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金屬注射成形零件材料標(biāo)準(zhǔn)
發(fā)布日期：[2024/2/27]
核心提示：在制定MIM材料的技術(shù)規(guī)范時，MIM協(xié)會采用的牌號系統(tǒng)和AISI-SAE相同。之所以選用這些牌號名稱是因為MIM零件多用于替代已在使用的相應(yīng)鍛軋材料的制品。當(dāng)表示某種材料是用MIM工藝制造時，應(yīng)在材料之前加“MIM”。例如，用MIM工藝制造的316L不銹鋼，可用“MIM-316L”來表示。
美國MPIF標(biāo)準(zhǔn)35—《金屬注射成形零件材料標(biāo)準(zhǔn)》
一、MIM零件材料標(biāo)準(zhǔn)的注釋和定義
（1）MIM材料命名
在制定MIM材料的技術(shù)規(guī)范時，MIM協(xié)會采用的牌號系統(tǒng)和AISI-SAE相同。之所以選用這些牌號名稱是因為MIM零件多用于替代已在使用的相應(yīng)鍛軋材料的制品。當(dāng)表示某種材料是用MIM工藝制造時，應(yīng)在材料之前加“MIM”。例如，用MIM工藝制造的316L不銹鋼，可用“MIM-316L”來表示。
在選擇某一具體材料之前，需要仔細(xì)分析零件的設(shè)計與其最終用途，其中包括尺寸公差、零件設(shè)計及模具設(shè)計。另外，MIM零件的制造廠家和買方必須商定對成品零件的最終性能要求。也可規(guī)定諸如靜態(tài)與動態(tài)負(fù)載、耐磨性、切削性及耐蝕性之類的問題。
（2）一些基本概念與定義
最小值概念 金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會對于用于結(jié)構(gòu)零件的粉末冶金材料采用了最小力學(xué)性能值概念。采用MIM工藝制造零件時，可用這些值作為用戶選擇具體應(yīng)用材料的一個依據(jù)。為有助于用戶選擇材料，除最小力學(xué)性能值外，還列出了其它性能得標(biāo)準(zhǔn)值。從而，使用戶可選擇與確定合適的MIM材料與對具體用途最合適的性能。提供的數(shù)據(jù)規(guī)定了材料的最小力學(xué)性能值，并列出了在工業(yè)生產(chǎn)條件下可達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能值。通過較復(fù)雜的工藝過程可增強(qiáng)力學(xué)性能和改進(jìn)其它使用性能。要選擇一種在性能與價格兩方面都可行的最佳材料，用戶與MIM零件制造廠家一起討論零件的用途最為重要。
最小值 MIM材料的最小值，對于燒結(jié)態(tài)和（或）熱處理態(tài)的所有材料都是用屈服強(qiáng)度（0.2%殘余變形法）、極限抗拉強(qiáng)度及伸長率來表示的。因為MIM材料的密度接近真密度，故其性能和鍛軋材料相似。
為建立本標(biāo)準(zhǔn)，所用拉伸性能都是由拉伸試樣測定的，拉伸試樣是為評定材MIM料專門制備的（關(guān)于MIM材料試樣的詳情見MPIF標(biāo)準(zhǔn)50）。由批量生產(chǎn)的零件切削加工的試樣或由非標(biāo)準(zhǔn)的MIM試樣測定的拉伸性能，可能和按照MPIF標(biāo)準(zhǔn)50制備的試樣測定的結(jié)果不同。
在編制MIM材料的技術(shù)規(guī)范時，表明最小強(qiáng)度值的實際方法是由制造廠家
