金属注射成形(MIM):
一种制造精密工程零件的竞争性工艺
DrGeorg Schlieper et al
(Consultantof EPMA)
摘要:经过30多年发展，金属注射成形(MIM)已发展成一种生产小型、精密、复杂形状零件的具有竞争性的生产工艺。这类零件用常规金属工艺生产时，不但价格昂贵，而且材料利用率低与生产工艺复杂、费时。MIM工艺几乎可用包括金属、陶瓷、金属间化合物及复合材料在内的所有材料，生产大量与少量的小型复杂
形状零件。现在。用MIM工艺生产的零件已在诸如汽车、化工、航空航天、事务机械、计算机硬件、生物一医疗器械及枪械等产业部门得到了广泛应用。
关健词:金属注射成形;MIM;小型精密零件
1概述
1.1粉末冶金
MIM是传统粉末冶金(PM)的发展，当然被认为是粉末冶金的一个分支。标准的粉末冶金工艺是用单轴向压制，于刚性模具中压制添加有润滑剂的粉末混合物，压坯从模具中脱出后，将之进行烧结。
用粉末冶金工艺虽然可以成形十分复杂的形状，并经常成百万件的进行生产，但是对于零件形状却受到一个重要限制，即压制成形后，压坯必须从阴模型腔中脱出，因此，很明显，有根切或对压制方向有垂直凸出部的零件，就不能压制成形。用金属注射成形工艺制造时，实质上，就消除了这种限制。
1.2金属注射成形
多年来，我们已经知道用注射成形可由许多塑料生产形状十分复杂的零件，而且，这些零件到处都是，并且和人们的日常生活密切相关。这类零件的一个重要特点是价格比较便宜。可是，对于许多工程应用，这些热塑性材料都有各自的力学性能，而且，他们都较软、强度有限及不耐高温。
通过用在塑料中添加固体填料一陶瓷或金属粉末，虽有一些改进，但发现只有当在混合物中金属或陶瓷粉末占有很高体积百分率时，才能实现真正的突破。从而，研制出了用塑料一黏结的金属或陶瓷零件。精心地除去塑料黏结剂后，遗留下的金属或陶瓷骨架，虽然易碎，但仍然可以安全地搬运，并以和传统的模压零件大致相同的方法进行烧结。烧结后零件的密度可高达95 %(理论密度)，同时其力学性能一般都能等同或优于传统的粉末冶金零件。
2 MIM使用的原材料
在传统的粉末冶金生产工艺中，一般烧结后零件的尺寸都和压坯很相近。因此，就不难保证公差紧密。可是，金属注射成形的情况却十分不同。通常，将注射成形状态的零件，叫做零件‘生坯’，其黏结剂的体积含量高达50%(体积分数)，同时烧结时收缩大。因此，对烧结工艺的主要要求是，要保证收缩是可控的。在这方面，若混合料制造的合适的话，和常规粉末冶金工艺相比，MIM的优势在于，压坯中金属的密度是均一的。在这种场合，收缩虽然大，但密度依然是均匀的。这可以消除在模压零件中由于密度不均匀产生翘曲的可能性。
对于粉末/黏结剂混合物，即所谓的‘注射料’，流变性性能最为重要。在成形温度下，黏度必须使混合物能平稳地流人模具，而且，不能有任何偏析，同时，在成形温度范围内，要使黏度尽量保持不变。可是，冷却时，混合物又必须变成刚性的。
2.1金属粉末
几乎任何金属都能制成适用于MIM的‘适当粉末颗粒形状’。但是，铝与镁除外，因为附着在其粉末颗粒表面的氧化物膜阻碍烧结。在金属注射成形中使用的金属清单中，包括有许多通用的与一些较不常用的金属与其合金一普通钢与低合金钢、不锈钢、高速钢、铜基合金、镍与钻基高温合金、铁、金属间化合物、难熔金属及硬质合金。从经济观点来看，最有应用前景的是价格较昂贵的材料。这是因为和包括有切削加工的可替代工艺不同，MIM工艺实际上没有废料。而对于价格较便宜的金属，废料较不重要。
图1.所示为在MIM中应用的铁粉与钢粉。注射料中金属占的比例最好是尽量高，粉末颗粒最好是球形或近球形。
a).羰基铁粉;b)气雾化17-4 PH粉末;c)水雾化17-4PH粉末
图1 MIM用的铁粉与钢粉
平均粒度与粒度分布也都是重要的。如同众所周知，和较粗的粉末相比，细小颗粒粉末较容易烧结。表I中比较了不同的生产工艺与它们作为MIM用粉末的相对成本。
表1细小颗粒生产工艺的比较
理想的MIM粉末应如下所示:
为了充填密度高与成本低(成本较低的大颗粒与成本较高的细小颗粒)，特别配制的粒度分布;
无偏析;
主要是球形(或等轴状)颗粒;
为避免除去黏结剂后变形要有足够高的颗粒间摩擦;
为了快速烧结，平均粒度要小于20μm
内部孔隙中无密实颗粒;
爆炸与毒性最小;
为了适于与黏结剂相互作用，颗粒表面要清洁。
2.2 MIM粉末的特性
在粉末冶金中，一般用来表征粉末特性采用的试验方法，诸如筛分析、流速或压缩性都不适用于MIM粉末。这是因为MIM用的粉末的粒度至少比模压制用的粉末的粒度小一个数量级。对于MIM用粉末适用的试验方法有包围一比表面面积(ISO10070)与重力沉降的测定(ISO 10076)。这些试验都能表明颗粒的大小与形状。
关于表征MIM粉末的粒度分布，推荐的试验方法是激光衍射仪(图2)。这种检测方法的动态范围大(在1与1000 wm之间)，其很好地覆盖了MIM所关心的粒度范围。图3所示为生产MIM零件用的气雾化316L粉末的体积粒度分布的典型曲线。
图2激光衍射仪示意图
图3 MIM粉末(气雾化316L)的典型粒度分布
2.3黏结剂
