零件呢？

這主要是因為MIM零件公差一般為尺寸大小的0.3%~0.5%，尺寸過大，則零件的公差會變大。公差過大，可能不符合設計要求，或者需要額外的機加工等二次加工工序，增加成本。

5.3 厚度

MIM零件的典型厚度為1.0~3.0mm。

5.4 形狀

MIM零件適合具有外部切槽、外螺紋、錐形外表面、交叉通孔、盲孔、凹台、鍵銷、加強筋板、表面滾花等複雜三維幾何形狀。

如果是簡單形狀，使用鈑金衝壓、鍛造和粉末成型等工藝，可能更具經濟價值。

5.5 批量

由於MIM工藝需要通過模具成型，而模具存在成本，因此MIM工藝要求金屬零件在一定批量的前提下，才具有經濟價值。

一般來說，適合MIM工藝的年批量要求為10萬個以上。

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MIM的應用

MIM廣泛應用於消費電子、汽車零部件、醫療器械、電動工具、工業設備以及日常用品中等多個領域。

6.1 消費電子領域

消費電子產品通常包括智慧型手機、平板電腦、筆記本電腦、數位相機、智能穿戴設備、無人駕駛飛機等。

2010年，黑莓手機的標牌外觀件採用了 MIM 製程工藝技術，開啟了MIM零件在手機上的批量化使用。

蘋果公司也自2010年開始使用MIM零件，並不斷拓展、引領MIM的使用範圍，電源接口件、卡托、鉸鏈、攝像頭圈、按鍵等MIM零件在手機上均實現成功應用。

隨著智慧型手機、智能穿戴設備等消費電子產品向更加輕薄化發展，這些產品的核心零部件也將更加精密化和複雜化。在此背景下，MIM 工藝的應用前景將日益廣闊。

6.2 汽車零部件

在汽車零部件製造領域，MIM工藝作為一種無切削的金屬零件成形工藝，可節省材料，降低生產成本，因此 MIM工藝受到汽車產業的高度重視，並於 20 世紀 90年代開始應用於汽車零部件市場。

目前，汽車產業已經採用MIM工藝生產的一些形狀複雜、雙金屬零件以及成組的微小型零件，如渦輪增壓零件、調節環、噴油嘴零件、葉片、齒輪箱、助力轉向部件等。

6.3 醫療器械

在醫療器械領域，MIM工藝生產的醫療配件有很高精度，能滿足大多數精密醫療器械對配件所需要的小型、高複雜度、高力學性能等要求。

近年來MIM工藝得到了越來越廣泛地應用，如手術刀柄、剪刀、鑷子、牙科零件、骨科關節零件等。

6.4 電動工具

電動工具配件的機加工較複雜、加工成本較高、材料利用率低，對MIM 的依賴度更高，典型產品包括近幾年開發的異形銑刀、切削工具、緊固件、微型齒輪、松棉機/紡織機/卷邊機零件等。

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作者簡介：鍾元，著有書籍《面向製造和裝配的產品設計指南》和《面向成本的產品設計：降本設計之道》

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