和用戶利用生產(chǎn)的第一批零件和相互商定的對零件施加力的方法，進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)驗收試驗。例如，根據(jù)一給定零件的設(shè)計，商定破壞負(fù)荷必須大于某一給定的力。倘若在驗收試驗中，超過了該規(guī)定值，就表明達(dá)到了最小強(qiáng)度值。也可用第一批零件在使用中進(jìn)行試驗表明是合格的。靜態(tài)和動態(tài)斷裂負(fù)荷是分別測定的，并要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以確定將來批量生產(chǎn)零件的最小破斷力。將來批量生產(chǎn)的零件只要超過了該最小力，就表明達(dá)到了技術(shù)規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度。也可用拉伸試樣來證明強(qiáng)度合格。這些試樣和零件應(yīng)該是由同一批材料制造的，并且和零件的材料密度相同，同時是和生產(chǎn)的零件一起進(jìn)行燒結(jié)與熱處理的?？墒?，實際零件成形時產(chǎn)生的缺陷，可能會限制用拉伸試樣測定的性能。倘若不采用驗收試驗，為了能達(dá)到符合最小性能要求，可能需要對零件進(jìn)行補充質(zhì)量檢驗，諸如X射線分析。
利用MPIF標(biāo)準(zhǔn)35來制定MIM材料技術(shù)條件，意味著除非買方和制造廠家另有協(xié)議，材料將具有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小性能值。當(dāng)然，若用試樣來測定這個值，試樣就應(yīng)該具有由制造廠家確定的和為在與零件生產(chǎn)相同條件下評定這類材料專門制備的形狀與其它特性。
標(biāo)準(zhǔn)值 對于列出的每一種MIM材料都對應(yīng)一組性能（即密度、硬度、伸長率等）的標(biāo)準(zhǔn)值，對于某一具體應(yīng)用，其中一些或全部性能可能都是很重要的。對所列密度下的標(biāo)準(zhǔn)值都是用內(nèi)插法由平均力學(xué)性能-密度曲線來確定的。力學(xué)性能數(shù)據(jù)來源于試樣的“循環(huán)”燒結(jié)和熱處理。
列出標(biāo)準(zhǔn)值只是為了一般性指導(dǎo)，不得將它們視為最小值。當(dāng)用于一般制造工藝時，依據(jù)所選擇的零件測試區(qū)域或采用的具體制造工藝會稍有變化。對于買方要求的每一種材料，在制定技術(shù)條件以前都必須和MIM零件制造廠家對“標(biāo)準(zhǔn)值欄”下面所列的性能進(jìn)行充分討論。對于每一種MIM零件，除了以最小值表示的性能外，對于所要求的性能值，都應(yīng)根據(jù)其預(yù)定用途分別規(guī)定。
化學(xué)成分 對于每一種材料的化學(xué)成分都列出了主要元素的最小與最大含量?！捌渌亍庇貌顪p法算出的，其中包括所有的其它元素（以最大含量進(jìn)行報告）。這些元素中可能包括為特殊目的而添加的一些微量元素。
力學(xué)性能 力學(xué)性能數(shù)據(jù)表明了最小性能值與標(biāo)準(zhǔn)性能值，若試樣所列的密度與化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計這些性能值是能達(dá)到的。當(dāng)然，在這個標(biāo)準(zhǔn)中采用的力學(xué)性能。都是要通過為材料評價特別制造的專用試樣以及在工業(yè)生產(chǎn)條件下燒結(jié)的專用試樣進(jìn)行測定的。關(guān)于熱處理試樣的硬度值，首先給出了表觀硬度，其次，可能的話，給出等效的顆?；蚧w硬度值。殘留于MIM零件中孔隙對表觀硬度讀數(shù)會有影響。以HRc所表示的基體硬度值都是由負(fù)荷為100gf(0.981N)的努氏顯微硬度測量值換算的。
