D0I:10.13374/1.issm100103.2008.12.021 第30卷第12期 北京科技大学学报 Vol.30 No.12 2008年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2008 金属微型元器件的制备与性能检测 尹海清杜美娜曲选辉何新波贾成厂 北京科技大学材料科学与工程学院粉末冶金研究所，北京100083 摘要研究了粉末微注射成形技术制备纯铁微型齿轮.·采用平均粒度为2.3的羰基铁粉和石蜡基热塑性粘结剂体系， 当粉末的装载量（体积分数）为58%时，获得了形状良好的齿顶圆直径为700的微型齿轮注射生坯.烧结后齿形轮廓清晰， 中心孔的圆度保持良好，齿轮的齿顶圆的收缩率约为15.6%，齿轮表面的粗糙度为S.=5.0991m: 关键词微型齿轮：微注射成形；齿顶圆：表面粗糙度 分类号TF124 Manufacturing technology and performance testing of metallic micro-sized compo- nents YIN Haiqing,DU Meina,QU Xuanhui,HE Xinbo,JIA Chengchang Institute of Particle and Powder Metallurgy,School of Material Seience and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT Micro powder injection molding (-PIM)was studied to manufacture micro-sized gearwheels of iron.Carbonyl Fe powder with a mean size of 2.3m and wax-based thermoplastic binder mixture were used in the manufacture process.When the powder loading was fixed as 58%,the molded compact of a gearwheel whose addendum circle diameter is 700m was obtained with well shape retention.The profile of the gearwheel and the roundness of the centre hole were kept well after sintering.The sintering shrinkage of the addendum circle is 15.6%and the roughness of the gearwheel surface is S=5.099 1m. KEY WORDS micro-sized gearw heel:micro powder injection molding:addendum circle:roughness of surface 近年来，微系统技术(microsystems technology, 微结构的零件和独立零件的制备，带有微结构的最 简称MST)的迅速发展带动了微型元器件的设计与 小零件尺寸为50m,最大高度为480m,长径比为 应用，各种不同功能、不同材料和不同形状的零件不 5,独立微型零件包括由羰基铁粉制造的微型齿轮， 断涌现，需求也迅猛增长，这种现状对于微型制造技 烧结后外径为900m).同时，德国IWKI研究 术也提出了越来越高的要求，一些微型制备技术逐 所成功设计并制造了微型万能试验机，能够完成微 渐为更多的人所认识，如LIGA技术， 型样品的拉伸和三点弯曲实验⑧0，新加坡对 MST的发展同样吸引制造技术的研究者不断 316L不锈钢开展了系统的工作，制备的零件形状基 推陈出新，粉末微注射成形技术由此应运而生，这项 本为圆柱状和正方体，长径比约为214].近两年， 技术将塑料领域的微注塑成型技术有效地运用于粉 日本、奥地利、中国等也相继开展了该技术的研究， 末冶金领域，并借鉴了传统粉末注射成形技术，不仅 取得了一定的成果. 可以实现各种不同材料的零件的生产，而且可以低 本文对采用微注射成形技术制备微型铁基齿轮 成本、高精度地生产各类零件，实现了金属和陶瓷微 进行了探索，并对白光干涉仪在微型零件的表面状 型零件的再现与批量化生产，在该技术的发展过程 态的评测进行了初步的研究· 中，德国在研究方面始终遥遥领先，完全实现了带有 收稿日期：2008-07-05修回日期：2008-08-06 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(N。,2006AA03z557):国家重点基础研究发展计划资助项目(Na,2004CB719802):国家自然科 学基金资助项目(No.50634010) 作者简介：尹海清(l971一)，女，副教授，博士，E-mail:hqyin@mater·usdh.cd~cn