黏结剂是关键，也有一些人说是注射成形零件成功生产的最关键的因素。大部分黏结剂都是有机化合物的混合物，主要成分是天然的蜡或合成的聚合物。为了改变性能，可能添加有其它物质。
表2所示为现在MIM用的主要黏结剂系统。
表2现在MIM用的主要黏结剂系统
混合是在高温下进行的，这时黏结剂为液体，其必须‘润湿’粉末颗粒，形成无任何颗粒团的均一混合物。就此而论，组成中往往应该包括有表面活性剂。可是，在黏结剂与金属之间不得产生化学反应。进一步的要求是，在生产过程中黏结剂不得恶化。黏结剂应容易从成形的零件中除去。
2.4混合
在常规粉末冶金中采用的滚筒混料机，对于MIM用混合料的混合不适用。对于MIM用混合料，混合时需要的是进行剪切作用。有几种不同类型的混料机可以利用:例如Z型叶片与行星式混料机。大量生产时，为保证注射料的均一性，对于最终的注射料配制，可使用双螺杆挤压机。其主要目的是保证每个颗粒的整个表面都涂覆有一层黏结剂。有时，为了便于与强化颗粒表面与黏结剂之间接触，要将粉末进行预处理。应使用尽量少的黏结剂，粉末的体积分数约为0. 5一0. 7 。
2.5 MIM注射料的特性
为了在材料性能与尺寸精度两方面都能制造出高质量的最终产品，注射料的质量必须保持一致性。
鉴于注射料的特性，仍然是一个比较新的研究领域，将来可能会开发出新的与更好的试验方法。
(I)收缩
可将从模具尺寸收缩到MIM零件的最终尺寸，看作是注射料的性能。图4所示为测定收缩的试验试样，其测量了相互垂直的二个直径。
(2)流变性。注射料的黏度是MIM工艺的很重要的性能，其决定了多么好的材料才能被传送与注射到模具型腔中。
关于通过孔道或小孔流出，其是一种毛细管流变仪技术，黏度低和注射料容易流动相关。最好这种流动能反映注射料的固有性能。若就没有出现壁一滑移性状的均匀注射料而论，这种流动是层流。因此，若关心表观剪切速率的范围大会影响(表观)黏度的话，毛细管流切速率的范围大会影响(表观)黏度的话，毛细管流变仪是一个重要工具。
图4测量收缩的试样
对于注射料适当配制特别重要的是临界装载量。这是粉末含量的范围，超出了这个范围，相对黏度将明显增高。临界装载量可用在固定剪切速率下测定的作为粉末装载量函数的黏度来确定。
在聚合物学科中，在用各种不同的其他技术研究流变性状，例如，用控制应力与控制应变的流变仪。可是，他们对于MIM注射料试验的适用性尚待确认。应该注意的是，这些比较高级的方法使着可较深人地了解粉末在注射料中的弥散状态，即粉末在黏结剂中弥散的如何。
对于注射料供应方与MIM零件生产厂家间的联系，实际上，最重要的是需要保证MIM注射料的规定性能的质量。为了容易评定这些质量保证，需要有可靠的、标准的测量方法。为此，可用ISO 1133中所讲的热塑性塑料的熔体一流动指数(MFI)试验，即熔融物质一流动速率试验(MFR)或熔体体积一流动速率(MVR)试验。其是利用在固定的时间周期内，通过通道的一定数量注射料的平均值来推导出这个特性的。测定的MVR为。cm3/lOmin, MFR为g/lOmin。可以监控自动距离一时间一测量(程序，B型)。试验温度与施加的负载取决于试验的聚合物材料，即MIM注射料场合的黏结剂。对于MIM应用，报告的MFI值应包含有关于使用的装载量或重量、温度及试验程序的资料。
3 MIM零件生产过程
3.1注射成形
实际上，通常用于MIM生产的注射成形机和在塑料产业中使用的一样。MIM用的注射成形机仅只有一些特殊性能，如像耐磨、螺杆的几何形状或注射与排出的特殊控制。这些都取决于加工的注射料。
将注射料挤压到模具型腔中的螺杆位于加热的料筒中。为保证加工的条件不变，要精心控制料筒与喷咀的温度。另外，还要控制模具的温度，必须合适，以保证压坯被排出时坚硬。
除了这种叫做高压注射成形的工艺之外，还在使用中等压力与低压力注射成形工艺。
注射压力较低的好处是，设备与模具的总投资额较低。注射压力较低的主要缺点是尺寸的再现性较低。
减低零件单位成本的方法是使用多型腔模具，以使用一次注射可生产几个零件。这种方法特别适合于需要的数量很大的个别零件。
图5金属注射成形(MIM )零件的生产过程
3.2黏结剂除去
除去MIM零件中的黏结剂是生产工艺的一个关键工序，而且是一个需要精心控制的工序。有几个基本工步:
(1).加热生压坯，以使聚合物黏结剂熔化、分解及最终蒸发。为了避免成形态零件生坯碎裂，这必须很精心地进行，而且，采取在不同温度下分解或挥发由几种成分组成的黏结剂是有利的。这个过程一般需要许多小时。因此，脱翻要用间歇式工艺进行。除去黏结剂所需要的时间取决于零件壁厚。
(2).使用气态硝酸或草酸催化分解甲醛( POM)注射料，可大大缩短除去黏结剂的时间和减小零件碎裂的危险。催化黏结剂除去与烧结既可采用间歇式也可采用连续式设备(图6)进行。
图6连续式脱钻与烧结炉
(3).另外一个可供选择的除去黏结剂的工艺是用适当溶剂(诸如丙酮，乙醇或己烷)溶解黏结剂。一些黏结剂的成分，甚至可溶于水。通常，需要最后用加热蒸发除去黏结剂。
(4)在除去黏结剂的过程中，压坯的强度显著减低，在运送叫做‘棕色零件’零件生坯时，必须十分精心。
3.3烧结
