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        MIM技術研究現狀
        來源: | 作者:天悅MIM | 發布時間: 2019-12-30 | 555 次瀏覽 | 分享到:

         

           

        . MIM技術的認識

        1.MIM技術的發展歷程和國際、國內研究現狀 ……………………………………………… 1

        2. IM技術工藝過程及特點……………………………………………………………………… 2

        3.M IM技術與其它技術的比較………………………………………………………………… 4

        4. MIM技術的應用范圍、產品………………………………………………………………… 5

        5.MIM 技術的不足與缺陷……………………………………………………………………… 6

        6. 技術研究和發展的方向……………………………………………………………………… 7

        . 工作重點

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

        2. 降低生產成本………………………………………………………………………………… 9

        三.個人建議

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

         

        MIM技術研究現狀及本人對公司在該技術方面的建議

         

        一.  MIM技術研究現狀

        1. MIM技術的發展歷程和國際、國內研究現狀

        金屬注射成形(Metal Injection Molding,MIM)是傳統粉末冶金工藝與現代塑料注射成形工藝相結合而形成的一門新型近凈成形技術。 金屬注射成形最早可溯源于20世紀20年代開始的陶瓷火花塞的粉末注射成形制備,隨后的幾十年間粉末注射成形主要集中于陶瓷注射成形。直到1979年,由Wiech等人組建的Parmatch公司的金屬注射成形產品獲得兩項大獎,以及當時WiechRivers先后得專利,粉末注射成形才開始轉向以金屬注射成形為主導。在Parmatch公司轉讓了他們的幾項專利后,MIM公司紛紛建立起來,1980Wiech組建Witec公司,其后又逐步注冊了Omark工業、Remington軍品、Rocky牙科等子公司。1986年,日本Nippon Seison公司引進了Wiech工藝。1990年以色列Metalor2000公司從Parmatch公司引進了Wiech工藝技術,建立了MIM生產線。經歷近二十年的發展,2003年全球MIM產品市場總值達10億美元。以地域劃分,美國占了55%,接下來為歐洲和日本。目前全世界共有超過500家公司從事金屬注射成形產品的生產和銷售工作,另外還有約40MIM粉末供應商,20MIM喂料供應商。

        近年來,我國大陸MIM產業化進程發展迅速,北京有色金屬研究總院、中南大學、北京科技大學、清華大學等單位開展了MIM相關技術的研究,取得了一定的成果, 也涌現出不少具有一定實力MIM產品的生產企業,如山東乳山金珠以、上海富馳,另外,北京鋼鐵研究總院下屬的安泰科技股份有限公司建成了500萬元的實驗性生產線,中南大學粉末國家重點實驗室與湖南華升益鑫泰股份有限公司合資創辦了湖南英杰高科技有限責任公司,并從國外引進了先進的設備,建立了生產能力超過4000/年的MIM生產線。

         

        2. MIM技術工藝過程及特點

        金屬注射成形的基本工藝過程可分為四個階段,即喂料的制備、注射成形、脫脂、燒結。第一階段喂料的制備包括幾個獨立的步驟,即原料粉末的預混和、粘結劑的制備、粉末/粘結劑喂料的混煉、喂料的制粒。這一階段MIM工藝與傳統塑料成形工藝最大的區別在于采用金屬或陶瓷粉末作為原料。采用注射成形工藝的粉末粒度比較小(一般小于10μm),流動性較差,所以需要加入大量的粘結劑來增強流動性,帶動粉末成形。原料粉末一般分兩種,即元素粉末和預混合金。毫無疑問,元素粉末需要進行預混合,即使是預合金粉末一般也需要加入適量的表面活性劑進行預混合。預混合好的粉末需要與粘結劑在一定溫度下混煉成均勻的、具有良好流動性的喂料,然后像塑料注射成形工藝一樣,將制粒后的粉末/粘結劑混合物在注射成形機中進行注射成形。第二階段為注射成形。這一階段完全不同于傳統粉末合金的壓制成形,而是類似塑料工業中的成形工藝,在一定壓力和溫度下將喂料以流體形式注入模腔一次成形出具有三維精細復雜形狀和結構的注射坯。第三階段為脫脂。這一階段屬于金屬注射成形工藝獨有的步驟,因為在這一階段要從坯塊中脫除30-50%體積分數的粘結劑,完全不同于傳統粉末冶金壓制工藝中極少量的表面活性劑的脫除。最后一階段為燒結。此階段類似于傳統粉末冶金中的燒結。其工藝過程如圖1所示。



