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MIM技术研究现状
来源: | 作者:天悦MIM | 发布时间: 2019-12-30 | 208 次浏览 | 分享到:

 

   

. MIM技术的认识

1.MIM技术的发展历程和国际、国内研究现状 ……………………………………………… 1

2. IM技术工艺过程及特点……………………………………………………………………… 2

3.M IM技术与其它技术的比较………………………………………………………………… 4

4. MIM技术的应用范围、产品………………………………………………………………… 5

5.MIM 技术的不足与缺陷……………………………………………………………………… 6

6. 技术研究和发展的方向……………………………………………………………………… 7

. 工作重点

1. 控制零件尺寸精度…………………………………………………………………………… 8

2. 降低生产成本………………………………………………………………………………… 9

三.个人建议

……………………………………………………………………………………………………

 

MIM技术研究现状及本人对公司在该技术方面的建议

 

一.  MIM技术研究现状

1. MIM技术的发展历程和国际、国内研究现状

金属注射成形(Metal Injection MoldingMIM)是传统粉末冶金工艺与现代塑料注射成形工艺相结合而形成的一门新型近净成形技术 金属注射成形最早可溯源于20世纪20年代开始的陶瓷火花塞的粉末注射成形制备,随后的几十年间粉末注射成形主要集中于陶瓷注射成形。直到1979年,由Wiech等人组建的Parmatch公司的金属注射成形产品获得两项大奖,以及当时WiechRivers先后得专利,粉末注射成形才开始转向以金属注射成形为主导。在Parmatch公司转让了他们的几项专利后,MIM公司纷纷建立起来,1980Wiech组建Witec公司,其后又逐步注册了Omark工业、Remington军品、Rocky牙科等子公司。1986年,日本Nippon Seison公司引进了Wiech工艺。1990年以色列Metalor2000公司从Parmatch公司引进了Wiech工艺技术,建立了MIM生产线。经历近二十年的发展,2003年全球MIM产品市场总值达10亿美元。以地域划分,美国占了55%,接下来为欧洲和日本。目前全世界共有超过500家公司从事金属注射成形产品的生产和销售工作,另外还有约40MIM粉末供应商,20MIM喂料供应商。

近年来,我国大陆MIM产业化进程发展迅速,北京有色金属研究总院、中南大学、北京科技大学、清华大学等单位开展了MIM相关技术的研究,取得了一定的成果, 也涌现出不少具有一定实力MIM产品的生产企业,如山东乳山金珠以、上海富驰,另外,北京钢铁研究总院下属的安泰科技股份有限公司建成了500万元的实验性生产线,中南大学粉末国家重点实验室与湖南华升益鑫泰股份有限公司合资创办了湖南英杰高科技有限责任公司,并从国外引进了先进的设备,建立了生产能力超过4000/年的MIM生产线。

 

2. MIM技术工艺过程及特点

金属注射成形的基本工艺过程可分为四个阶段,即喂料的制备、注射成形、脱脂、烧结。第一阶段喂料的制备包括几个独立的步骤,即原料粉末的预混和、粘结剂的制备、粉末/粘结剂喂料的混炼、喂料的制粒。这一阶段MIM工艺与传统塑料成形工艺最大的区别在于采用金属或陶瓷粉末作为原料。采用注射成形工艺的粉末粒度比较小(一般小于10μm),流动性较差,所以需要加入大量的粘结剂来增强流动性,带动粉末成形。原料粉末一般分两种,即元素粉末和预混合金。毫无疑问,元素粉末需要进行预混合,即使是预合金粉末一般也需要加入适量的表面活性剂进行预混合。预混合好的粉末需要与粘结剂在一定温度下混炼成均匀的、具有良好流动性的喂料,然后像塑料注射成形工艺一样,将制粒后的粉末/粘结剂混合物在注射成形机中进行注射成形。第二阶段为注射成形。这一阶段完全不同于传统粉末合金的压制成形,而是类似塑料工业中的成形工艺,在一定压力和温度下将喂料以流体形式注入模腔一次成形出具有三维精细复杂形状和结构的注射坯。第三阶段为脱脂。这一阶段属于金属注射成形工艺独有的步骤,因为在这一阶段要从坯块中脱除30-50%体积分数的粘结剂,完全不同于传统粉末冶金压制工艺中极少量的表面活性剂的脱除。最后一阶段为烧结。此阶段类似于传统粉末冶金中的烧结。其工艺过程如图1所示。



1. 金属注射成形工艺基本流程图

 

MIM利用粉末冶金技术特点能烧结出高致密度、具有良好机械性能及表面质量的机械零件;同时,利用塑料注射成形的特点能大批量、高效率地生产出形状复杂的零件,如各种外部切槽,外螺纹,锥形外表面,交叉通孔,盲孔,凹台与键销,加强筋板,表面滚花等等,具有以上特征的零件都是无法用常规粉末冶金方法、精密铸造等工艺得到。因此,MIM技术在粉末成形领域具有广阔的应用前景,其优势主要表现在以下几个方面:(1)可以生产形状十分复杂的零件;(2)制品的致密度高,性能可与锻件相比;(3)可最大限度地制得最终形状的零件而无需后续机加工或只需少量的机加工;(4)材料的利用率很高,适合大批量生产;(5)设备投资较小,并能自动控制整个生产工艺,生产效率高。