烧结是通过加热，将各个颗粒焊接在一起和形成最终产品所需要的强度。加热过程是在可控气氛炉或真空炉中进行的。
MIM零件的烧结，实质上，和传统的粉末冶金零件相同。
因为主要是为了避免金属氧化，采用的气氛一般都是还原性的。除了保护金属外，还原性气氛的另外的一个好处是，可还原粉末颗粒表面的氧化物。
由于MIM使用的是较细小的粉末，这当然在MIM零件生产中比在传统的粉末冶金零件生产中要重要。
使用的烧结气氛组成取决于烧结的金属。对于许多金属，烧结需要的是仅只含有氢的气氛，但是在烧结钢的场合，碳是一个重要合金元素，气氛必须或者是隋性的或者是含有碳化合物或化合物的，以使之与钢相互平衡，即使钢既不增碳也不脱碳。
实际上，在MIM中使用的粉末比在粉末冶金中使用的粉末细得多，这意味着，由于颗粒的表面能较高，比较容易烧结。
鉴于‘棕色零件’的孔隙度非常高，因此，烧结时收缩很大(见图7)，同时为了保持形状与防止‘坍塌’，必须严格控制烧结温度。最终零件的密度接近理论密度，通常大于95%理论密度，同时力学性能和组成相同的铸锻金属相近。
图7‘生坯’、‘棕色零件’及最终MIM零件
3.4烧结后续加工
MIM零件的性能，可用许多用于铸锻金属和/或粉末冶金的常用生产工艺进行改进，例如，表面硬化，电镀等。
MIM零件的表面层往往是完全致密的(见图8)，因此，残余的内部孔隙度对于烧结后续加工没有不良影响。
4 MIM产品的力学性能
4.1拉伸性能一拉伸试验试样
鉴于MIM零件形状设计的特殊规则，很明显，制造的拉伸试样不需要进行切削加工。这在节省费用与技术两方面都有明显好处。因为MIM通常是一种最终形或近终形制造工艺，其技术的优势是试验试样的表面状态和MIM零件一样。这就是为什么MIM产业在初期阶段就开发出了自己的拉伸试验试样的几何形状。这些所谓的MIMA试样，都是由美国金属注射成形协会最早提出与设计的，并为ISO 2740标准所采用，规定为粉末冶金的拉伸试验试样。
图8 MIM零件表面区域的显微组织
欧洲的MIM零件生产厂家发现设计的这些试验试样，为了便于夹紧，在其夹紧的顶端有孔，而这种孔，倘若由于模具充填不均匀形成的焊接线或裂纹，会超
向于发生在标距长度以外断裂，为了避免发生这种问题，推荐增加的形状和MIMA的形状差不多相同，但是在夹紧的顶端没有孔(见图9)。
图9欧洲MIM产业提出的拉伸试验试样
（用拉伸试验测定的力学性能)
模具的尺寸(标距长度的直径:5 . 0 mm)都在MIMA的大试样(标距长度的直径:5. 82 mm)与MIMA小试样(标距长度的直径:3. 8 mm)之间。
三种试样的几何形状都已是公认的，并已汇集于ISO 2740中。
4.2 MIM材料的疲劳强度
欧洲MIM产业致力于按照有限元分析(FEA)与其他设计软件提供给设计工程师以全面的材料性能数据。这些特性的测定，特别是疲劳性能，是昂贵与费时间的。因此，迄今没有几个数据可用，但是，这些也表明，热处理的MIM钢的疲劳性能潜力是大的。
4.3全球粉末冶金性能数据库
2004年，EPMA和MPIF与JPMA一起创办T网站:http ;//www. pmdatabase. com.是用于了解自己设计项目的粉末冶金材料性能的设计工程师的标准参考资料。这个数据库汇集了2007年以后MIM材料的性能，对于注册者可免费使用。也可用供应商的许多不同的标准与信息搜索材料。
4.4高负载应用的MIM材料
选择了二种钢作为可热处理的高强度材料的代表:沉淀硬化MIM-17-4PH不锈钢与低合金MIMr4340钢。后者是常用的淬火一回火热处理的代表。已经证明用MIM工艺生产的这些钢的高强度潜力，并且，可将其结果作为开发高负载应用的基础。
(1).热处理
·MIM-17-4P
固溶处理:1 h/1 050℃，在真空中;时效处理:4h/480℃，在空气中。
·MIM-4340
正火:20 min/870℃，在真空中;然后，油淬火、回火:2 h/425℃.在空气中。
(2).疲劳强度
为了使数据具有代表性，研究了由几个MIM零件制造厂家提供的试验试样。在频率20Hz下，用r=0负载模式(拉一拉试验)，进行了轴向疲劳试验。按照ISO 2740，采用成形状态的拉伸试验试样(即对试样标距长度的表面不进行切削加工、磨加工或抛光)。在2x106周下测定了疲劳极限。MIM-17-4PH得到的试验结果如图10所示。曲线表明一些生产厂家的试样的疲劳寿命比另外一些厂家的长。预料通过使制造、表面质量及热处理最佳化.可改进疲劳寿命。测定的疲劳强度的下限为280 MPa
图10 MIM-17-4PH的轴向疲劳试验曲线(R=0)
MIM-4340材料试样的表面质量高，虽然总孔隙度约为4%，但表面或表面下的孔隙都要很小。根据文献报告，对于锻轧的SAE 4340材料，用同样热处理的和用平面弯曲进行的试验，于106周下的疲劳强度约为“0 MPa.用MIM-4340材料得到的结果是，疲劳极限约为500 MPa(图11)。
这些结果都证明，倘若在MIM零件制造中特别小心的话，MIM材料的疲劳强度是有希望的。为了达到适当的疲劳性能，建议要特别注意模具处理，例如，模具的分型线(因为大多数失效都是沿着这条直线发生的)与高的表面质量。