金属微型元器件的制备与性能检测 尹海清 杜美娜 曲选辉 何新波 贾成厂 北京科技大学材料科学与工程学院粉末冶金研究所北京100083 摘 要 研究了粉末微注射成形技术制备纯铁微型齿轮．采用平均粒度为2∙3μm 的羰基铁粉和石蜡基热塑性粘结剂体系 当粉末的装载量（体积分数）为58％时获得了形状良好的齿顶圆直径为700μm 的微型齿轮注射生坯．烧结后齿形轮廓清晰 中心孔的圆度保持良好齿轮的齿顶圆的收缩率约为15∙6％齿轮表面的粗糙度为 Sa＝5∙0991μm． 关键词 微型齿轮；微注射成形；齿顶圆；表面粗糙度 分类号 TF124 Manufacturing technology and performance testing of metallic micro-sized components Y IN HaiqingDU MeinaQU XuanhuiHE XinboJIA Chengchang Institute of Particle and Powder MetallurgySchool of Material Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing 100083China ABSTRACT Micro powder injection molding （μ-PIM） was studied to manufacture micro-sized gearwheels of iron．Carbonyl Fe powder with a mean size of 2∙3μm and wax-based thermoplastic binder mixture were used in the manufacture process．When the powder loading was fixed as58％the molded compact of a gearwheel whose addendum circle diameter is700μm was obtained with well shape retention．T he profile of the gearwheel and the roundness of the centre hole were kept well after sintering．T he sintering shrinkage of the addendum circle is15∙6％ and the roughness of the gearwheel surface is Sa＝5∙0991μm． KEY WORDS micro-sized gearwheel；micro powder injection molding；addendum circle；roughness of surface 收稿日期：2008-07-05 修回日期：2008-08-06 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目（No．2006AA03Z557）；国家重点基础研究发展计划资助项目（No．2004CB719802）；国家自然科 学基金资助项目（No．50634010） 作者简介：尹海清（1971—）女副教授博士E-mail：hqyin＠mater．ustb．edu．cn 近年来微系统技术（microsystems technology 简称 MST）的迅速发展带动了微型元器件的设计与 应用各种不同功能、不同材料和不同形状的零件不 断涌现需求也迅猛增长这种现状对于微型制造技 术也提出了越来越高的要求．一些微型制备技术逐 渐为更多的人所认识如 LIGA 技术． MST 的发展同样吸引制造技术的研究者不断 推陈出新粉末微注射成形技术由此应运而生这项 技术将塑料领域的微注塑成型技术有效地运用于粉 末冶金领域并借鉴了传统粉末注射成形技术不仅 可以实现各种不同材料的零件的生产而且可以低 成本、高精度地生产各类零件实现了金属和陶瓷微 型零件的再现与批量化生产．在该技术的发展过程 中德国在研究方面始终遥遥领先完全实现了带有 微结构的零件和独立零件的制备带有微结构的最 小零件尺寸为50μm最大高度为480μm长径比为 5独立微型零件包括由羰基铁粉制造的微型齿轮 烧结后外径为900μm ［1—7］．同时德国 IWKI 研究 所成功设计并制造了微型万能试验机能够完成微 型样品的拉伸和三点弯曲实验［8—10］．新加坡对 316L 不锈钢开展了系统的工作制备的零件形状基 本为圆柱状和正方体长径比约为2［11—14］．近两年 日本、奥地利、中国等也相继开展了该技术的研究 取得了一定的成果． 本文对采用微注射成形技术制备微型铁基齿轮 进行了探索并对白光干涉仪在微型零件的表面状 态的评测进行了初步的研究． 第30卷 第12期 2008年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．12 Dec．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．12．021