熱處理 除奧氏體不銹鋼外，MIM材料都可進(jìn)行熱處理，以增高強(qiáng)度、硬度及耐磨性。化合碳含量為0.3%或更高的MIM鐵基零件可以淬火硬化與回火。碳、合金元素及殘留孔隙的百分含量決定了在任何一給定的淬火條件下可淬硬的程度。通過采用淬火可以將硬度提高到55HRc（650HK）或更高。為了得到最佳強(qiáng)度與耐磨性，淬火后需要進(jìn)行回火或消除應(yīng)力，回火溫度對于決定最終硬度是一個重要因素。當(dāng)制造的MIM鐵基零件最終不含碳或含碳量低時，可進(jìn)行表面滲碳-淬火，以提高表面硬度和保持心部的韌性。馬氏體與沉淀硬化不銹鋼也可用熱處理來提高硬度與強(qiáng)度。
對于MIM鐵基零件進(jìn)行熱處理和（或）滲碳推薦采用煤氣類氣氛或真空處理。為保證具有規(guī)定的含碳量，對熱處理過程必須很好地進(jìn)行控制。大多數(shù)MIM材料都很適應(yīng)于采用常規(guī)鍛軋材料的熱處理工藝。為使零件的最終性能達(dá)到理想平衡，建議對于任何MIM材料的熱處理工藝都要和MIM零件的制造廠家共同制定。
表面粗糙度 MIM材料總的粗糙度與表面反射能力取決于密度、模具狀態(tài)、顆粒大小以及后續(xù)加工。由于MIM材料的表面狀態(tài)和鍛軋材料的切削加工或磨削加工表面不同，所以常規(guī)輪廓儀讀數(shù)給出的表面粗糙度輪廓曲線是不正確的。
顯微組織 MIM零件的顯微組織分析是一種診斷工具，可用于揭示零MIM件的燒結(jié)程度與對MIM工藝極為關(guān)鍵的其它冶金信息。因為用MIM工藝可達(dá)到高密度，故MIM材料的顯微組織和相應(yīng)的鍛軋材料相似。對于大部分燒結(jié)MIM材料有幾項檢驗是相同的，此簡述如下：
MIM材料的孔隙度一般不大于5%。只有考慮到形成缺陷時，選取MIM零件的特定橫截面才是重要的。粗拋光和細(xì)拋光要一直進(jìn)行到將殘余孔隙都顯露出來為止?？紫抖鹊拿娣e百分率就意味著零件的密度。
往往首先分析于未腐蝕狀態(tài)的燒結(jié)零件。燒結(jié)正常時，在“200×”下看不到原顆粒界?？紫冻示鶆蚍植嫉摹⒓?xì)小的、適當(dāng)圓孔的狀態(tài)者，其材料的強(qiáng)度、塑性及沖擊強(qiáng)度就比較高。
對于MIM鋼，可根據(jù)珠光體的面積百分率比例來判斷其大致的含碳量。珠光體含量較少就意味著含碳量比例較低。元素鎳合金化添加劑應(yīng)充分地進(jìn)行擴(kuò)散，不要將富鎳區(qū)誤判為鐵素體區(qū)。一般應(yīng)避免表面脫碳，因為表面脫碳的話，硬度較低且耐磨性較差。若零件的含碳量在0.6%～0.9%，則表層的含碳量低于0.6%時就是明顯脫碳。少量的表面脫碳問題不大，但若脫碳層深度大于0.254mm,可能需要驗證對功能有沒有損害了。
MIM低合金鋼熱處理狀態(tài)通常全部為馬氏體組織。在淬硬的零件中，若出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，會使馬氏體脆化，因此，一般要避免這種情況。在零件外表層0.127mm處含有少量碳化物一般是允許的，對于少量的殘余奧氏體和馬氏體組織也是如此。因為殘余奧氏體在使用中會轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈择R氏體，故一般要避免其百分含量較高。
MIM不銹鋼的顯微組織一般和相應(yīng)鍛軋材料一樣均勻彌散的、充分圓化的孔隙表明燒結(jié)正常。晶界中的氧化物、氮化物或碳化物可能降低其性能。
在制備顯微組織分析用的MIM試樣時，推薦采用下列腐蝕劑和方法。含碳的鐵基零件通常在2%硝酸、乙醇腐蝕液中腐蝕。奧氏體不銹鋼與沉淀硬化不銹鋼可采用glyceregia(10ml HNO3，20ml HCl，30ml甘油)腐蝕液中擦洗1～2min來腐蝕，這種腐蝕液30min后就應(yīng)丟棄。
二、檢驗方法
（1）驗收試驗