5 MIM的设计
5.1 MIM零件设计准则
一般而言，用注射成形可由热塑性塑料生产的任何形状，用MIM由金属也都可以生产，但是，对于这个一般原则，在两种情况下受到限制。
图11 MIM-4340的轴向疲劳试验曲线(R=0)
图12所示为收集的一些MIM零件。这些都是MIM零件的形状复杂的例子。表3示压坯的设计准则。
注:this一好;Not this一不好。
图12 MIM零件
5.2模具设计
(1)壁厚均匀，去型芯及孔
为了避免变形、内应力、孔洞、开裂及沉陷、壁厚最好是均一。壁厚的变化还可能引起烧结时的收缩改变，从而使着难以控制尺寸。图13所示为均一与最小壁厚的设计例。用来形成均一壁厚的一个方法是去型芯(见图13中的例子)，而且，去型芯/最小壁厚，由于可节省材料与减少加工时间，还可以减低成本。在一些零件中，用将杆伸长到模具型腔中成形的增加的孔，容易去型芯。通孔比盲孔容易成形，因为型芯杆可在两端进行支撑。
表3压坯设计准则
注:this一好;Not this一不好。
制成“D'型横向孔，使着可封闭模型中的零件。
图13相互垂直孔的设计图
仅只用一端支撑的芯杆成形的盲孔，由于注射料流入型腔会使芯杆偏斜而偏心。因此，一般将盲孔的深度限制在芯杆直径的两倍。孔的相互垂直会产生使模具不能封闭或闭合的特殊问题。
改进将一个孔重新设计成‘D'型时，模具较好操作，较稳固及飞边最小。这种结构的一个例子见图12薄壁零件的坚固性与强度的另外一种方法用加强肋。加强肋的厚度或宽度不得超过其连接壁的厚度，只要有可能，原则上，要尽量保持壁厚均一。可是，虽然加强肋可增高零件的强度，改进材料流动及防止加工过程中变形，但是，他们也可能产生翘曲，沉陷及应力集中。对零件设计增加加强肋要谨慎，往往在对最初的模具试样测定后再说较好。
在一些零件中，有不同的壁厚是难以避免的。从一种厚度逐渐转变为另外一种厚度，可减小应力集中与表面外观(流动线)差。图14所示为推荐的转变比率。另外，为了保证注射料的适当充填，模具的浇口应位于较大截面处。
图14壁厚渐变
(2)浇口
注射料是通过一个叫做‘浇口’的开口进人模具型腔的。一般而言，浇口的位置应使注射料进人模具型腔时，从厚截面流向窄截面。最好是，从浇口开始的流程应冲击型腔壁或型芯杆，见图15。一般而言，从薄截面到厚截面的流程，会在零件表面形成空洞、沉陷、应力集中及流线。
许多MIM零件都是用多型腔模具生产的，其中每一个型腔都必须和其他型腔相同。为了保证零件的可再现性，对于每一个型腔的浇口与流道系统都必须精心测定大小与确定位置，从而使每个型腔都能以均衡的充填速率、同样数量的注射料充填每一个型腔。鉴于浇口都会留下痕迹，要根据零件的功能与外观，对浇口的位置进行精心选择。
(3)减小应力集中
应避免零件内部的尖角与切口，因为他们都会导致应力集中。因此，应该考虑大的圆角或圆角半径，他们也都可以改进成形时注射料的流动，并有助于零件的脱出。内部与外部的圆角半径都要应尽量大，一般都不小于0. 4一0. 8mm.
对着型芯进人厚截面合适浇口
图15 浇口位置
(4)螺纹设计
需要时内部与外部的螺纹都可自动成形在零件上，从而不需要用切削加工制作螺纹(见图16).内螺纹一般是使用旋出装置成形的，但这种方法往往费用高。
图16成形外螺纹
(5)模具分型线
模具的分型线是由模型的对立面形成的，如图16所示，是为了使着零件从模型中脱出的半模型分离平面。
(6)根切
根切分为内部的与外部的，其往往是零件功能所必须的。根切可能会增大模具的费用与延长周期，但这决定于零件根切的类型与位置。对于有‘O’型密封环的零件，往往规定有外部根切，其可用对开型腔模具成形。和有螺纹的零件一样，在根切的表面上有二条180°分开的分离线，其可能是不适合于‘0’型一环沟槽的。用可拆分型芯可成形内部的根切。大部分MIM零件比较小，不适合使用这种方法，但其他方法可能证明是可行的，如像利用在烧结以前可以毁坏的特种塑料型芯，或甚至将二个或多个MIM零件用烧结连接在一起。因此，不推荐设计有内部根切或凹进处的MIM零件，但并不是不能生产。
(7)零件从模具型腔中脱出
为了将零件从模具型腔中脱出，零件可能需要有斜度或轻微的锥度。对于芯杆，也是一样。而且，其需要随着成形的孔或凹进的深度而增大。当需要(脱模)斜度时，一般角度0. 5° -2°就足够了。对于从模型中脱出零件，通常都需要顶杆，和当为了使零件的飞边痕迹最小时，这些顶杆的良好设计是关键。特别是对于较软的注射料，顶杆与零件的接触面积(相对于顶杆的直径)应该足够大，以避免零件局部破裂。
(8)模型充填设计
图17与图18证明用计算机模拟注射成形过程，对于模型设计是有用的。软件包有，例如SIG-MASOFT? or MOLDFLOW?。图17与图18所示零件在高应力的关键位置有焊接线。用重新设计，可将这种焊接线移动到非关键部位。用减小壁厚(图17)可变更浇口位置与使流动偏移。模具设计软件适合于使零件设计、模型充填及一个型腔与多型腔模型的浇口最佳化。
图17 MoldflowR模拟的模型充填的焊接线的关键位置
5.3 MIM零件的大小