第12期 尹海清等：金属微型元器件的制备与性能检测 ,1429 1试验方法 至室温后脱模，注射坯通过在25℃的三氯乙烯溶 液中浸没12h的溶剂脱脂，去除大部分的石蜡成 1.1粉末微注射成形用原料 分，在坯体表面制造出大量深入内部的小孔，使其后 粉末微注射成形技术的工艺流程与传统粉末注 的热脱脂过程的挥发物得以毛细作用排出，提高了 射成形技术基本相同，只是由于所制备零件的尺寸 脱脂效率，然后在H2气氛下完成热脱脂，将剩余粘 很小，故粉末微注射成形技术在粉末粒度及分布、模 结剂成分彻底去除，热脱脂工序的工艺路线示于 具设计与制造、注射及脱模等方面存在特殊性，条件 图2.随后在H2气氛下烧结，升温速率为10℃· 更加严格. min1,烧结温度为1260℃，保温1h. 本实验的粉末原料为羰基铁粉，其平均粒度为 700 2.3m,粒度分布合理，粉末的形状为球形或近球 600 形，其形貌如图1所示.可以看出，粉末的形状及粒 500 度分布较为合理，有利于粉末装载量的增加和烧结 E400 密度的提高，微注射成形用粘结剂采用石蜡基粘结 黄00 剂体系，为三种材料的混合物，其成分和配比如表1 200 所示.粉末的装载量确定为58%（体积分数） 100 100200300400500600 脱脂时间min 图2注射坯的热脱脂工艺 Fig-2 Thermal debinding process for the injection compact 1.3分析测试 采用S一250型电子扫描电镜观察粉末微注射 成形用粉末、纯铁齿轮的注射坯体以及烧结坯的形 貌，采用英国泰勒霍普森公司生产的Talysurf CCI A 2000三维非接触式白光干涉表面轮廓仪测量样品 图1实验用羰基铁粉的形貌 的表面粗糙度 Fig.1 Morphology of carbonyl iron powder 2结果与讨论 表1粉末微注射成形用粘结剂的成分（质量分数） Table 1 Components of the binder for PIM % 2.1微型齿轮注射坯体的制备 石蜡 硬脂酸 高密度聚乙烯 对于粉末微注射成形工艺，由于所选用的粉末 的 S 27 的粒度很小，其充型过程与传统粉末注射成形相比， 存在一定的复杂性，采用优化的注射参数，可以得 1.2纯铁微型齿轮的制备 到成形良好的注射坯，形状较复杂的齿轮，可以从 本实验采用具有自主知识产权的模具，安装于 多方面反映出注射过程的特点，图3所示为齿顶圆 传统注射机上，同时配备有加热和冷却系统，在注射 直径为700m,中心孔直径为120m的微型齿轮 时加热模具，注射后模具温度能迅速降低，保证注射 可以看出，齿轮的形状保持良好，齿形轮廓清晰，中 时注射喂料充分充满型腔，脱模时注射坯体有足够 心孔的圆度保持良好，边缘光滑.可见，实验中选取 的强度，模腔材料为单晶硅片，其上分布着齿顶圆 的微注射工艺参数基本合理， 直径小于1mm的微型齿轮型腔. 对比齿轮上各齿与中心孔的边缘可以看出，在 羰基铁粉与粘结剂混合物在双螺杆挤出机中混 部分齿的边缘，出现了边缘圆化，在图3所示的齿轮 合，以获得粉末均匀分布的喂料，混炼的温度为 上，圆化现象表现为两种形式，分别用a和b标示， 135℃，混炼周期为4次，喂料的颗粒尺寸小于 其中a处为阶梯状形貌，而b处为齿的高度平缓下 5mm,以保证注射时喂料熔融状态时均匀的流动 降，与图中上部的三个齿的形貌基本相同，结合实 性.注射的温度为165℃，压力为90MPa,模具的温 验结果分析，可以认为，上述两种形貌的形成原因有 度为110℃.启动模具的冷却系统，将模具温度降 所不同，对于a处的阶梯状形貌，原因有以下两点：
1 试验方法 1∙1 粉末微注射成形用原料 粉末微注射成形技术的工艺流程与传统粉末注 射成形技术基本相同只是由于所制备零件的尺寸 很小故粉末微注射成形技术在粉末粒度及分布、模 具设计与制造、注射及脱模等方面存在特殊性条件 更加严格． 本实验的粉末原料为羰基铁粉其平均粒度为 2∙3μm粒度分布合理粉末的形状为球形或近球 形其形貌如图1所示．可以看出粉末的形状及粒 度分布较为合理有利于粉末装载量的增加和烧结 密度的提高．微注射成形用粘结剂采用石蜡基粘结 剂体系为三种材料的混合物其成分和配比如表1 所示．粉末的装载量确定为58％（体积分数）． 图1 实验用羰基铁粉的形貌 Fig．1 Morphology of carbonyl iron powder 表1 粉末微注射成形用粘结剂的成分（质量分数） Table1 Components of the binder for PIM ％ 石蜡 硬脂酸 高密度聚乙烯 63 10 27 1∙2 纯铁微型齿轮的制备 本实验采用具有自主知识产权的模具安装于 传统注射机上同时配备有加热和冷却系统在注射 时加热模具注射后模具温度能迅速降低保证注射 时注射喂料充分充满型腔脱模时注射坯体有足够 的强度．