金屬射出成型：製程、應用與服務

金屬射出成型技術已成為粉末冶金領域中發展迅速、極具前景的近淨成形技術，並被公認為全球「最熱門的金屬零件成形技術」之一。

本文介紹了金屬注射成型製程的基本知識，包括基本原理、製程、優勢、與其他製程的比較、適用零件類型和應用。

對於工程師而言，學習和了解金屬注射成型製程對於有效的產品設計至關重要，因為它通常能提供大幅降低成本的機會。

什麼是金屬注射成型？

金屬注射成型（MIM）是一種將金屬粉末與黏結劑混合後進行射出成型的方法。此製程首先將選定的粉末與黏結劑混合，然後將混合物造粒並注射到所需形狀中。透過脫脂和燒結去除黏結劑，得到所需的金屬產品。後續還可進行定型、表面處理、熱處理或機械加工等工序，以進一步完善產品。

金屬射出成型 = 粉末冶金 + 射出成型。 金屬注射成型是一項典型的跨學科技術，它融合了兩種截然不同的加工方法：粉末冶金和塑膠射出成型。這種融合使工程師能夠擺脫傳統設計的限制，利用塑膠射出成型技術生產低成本、形狀複雜的零件，這些零件的材料包括不銹鋼、鎳、鐵、銅、鈦和其他金屬，從而比許多其他生產過程提供更大的設計自由。

金屬射出成型工藝

金屬射出成型製程分為四個階段：造粒、射出成型、溶劑脫脂及熱燒結。二次加工，例如機械加工、刷磨或 電鍍 如有需要，可執行。

1. 造粒

將精細金屬粉末與黏合劑和熱塑性塑膠按精確比例混合。這種混合在專用設備中進行，設備加熱至特定溫度以熔化黏合劑。大多數情況下，採用機械混合直至金屬粉末顆粒均勻包覆。冷卻後，混合物形成顆粒（原料），即可注入模腔。

2.注塑成型

將顆粒狀原料送入註塑機，加熱後在高壓下注入模腔，製成「生坯」。此工藝與塑膠射出成型非常相似。模具可以設計成多腔結構以提高生產效率，模腔尺寸必須考慮金屬零件燒結過程中產生的收縮。

3. 溶劑脫粘

脫脂是指從生坯中去除黏結劑，得到「生坯」的過程。這個過程通常分幾個步驟完成。絕大部分黏結劑在燒結前移除，剩餘部分則在零件進入燒結爐時起到支撐作用。

脫脂可透過多種方法實現，其中溶劑萃取法最為常用。脫脂後，零件呈現半透性，使殘留的黏結劑在燒結階段易於揮發。

4. 熱燒結

脫脂後的棕色部件放入可控制高溫高壓爐。在保護氣氛下，棕色部件緩慢加熱以去除殘留黏合劑。黏合劑去除後，零件被加熱到極高的溫度，顆粒間的空隙隨著熔合而消失。棕色部件發生定向收縮，最終形成設計尺寸，並轉變為緻密固體，最終得到成品。

在燒結過程中，棕色部分整體尺寸會收縮約 20%。

金屬射出成型的優點

金屬射出成型結合了粉末冶金和塑膠射出成型的優勢，突破了傳統金屬粉末成型的幾何形狀限制。它利用塑膠射出成型能夠有效率地大量生產複雜形狀零件。作為一種近淨成形的高精度零件製造技術，它具有傳統粉末冶金、數控加工和熔模鑄造等製程無法比擬的優勢。

製造高度複雜零件的能力

與其他金屬成形製程（如鈑金沖壓、粉末冶金、鍛造等）相比， 數控加工金屬注射成型可以製造具有高度複雜三維幾何形狀的零件。通常，塑膠射出成型能夠實現的結構也可以透過金屬注射成型來實現。利用這一特性，金屬注射成型可以將原本由其他製程製造的多個零件合併成單一組件，從而簡化產品設計並降低組裝成本。

材料利用率高

金屬射出成型是一種近淨成形工藝，其零件形狀接近最終形狀。材料利用率高，對於減少貴金屬加工中的損耗尤為重要。

均勻的微觀結構

金屬注射成型是一種流體成形製程。黏結劑的存在確保了粉末分佈均勻，消除了微觀結構不均勻性，使燒結產品密度達到理論密度的95%至99%。這種高密度提高了產品的強度、韌性、延展性、導電性和磁性。

