Что такое MIM-детали? Руководство инженера по литью металлов под давлением

 

Объяснение процесса производства MIM

 

The Мим Производство процесс состоит из четырех ключевых этапов, которые превращают мелкие металлические порошки в сложные, полностью плотные металлические компоненты.

 

Подготовка сырья: металлические порошки и связующие

Технология Мим начинается смелкий металлический порошокРазмер частиц составляет менее 20 мкм. Производители смешивают этот порошок с термопластиковыми и восковыми связующими в определённом соотношении — примерно 60% металлического порошка на 40% связующего по объёму. Специальное оборудованиеВечерТакие устройства, как смесители или экструдеры со сдвиговыми валками, смешивают эти материалы при высоких температурах. Смесь охлаждается и гранулируется в сыпучие гранулы, называемые «сырьём», которые затем используются в качестве сырья для литья под давлением.

 

Литье под давлением: создание экологичной детали

Исходное сырье нагревается примерно до 200 °C и под высоким давлением поступает в полость формы. Этот этап аналогичен литью пластмасс под давлением, но требует специального оборудования для металлополимерных смесей. Отформованная деталь, называемая «сырой деталью», извлекается из формы после охлаждения. Деталь всё ещё содержит связующее и имеет размер примерно на 20% больше конечного, что позволяет усадить её.

 

Удаление связующего материала: удаление связующего материала

На этапе удаления связующего удаляется большая часть связующих компонентов, при этом деталь сохраняет свою форму. Доступны три метода: удаление связующего растворителем, термическое удаление связующего и каталитическое удаление связующего. Каталитический процесс BASF работает до 40 раз быстрее других методов. После удаления связующего деталь становится полупористой с соединёнными каналами и получает новое название: «коричневая деталь».

 

Спекание: превращение порошка в твердый металл

Коричневые части попадают впечь с контролируемой атмосферой где температура достигает 85% от температуры плавления металла. Оставшееся связующее вещество испаряется, и частицы металла сплавляются, удаляя все пустоты. Детали дают усадку на 15–20% и становятся плотнее более чем на 97%. Типичный цикл спекания длится 15–20 часов, в результате чего пористая коричневая деталь превращается в твердый металлический компонент, соответствующий по свойствам деформируемым материалам.

 

Выбор и свойства MIM-материалов

 

Выбор материала – это жизненная сила успехаМИМ-производство. Металлические порошки выпускаются во многих разновидностях для создания высокопроизводительных компонентов.

 

Черные сплавы лидируют в производстве МИМ-сплавов и составляют почти половину всех коммерческих применений. К ним относятся нержавеющие стали (особенно марки 17-4 PH и 316L), низколегированные и инструментальные стали. Также используются вольфрамовые сплавы, твёрдые материалы, такие как карбиды, и специальные металлы, такие как титан и молибден, что делает МИМ-сплавы более универсальными.

Выбор материала зависит от конкретных характеристик. Нержавеющая сталь и титановые сплавы лучше всего подходят, когда важна прочность, а вольфрамовые или никелевые сплавы обеспечивают лучшую термостойкость. Защитный оксидный слой нержавеющей стали делает её идеальным материалом для компонентов, работающих в коррозионных средах.

Материалы MIM сохраняют впечатляющую целостность, несмотря на то, что спекание влияет на их микроструктуру. Большинство изделий MIM достигают плотности около 98% от теоретической и соответствуют механическим свойствам своих деформируемых аналогов. Например, нержавеющая сталь MIM 17-4 PH в состоянии H1025 обычно имеет предел текучести 980 МПа.

Обратите внимание на некоторые важные моменты. Спекание может привести к образованию более крупнозернистой структуры, что может снизить пластичность и прочность на разрыв. Высокое давление паров хрома по сравнению с никелем и железом может вызвать поверхностное испарение во время спекания, что влияет на коррозионную стойкость нержавеющей стали.

Существуют решения для решения этих проблем. Обработка поверхности и электрохимические процессы помогают восстановить однородный химический состав поверхности, что повышает коррозионную стойкость и биосовместимость для медицинских применений.