        1. 金屬注射成形工藝基本流程圖

         

        MIM利用粉末冶金技術特點能燒結出高致密度、具有良好機械性能及表面質量的機械零件;同時,利用塑料注射成形的特點能大批量、高效率地生產出形狀復雜的零件,如各種外部切槽,外螺紋,錐形外表面,交叉通孔,盲孔,凹臺與鍵銷,加強筋板,表面滾花等等,具有以上特征的零件都是無法用常規粉末冶金方法、精密鑄造等工藝得到。因此,MIM技術在粉末成形領域具有廣闊的應用前景,其優勢主要表現在以下幾個方面:(1)可以生產形狀十分復雜的零件;(2)制品的致密度高,性能可與鍛件相比;(3)可最大限度地制得最終形狀的零件而無需后續機加工或只需少量的機加工;(4)材料的利用率很高,適合大批量生產;(5)設備投資較小,并能自動控制整個生產工藝,生產效率高。

        目前,已經有許多的材料用于MIM生產上,如表1.和表2

         

        3. MIM技術與其它技術的比較

        選擇何種金屬成形工藝,零件的復雜程度和生產產量是兩個主要決定因素。圖2示意出各種金屬成形工藝零件適用的范圍。

        2 . MIM 工藝的適用范圍和與其它金屬成形工藝的比較

        由圖2可見,MIM工藝在零件生產量大和復雜程度高時獨占優勢。對于中等數量的精密鑄造復雜零件和需要后續機加工的粉末冶金小零件,MIM都有競爭力 對于零件設計者,應著重設計三維形狀復雜的生產量大的零件,以充分發揮MIM 工藝的特點,取得降低生產成本的效果。3MIM技術與幾種傳統零件制造技術對比所具有的優勢。

         

        3. MIM 技術與幾種傳統零件制造技術對比

         

        4. MIM技術的應用范圍、產品

        采用注射成形技術形成各種材質、形狀的材料與制品,解決了多年來一直困擾粉末冶金領域的復雜形狀制品成形難的問題。目,全球范圍內已有數百個為金屬注射成形技術服務或直接從事金屬注射成形技術的公,其產品從傳統工業用的硬質工具、機械產品到高溫發動機部件,從計算機用的磁盤驅動器到手表業用產品、醫用產品、甚至軍工產品等達近百種。因此,MIM 技術被譽為“當今最熱門的零部件成形技術”。

        據初步調查,單在輕武器行業中,金屬注射成形技術有著巨大的潛在市場,有近25% 的零部件適合于用粉末冶金注射成形技術來生產。4MIM應用領域及其典型產品。

         

        4. MIM典型產品及其應用領域

         

        5. MIM技術的不足與缺陷

        雖然采用MIM技術可以制造出許多不同材料和形狀的產品,但由于MIM成形和脫脂困難,一般MIM技術適合于生產質量在500g以下的零件,而對于一些大尺寸零件(壁厚超過20mm)仍無法用該工藝制得。尤其是硬質合金、鈦合金等大型零件更難以注射成形。通過對MIM工藝的優化來加大MIM產品的尺寸仍然是當今MIM工藝的一個發展方向。