模腔材料为单晶硅片其上分布着齿顶圆 直径小于1mm 的微型齿轮型腔． 羰基铁粉与粘结剂混合物在双螺杆挤出机中混 合以获得粉末均匀分布的喂料混炼的温度为 135℃混炼周期为 4 次喂料的颗粒尺寸小于 5mm以保证注射时喂料熔融状态时均匀的流动 性．注射的温度为165℃压力为90MPa模具的温 度为110℃．启动模具的冷却系统将模具温度降 至室温后脱模．注射坯通过在25℃的三氯乙烯溶 液中浸没12h 的溶剂脱脂去除大部分的石蜡成 分在坯体表面制造出大量深入内部的小孔使其后 的热脱脂过程的挥发物得以毛细作用排出提高了 脱脂效率．然后在 H2 气氛下完成热脱脂将剩余粘 结剂成分彻底去除热脱脂工序的工艺路线示于 图2．随后在 H2 气氛下烧结升温速率为10℃· min —1烧结温度为1260℃保温1h． 图2 注射坯的热脱脂工艺 Fig．2 Thermal debinding process for the injection compact 1∙3 分析测试 采用 S—250型电子扫描电镜观察粉末微注射 成形用粉末、纯铁齿轮的注射坯体以及烧结坯的形 貌采用英国泰勒霍普森公司生产的 Talysurf CCI 2000三维非接触式白光干涉表面轮廓仪测量样品 的表面粗糙度． 2 结果与讨论 2∙1 微型齿轮注射坯体的制备 对于粉末微注射成形工艺由于所选用的粉末 的粒度很小其充型过程与传统粉末注射成形相比 存在一定的复杂性．采用优化的注射参数可以得 到成形良好的注射坯．形状较复杂的齿轮可以从 多方面反映出注射过程的特点．图3所示为齿顶圆 直径为700μm中心孔直径为120μm 的微型齿轮． 可以看出齿轮的形状保持良好齿形轮廓清晰中 心孔的圆度保持良好边缘光滑．可见实验中选取 的微注射工艺参数基本合理． 对比齿轮上各齿与中心孔的边缘可以看出在 部分齿的边缘出现了边缘圆化在图3所示的齿轮 上圆化现象表现为两种形式分别用 a 和 b 标示 其中 a 处为阶梯状形貌而 b 处为齿的高度平缓下 降与图中上部的三个齿的形貌基本相同．结合实 验结果分析可以认为上述两种形貌的形成原因有 所不同．对于 a 处的阶梯状形貌原因有以下两点： 第12期 尹海清等： 金属微型元器件的制备与性能检测 ·1429·
.1430 北京科技大学学报 第30卷 收缩率为15%~25%.据此，本研究今后还需对脱 脂和烧结工艺参数进行进一步的优化， 400 um 19Ku 03 41m 2啡 11 图3微型齿轮的注射坯体 Fig.3 Injection compact of a micro-sized gearw heel 图4绕结后的纯铁齿轮 (1)模具的内壁粗糙度较大，大的摩擦力导致脱模 Fig.4 Sintered gearw heel of iron 时注射生坯的内壁出现裂纹，裂纹沿着与脱模顶杆 2.3烧结纯铁微型齿轮的形貌表征 顶出方向向垂直的表面扩展，直至注射生坯以层状 对微型零件的性能表征一直是很多研究者试图 剥落一这是形成a处形貌的主要原因：(2)模具 解决的问题之一，本实验采用非接触式白光干涉仪 的温度较低，加之喂料在充型过程中由于体积小、散 对烧结零件的表面特征进行了测试，结果如图5所 热快，使得喂料的黏度过大，无法充满型腔。造成b 示，该图以出现边缘圆化的起始横切面为基面，展 处形貌的原因主要在于喂料充型过程中，微小型腔 示了齿轮上表面的粗糙程度，可以明显看出：从中 中的气体未能有效排除，气体和喂料前沿的表面张 心孔到齿根部分的圆形区域内，齿轮的表面较为平 力的共同作用，造成齿的边缘的圆化，这种缺陷在本 整，高度的起伏较小；由于边缘圆化和烧结的不致密 实验室目前的微注射成形研究阶段较为普遍。与齿 性，导致齿轮各齿的表面粗糙度较大，由于表面的 的边缘圆化不同的是，中心孔的边缘保持得非常好， 不平而显示的高度差由图5的不同颜色较为清楚地 没有出现圆化·可见，尽管中心孔的尺寸较小，但只 揭示.图6是与齿轮表面垂直的面与齿轮表面的交 要微注射的参数选取恰当，完全可以精确实现孔的 线，与图5反映齿轮表面的全貌不同的是，图6的 成形；这也说明喂料在充型过程中中心孔及其周围 曲线显示的是齿轮表面上某一条线的起伏.由该曲 较小区域是充型的初始阶段，适宜的注射温度保证 线的中间平而两端倾斜下滑的形状可以说明，齿轮 喂料前沿充分流动，并将型腔中残留的气体推至各 中间部分的表面平整，粗糙度较小，而齿的部分表面 齿的狭小区域中 降低，而且越靠近齿的顶部，表面高度就越小， 2.2纯铁微型齿轮烧结工艺的分析 m 对微注射成形坯体进行溶剂脱脂和热脱脂后直 7100 接将对样品进行烧结，图4为烧结后的样品形貌， 02 04 由图可以看出，齿轮的轮廓依然较好地保持，而齿的 0.6 边缘圆化成为较突出的缺陷，有效地克服该缺陷将 成为今后的工作重点，烧结体的中心孔在烧结时由 o以 于形状的对称性而均匀收缩，圆度很好，但边缘也出 40 12 现些许的圆化.分析认为，脱脂工艺中一个重要参 020 数，即脱脂速率，可能是造成上述现象的原因之一， 10 脱脂速率过大，导致粘结剂在排放中速度过快，造成 180 0 020406081012141618oNM 尤其是边缘的松动和脱落，烧结后纯铁微型齿轮发 /mm 生明显的收缩，齿轮的齿顶圆的收缩率约为 图5白光干涉仪测量的烧结纯铁齿轮表面的粗糙度 15.6%,而中心孔的收缩率约为11.9%.德国的研 Fig.5 Surface roughness of the sintered gearw heel measured by 究者认为，微注射成形的注射坯体在烧结后的体积 w hite-light interferometry
