粉末注射成形的粉末、黏結劑與喂料

粉末注射成形(PIM)的喂料是一種聚合物和粉體的混合物，在適合的注射溫度下，喂料是呈現粘性的混合物，即使這內含的聚合物都是的低粘度體，但固體顆粒含量比例很高(體積比)。從宏觀來看，PIM喂料是類似于油漆﹑冰淇淋﹑牙膏和巧克力(朱古力)，因為這些物質也都是聚合物與粉末的混合物，只不過PIM喂料中固體顆粒的物質比重非常高，固體的體積比也幾乎接近極限流動的裝載量。

愛因斯坦先生有一個簡單、經典的實驗，有助于各位了解PIM的喂料配方。開始在一瓶水中加少許沙子，該混合物的粘度是很低的，他預測混合體的濃度與球體的總數有關，這樣的混合物中，顯示出固體顆粒的比例越多，會使得混合物的粘度開始增加。然而，添加更多的沙子進到水中，最終混合物就變成粘稠漿液，然后粘度會因為再加入少量固體而急劇增加。在這過程中，持續加沙進入水中，直到超過臨界固體裝載時便會阻擋混合物的流動。事實上，在臨界固體裝載的混合物是固體狀的特征，因此，關鍵的固體裝載所對應的組合物，其中的每一固體顆?；ハ嘟佑|，顆粒之間有足夠的摩擦力以抑制流動。在此混合物中的所有粒子之間的空隙充滿水，即使水具有非常低的粘度，但該混合物卻是黏稠的表現。類似這個概念方法也發生在當我們按順序將粉末倒入熔融的粘結助劑中，用于來調配PIM的喂料之過程，這些喂料的測試則是使用一個高轉矩流變儀，在高溫下熔融粘結助劑來進行喂料的黏度測試。(這是過去使用蠟基配方的現象和配料程序，可不是配塑基料的程序。配塑基喂料的過程必須先烘干粉體，然后逐項添加粘結劑并逐項升溫，在超過200℃以上產生黏稠團再降溫混煉。)

對于大多數PIM喂料而言，臨界固體裝載發生于近60 vol% (體積分率)的固體粉末。這與粉末的形狀和粒度分布而變化，但其中60%是一個典型的PIM粉末的平均固體裝載。如表1中所示，這對應于低密度粉末狀的氧化鋁(Al2O3、密度2.7g/cc)，其約有14 wt% (重量分率) 的黏結劑;如使用高密度的粉末如鎢(W、密度19.2g/cc)，黏結劑僅占有3wt%的重量分率。

表上所列，這些各種不同的粘結助劑按重量比來呈現于制造工段上，以固體體積百分比來形容喂料比較適用于研究。反過來說，固體比例會直接導致燒結過程中的收縮。低的固體裝載的喂料需要更多的燒結收縮，以達到良好的性能，燒結收縮比(線性收縮比)例大于15%的組件，在燒結過程中容易有崩裂的傾向。在60 vol% (體積分率) 的固體裝載，大部分PIM喂料可以獲得一維的線性收縮率約為15%，在燒結過程中收縮就不會產生裂紋。

體積分率為60 vol% 時，不同粉體所出現的不同重量分率。

補充說明：以當時的時代PIM喂料60 vol%已經算很了不起，目前常用的BASF喂料都標榜在63.2vol% (OSF = Oversize Shrinkage Factor =1.165);傳統的粉末壓制也僅有到達80vol%，但去年山東濰坊中泰合金所推出的OSF = 1.126，固體粉末裝載量直逼70vol%。

在固體裝載臨界點附近的粉末和聚合物之混合物的成型條件，對：溫度﹑壓力與剪切速率敏感。任何小的變化，這些因素會使混合物為非作歹起來，這種復雜的行為之研究屬于學名”流變學，涉及材料的彈性﹑粘度﹑強度和時間 - 依賴的函數包含壓力﹑溫度﹑剪切速率﹑粉末特性和高分子化學反應的種種因素。在成型過程中，PIM喂料是不是一個均勻的流體粒子﹑有無產生固體和聚合物兩相分離(俗稱粉膠分離)，導致許多的“有趣“缺陷(令人痛苦的!!)是無法被看到，直到最后檢查才挑出來。因此，PIM過程的計算機計算器仿真，我們需要流變信息進一步需要對喂料的密度﹑熱膨脹﹑熱容量，以及熔點范圍﹑導熱系數，甚至是喂料體的延展性信息。

目前使用計算機仿真PIM的喂料填充模穴，都是假設喂料為一個均質流動的系統(和一般聚合物或液態的金屬一樣)。然而，實際測試表現，粉體顆粒與顆粒間的粘結劑，有著極為明顯的相互作用影響。

因此，新的PIM之注射成形模擬包括粉體顆粒與粘結劑分離，以幫助模具設計師和機器操作員，避免坯體密度發生過度的梯度變化甚至粉膠分離。這是公認的，燒結4體的尺寸精度直接關系到在注射過程中的喂料的特性，固體粉末與粘結助劑分離(粉膠分離)造成非常不利的局面，現在可以預測傾向于顯示近膠口附近的高剪切區域，是常見發生粉膠分離的問題主要位置。

