金属注射成形 | MIM可使用哪些金属材料？

金属注射成型（MIM）定义

金属注射成型（MIM）是一种先进的粉末冶金注射成型（PMIM）制造工艺，用于生产高精度、高密度的小型复杂金属零件。在MIM工艺中，金属粉末与聚合物粘结剂混合，形成可以注入模具的原料。成型后，通过脱脂去除粘结剂，随后在高温下进行烧结，使颗粒融合成致密的金属零件。

金属选择在MIM中的重要性

金属选择在金属注射成型中至关重要，因为它直接影响原料性能、成型行为、脱脂、烧结特性、最终零件性能及后续加工。具体的合金成分和粉末形态决定了密实度、收缩率、机械性能、可加工性、耐腐蚀性、成本等关键因素。零件设计必须考虑所选MIM材料的能力与限制，金属选择是任何MIM应用的基础决策。

MIM材料选择的考量因素

选择合适的材料是金属注射成型的关键。主要考量包括机械性能、耐腐蚀性、成本、成型性、加工性、烧结行为及法规合规。理想的合金需在加工性能、性能表现和成本间达到平衡。

机械性能：强度、柔韧性、硬度等需符合应用要求。合金元素可调节性能。

耐腐蚀性：如不锈钢MIM和镍合金具优异耐腐蚀性，适合恶劣环境长期使用。

耐磨性：硬质钨MIM合金或含碳化物不锈钢在汽车零件等高磨损应用中表现优越。

磁性能：使用铁磁合金可实现软磁体和电机等组件所需的磁性能。

生物相容性：植入级钛合金MIM或钴铬合金适合与人体接触的医疗器械。

成本：不锈钢MIM等低成本合金粉末有助于控制大批量生产的零件成本。

烧结收缩：易过度收缩的合金可能导致烧结后尺寸超差。

成型特性：粉末形状和粒度分布显著影响原料的粘度及成型性。

MIM脱脂：某些活性合金粉末在脱脂过程中易产生缺陷。

加工性：较软且易加工的合金简化二次加工工序。

法规合规性：航空和医疗用合金可能需满足严格认证要求。

不锈钢MIM材料

不锈钢MIM因其优异的耐腐蚀性、高强度及良好弹性，在金属注射成型中广泛应用。它表现出卓越的机械性能，适用于要求强度和耐用性的应用。

性能与特征：

• 因含铬量（10.5-30%）具卓越耐腐蚀性

• 根据等级强度和硬度较高

• 提供非磁性奥氏体等级

• 可通过热处理实现时效硬化

• 加工性优于铁素体或马氏体不锈钢

• 提供锻造或粉末冶金等级

• 密度约7.7-8 g/cc

MIM应用：

• 用于医疗和牙科仪器的MIM零件，生物相容性高

• 耐腐蚀工业零件，如阀门和喷嘴

• 海洋设备，适应盐水环境

• 食品加工和制药设备，需良好卫生性能

• 高强度零件，如手工具和齿轮

• 装饰性及奢侈品，如珠宝和手表

• 成本效益高，可替代钛合金或钴合金

总体而言，不锈钢MIM是一种多用途、耐腐蚀且强度高的合金，适合多种应用，特别是在成本控制关键的场合。

低合金钢

低合金钢在强度和成本之间取得平衡，是MIM中的热门选择。这些钢材含少量合金元素如铬、钼和镍，提升机械性能。低合金钢零件因其优越的强度和耐磨性，广泛用于工业机械、枪械和消费电子产品。

性能与特征：

• 含少量铬、镍、钼等合金元素

• 强度高于碳钢

• 可热处理提升硬度和强度

• 延展性优于不锈钢

• 通常为铁磁性材料

• 加工性良好

• 密度约7.7-7.8 g/cc

• 成本低于不锈钢或特殊合金

MIM应用：

• 需高强度的结构件，如汽车零件

• 齿轮、凸轮及其他机械部件

• 运动用品及手工具等消费品

• 高耐磨零件

• 军用或枪械部件

• 加工钢件的低成本替代品

• 需烧结后热处理的零件

总体而言，低合金钢为可热处理的高强度MIM零件提供经济方案，兼具良好延展性和加工性，适合多种商业及消费应用。

工具钢

工具钢因其卓越的硬度、耐热性和耐磨性而专门设计。MIM常用于生产切削工具、模具和冲模。这些材料的高硬度确保组件在严苛条件下保持形状和切削刃。

性能与特征：

• 硬度高，耐磨及高温强度

• 通过高碳含量及钨、钼、铬等合金元素实现

• 可热处理至极高硬度（>HRC60）

• 耐腐蚀性低于不锈钢

• 较低合金钢更脆

• 烧结致密化难度较大

• 密度约7.7-8.1 g/cc

MIM应用：

• 切削工具如钻头、端铣刀、丝锥、冲模

• 注塑或压铸模具芯

• 冲压或成形工具

• 高耐磨零件如喷嘴或冲头

• 需高表面硬度的零件如齿轮

• 低批量工具生产

• 机械加工前的原型工具

总体而言，MIM工艺使复杂工具钢零件在小批量生产中具有成本效益。其高硬度和耐磨性使工具钢成为切削工具和模具的理想材料，但其脆性限制了结构件的应用。

钛合金MIM材料

钛合金MIM及其合金兼具轻质、高强度和卓越耐腐蚀性。钛合金MIM零件广泛应用于航空航天、生物医学植入物和运动器材。MIM的复杂几何成型能力使设计和制造轻质且坚固的钛合金部件成为可能。