目前,已经有许多的材料用于MIM生产上,如表1.和表2

 

3. MIM技术与其它技术的比较

选择何种金属成形工艺,零件的复杂程度和生产产量是两个主要决定因素。图2示意出各种金属成形工艺零件适用的范围。

2 . MIM 工艺的适用范围和与其它金属成形工艺的比较

由图2可见,MIM工艺在零件生产量大和复杂程度高时独占优势。对于中等数量的精密铸造复杂零件和需要后续机加工的粉末冶金小零件,MIM都有竞争力 对于零件设计者,应着重设计三维形状复杂的生产量大的零件,以充分发挥MIM 工艺的特点,取得降低生产成本的效果。3MIM技术与几种传统零件制造技术对比所具有的优势。

 

3. MIM 技术与几种传统零件制造技术对比

 

4. MIM技术的应用范围、产品

采用注射成形技术形成各种材质、形状的材料与制品,解决了多年来一直困扰粉末冶金领域的复杂形状制品成形难的问题。目,全球范围内已有数百个为金属注射成形技术服务或直接从事金属注射成形技术的公,其产品从传统工业用的硬质工具、机械产品到高温发动机部件,从计算机用的磁盘驱动器到手表业用产品、医用产品、甚至军工产品等达近百种。因此,MIM 技术被誉为“当今最热门的零部件成形技术”。

据初步调查,单在轻武器行业中,金属注射成形技术有着巨大的潜在市场,有近25% 的零部件适合于用粉末冶金注射成形技术来生产。4MIM应用领域及其典型产品。

 

4. MIM典型产品及其应用领域

 

5. MIM技术的不足与缺陷

虽然采用MIM技术可以制造出许多不同材料和形状的产品,但由于MIM成形和脱脂困难,一般MIM技术适合于生产质量在500g以下的零件,而对于一些大尺寸零件(壁厚超过20mm)仍无法用该工艺制得。尤其是硬质合金、钛合金等大型零件更难以注射成形。通过对MIM工艺的优化来加大MIM产品的尺寸仍然是当今MIM工艺的一个发展方向。

金属注射成形技术经过20余年的发展,全世界约有500多家公司和研究机构从事金属注射成形技术方面的工作,产品已应用到各行各业,包括航空航天、兵器、枪械、移动通讯产品、汽车零部件、办公机器产品、体闲产品、精密机械部件、医疗产品、钥匙、电动工具部件、光纤通讯产品、轴承部件、钟表零部件等。材料体系也非常广泛,包括不锈钢、低合金钢、钨合金、钛合金、硬质合金、陶瓷等。但是直到2003年底,全球的MIM产品市场总值仅为10亿美元,大大低于各种预测数字,还远远没达到可与机加工、精密铸造、压制/烧结等工艺相匹敌的一项加工技术。其主要原因在于金属注射成形技术通过大量粘结剂的加入和脱除,虽然能解决复杂形状的问题,但大量粘结剂的加入和脱除使得现有MIM技术局限应用在制备小尺寸、低精度、力学性能不高的产品和材料体系。目前国际范围内现有金属注射成形技术只能制备厚度在10mm(且多为5mm)以下,对微观组织结构和力学性能要求不高,尺寸精度为±0.3%0.5%的产品,如高速钢、硬质合金、钛合金和陶瓷刀具、刃具等。而由于MIM工艺过程中粉末/粘结剂塑化体经历多次物理和化学状态变化,在不同阶段易引入不同缺陷,所以MIM技术目前在对缺陷敏感、力学性能要求高的材料体系及产品中应用得较少。这主要有以下几方面的原因。由于MIM过程中加入大量的粘结剂,粘结剂脱除后烧结类似于传统粉末冶金的松装烧结,需采用细粉作为原料,才能满足致密化要求,导致成本大幅度升高,对于较大尺寸产品若还是只能采用细粉就没有了竞争力。同时由于产品尺寸上升,脱脂所需时间呈指数关系增加,且缺陷产生几率大幅度增加。另外,产品尺寸上升,注射成形过程时间增加,对粘结剂流变性能的要求更高,以使其能将粉末迅速带至模腔的不同部位。以上这些都是制约MIM技术向较大尺寸发展的因素。所以MIM技术一直局限于较小尺寸产品。对于尺寸精度,由于MIM工艺过程中存在粘结剂的加入和脱除,粘结剂脱除后烧结产品经历一个非常大的收缩率(线收缩率10%20%),此时各种因素都将影响尺寸精度,所以必须建立起工艺过程参数对尺寸精度影响的数学模型,建立实时监控体系。

 