        金屬注射成形技術經過20余年的發展,全世界約有500多家公司和研究機構從事金屬注射成形技術方面的工作,產品已應用到各行各業,包括航空航天、兵器、槍械、移動通訊產品、汽車零部件、辦公機器產品、體閑產品、精密機械部件、醫療產品、鑰匙、電動工具部件、光纖通訊產品、軸承部件、鐘表零部件等。材料體系也非常廣泛,包括不銹鋼、低合金鋼、鎢合金、鈦合金、硬質合金、陶瓷等。但是直到2003年底,全球的MIM產品市場總值僅為10億美元,大大低于各種預測數字,還遠遠沒達到可與機加工、精密鑄造、壓制/燒結等工藝相匹敵的一項加工技術。其主要原因在于金屬注射成形技術通過大量粘結劑的加入和脫除,雖然能解決復雜形狀的問題,但大量粘結劑的加入和脫除使得現有MIM技術局限應用在制備小尺寸、低精度、力學性能不高的產品和材料體系。目前國際范圍內現有金屬注射成形技術只能制備厚度在10mm(且多為5mm)以下,對微觀組織結構和力學性能要求不高,尺寸精度為±0.3%0.5%的產品,如高速鋼、硬質合金、鈦合金和陶瓷刀具、刃具等。而由于MIM工藝過程中粉末/粘結劑塑化體經歷多次物理和化學狀態變化,在不同階段易引入不同缺陷,所以MIM技術目前在對缺陷敏感、力學性能要求高的材料體系及產品中應用得較少。這主要有以下幾方面的原因。由于MIM過程中加入大量的粘結劑,粘結劑脫除后燒結類似于傳統粉末冶金的松裝燒結,需采用細粉作為原料,才能滿足致密化要求,導致成本大幅度升高,對于較大尺寸產品若還是只能采用細粉就沒有了競爭力。同時由于產品尺寸上升,脫脂所需時間呈指數關系增加,且缺陷產生幾率大幅度增加。另外,產品尺寸上升,注射成形過程時間增加,對粘結劑流變性能的要求更高,以使其能將粉末迅速帶至模腔的不同部位。以上這些都是制約MIM技術向較大尺寸發展的因素。所以MIM技術一直局限于較小尺寸產品。對于尺寸精度,由于MIM工藝過程中存在粘結劑的加入和脫除,粘結劑脫除后燒結產品經歷一個非常大的收縮率(線收縮率10%20%),此時各種因素都將影響尺寸精度,所以必須建立起工藝過程參數對尺寸精度影響的數學模型,建立實時監控體系。

         

        6. 今后MIM技術研究和發展的方向

        雖然MIM正引起人們越來越大的關注,但目前其規模與傳統加工技術相比還顯弱小,還有很大的發展潛力。新生的MIM工業還需要我們采取制定工業標準、加快工業化、提高從業者素質、研發設備以及爭取顧客等一系列的努力來將其發展壯大。隨著工藝的不斷完善,金屬注射成形技術的優越性逐漸顯現出來,將會被越來越多的行業和客戶所接受,它所帶來的市場份額也正急劇增大。由于市場潛力巨大,許多風險投資業開始涉足MIM行業??梢灶A見,MIM將發展成為21世紀最有前途的零部件制造技術之一。

        近年來金屬注射成形技術主要朝兩個方向發展:適用材料體系的擴展,滿足獨特的粘結劑及脫脂技術而開發的高可靠性生產裝備。表現為如下幾個特點:

        l. 材料體系的多方向拓展。注射成形技術是比較理想的、能夠經濟地成形、接近最終需要形狀,燒結后需少量或不需要后續加工的近凈成形技術,這在精密陶瓷化的工業化生產應用中變得愈來愈重要。在精密陶瓷的生產方面主要應用到碳化物,金屬陶瓷,無機非金屬陶瓷,氧化物陶瓷,金屬間化合物等方面。以氧化鋯陶瓷光纖插針為例,采用注射成形技術制備生坯可以大大縮短后續加工時間。由于在模腔中成形的毛坯已帶有一定精度的通孔,后續的研磨工藝減少到擠壓成形的三分之一到四分之一,從而使生產放率提高,生產成本大幅度降低。