相反，傳統粉末冶金製程由於模壁與粉末之間的摩擦，密度通常只能達到85%左右，導致壓力分佈不均且收縮不均勻。這會造成高孔隙率和較差的機械性能，通常需要降低燒結溫度來緩解這些問題。

高效率和可擴展性

金屬注射成型利用注塑機將生坯成型，顯著提高了生產效率，適用於大量生產。成型產品的一致性和可重複性為大規模工業化生產提供了保障。

廣泛的材料

適用於金屬注射成型的金屬材料範圍非常廣泛。原則上，任何可在高溫下燒結的粉末材料都可以透過金屬注射成型進行加工，包括難加工材料和高熔點材料。

材質包括低合金鋼、不銹鋼、工具鋼、鎳基合金、鎢合金、碳化物、鈦合金、磁性材料、科瓦合金和精細陶瓷。此外，金屬注射成型技術允許客製化合金配方，從而製造複合材料。雖然鋁和銅等有色合金在技術上可行，但通常採用其他更經濟的加工方式。 壓鑄 或機械加工。

高精準度

金屬射出成型零件的尺寸精度通常為±0.5%，精度可達±0.3%或更高。對於小型零件，金屬注射成型的精度高於其他鑄造工藝，通常無需二次加工。與其他製程一樣，更高的精度要求會增加成本，因此在性能允許的情況下，建議採用適中的公差。對於初始成型無法達到的公差，可以透過表面處理來實現。

與其他製程的比較

哪些零件適合金屬射出成型？

雖然金屬射出成型被認為是第五代金屬成形技術，但並非所有金屬零件都適合或經濟地採用這種工藝。只有那些產量大、尺寸小、精度高、具有複雜三維幾何形狀和特殊要求的金屬零件才適合採用金屬注射成型。

小重量

金屬射出成型最適合製造小型金屬零件。典型零件的重量在 10 克到 15 克之間。重量低於 50 克的零件最具經濟價值，最大重量限制為 300 克。

小尺寸

該工藝非常適合小尺寸零件。典型尺寸約 25 毫米，最大可達 150 毫米。金屬射出成型較不適合大型零件，因為其公差通常為尺寸的 0.3% 至 0.5%。隨著尺寸增大，絕對公差也會增大，這可能導致無法滿足設計要求或需要昂貴的二次加工。

金屬射出成型零件的典型壁厚為 1.0 毫米至 3.0 毫米。

複雜的幾何形狀

金屬射出成型適用於製造外部倒角、外部螺紋、錐度、十字孔、盲孔、凸台、鍵槽、加強筋或表面滾花的零件。對於形狀簡單的零件，沖壓、鍛造或粉末冶金可能更經濟。

大量

由於金屬射出成型需要模具，因此必須達到較高的產量才能抵銷模具成本。通常，年產量超過100,000萬件才能使該製程在經濟上可行。

金屬射出成型的應用

金屬射出成型技術廣泛應用於消費性電子產品領域。 汽車部件醫療器材、電動工具、工業設備及日用品。

消費類電子產品

這包括智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、數位相機、穿戴式裝置和無人機。 2010年，黑莓手機的標誌零件採用了金屬注射成型技術，開啟了該技術在手機領域的大規模應用。同年，蘋果也開始採用此技術，並進一步拓展其應用範圍，引領了電源介面、SIM卡托、鉸鏈、攝影機環和按鍵等零件的金屬射出成型應用。隨著設備變得越來越薄，零件的精度越來越高，金屬注射成型技術在該領域的應用前景也日益廣闊。

汽車零件

金屬注射成型是一種無需切割的成型工藝，能夠節省材料和成本。自1990年代以來，汽車產業就高度重視這項技術。目前，汽車產業已將金屬射出成型應用於複雜零件、雙金屬零件和微型組件的生產，例如渦輪增壓器零件、調節環、燃油噴射器噴嘴、葉片、變速箱零件和動力轉向零件等。

醫療器械

金屬注射成型製程能夠生產出精度高、機械性能優異的零件，滿足小型複雜外科手術器械的要求。此過程越來越多地應用於外科手術器械手柄、剪刀、鑷子、牙科器械零件和骨科關節零件的製造。

電動工具

電動工具配件加工複雜，材料利用率低，因此依賴金屬注射成型製程。典型產品包括異形銑刀、切削刀具、緊固件、微型齒輪以及紡織機械或壓接機的零件。

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