大力推薦用戶與MIM零件制造廠家共同制定驗收試驗和（或）破壞試驗方法，以保證實際零件符合設(shè)計意圖，可能的話，應(yīng)將MIM零件的實際應(yīng)用情況聯(lián)系起來，如破壞負(fù)荷、彎曲試驗、拉伸試驗等。驗收試驗的數(shù)據(jù)必須通過實際試驗來確定，建議將這類試驗增補在圖紙上規(guī)定的材料技術(shù)條件中。
（2）密度
MIM材料的孔隙度一般不大于5%，因此，浸漬法不適用。一般使用的方法如下：
D=Aρw÷(A-C+E)
式中?? D—密度，g/cm3；
A—試樣在空氣中的質(zhì)量，g；
C—試樣在水中的質(zhì)量，g；
E—懸掛絲或筐在水中的質(zhì)量，g；
ρw—在試驗溫度下水的密度，g/cm3。
要注意：①質(zhì)量A、C及E應(yīng)測量到1mg；
②水中必須添加0.1%潤濕劑，以將稱量試樣時水的表面張力效應(yīng)減小到最小值；
③測定時水的溫度與密度如表1所示。買賣雙方同意的話，也可用氣體比重計測定密度。
表1? 水的溫度與密度的關(guān)系
| 溫度 ℃ | 試驗溫度下水的密度ρw g/cm3 | 溫度 ℃ | 試驗溫度下水的密度ρw g/cm3 |
|
15 |
0.9991 |
23 |
0.9975 |
|
16 |
0.9989 |
24 |
0.9973 |
|
17 |
0.9988 |
25 |
0.9970 |
|
18 |
0.9986 |
26 |
0.9968 |
|
19 |
0.9984 |
27 |
0.9965 |
|
20 |
0.9982 |
28 |
0.9962 |
|
21 |
0.9980 |
29 |
0.9959 |
|
22 |
0.9978 |
30 |
0.9956 |
注：所列ρw 值取自Metrolopical Handbook 145, Quality Assurance for Measurements
1990,NIST,P.9.10 和表示在空氣中于1atm(1atm=101325Pa)
（3）極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長率
極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長率的測定方法與常規(guī)鋼鐵材料相同。
（4）表觀硬度
當(dāng)用一般壓痕硬度計測定時，MIM零件的硬度值叫做表觀硬度，這時它表示的是基體硬度與殘余孔隙度效能的綜合值。對于MIM零件，殘留孔隙對硬度值的影響很小，表觀硬度測定的是壓痕抗力。測定MIM材料表觀硬度時要注意：
1、規(guī)定測定區(qū)域；
2、除去可能會因與壓頭或支承表面接觸而影響壓痕硬度讀數(shù)的任何毛刺；
3、取五個硬度讀數(shù)的最小值；
4、取讀數(shù)的平均值；
5、報告平均結(jié)果到最接近的整數(shù)值。
制造廠家和買方對于每一試驗的零件都應(yīng)商定硬度、測定方法及硬度標(biāo)度。
（5）基體硬度（顯微硬度）
基體硬度是用顯微硬度計以努氏（KHN）或金剛石角錐硬度（DPH）壓頭測定的。通過將孔隙度的影響降低到最低限度，可測定組織的實際硬度。為了和其它材料相比較，可將顯微硬度的測定值換算為等效的洛氏硬度值。
在將努氏硬度換算成HRc硬度時應(yīng)注意，一般的換算圖表都基于負(fù)荷為500gf(4.9N)，而對于MIM材料，推薦的負(fù)荷為100gf(0.98N)。鑒于熱處理的材料會形成馬氏體、細(xì)珠光體以及貝氏體區(qū)域，故必須報告測試的相。將試樣拋光到已顯露全部孔隙這一點是很重要的。在壓頭壓入一潛隱的孔隙，則壓頭印痕的邊緣將成曲線狀，這個讀數(shù)必須舍棄。
三、MIM材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
（1）低合金鋼
包括由預(yù)合金粉和鐵粉與其它合金元素（如Ni、Al及C）粉末的混合粉制造的MIM材料。為獲得各種各樣的性能，每種元素添加的比例及熱處理條件可能不同。合金可通過淬硬獲得很高的強(qiáng)度與適當(dāng)?shù)捻g度。為了使表面耐磨和心部具有韌性，含碳量較低的合金可進(jìn)行表面滲碳-淬火。