图3 微型齿轮的注射坯体 Fig．3 Injection compact of a micro-sized gearwheel （1） 模具的内壁粗糙度较大大的摩擦力导致脱模 时注射生坯的内壁出现裂纹裂纹沿着与脱模顶杆 顶出方向向垂直的表面扩展直至注射生坯以层状 剥落———这是形成 a 处形貌的主要原因；（2） 模具 的温度较低加之喂料在充型过程中由于体积小、散 热快使得喂料的黏度过大无法充满型腔．造成 b 处形貌的原因主要在于喂料充型过程中微小型腔 中的气体未能有效排除气体和喂料前沿的表面张 力的共同作用造成齿的边缘的圆化这种缺陷在本 实验室目前的微注射成形研究阶段较为普遍．与齿 的边缘圆化不同的是中心孔的边缘保持得非常好 没有出现圆化．可见尽管中心孔的尺寸较小但只 要微注射的参数选取恰当完全可以精确实现孔的 成形；这也说明喂料在充型过程中中心孔及其周围 较小区域是充型的初始阶段适宜的注射温度保证 喂料前沿充分流动并将型腔中残留的气体推至各 齿的狭小区域中． 2∙2 纯铁微型齿轮烧结工艺的分析 对微注射成形坯体进行溶剂脱脂和热脱脂后直 接将对样品进行烧结图4为烧结后的样品形貌． 由图可以看出齿轮的轮廓依然较好地保持而齿的 边缘圆化成为较突出的缺陷有效地克服该缺陷将 成为今后的工作重点．烧结体的中心孔在烧结时由 于形状的对称性而均匀收缩圆度很好但边缘也出 现些许的圆化．分析认为脱脂工艺中一个重要参 数即脱脂速率可能是造成上述现象的原因之一 脱脂速率过大导致粘结剂在排放中速度过快造成 尤其是边缘的松动和脱落．烧结后纯铁微型齿轮发 生明 显 的 收 缩齿 轮 的 齿 顶 圆 的 收 缩 率 约 为 15∙6％而中心孔的收缩率约为11∙9％．德国的研 究者认为微注射成形的注射坯体在烧结后的体积 收缩率为15％～25％．据此本研究今后还需对脱 脂和烧结工艺参数进行进一步的优化． 图4 烧结后的纯铁齿轮 Fig．4 Sintered gearwheel of iron 2∙3 烧结纯铁微型齿轮的形貌表征 对微型零件的性能表征一直是很多研究者试图 解决的问题之一．本实验采用非接触式白光干涉仪 对烧结零件的表面特征进行了测试结果如图5所 示．该图以出现边缘圆化的起始横切面为基面展 示了齿轮上表面的粗糙程度．可以明显看出：从中 心孔到齿根部分的圆形区域内齿轮的表面较为平 整高度的起伏较小；由于边缘圆化和烧结的不致密 性导致齿轮各齿的表面粗糙度较大．由于表面的 不平而显示的高度差由图5的不同颜色较为清楚地 揭示．图6是与齿轮表面垂直的面与齿轮表面的交 线．与图5反映齿轮表面的全貌不同的是图6的 曲线显示的是齿轮表面上某一条线的起伏．由该曲 线的中间平而两端倾斜下滑的形状可以说明齿轮 中间部分的表面平整粗糙度较小而齿的部分表面 降低而且越靠近齿的顶部表面高度就越小． 图5 白光干涉仪测量的烧结纯铁齿轮表面的粗糙度 Fig．5 Surface roughness of the sintered gearwheel measured by white-light interferometry ·1430· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第12期 尹海清等：金属微型元器件的制备与性能检测 .1431. 50 为15.6%，中心孔的收缩率为11.9%，烧结后齿轮 40 表面的粗糙度为Sa=5.0991m 且30 参考文献 是20 [1]Rota A.New features in material issues for metallic micro compo- nents by MIM//Proceedings of PM2TEC.Florida.2002:49 [2]Rota A.Duong T V.Hartwig T.Micro powder metallurgy for 0.050.150250.350.450.550.65 the replicative production of metallic microstructures.Microsyst 长度mm Technol,2002,8:323 [3]Piotter V.PIM looks for role in the micro world.Met Poweder 