顯然，喂料流變性對于MIM產品最終有很大的影響，尤其在注射上看似的成功生坯，缺陷卻會在生坯體內或燒結體中形成時出現。喂料的粘度調節對于無缺陷的模穴填充是很重要的因素，也是注射工藝的首要要求，經過大量的研究實證，我們發現成功的PIM注射喂料有相似的特征軌跡可循，即使是非常不同的粉末或粘結劑，甚至是不同型號的注射成型機。PIM的演進對喂料的要求，也進化到需要一些復雜的工程分析，這是毫不意外的原則。這種喂料分析的復雜性已經超出了許多較小的模具制造商或MIM零件制造商的能力，也應該是毫不奇怪。因此，在過去15年，喂料的設計已經逐漸轉移到十幾個世界各地的原料供貨商身上，其中最大的應該是BASF。

因此，本篇說明喂料設計對PIM制程具有深遠的影響，易于成型就易于確定最終燒結尺寸的公差范圍。

PIM的發展歷史

在PIM的發展初期，第一本教科書、第一次的研討論與那些作者們，對于喂料設計所需的復雜度僅能提供有限的見解。話雖如此，就算是現在，任何一個配料工程師都可以去雜貨店購買一些石蠟和汽車拋光潤滑劑，添加一些花生油，融化某些塑料(如PE夾鏈袋)，便可以發明了一種秘密的粘結劑，然后，增加了足夠小的固體顆粒粉末的神秘喂料就誕生了，早期的原料配方并不是很復雜。事實上，從20世紀的1940~1970年之間，第一項專利公開了使用樟腦丸、蟲膠﹑環氧樹脂和纖維素 – 并以水作為混合溶劑。這一直持續到今天，最近發現蛋白也是很好的粘結劑。消費者可以去雜貨店購買PIM粘合劑的成分，食用的花生油和黃豆油，就算到今天的塑基配方也都有人在使用，就在中國境內。

一個問題其實持續困擾著PIM領域，在初期的快速且顯著成功，如果你沒有仔細比對﹐這些自制的喂料系統工作似乎好得很﹐這樣的喂料很容易填充簡單造型的模具﹐比起用其他粉末技術來說，特別是以模具壓實成一個簡單的形狀的傳統粉末壓制技術。在那個年代，以羰基鐵粉和石蠟形成喂料，成形到一個塑料圣誕鐘的模具里，是那么的容易，每個人對PIM都留下了深刻的印象。這樣的廣告活動是足夠好到讓辦公室里的老板感到安全，并愿意積極性的建設一個PIM工廠而努力。因此，在20世紀的1990年代后期，有近300家PIM工廠努力在世界各地運轉。

然而，“展示和講述”僅僅是個開始。真正的問題后來落入幾個方向：

缺陷控制(消除熔接痕，裂縫，空洞，和其他缺陷)

制程良率(這是很難有利可圖，當你成形良率僅有80%的時候)

尺寸控制(你能夠重復的得到同樣的大小和形狀)

碳控制(粘結劑很容易污染產品，所以很難達到可熱處理鋼的碳含量特定的要求，因此，即使在今天，低碳不銹鋼很難以PIM做出來)。當然，這些問題在現在是容易的，但僅只在低碳控制，而不是隨心所欲的控制碳含量。

近十年來，這些問題已經在喂料供貨商端被解決了一部分(并非全部)。值得注意的是，喂料供貨商帶來了可信性﹑穩定性和一些文字敘述得標準化手段。事實證明，這是商業機會增長的關鍵，因為早期的PIM制造者感到困擾，一旦他們侵犯供貨商的秘方，這是在早期的PIM制造廠的頻繁破產的原因。對于那些新進來的PIM制造商，喂料的重大演變可能不是很明顯的影響他們，但是，在PIM業務超過15年左右的制造商應該了解到，掌握喂料相關的問題是本身PIM業務的一部重點。

我們需要了解的基本原因，探究如何使PIM制造商在早期發展成功的平臺。讓我們回顧并列舉一些因素的關鍵點，得到成功的喂料調配。

固體粉體的要求

早在起初PIM的觀念上，只能使用少數幾種材料且小粒徑的粉末，所以當時認為小粒徑粉末適用于各種應用，有很長一段時間僅有次微米級的氧化鋁和微米級羰基鐵可用，導致它們被市場采納。在金屬領域里，大多數現有的粉末是大顆粒的，而不是設計來為了燒結收縮控制，因此，當時細小粉末成為主流粉末的副產品甚至是市場上不要的廢棄物，僅僅只用在早期的試驗。今天，擁有細小粉末的生產技術的供貨商則已經發達(現在確實有上百家提供PIM粉末)。從化學方面看，我們幸運的是從金屬、氧化鋁到氧化鋯，現在有幾百種合金﹑化合物和元素粉末可用于PIM產業。

表2是PIM用的不銹鋼粉末范例﹐對照于制造的方法、中值粒徑大小、以及視密度(視密度為理論密度對照于實際密度的百分比)。粉末是近似球形的形狀，有點寬的粒徑分布區域，它們不是單一大小的球體。大部分粉體都如圖1中所示的圓角形狀、其尺寸分是散布的。在很極端的情況下，可知成本較低的粉末是非常不規則的，并具有低的填充密度，如示于圖2鈦粉末。

表2：PIM用的不銹鋼粉末范例

圖1：以掃描式電子顯微鏡照片來看以高壓水霧化法所得到的不銹鋼粉末、這種類型多半式低價位的PIM產品應用。(尺寸大小不一﹐圓角化但不是真正圓形)