Умение настраивать свойства материала под индивидуальные требования добавляет ещё одно преимущество технологии MIM. Термическая обработка может существенно изменить механические свойства. Нержавеющая сталь MIM 17-4 PH хорошо демонстрирует это: её предел прочности на разрыв варьируется от 950 МПа в спечённом состоянии до 1206 МПа после термообработки H900.

Выбор материала в MIM сводится к нахождению правильного баланса между требуемыми свойствами и особенностями обработки для достижения наилучших характеристик компонента.

 

Распространенные металлические сплавы, используемые в технологии MIM

 

Технология MIM применима к металлическим сплавам всех типов. Мы разделили их на четыре категории: ферросплавы, вольфрамовые сплавы, твёрдые материалы и специальные материалы. Каждый тип отвечает уникальным потребностям различных отраслей.

На рынке МИМ лидируют ферросплавы, а нержавеющая сталь является лучшим выбором. Нержавеющая сталь марки 316L обладает превосходной коррозионной стойкостью и пластичностью, что делает её идеальным выбором для применения в судостроении, медицине и пищевой промышленности. Ещё одним популярным вариантом является нержавеющая сталь марки 17-4 PH, которая обеспечивает высокую прочность и коррозионную стойкость, достигая предела прочности на разрыв 950 МПа после спекания.

 

Учет плотности и пористости материала

Плотность деталей из MIM-материала после спекания достигает 96–99% от теоретической, что превосходит показатели, достигнутые традиционными методами порошковой металлургии. Более высокая плотность достигается за счёт использования более тонких порошков, снижающих пористость. Поэтому физические свойства деталей близки к свойствам деформируемых материалов.

Пористость присутствует во всех MIM-деталях, но производители могут контролировать её, изменяя параметры процесса. Температура играет важную роль в пористости и окислении. Исследования показывают, что термическое удаление связующего при 400 °C приводит к меньшему окислению, чем при 500 °C. Детали также демонстрируют разную степень пористости: тонкие секции и области, удалённые от литника, как правило, более пористые.

 

Механические свойства готовых деталей MIM

Готовые детали из МИМ демонстрируют различные механические свойства в зависимости от состава сплава и способа последующей обработки. Например, нержавеющая сталь 17-4 PH имеет предел текучести от 730 МПа после спекания до 1089 МПа после термообработки H900.

Качество поверхности также влияет на механические характеристики. Исследования показали, что более гладкие поверхности способствуют повышению предела прочности на растяжение и предела текучести некоторых сплавов. Уровень пористости напрямую влияет на распределение твёрдости: значения варьируются от 188,7 HV в высокопористых зонах до 229 HV в областях с практически нулевой пористостью.

В некоторых случаях пористость даже приносит пользу.Контролируемая пористость — отличный способ улучшить удержание смазки. Исследования показали значительное снижение коэффициента трения при использовании пористых образцов 17-4 PH, смазанных парафином.

 

Контроль качества в производстве MIM

 

Контроль качества играет важнейшую роль в технологии MIM. Он обеспечивает стабильную работу деталей на всех этапах производства. Самый быстрый способ обнаружить и устранить проблемы — внимательно следить за производственным процессом до того, как они проявятся в готовых изделиях.

 

Точность размеров и управление допусками

Детали MIM могут иметь допуски от ±0,3% до ±0,5% от номинальных размеров — около ±0,003 дюйма (±0,076 мм) на дюйм.Чтобы достичь такой точности, необходимо учитывать несколько факторов. Мы обработали инструмент на высокоточном станке с ЧПУ, чтобы создать формы с допусками ±0,005 дюйма и более.

Усадка материала во время спекания существенно влияет на точность размеров. Основной команде необходимо контролировать эту усадку. Это достигается за счёт оптимизации загрузки порошка и поддержания однородности размера частиц, что обеспечивает превосходную однородность неспеченных деталей. Команда также должна внимательно следить за давлением впрыска, температурой и условиями спекания для поддержания стабильности размеров.

 

Методы оценки качества поверхности

Компоненты MIM могут достигать шероховатости поверхности Ra

Визуальный осмотр проводится в первую очередь для выявления дефектов поверхности, таких как трещины, пустоты или изменение цвета. В зависимости от требований к применению и требуемых допусков могут применяться более сложные методы.