图6白光干涉仪测量的烧结纯铁齿轮表面的高度差 Rep,1999,6:36 Fig.6 Difference in surface height of the sintered gearw heel mea- [4]Piotter V,Benzler T,Gietzelt T.Micro powder injection mold- sured by white-light interferometry ing.Adv Eng Mater.2002.2(10):639 [5]Gietzelt T,Piotter V.Ruprecht R.Manufacturing of isolated ce- 上述数据进一步验证了注射充型时以中心部分 ramie microstructures.Microsyst Technol.2002.9:99 为初始部位，以齿轮的齿为最后填充部分，由于型 [6]Piotter V,Bauer W,Berzler T.Injection molding of components 腔无排气孔，模具的分型面为气体排出的通道，齿形 for Microsystems.Microsyst Technol.2001,7:99 的表面靠近齿顶的部分是气体排出最为困难之处， [7]Gietzelt T,Piotter V,Jacobi O.Fabrication of micromolds for 成为齿轮注射坯体边缘圆化的最直接原因， gearw heels by micro powder injection molding.Adv Eng Mater. 2003,5(3):139 采用白光干涉仪测量齿轮表面的粗糙度，以代 [8]Auhorn M,Beck T,Schukze V.Determination of mechanical 表齿轮表面全部区域的粗糙程度的参数S。作为评 properties of slip cast,micro powder injection moulded and micro- 价粗糙度的最重要的参数，测量结果显示，烧结后 cast high aspect ratio microspecimens.Microsyst Technol.2004. 纯铁齿轮的上表面的粗糙度为5.0991m,该数值 10:489 较德国的研究者制备的微型零件的表面粗糙度大， [9]Auhorn M,Beck T,Schulze V.et al.Quasi-static and cyclic testing of specimens with high aspect ratios produced by micro- 这有待于对过程参数进行优化 casting and micro powder injection moulding Microsyst Technol, 2002,8:109 3结论 [10]Beck T,Schneider J.Schukze V.Characterization and testing of micro specimen.Microsyst Technol.2004.10:227 (1)选用平均粒度为2.3m的羰基铁粉和石 [11]Liu L,Loh N.Tay B.Mixing and characterization of 316L 蜡基热塑性粘结剂为粉末微注射成形原料，装载量 stainless steel feedstock for micro powder injection molding. 为58%（体积分数），注射的温度为165℃，压力为 Mater Charact.2004.8:1 90MPa,获得了齿顶圆直径为700m,齿轮及其中 [12]Tay B.Liu L.Loh N.Injection molding of 3D microstructures by PIM.Micrasyst Technol,2005.11:210 心孔的形状保持良好，齿形轮廓清晰的纯铁微型齿 [13]Liu Z.Loh N.Tor S.Micro powder injection molding.J 轮注射坯体. Mater Process Technol.2002,127:165 (2)经脱脂和烧结的纯铁微型齿轮的形状保持 [14]Liu Z,Loh N,Tor S.Production of micro components by pow 良好，烧结后齿轮发生明显的收缩，齿顶圆的收缩率 der injection molding.J Mater Sci Lett,2001.20:307
