Литье металла под давлением ( MIM ) - это процесс обработки металла, в котором мелкодисперсный металлический порошок смешивается со связующим материалом для создания «исходного материала», которому затем придают форму и отверждают с помощью литья под давлением . Процесс формования позволяет формировать сложные детали большого объема за один этап. После формования деталь подвергается операциям кондиционирования для удаления связующего (удаления связующего) и уплотнения порошков. Готовая продукция - это небольшие компоненты, используемые во многих отраслях и сферах применения.
Поведение сырья MIM регулируется реологией , изучением шламов, суспензий и других неньютоновских жидкостей.
Из-за текущих ограничений оборудования продукты должны быть отформованы с использованием количества не более 100 граммов на «выстрел» в форму. Эта дробь может быть распределена по нескольким полостям, что делает MIM рентабельным для небольших, сложных, крупносерийных продуктов, производство которых в противном случае было бы дорогостоящим. Сырье для МИМ может состоять из множества металлов, но наиболее распространенными являются нержавеющие стали, широко используемые в порошковой металлургии . После первоначального формования связующее удаляют, а частицы металла связывают диффузией и уплотняют для достижения желаемых прочностных свойств. Последняя операция обычно приводит к усадке продукта на 15% в каждом измерении.
Рынок литья металлов под давлением вырос с 9 миллионов долларов США в 1986 году до 382 миллионов долларов США в 2004 году и более 1,5 миллиардов долларов США в 2015 году. Связанная с этим технология - литье под давлением керамического порошка, в результате чего общий объем продаж составил около 2 миллиардов долларов США. Большая часть роста в последние годы пришлась на Азию. [1]
Процесс
В монографии П.О. Грибовского, опубликованной в 1956 г., подробно описана технология горячего литья (горячего формования) керамических изделий под давлением (сейчас - Low Pressure Powder Injection Molding) и, в частности, отмечается, что «технология горячего литья дает возможность производить изделия из любых твердых материалов, начиная от природных минералов, чистых оксидов, карбидов, металлов и др., и заканчивая многокомпонентными композитными синтетическими материалами и их комбинациями ». [2] Это указание на возможность MIM-кастинга, которое было реализовано доктором Рэймондом Э. Вичем-младшим в 1970-х годах, который усовершенствовал технологию MIM в качестве соучредителя калифорнийской компании Parmatech , название которой было сокращено от фраза «технология материалов с частицами». [3] Wiech позже запатентовал [4] свой процесс, и он был широко принят для промышленного использования в 1980-х годах.
MIM получила признание на протяжении 1990-х годов, поскольку усовершенствования последующих процессов кондиционирования привели к получению конечного продукта, который по своим характеристикам аналогичен или лучше, чем продукты, полученные с помощью конкурирующих процессов. Технология MIM повысила рентабельность за счет крупносерийного производства до «чистой формы», исключив дорогостоящие дополнительные операции, такие как механическая обработка, хотя MIM слаб с точки зрения жестких размерных спецификаций.
Этапы процесса включают объединение металлических порошков с полимерами, такими как воск и полипропиленовые связующие, для получения «исходной» смеси, которая вводится в виде жидкости в форму с использованием машин для литья пластмасс под давлением. Формованная или «сырая часть» охлаждается и выталкивается из формы. Затем часть связующего материала удаляется с использованием растворителя, термических печей, каталитического процесса или комбинации методов. Образовавшаяся хрупкая и пористая (40 об.% «Воздуха») часть находится в состоянии, называемом «коричневой» стадией. Чтобы улучшить обращение, часто удаление вяжущего и спекание объединяют в один процесс. Спекание нагревает порошок до температур, близких к температуре плавления в печи с защитной атмосферой, чтобы уплотнить частицы с помощью капиллярных сил в процессе, называемом спеканием . Детали из MIM часто спекаются при температурах, достаточно высоких, чтобы вызвать частичное плавление в процессе, называемом жидкофазным спеканием. Например, нержавеющая сталь может быть нагрета до 1350–1400 ° C (2460–2550 ° F). Высокая скорость диффузии приводит к высокой усадке и уплотнению. При выполнении в вакууме обычно достигается плотность твердого вещества 96–99%. Металл конечного продукта имеет сравнимые механические и физические свойства с отожженными деталями, изготовленными с использованием классических методов обработки металлов. Термическая обработка после спекания для MIM такая же, как и для других способов производства, и с высокой плотностью компонент MIM совместим с обработками для кондиционирования металла, такими как гальваника , пассивирование , отжиг, науглероживание, азотирование и дисперсионное твердение.