材料特性 一般是燒結(jié)時合金元素進(jìn)行充分?jǐn)U散。組織均一者具有優(yōu)異的強(qiáng)度性能。用MIM工藝可獲得高密度，因此這些材料也具有良好的韌性。
應(yīng)用 低合金鋼一般用于輕型結(jié)構(gòu)零件，特別是經(jīng)過滲碳-淬火處理時，它們可用于需要高強(qiáng)度與硬度的場合。
顯微組織 殘余孔隙應(yīng)該很小，分布均勻并且相對圓化。燒結(jié)體的顯微組織依據(jù)含碳量應(yīng)含有數(shù)量不同的鐵素體與共析體。
化學(xué)成分 標(biāo)稱化學(xué)成分見表2，低合金鋼MIM材料的性能與MIM低合金鋼的物理-力學(xué)性能見表3。
表2?? MIM低合金鋼的標(biāo)稱化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）
| 材料牌號 | Fe | Ni | Mo | C | 其它 |
| MIM-2200 |
余量 |
1.5～2.5 | ≤0.5 | 0.7～0.9 |
Si:≤1.0 |
| MIM-2700 |
余量 |
6.5～8.5 | ≤0.5 | 0.7～0.9 |
Si:≤1.0 |
| MIM-4600 |
余量 |
1.5～2.5 | ≤0.5 | ≤0.1 |
Si:≤1.0 |
| MIM-4605 |
余量 |
1.5～2.5 | 0.2～0.5 | 0.4～0.6 | Si:≤1.0 |
| MIM-4650 |
余量 |
1.5～2.5 | ≤0.5 | 0.4～0.6 | Si:≤1.0 |
表3 MIM低合金鋼的物理-力學(xué)性能（美國MPIF標(biāo)準(zhǔn)35. 1993-1994年版）
| 材料牌號（狀態(tài)） | 最小值 | 標(biāo)準(zhǔn)值 | |||||||
| 拉伸性能 | 拉伸性能 |
密度
g/cm3 |
硬度（洛氏） | ||||||
|
極限抗拉強(qiáng)度
MPa |
屈服強(qiáng)度（0.2%）
MPa |
伸長率（于25.4mm內(nèi)）
% |
極限抗拉強(qiáng)度
MPa |
屈服強(qiáng)度（0.2%）
MPa |
伸長率（于25.4mm內(nèi)）
% |
表觀 |
顯微
（換算的） |
||
|
MIM2200
燒結(jié)態(tài) |
255 |
110 |
20.0 |
290 |
125 |
40 |
7.5 |
45HRb | |
|
MIM2700
燒結(jié)態(tài) |
379 |
267 |
20.0 |
414 |
255 |
26 |
7.6 |
69HRb | |
|
MIM4600
燒結(jié)態(tài) |
255 |
110 |
20.0 |
290 |
124 |
40 |
7.6 |
45HRb |
55HRc |
|
MIM4605
燒結(jié)態(tài) |
380 |
205 |
11 |
415 |
255 |
15 |
7.5 |
62HRb |
|
|
MIM4605
淬火與回火 |
1485 |
1310 |
＜1.0 |
1655 |
1480 |
2 |
7.5 |
48HRb |
55HRc |
|
MIM4650
燒結(jié)態(tài) |
379 |
172 |
11.0 |
441 |
207 |
15 |
7.5 |
62HRb | |
|
MIM4650
淬火與回火 |
1482 |
1310 |
＜1.0 |
1655 |
1482 |
2 |
7.5 |
48HRc | |
（2）不銹鋼
包括由預(yù)合金分別或元素粉配制的不銹鋼制造的MIM材料，其中包括的牌號有奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼及沉淀硬化不銹鋼。