 

Неразрушающий контроль деталей MIM

Методы неразрушающего контроля позволяют проверить качество без повреждения деталей. Основные методы для деталей MIM включают:

• Рентгенография и КТ-сканирование для обнаружения внутренних дефектов, таких как пористость и включения
• Резонансный акустический метод (NDT-RAM™) для проверки общей структурной целостности
• Проверка методом проникания красителя для обнаружения поверхностных разрывов
• Проверка размеров с помощью координатно-измерительных машин

Эти методы помогают гарантировать, что компоненты MIM соответствуют спецификациям и сохраняют конструктивную надежность на протяжении всего срока службы.

 

Распространенные дефекты и стратегии устранения неполадок

Детали MIM часто сталкиваются с такими проблемами, как растрескивание, оседание, коробление и образование пузырей. Эти проблемы обычно возникают из-за неправильного удаления связующего или спекания.

Команда может предотвратить нежелательные химические реакции, тщательно контролируя атмосферу и используя медленные скорости нагрева в начале спекания.

.

Такие проблемы, как разрушение кромок и царапины на поверхности во время литья, требуют улучшения условий извлечения из формы и использования подходящих смазочных материалов.

Команда может избежать пористости и пустот, точно настроив процессы удаления связующего и спекания для удаления захваченных газов.

Компании могут снизить затраты на качество, используя статистический контроль процессов (SPC), регулярные проверки качества и автоматизированный контроль. Эти подходы помогают выявлять проблемы на ранних этапах производства, что снижает уровень брака и обеспечивает стабильное качество деталей.

 

Сравнение MIM с традиционным производством

 

Выбор правильного производственного процесса требует тщательной оценки технических требований, объёмов производства и экономических факторов. Традиционные методы производства имеют очевидные преимущества и ограничения по сравнению сМИМ-технология.

 

Я против Обработка на станках с ЧПУ: Анализ затрат и возможностей

Обработка с ЧПУ позволяет удалять материал, в то время как MIM-технология позволяет создавать детали с помощью аддитивного процесса, который сокращает отходы материала. Обработка с ЧПУ обеспечивает лучший контроль свойств деталей и позволяет работать с большим количеством материалов. Этот процесс может быть дорогостоящим для деталей со сложной геометрией. MIM-технология идеально подходит для изготовления сложных деталей, которые сложно обработать на станке. MIM-технология обходится дешевле при средне- и крупносерийном производстве, поскольку время наладки не сильно зависит от сложности детали.

 

MIM и инвестиционное литье: когда выбрать каждый из них

Литье по выплавляемым моделям — один из старейших методов металлообработки. В нём используются керамические формы, выдерживающие высокие температуры, что делает его идеальным для высококачественных стальных деталей. Несмотря на это, MIM позволяет создавать более сложные конструкции с более тонкими стенками и более жёсткими допусками до ±0,005 дюйма на линейный дюйм. Шероховатость поверхности при MIM достигает 1 мкм, в то время как при литье по выплавляемым моделям — 3,2 мкм. MIM лучше всего подходит для небольших деталей весом менее 20 граммов и длиной менее 100 мм. Литье по выплавляемым моделям подходит для производства партий до 1000 деталей.

 

MIM и порошковая металлургия: ключевые различия

Оба процесса начинаются с использования металлических порошков, но имеют существенные различия в характеристиках частиц. Обычная порошковая металлургия использует более крупные частицы неправильной формы (50–100 мкм). Для MIM требуются более мелкие сферические порошки (2–15 мкм). Это имеет большое значение, поскольку позволяет достичь плотности деталей, изготовленных методом MIM, более 95%, в то время как для порошковой металлургии этот показатель достигает 92%. Обычная порошковая металлургия обходится дешевле для определённых форм, но не может сравниться с MIM по способности создавать поднутрения. Материалы MIM стоят дороже из-за применения газового распыления и добавления связующего. Эта технология обеспечивает улучшенные механические свойства и качество поверхности для сложных высокоточных деталей.

 

Технология MIM находит применение во многих отраслях, где требуются сложные, небольшие металлические компоненты в средних и больших объёмах. Инженеры рассматривают MIM для деталей весом от 0,5 до 250 граммов, хотя большинство применений ограничено диапазоном от 2 до 30 граммов.