理论上，对生产的零件的最大尺寸并没有限制，但经济方面的考虑限制了现在可行的零件尺寸大小。在这方面有二个重要因素:
(1).零件较大时，由于原材料(细粉)昂贵，而粉末的总成本和零件的重量呈直线性函数关系，因此，总成本的比率较高。
图18 MoldflowR模拟的模型充填的
焊接线的非关键位置
(2)零件的截面越厚，脱戮的时间就越长。因此，生产的零件的成本就越高。现在，好像是将零件厚度限定在约30 mm。
5.4 MIM零件的尺寸精度
在考虑新应用时，最常问的间题之一，是用MIM工艺可达到的公差是多大?为了对MIM零件的尺寸精度评估提供基本数据，从几家欧洲的生产厂家收集了实际零件的数据。
表4所示为根据标准DIN ISO 2768得到的MIM的数据。在MIM中，使设计与生产工艺最佳化时，可使一些关键尺寸达到较好的公差。
在合适的成形条件下，只有关键尺寸才能达到这些公差。模型的分型线、壁厚的变化及其他因素都对零件的尺寸精度有不良影响。
表4典型尺寸公差
图19所示为MIM零件的公差与ISO公差IT7到IT12级的比较。虽然，二者不一样，但是在3一35mm之间，MIM零件的公差和IT10级很相似。小于3 mm时，MIM比IT10好一些，但大于35 mm时，和IT10相比差一些。除了尺寸精度外，还要考虑:
·角度的公差
·表面粗糙度
·圆角半径。
图19 MIM零件的尺寸公差与ISO级别
在这里，角度的公差都是± 40＇或者为了改进使用性能标准为± 30＇。表面粗糙度决定于材料类型，可能为Ra = 4一20μm。与相当粗的雾化钢粉(例如不锈钢粉)相比，以粉末粒度小于10μm的拨基铁粉为基体的MIM材料趋向于表面较光滑。MIM零件的表面粗糙度明显地比大部分精密铸造件好。可是，表面粗糙度测定仪的读数可能受残留孔隙度的影响。测量表面粗糙度的方法，顾客与卖方双方必须一致同意。MIM零件的表面粗糙度可用常规生产工艺来改进，诸如磨加工、抛光或研磨。圆角半径一般至少为0.3 mm。在MIM设计准则中给出了和圆角半径相关的更进一步的细节。在规定MIM零件的尺寸公差时，往往应遵守下列的一般标准。
·规定的公差绝对不应比满足性能要求与避免后续加工更精密;
·对于壁厚变化大的零件不能规定精密公差;
·零件的几个尺寸的精密公差，通常会导致零件成本增高(后续加工);
·不能跨过分型线或对于用可移动型芯或滑动凸控制的尺寸规定精密公差。，
5.5与竞争性工艺的比较
实际上，MIM一种大量生产复杂形状零件的技术。倘若形状容许利用，例如和常规的压制一烧结工艺(及力学性能合适)生产相比的话，则在大多数情况下，MIM太昂贵。可是，倘若需要的复杂形状零件的数量超过了某一数量时，则MIM工艺可能比切削加工的便宜。
其次，零件的大小影响成本，零件越大，越不利。和MIM工艺竞争的常规生产工艺是精密铸造。表5中对用这二种工艺生产的零件特性进行了比较。就许多特性来看，是MIM领先。许多形状可用MIM工艺生产，但是不能用其他方法生产。在需要大量小零件的场合和在需要不能铸造的合金的情况下，和精密铸造相比，MIM工艺占有优势。
表5依照成形能力零件制造工艺的比较
6 MIM零件的金相检验
6.1显徽镜检验MIM零件的制备
(1)目的:这个准则的目的，是为用显微镜检验制备MIM零件试样规定所必要的操作程序。
(2)要检验的零件:
零件生坯一对于发现试样的缺陷(裂纹、气泡、收缩、孔隙度、焊接线等)，零件生坯的金相检验是有用的。还可以根据零件的几何形状与使用的粉末类型，检验注射成形用的粉末一黏结剂混合物的均一性，而且，必要时，若使用的粉末不均匀，可对不同的粉末(性能或形状)进行重新配制。
棕色零件一棕色零件由于除去了黏结剂，因此，很脆弱。若零件中有缺陷，其比较容易沿着这些缺陷破裂。用这种方法，可确定缺陷的位置，和对破裂截面的检验可提供缺陷(裂纹、气泡等)的性质的信息。由于表面粗糙，不需要高的放大倍数。
预烧结的零件一倘若黏结剂很软或脆弱，就难以顺利地制备零件生坯。因此，零件必须进行脱戮与烧结到颗粒之间开始形成烧结颈。零件的声音和金属一样，但其尺寸大小仍然很接近零件生坯的尺寸(收缩2% - 5% )。零件生坯中的缺陷仍然和预烧结零件中的十分相同，而且，比较容易检验。
烧结的零件一烧结零件的金相检验大多用于查验孔隙度，光洁度及显微给织。对于MIM零件的冶金特性来说，金相检验是重要的。
(3)试样制备
I)扫描电镜(SEM )
对于SEM检验，往往不需要制备MIM零件。在电子显微镜中可使用整个或破碎的零件，同时检验应在外表面或破碎截面上进行。倘若需要化学分析时，特别是半一定量分析时，则应像光学显微镜一样制备试样，和分析应在抛光的表面上进行。
2)光学金相检验
A.概述
由于大多数零件都有薄壁，因此，若不将试样镶嵌在适当的聚合物树脂中，金相检验几乎就无法进行。检验的截面最好是试样最重要的截面。这种截面可能是:
·有缺陷处;
·焊接线;
·偏析处;
·预计有特殊信息的任何表面。
倘若没有特别需要检测处，则可将试样在中间切开，或在任何较方便处切开。
B.零件生坯制备