        2. 粘結劑多樣化及脫脂技術的多途徑化。以醋酸纖維脂、聚乙二醇聚合物,丙烯酸聚合物、瓊脂為基體的諸多粘結劑體系得到進一步的發展應用。計算機輔助控制熱脫脂技術、溶劑脫脂技術,催化脫脂技術,以及冷凍干燥技術、微波輔助干燥技術都被用于粘結劑的脫脂研究。而這技術的成功應用,一方面極大地縮短了脫脂時間(從數天到幾小時),另一方面也實現了對脫脂過程中容易產生易揮發產物的聚合物分解副反應的控制,從而更有效地消除了脫脂過程中缺陷的形成。

        3. 更先進.控制更精確的裝備。以計算機精密控制注射成形機及相關在線質量監測控制系統的研究和計算機輔助脫脂關鍵裝備技術的開發是目前及今后關注的重點方向。成形設備如粉末同步注射成形機,利用控制協調的雙簡注射機生產復合材料零件??梢灶A見,隨著人們對金屬注射成形的進一步研究、開發和應用,MIM 技術將在不遠的將來真正成為種可以與機加工、精密鑄造、壓制、燒結工藝平行發展的一種具有吸引力的近凈成形技術,會被越來越多的零件設計人員所了 解和接受,滿足國家通迅、機械、醫療、航空航天等行業領域對高性能異形關鍵零部件的需求,將我國的零部件加工制造業提高到一個嶄新的水平。

         

        . 工作重點

        近十余年來,金屬注射成形 (MIM)新工藝產業化進程迅,方興未艾。MIM存在發展態勢良好的機遇,同時也面臨需要認真對待的挑戰,特別是在MIM零件尺寸精度的控制和降低生產成本方面

        1. 控制零件尺寸精度

        通常,金屬注射成形件的精度為±0.3,比傳統粉末冶金方法所達到的±0.1 差得多。在精度方面尚有改進的余地,主要是通過精細的工藝過程控制,有時采用二次加工,像機加工、熱處理與拋光等。這樣的后續處理使用戶對最終產品更具吸引力,同時為粉末冶金零件生產廠家帶來更多的好處。金屬注射成形件經二次處理可克服公差大的問題。同其他方法相比, 拋光也可使金屬注射成形件更具吸引力。

        2. 降低生產成本

        利用優化生產工藝、標準化作業、回收廢料等措施節省成本。

         

        三.個人建議

        1. 改善、優化、規范生產工藝,開發高效、低成本的金屬粉末的生產技術,提高生產效率;

        2. 建立各種原材料、粘結劑的性能、使用規范、即時市場價格、生產廠家等信息數據庫;

        2. 推行TS16949 管理體系,建立標準化作業程序文件和指引,規范員工操作;

        3. 對員工進行相關技能培訓,增強 lean production(精益生產)意識,提高生產效率; 

        4. 效益策略:集中精力提高銷售額,雇員人數的比率,密切注意效益,而不僅僅求發展;

        5.  加強目前已有的、甚至潛在的用戶、產品設計部門的溝通,促進MIM技術的實際應用。

        部件設計階段就攜手合作;

        6. 若有條件,可以引進注射成形過程流動和充模過程計算機模擬與仿真技術,節約生產時間,從而提高生產效率;

        7. 引入生產工藝高度自動化精確控制的化工生產設備;

        8.  在公司初創階段,應進行戰略化管理,即了解整個市場行情、競爭對手信息、公司戰略定位、戰略發展等;

        9.  加強與研究院所、高校的科研合作關系,例如研究較粗粉末強化燒結技術,以提高粉末利用率,降低MIM產品的原材料成本,增強與其它成形技術的市場競爭力;

         

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