性能与特征：

• 优异的强重比

• 高耐腐蚀及抗氧化性能

• 生物惰性及良好生物相容性，适合医疗用途

• 密度低，约4.5 g/cc

• 成本高于钢和铝合金

• 粉末活性高，加工需严格控制

• 铝、钒等合金元素显著强化性能

• 烧结难以完全致密

MIM应用：

• 医疗器械及植入物的MIM成型，利用生物相容性

• 航空航天及航空部件，需轻质设计

• 耐腐蚀阀门、喷嘴及流体系统零件

• 高性能运动器材，如自行车车架

• 珠宝、手表及眼镜等奢侈品

• 复杂钛合金零件的经济制造

总体而言，MIM实现了复杂钛合金零件的制造，适合高强度、轻质及耐腐蚀的严苛应用，尽管成本及烧结致密度仍是挑战。

钨合金MIM材料

钨合金MIM具有优异的高温强度、高密度及卓越耐腐蚀性，适用于航空航天、国防及医疗领域。MIM工艺可生产复杂钨部件，包括辐射屏蔽和高温炉件。

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性能与特征：

• 极高密度，约17-18 g/cc

• 金属中最高熔点（3400°C）

• 高温下强度优异

• 合金化后硬度极高

• 良好的耐腐蚀及耐磨性

• 烧结及合金化难度大

• 加入镍、铁或钴有助于烧结

MIM应用：

• 航空航天部件，如辐射屏蔽零件，利用高密度特性

• 需高密度的配重件

• 切削工具、冲头及模具，需耐磨性

• 航空及赛车用压载配重

• 利用高密度的减震部件

• 需高温性能的零件

• 当成本关键时，可替代机械加工钨合金零件

总体而言，钨合金因其极高密度、强度和硬度，适合通过MIM工艺制造高密度、耐磨应用，但完全致密化存在挑战。

磁性合金

铁、镍和钴等磁性合金常用于MIM，制造需磁性能的组件。通过调节合金元素，可精确控制最终磁性能。MIM特别适合生产复杂的磁性零件，用于电机、传感器、变压器等领域。

性能与特征：

• 表现铁磁性，实现强磁性能

• 以铁、镍、钴为主要合金元素

• 高磁导率及饱和磁化强度

• 应用于软硬磁体

• 合金元素可调节磁性能

• 需控制微观结构和孔隙率

• 通常需烧结后热处理

• 密度范围7.5-8.5 g/cc

MIM应用：

• 变压器、电感器和电机

• 电磁阀、执行器、阀门及开关

• 利用软磁性能的传感器

• 微机电系统（MEMS）

• 磁性工具和夹具

• 赛车用磁体组件

• 低能耗磁芯

总体而言，MIM实现了复杂磁性组件及器件的精确制造，其他工艺难以实现。需精确控制合金化学成分和微结构以达成预期磁性能。

铜合金MIM材料

铜及其合金MIM具有优良的热导和电导性能，适用于电气和电子行业。铜基MIM零件广泛用于连接器、开关及散热器，确保高效散热和可靠电连接。

性能与特征：

• 优良的电导和热导性

• 相对柔软且延展性好

• 熔点低于钢和钛合金

• 易氧化和腐蚀

• 添加锌（黄铜）或锡（青铜）可提升强度

• 部分合金具高耐腐蚀性

• 密度约8.5-9 g/cc

MIM应用：

• MIM电气触点及连接器成型

• 摩擦盘和制动部件需高耐磨性

• 需尺寸稳定性的轴承和衬套

• 利用热导性的热交换器和散热器

• 装饰品如珠宝和配件

• 低力传动部件如齿轮和凸轮

• 机械加工铜合金零件的经济替代

总体而言，铜MIM合金因其优良的导电导热性及柔韧性，适合电气、热管理及中等载荷应用。合金元素可调节性能以满足需求。

结论

在MIM与压铸工艺对比中，金属注射成型为制造复杂金属零件提供了高机械性能和尺寸精度的可能性。MIM材料的选择对零件性能起关键作用。不锈钢、钛合金、钨和铜等金属均可用于MIM。MIM成型技术在医疗、航空航天及汽车零件等多个行业拓展了应用空间。

MIM工艺中，精选金属粉末与聚合物粘结剂混合，制成原料快速注入模具。成型后通过脱脂去除粘结剂，剩余金属经烧结达到所需密度和强度。

在MIM应用中，不锈钢MIM因其耐腐蚀性、强度及柔韧性而广受青睐，应用于医疗器械、工业零件、海洋设备等。钛合金MIM则以轻质、高强度及卓越耐腐蚀性适用于航空航天、医疗和运动器材。

钨MIM材料具高密度、强度和耐腐蚀性能，适合航空航天、防御及医疗行业。钨制品包括辐射屏蔽及高温炉件。

铜MIM合金凭借优良的热、电导性，广泛应用于电气电子行业的连接器、开关和散热器。

适当MIM材料的选择需综合考虑机械性能、耐腐蚀性、成本、成型性、加工性和法规合规。不同材料具备独特性能，适合特定应用。

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