零件生坯的制备可能变化很大，这决于黏结剂的性质与力学性能。否则，就应将包括被检验的试样部分镶嵌在冷固定树脂中，最好是用为金相检验专门设计的树脂。在聚合反应完成后，用高速圆盘锯进行切割。
发现下列条件是有效的:
圆锯片高强度钢
直径:63 mm
厚度:0.3 mm
齿数:128
切割速度(圆周):600 m/min
直线速度:0.3 mm/min
零件生坯试样不能抛光。在抛光成光滑表面之前，可能会除掉与破坏勃特别剂，同时可看到的金属含有量远比实际的含有量少。检验应直接在切割的表面上进行。残留的粗糙度阻碍使用高的放大倍数，但可以检验与分析粉末的形状与粉末分布。切割时，一些粉末颗粒可能被从聚合物基体中除去，但孔洞清楚地呈黑色，并可用于图象分析。
C.预烧结的与烧结的零件制备
a.试样切割
为了防止试样在切割时挤压，变形或损坏，对于零件的固定要特别小心。可以用砂轮切割机，用薄砂轮或轮缘镶有金刚石的砂轮进行切割。切割时，要充分冷却，以防止由于过热结构发生变化与损坏。
也可用锯切割。使用标准的钢锯，会留下毛边和粗糙的与变态的表面，因此，在以后研磨时，以除去零点几毫米。和珠宝商使用的类似精细片锯，可能适用于切割MIM试样。
倘若零件比镶样的模具小，可能不需要切割。倘若没有特定的截面要检验，可以镶嵌整个零件;可是，这需要进行充分地研磨加工。
b.镶样
对于金相试样，最常用的镶样方法是热压镶样。若热塑性与热固性树脂的硬度足够高与收缩小，则二者都可以用于试样镶嵌。可是，零件生坯，预烧结
的零件及一些很脆弱的零件都需要冷镶样。在真空或加压气氛中使镶样的树脂固化可以改进预烧结试样的浸透性，从而使MIM零件较好地强化，同时，由于孔隙度低或孔隙度为零，较容易抛光。
倘若零件要用光学与电子显微镜二种方法进行检验，适于用导电性的树脂(例如含有碳粉，银粉或铜粉)。这种导电性镶样也用于试样的电解浸蚀。
试样在镶样树脂中的位置必须完全固定与记录。倘若镶样的树脂是透明的，则位置就可以验证，而且，必要时在完全聚合之前可以校正。倘若树脂不透明，则最重要的是，在浇注树脂之前，要确保试样的位置正确，和保证其仍保持在正确的位置上。为此，可使用特制的稳定器。
c.研磨
为了消除掉切割造成的毛边与结构变化，在最终抛光之前，要将切割表面相当厚度的一层用研磨加工除掉。经验对于确定应除掉多么厚会有一些帮助。在世界上研磨后，于低的放大倍数下检验表面，对于结果的鉴定，有时是有用的。也可一直研磨到试样的特定区域或缺陷。
研磨是试样制备的关键作业。研磨不正确，可能会导致由于塑性变形部分孔隙被封存闭或孔隙被研磨的碎屑充填。
在每一道作业之后，特别是研研磨之后，对试样都要进行彻底清清洗。用自来水清洗之后，再用异丙基醇超声清洗是适宜的。
d.最后抛光
光学显微镜金相需要扁平的镜面对面般抛光表面。每一个金相试样都要要进行抛光，和最后要用粒度6.3μm的金刚石粉粉膏研磨。为防止污染抛光盘，要特别小心。倘若磨料颗粒较小时，则可能遗留在孔隙中，和落在下一个盘上。倘若颗粒比孔隙大，则可能堵塞孔隙和将之除掉时会擦伤试术表面。研磨时，在每一次操作之间都彻底清理试样是重要的。不能采用电解抛光，因为其会影响孔隙边沿。
(4).检验
1)光学显微镜
首先，于低的放大倍数下检验未浸蚀的试样，以选择进一步检验的表面。试样应首先检验孔隙大小。应指出基体中孔隙大小与孔隙分布的均一性。然后，应检验试样的清洁度。在其他资料中将规定有孔隙与夹杂的分级。
检验是在放大100倍下进行的。特别是当怀疑金相试样制备不正确时，为了在孔隙与夹杂之间进行识别和为了较好地观察孔隙，可采用较高的放大倍数。为了确定孔隙大小是否正确，也可另外用金刚石粉进行抛光。
为了不同的目的，可采用不同的浸蚀，例如:
·显示显微组织;
·识别特定的相;
·识别夹杂;
·核验孔隙没有包藏毛边或无关颗粒。
浸蚀是用化学的或电化学的方法及化学试剂进行的，这和常规金相检验用的相同。表6中列出了这些试剂的清单。
表6最常用的浸蚀剂
2)扫描电镜
作出了为一种辅助的检验工具，SEM是很有用的。其可给出关于零件表面的补充规充资料，而且是确定夹杂组成的重要工具。可考虑用其鉴定腐蚀的副产品与进行材料的化学分析。
3)图象分析
特别是对于说明孔隙(大小测量，每一单位表面的孔隙数，大小分布等)，极力推荐图象分析软件。在与孔隙分级相关的资料中规定其应用。
6.2 MIM零件显微组织分析
(1)概述
为了进行金相检验，对于用注射成形(MIM)生产的试样制备和通常用的金相试样制备有一些不同。见上面的6.l。
(2)光学显微镜检验
1)设备
一台能放大约x 50 , x I00 , x 200及x 500倍的，高质量的光学显微镜。其需要有测定尺寸的显微镜标尺。为了人工测量尺寸与记录需要有摄影设备。使用图象分析时，能获得来自照相机的数字图象和在计算机中用专用软件进行处理(见图20)。
图20金相检验用的光学显微镜
2)孔隙度
首先在未浸蚀的试样上，检验孔隙度;必要的话，然后，再在浸蚀的试样上进行一次。
A.孔隙分布的检验
在低的放大倍数(x 50)下校验孔隙分布。倘若，孔隙度相当均匀，则可在表面的部分进行检验与测量。倘若，在表面某些部分孔隙的密度不同，则应分别在每一代表性部分进行进一步检验。孔隙分布的一般征兆都要记录(例如在试样的0. 6 mm厚度表面附近的较低孔隙度)。