Аэрокосмическая и автомобильная отрасли используют детали MIM для топливных форсунок, компонентов турбокомпрессоров и корпусов датчиков, где точность и эксплуатационные характеристики материалов имеют первостепенное значение. Медицинская промышленность использует MIM для создания хирургических инструментов, ортопедических имплантатов и стоматологических компонентов, требующих биосовместимости и сложной геометрии.

Потребительская электроника становится ещё одной важной областью применения. Технология MIM позволяет производить компоненты смартфонов, детали умных часов и механизмы камер, требующие лишь миниатюризации, но обеспечивающие надёжную работу.

Прежде чем выбрать технологию MIM в качестве варианта производства, инженерам следует оценить несколько ключевых факторов:

• Производство становится экономически выгодным при выпуске более 10 000 деталей в год.
• Сложность детали оправдывает более высокие затраты на оснастку (от 20 000 до 150 000 долларов США)
• Требования к материалам должны соответствовать доступным MIM-сплавам
• Конструктивные особенности должны использовать возможности MIM, избегая при этом ограничений.

Экономическая привлекательность MIM-производства возрастает по мере роста объёмов производства. Производство автомобильных компонентов партиями свыше 100 000 единиц позволяет сэкономить 20–50% по сравнению с механической обработкой или литьём по выплавляемым моделям.

Технология MIM непрерывно развивается благодаря инновациям в материаловедении и методах обработки. Достижения в области нанопорошков и возможности работы с различными материалами расширяют возможности их применения. Интеграция с принципами аддитивного производства позволяет создавать гибридные подходы, сохраняющие преимущества MIM по плотности при одновременном снижении требований к инструментам.

Детали MIM представляют собой мощное производственное решение в арсенале современного инженера. Они не являются ни универсальным решением, ни специализированным узкоспециализированным процессом, а скорее ценным вариантом для решения специфических задач проектирования, когда традиционные методы оказываются либо технически неэффективными, либо экономически невыгодными.

 

Часто задаваемые вопросы

 

В1. Что такое литье металлов под давлением (MIM) и как это работает? 

Литье металлов под давлением — это производственный процесс, в котором тонкодисперсные металлические порошки смешиваются со связующими веществами для создания сложных металлических деталей. Смесь заливается в форму, связующее вещество удаляется, а деталь спекается для получения плотного металлического компонента со свойствами, аналогичными свойствам деталей, изготовленных традиционным способом.

 

В2. Каковы преимущества использования технологии MIM?

Технология MIM обладает рядом преимуществ, включая возможность изготовления деталей сложной геометрии, высокую точность, экономичность при средних и крупных объёмах производства, а также универсальность материалов. Она позволяет добиться жёстких допусков и гладкой поверхности, оставаясь при этом более экономичной, чем традиционные методы производства сложных деталей.

 

В3. В каких отраслях промышленности чаще всего используются детали MIM? 

Детали MIM широко используются в аэрокосмической, автомобильной, медицинской, потребительской электронике и оборонной промышленности. Они особенно подходят для производства таких компонентов, как топливные форсунки, хирургические инструменты, детали смартфонов и других небольших сложных металлических компонентов, требующих высокой точности.

 

В4. Чем MIM отличается от обработки на станках с ЧПУ и литья по выплавляемым моделям? 

MIM-технология более экономична, чем обработка на станках с ЧПУ, для деталей сложной геометрии и средне- и крупносерийного производства. По сравнению с литьём по выплавляемым моделям, MIM позволяет создавать более сложные конструкции, более тонкие стенки и более жёсткие допуски, что делает её идеальным решением для небольших и сложных деталей весом менее 20 граммов.

 

В5. Каковы типичные свойства материалов для деталей MIM?

Детали из MIM-материалов могут достигать плотности до 99,5% от теоретической, что сопоставимо с деталями, изготовленными традиционным способом. Они обладают механическими свойствами, сопоставимыми с деформируемыми материалами, и позволяют изменять их свойства с помощью термической обработки. Детали MIM обычно имеют шероховатость поверхности Ra