Приложения
Окно экономического преимущества металлических деталей, изготовленных литьем под давлением, заключается в сложности и объеме для деталей небольшого размера. Материалы MIM сравнимы с металлом, полученным конкурирующими методами, а конечные продукты используются в широком спектре промышленных, коммерческих, медицинских, стоматологических, огнестрельных, аэрокосмических и автомобильных приложений. Допуски на размеры обычно составляют ± 0,3%, а для более точных допусков требуется обработка. MIM может производить детали там, где сложно или даже невозможно эффективно изготовить элемент с помощью других средств производства. В идеале лучше всего иметь по крайней мере 75 размерных спецификаций для компонента с максимальным размером всего 25 мм и массой 10 г - например, требуемых для корпусов часов, вилок сотовых телефонов и петель портативных компьютеров. Повышенные затраты на традиционные методы производства, присущие сложности деталей, такие как внутренняя / внешняя резьба, миниатюризация или идентификационная маркировка, обычно не увеличивают стоимость операции MIM из-за гибкости литья под давлением.
Другие возможности проектирования, которые могут быть реализованы в операции MIM, включают коды продуктов, номера деталей или отметки даты; детали, изготовленные с учетом их веса нетто, снижают отходы материалов и затраты; Плотность контролируется с точностью 95–98%; Объединение деталей и сложные 3D- геометрии. [5]
Возможность объединить несколько операций в один процесс гарантирует, что MIM успешно сокращает время выполнения заказа, а также затраты, обеспечивая производителям значительные преимущества. Процесс литья металла под давлением может быть экологически чистой технологией из-за значительного сокращения отходов по сравнению с «традиционными» методами производства, такими как 5-осевая обработка с ЧПУ. Однако некоторые из старых производств производят токсичные выбросы, такие как формальдегид, утилизируют хлорированные растворители и должны сжигать воск или другие полимеры, что приводит к выбросам парниковых газов.
При использовании процесса MIM доступен широкий спектр материалов. Традиционные процессы металлообработки часто включают значительное количество отходов материала, что делает MIM высокоэффективным вариантом для изготовления сложных компонентов, состоящих из дорогих / специальных сплавов ( кобальт-хром , нержавеющая сталь 17-4 PH , титановые сплавы и карбиды вольфрама ). MIM - это жизнеспособный вариант, когда требуются очень тонкие стенки (например, 100 микрометров). Кроме того, требования к экранированию электромагнитных помех представляют собой уникальные проблемы, которые успешно решаются за счет использования специальных сплавов ( ASTM A753 Type 4). [6]
Рекомендации
- ^ Субраманиан, Виджай. «Литье под давлением металла и керамики - AVM049C» . www.bccresearch.com . Проверено 27 мая 2015 года .
- ^ Грибовский П.О. (1956). Горячее литье керамических изделий . Госэнергоиздат опубл. (На русском).
- ^ Уильямс, Б. (1989). «Parmatech придает металлам форму пластика». Отчет о металлическом порошке . 44 (10): 675–680.
- ^ Wiech, Raymond E. Jr. (1980-04-08) "Производство деталей для твердых частиц", Патент США 4,197,118 .
- ^ «Проектирование металлических форм на заказ для прецизионных деталей, Великобритания - CMG Technologies» . www.cmgtechnologies.co.uk .
- ^ «Электромагнитное и магнитное экранирование - ООО« ФлоМет » . www.flomet.com .