B.孔隙度的表征
孔隙度的表征应在x 100倍下进行。要对检验的表面进行选择，其要具有典型的代表性，光学质量要好(平滑性、抛光状态、没有划痕等)。为了确保在制备试样时，没有封闭孔隙，在补充抛光之后，对同一区域进行检验，可能是有益的。
孔隙度的表征应包括下列数据:
孔隙形状一孔隙形状是用大多数孔隙的形状进行评定的。或者说是“圆形或球形孔隙”或者是“不规则孔隙”。当孔隙是不规则形状时，需要时，可增加对实际孔隙形状较多的具体描述。
孔隙的平均大小一平均孔隙直径是用图象分析或用足够多数量的可见孔隙(>10%总数)的尺寸测量与计算平均值得到出的。
孔隙的丰度-一孔隙的丰度是以测量面积中的孔隙数量与测量的总面积间的比率确定的。若用图象分析时，这个值一般叫做“计数/面积”。另外，孔隙的面积除以测量的面积可能是重要的。
a)研究的区域;b)计算的较小的区域;c)非救形孔隙
图21研究孔隙大小的显微照片表面
C.人工测量与计算的例子。
倘若，研究的面积如图21(a)所示，则计算与测量的实际方法是，将表面面积划分为几个较小的面积，如像(b)中，然后计算一个或几个面积中的孔隙数量。当孔隙是二个不同面积的一部分时，则应仅只计算面积中的位于其下部右边的部分。在(c)中，以最小尺寸(a)与最大尺寸(b)间的平均值得出的非球形孔隙的平均直径。
D.孔隙度的校验
为了显示材料的显微组织，需要浸蚀试样。和以前一样，用同样的放大倍数检验试样时，其应显示出同样形状的孔隙、尺寸与变形。
3)清洁度
清洁度是用夹杂的性能、数量及范围来表征的。夹杂本质上是组成与基体材料不同的、无关的金属或非金属杂质。用显微镜往往不能区别夹杂与孔隙。有时，用放大倍数高于x 500 倍或更高的放大倍数可以表明孔隙是真正孔隙还是夹杂。在怀疑的情况下，可采取的第一个措施是用乙醇与超声搅拌澈底清洗试样。使用一些专用的试剂，涂到夹杂上，会形成和孔隙与基体不同的颜色。
确定夹杂最合适的方法是使用扫描电镜( SEM )。这个准则在下面有一部分专门讲到了SEM的应用。
在确定夹杂之后，和用对于孔隙同样的方法进行表征。有的时候，由于孔隙与夹杂之间的形状、颜色及外观差异很小，难以用图象分析。倘若夹杂的数量不太大，人工选择夹杂可能是解决这个问题的一个可行的办法。
4)显微组织
MIM零件的显微组织检验只能用烧结的零件进行。程序和用于其他来源的材料相同，其唯一差别是大部分MIM材料中有小的与均匀的孔隙度(见图22)。
5)浸蚀
浸蚀用化学试剂见表7，可从其中选用。因为会浸蚀材料的孔隙度，要特别小心。倘若，液体存留在孔隙中，其可能会在检验时逸出，影响图象的质量，甚至会浸蚀设备，特别翻转的显微镜上。
6)检验
为了校验孔隙度(见上文)，在于x 100倍下第一次检验后，为了识别不同的相与为了进行金相观察，要选择合适的放大倍数。
7)测量晶粒大小
需要的话，可测定晶粒大小。对于MIM材料，标准ISO 643中描述的程序也是适用的。
图22用glyceregia试剂浸蚀的MIM316L
不锈钢的显微组织
8)a一铁素体
对于s一铁素体要特别注意。这种相在MIM工艺中广泛应用于不锈钢(例如316L)中。当将不锈钢加热到足够高的温度时，其会出现在晶界上。这种相呈很淡的浅蓝色。应报告铁素体的存在，可以测定这种相的相对丰度。
9).缺陷
A.缺陷是一种事故，可能影响零件的外观，形状或性能。这包括有注射成形的缺陷(焊接线，充填不完全，沉陷等)，材料的多相性，孔洞及裂纹。孔洞比孔隙大得多，和其较长的尺寸有的大于100 μm缺陷是系统的或偶然的。系统的比远比偶然的缺陷容易检验与识别。
B.缺陷的检验与表征一零件生坯或烧结零件表面的缺陷都是可用目测的。最后，可用放大镜或显微镜进行检验。依据缺陷的性质与大小，可用几种无损检验方法进行检验。对于磁性材料中的表面裂纹的显像，透视试验与磁性探伤法都是有效的。
当缺陷位于内部时，较难发现，除非是怀疑有缺陷或者内部的缺陷使外观产生外部变形。若内部的空洞与裂纹足够大时，则他们可用X一射线或超声音响测深自动记录仪定位。小于1 mm的较小缺陷，可用X一射线显微层析摄影法检测。
对于零件生坯与棕色零件的缺陷，可用破坏或切断零件进行缺陷的破坏性检验。对破坏与切割的截面进行检验，以获得缺陷的部位与信息。也可用显微镜检验缺陷。除非缺陷的部位是推测的和缺陷的大小很大或在零内伸长的，试样通过缺陷断裂是不可靠的。
(3)扫描电镜(SEM )
1)设备
SEM对于检验材料是一种很有用的设备。其是用电子束激发被检验的材料，利用材料发射的二次电子来产生表面的视频图象。由于焦距深，通过放大，能很好地确定这种图象与表明表面的轮廓。SEM一般的放大倍数为，从x 20到x20000倍。
利用SEM附备的能谱仪(EDS )，利用材料发射的X一射线的能量，可以分析局部材料的组成。
2)检验与分析
为了用电子束能诱发排出电荷，SEM检验的试样必须是导电的。倘若，试样本身不能导电(零件生坯或镶样的聚合物)，则必须在检验以前，将其金属化。通常使用的是碳或金的一薄层真空镀层。