图6 白光干涉仪测量的烧结纯铁齿轮表面的高度差 Fig．6 Difference in surface height of the sintered gearwheel measured by white-light interferometry 上述数据进一步验证了注射充型时以中心部分 为初始部位以齿轮的齿为最后填充部分．由于型 腔无排气孔模具的分型面为气体排出的通道齿形 的表面靠近齿顶的部分是气体排出最为困难之处 成为齿轮注射坯体边缘圆化的最直接原因． 采用白光干涉仪测量齿轮表面的粗糙度以代 表齿轮表面全部区域的粗糙程度的参数 Sa 作为评 价粗糙度的最重要的参数．测量结果显示烧结后 纯铁齿轮的上表面的粗糙度为5∙0991μm该数值 较德国的研究者制备的微型零件的表面粗糙度大 这有待于对过程参数进行优化． 3 结论 （1） 选用平均粒度为2∙3μm 的羰基铁粉和石 蜡基热塑性粘结剂为粉末微注射成形原料装载量 为58％（体积分数）注射的温度为165℃压力为 90MPa获得了齿顶圆直径为700μm齿轮及其中 心孔的形状保持良好齿形轮廓清晰的纯铁微型齿 轮注射坯体． （2） 经脱脂和烧结的纯铁微型齿轮的形状保持 良好烧结后齿轮发生明显的收缩齿顶圆的收缩率 为15∙6％中心孔的收缩率为11∙9％烧结后齿轮 表面的粗糙度为 Sa＝5∙0991μm． 参 考 文 献 ［1］ Rota A．New features in material issues for metallic micro components by MIM∥ Proceedings of PM2TEC．Florida2002：49 ［2］ Rota ADuong T VHartwig T．Micro powder metallurgy for the replicative production of metallic microstructures． Microsyst Technol20028：323 ［3］ Piotter V．PIM looks for role in the micro world．Met Pow der Rep19996：36 ［4］ Piotter VBenzler TGietzelt T．Micro powder injection molding．A dv Eng Mater20022（10）：639 ［5］ Gietzelt TPiotter VRuprecht R．Manufacturing of isolated ceramic microstructures．Microsyst Technol20029：99 ［6］ Piotter VBauer WBenzler T．Injection molding of components for Microsystems．Microsyst Technol20017：99 ［7］ Gietzelt TPiotter VJacobi O．Fabrication of micromolds for gearwheels by micro powder injection molding．A dv Eng Mater 20035（3）：139 ［8］ Auhorn MBeck TSchulze V．Determination of mechanical properties of slip castmicro powder injection moulded and microcast high aspect ratio microspecimens．Microsyst Technol2004 10：489 ［9］ Auhorn MBeck TSchulze Vet al．Quas-i static and cyclic testing of specimens with high aspect ratios produced by microcasting and micro-powder-injection-moulding．Microsyst Technol 20028：109 ［10］ Beck TSchneider JSchulze V．Characterization and testing of micro specimen．Microsyst Technol200410：227 ［11］ Liu LLoh NTay B．Mixing and characterization of 316L stainless steel feedstock for micro powder injection molding． Mater Charact20048：1 ［12］ Tay BLiu LLoh N．Injection molding of 3D microstructures by μPIM．Microsyst Technol200511：210 ［13］ Liu ZLoh NTor S．Micro-powder injection molding． J Mater Process Technol2002127：165 ［14］ Liu ZLoh NTor S．Production of micro components by powder injection molding．J Mater Sci Lett200120：307 第12期 尹海清等： 金属微型元器件的制备与性能检测 ·1431·