材料特性 由于用MIM工藝可獲得高密度，從而提高了這些材料的強(qiáng)度、韌性及耐蝕性。應(yīng)用MIM不銹鋼有幾個牌號，每一牌號都具有特殊性能和廣闊的應(yīng)用范圍。
1、MIM-316L奧氏體不銹鋼：這個牌號用于需要耐蝕性極好的場合，由這種
材料制造的零件都具有良好的綜合強(qiáng)度與韌性。
2、MIM-雙相（316L）不銹鋼：所謂雙相是指這種不銹鋼具有鐵素體-奧氏
復(fù)合組織。它和316L相比，耐蝕性相似，但表觀硬度較高，且力學(xué)性能或多或少有所提高，這些合金都是鐵磁性的。
2、MIM-17-4PH沉淀硬化不銹鋼：在需要高強(qiáng)度與硬度的場合，可采用這種
牌號的不銹鋼。因含碳量低，其耐蝕性一般比400系列不銹鋼好，通過在熱處理
時改變時效溫度，可獲得各種不同的性能與硬度。
顯微組織 MIM材料除了具有的均勻彌散的、適當(dāng)圓化地孔隙外，其顯微組織應(yīng)和鍛軋材料一樣，不得有原顆粒界形跡。內(nèi)部的氧化物、氮化物、及碳化鉻對性能都是有害的。
化學(xué)成分 標(biāo)稱化學(xué)成分如表4.
表4?? MIM不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）
| 材料牌號 | Fe | Ni | Cr | Mo | C | Cu | Nb+Ta | 其它元素 |
| MIM-316L | 余 | 10-14. | 16.0-18.0 | 2.0-3.0 | ≤0.03 | — | — | ≤2.0 |
| MIM雙相（316L） | 余 | 7.??? 7.5-8.5 | 19.0-21.0 | 1.5-2.5 | ≤0.03 | — | — | ≤2.0 |
| MIM-17-4PH | 余 | 3.0-5.0 | 15.5-17.5 | — | ≤0.07 | 3.0-5.0 | 0.15-0.45 | ≤2.0 |
MIM不銹鋼的性能 MIM不銹鋼的物理-力學(xué)性能如表5.
表5?? MIM不銹鋼的物理-力學(xué)性能（美國MPIF標(biāo)準(zhǔn)35. 1993-1994年版）
|
材料牌號
（狀態(tài)） |
最小值 | 標(biāo)準(zhǔn)值 | |||||||
| 拉伸性能 | 拉伸性能 |
密度
g/cm3 |
硬度（洛氏） | ||||||
|
極限抗拉強(qiáng) 度
MPa |
屈服強(qiáng)度（0.2%）
MPa |
伸長率（于25.4mm內(nèi)）
% |
極限抗拉強(qiáng)度
MPa |
屈服強(qiáng)度（0.2%）
MPa |
伸長率（于25.4mm內(nèi)）
% |
表觀 |
顯微
（換算的） |
||
|
MIM-316L
燒結(jié)態(tài) |
448 |
138 |
40.2 |
517 |
172 |
50 |
7.6 |
67HRb | |
|
MIM-雙相
（316L） 燒結(jié)態(tài) |
469 |
179 |
33.0 |
538 |
228 |
43 |
7.6 |
84HRb | |
|
MIM-430L
燒結(jié)態(tài) |
345 |
205 |
20 |
415 |
240 |
25 |
7.5 |
65HRb | |
|
MIM-17-4PH
燒結(jié)態(tài) |
793 |
605 |
4.0 |
896 |
731 |
6 |
7.5 |
27HRc | |
|
MIM-17-4PH
固溶處理與時效 效 |
1070 |
965 |
4.0 |
1186 |
1089 |
6 |
7.5 |
33HRc |
42HRc |
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