和光学显微镜一样，可在零件表面与截面进行检验。也可以检验断裂表面，而且很有用。在将试样正确插人显微镜和将试样室抽真空后，检验的程序和光学显微镜很相似。可是，SEM的检验比光学显微镜简便。
孔隙可直接检测，并且容易和夹杂进行区别。空洞可直接看到，而且，倘若抛光使孔隙边缘发生了变化或变形，也可以看出。用EDS可以检验夹杂与相。电子发射图的检验可给出局部化学组成的定性信息。也能进行定性或半定量化学分析。设备标定后，和用光学显微镜同样的方法，进行定量图象分析。
7 MIM工艺的最近发展
7.1 2C-MIM
作为制造双金属零件的方法，开发出了2C-MIM ( Two-Component MIM)工艺。2C-MIM工艺的主要优势是，在一道生产工序中，可将具有不同性能的二种材料直接接合在一起，从而不再需要以后的连接作业。其可制造的零件范围包括，从具有复杂的内部结构的中空零件一直到柔性的能拆卸的组件。
所有研事例的目的都是，在有利的成本下，制造出功能性增强的工程零件。对于遭受磨损的零件，例如仅只在关键部位，可用较硬或较耐磨的材料来增强，从而对于一个别应用，就有了一种特制的零件。
设想有许多重要材料与生产工艺都需要用这种方法生产好的零件。但这并非仅只需要简单地了解二种注射料的注射成形性状。关键是二种材料必须能在同样的炉子中并在同样的烧结气氛下进行烧结。这是因为烧结时二个零件的收缩速率不同，可能会导致分层与开裂。还有当形成有害的相时，合金化元素也会沿着边界扩散，这会减低材料的性能。
通过协调加工因素，可使2C-MIM零件的质量最佳化。由于其独特能力，可使不用任何组装作业，就能够使一个零件中具有不同的材料性能，因此，2C-MIM工艺一定会扩大MIM产业的潜在市场。
7.2 μ-MIM
产品与系统都在趋向于微小型化，这意味着复杂系统中的结构与功能性零件将变得越来越小。不但要使用具有适当物理性能的先进材料，而且要有微小型化的几何形状特征，才能使集成的功能数量增多。因此，需要开发制造微型零件或微型结构零件的高度有效的与可靠的方法。用μ-MIM制造的微型结构零件，特别是可用来替代塑料零件，以发挥诸如力学强度、耐蚀性或高温性能等金属材料的优势。
这种新制造工艺的成功是基于缺少可替代的μ-MIM。所谓的LIGA技术(光刻与电铸的结合)，通常，仅只适用于2D几何形状，而且，在材料选择方面受到电铸的限制。其他技术，如像电化学微型一制造方法、微型一铣削与微型一磨削技术都来自硅基的微电子产业，都具有解决小到1 μm特征的能力。但是，都不大适合于大量生产3D零件。
的确，这些制造工艺大多都太昂贵，现在，用μ-MIM生产的微型零件，其特征大小已可小到5 μm。
为了使性能最佳化，例如依照流动性状或零件保持形状，开发出了完全可能用于μ-MIM所需要的亚微米或纳米的合用注射料。
一般而言，对于微型零件来说，MIM可复制约为平均粒度10倍的特征，这对于微型零件是特别适用的，倘若要制造较小的特征，就需要使用更细小的粉末。现在，可利用的金属粉末粒度小于1μm。一些粉末的活性太大，以致不能生产该粒度范围的粉末(例如Ti)，而其他金属粉末，可用特殊的气雾化法较容易生产(例如不锈钢)。
倘若粉末的粒度范围都在1 wm以下，就应使用特殊的注射料组成，以适应粉末的大表面面积注射成形与脱黏时产生的问题。
现在μ-MIM仍然处于研发阶段，大体上在与2C-MIM工艺平行发展。首先，这二种工艺现在都已用于生产，但形势的特点是，都在进行技术推销和在对各种各样的微型零件或微型结构零件进行可行性研究。
在其成功地进人市场的路上，初步的竞争性研究与开发目标都是关键性工作，但是，只有通过在产业中围绕着μ-MIM的可能性，开发材料与生产工艺，再加上对工程技术人员的教育，才能实现真正的突破。
8总结
欧洲MIM产业长期以来就认识到需要开发国际标准。欧洲的标准草案就是来自MIMNET的一个计划的产品，EuroMIM组接着将工作集中在了开发一项MIM材料的ISO标准。经过和北美(MPIF)与日本(JPMA)的商业协会以及相关的ISO分会的一系列会议与讨论，产生了2012年发布的ISO标准一2012ISO 22068烧结金属注射成形材料一规范。这个规范包括有，对于烧结金属注射成形材料的化学组成和力学与物理性能的要求。意在于，为设计与材料工程师提供只能用金属注射成形(MIM)工艺制造的零件规定的材料所需要的资料，但其不能用于用其他粉末冶金工艺(诸如，压制一烧结或粉末-锻造)制造的结构零件。
有许多已有的ISO与EN标准都和MIM相关，其中包括有:
ISO 2740:烧结金属材料(不包括硬质合金)一拉伸试样;
ISO 3369:非渗透性的烧结金属材料与硬质合金一密度测定;
ISO 4498:标准草案，烧结金属材料(不包括硬质合金)一表观硬度与显微硬度的测定(ISO 4498的修定本一1990与ISO 4498一:1981);
ISO 6892:金属材料一在室温下的拉伸试验;
EN 23954:粉末冶金用的粉末一取样;
EN 23 369:非渗透性的烧结金属材料与硬质合金一密度测定。
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