6. 今后MIM技术研究和发展的方向

虽然MIM正引起人们越来越大的关注,但目前其规模与传统加工技术相比还显弱小,还有很大的发展潜力。新生的MIM工业还需要我们采取制定工业标准、加快工业化、提高从业者素质、研发设备以及争取顾客等一系列的努力来将其发展壮大。随着工艺的不断完善,金属注射成形技术的优越性逐渐显现出来,将会被越来越多的行业和客户所接受,它所带来的市场份额也正急剧增大。由于市场潜力巨大,许多风险投资业开始涉足MIM行业。可以预见,MIM将发展成为21世纪最有前途的零部件制造技术之一。

近年来金属注射成形技术主要朝两个方向发展:适用材料体系的扩展,满足独特的粘结剂及脱脂技术而开发的高可靠性生产装备。表现为如下几个特点:

l. 材料体系的多方向拓展。注射成形技术是比较理想的、能够经济地成形、接近最终需要形状,烧结后需少量或不需要后续加工的近净成形技术,这在精密陶瓷化的工业化生产应用中变得愈来愈重要。在精密陶瓷的生产方面主要应用到碳化物,金属陶瓷,无机非金属陶瓷,氧化物陶瓷,金属间化合物等方面。以氧化锆陶瓷光纤插针为例,采用注射成形技术制备生坯可以大大缩短后续加工时间。由于在模腔中成形的毛坯已带有一定精度的通孔,后续的研磨工艺减少到挤压成形的三分之一到四分之一,从而使生产放率提高,生产成本大幅度降低。

2. 粘结剂多样化及脱脂技术的多途径化。以醋酸纤维脂、聚乙二醇聚合物,丙烯酸聚合物、琼脂为基体的诸多粘结剂体系得到进一步的发展应用。计算机辅助控制热脱脂技术、溶剂脱脂技术,催化脱脂技术,以及冷冻干燥技术、微波辅助干燥技术都被用于粘结剂的脱脂研究。而这技术的成功应用,一方面极大地缩短了脱脂时间(从数天到几小时),另一方面也实现了对脱脂过程中容易产生易挥发产物的聚合物分解副反应的控制,从而更有效地消除了脱脂过程中缺陷的形成。

3. 更先进.控制更精确的装备。以计算机精密控制注射成形机及相关在线质量监测控制系统的研究和计算机辅助脱脂关键装备技术的开发是目前及今后关注的重点方向。成形设备如粉末同步注射成形机,利用控制协调的双简注射机生产复合材料零件。可以预见,随着人们对金属注射成形的进一步研究、开发和应用,MIM 技术将在不远的将来真正成为种可以与机加工、精密铸造、压制、烧结工艺平行发展的一种具有吸引力的近净成形技术,会被越来越多的零件设计人员所了 解和接受,满足国家通迅、机械、医疗、航空航天等行业领域对高性能异形关键零部件的需求,将我国的零部件加工制造业提高到一个崭新的水平。

 

. 工作重点

近十余年来,金属注射成形 (MIM)新工艺产业化进程迅,方兴未艾。MIM存在发展态势良好的机遇,同时也面临需要认真对待的挑战,特别是在MIM零件尺寸精度的控制和降低生产成本方面

1. 控制零件尺寸精度

通常,金属注射成形件的精度为±0.3,比传统粉末冶金方法所达到的±0.1 差得多。在精度方面尚有改进的余地,主要是通过精细的工艺过程控制,有时采用二次加工,像机加工、热处理与抛光等。这样的后续处理使用户对最终产品更具吸引力,同时为粉末冶金零件生产厂家带来更多的好处。金属注射成形件经二次处理可克服公差大的问题。同其他方法相比, 抛光也可使金属注射成形件更具吸引力。

2. 降低生产成本

利用优化生产工艺、标准化作业、回收废料等措施节省成本。

 

三.个人建议

1. 改善、优化、规范生产工艺,开发高效、低成本的金属粉末的生产技术,提高生产效率;

2. 建立各种原材料、粘结剂的性能、使用规范、即时市场价格、生产厂家等信息数据库;

2. 推行TS16949 管理体系,建立标准化作业程序文件和指引,规范员工操作;

3. 对员工进行相关技能培训,增强 lean production(精益生产)意识,提高生产效率; 

4. 效益策略:集中精力提高销售额,雇员人数的比率,密切注意效益,而不仅仅求发展

5.  加强目前已有的、甚至潜在的用户、产品设计部门的沟通,促进MIM技术的实际应用。

部件设计阶段就携手合作;

6. 若有条件,可以引进注射成形过程流动和充模过程计算机模拟与仿真技术,节约生产时间,从而提高生产效率;

7. 引入生产工艺高度自动化精确控制的化工生产设备

8.  在公司初创阶段,应进行战略化管理,即了解整个市场行情、竞争对手信息、公司战略定位、战略发展等;

9.  加强与研究院所、高校的科研合作关系,例如研究较粗粉末强化烧结技术,以提高粉末利用率,降低MIM产品的原材料成本,增强与其它成形技术的市场竞争力;