металлический порошок мим это универсальный производственный процесс для изготовления небольших металлических деталей сложной формы в больших объемах с использованием металлических порошков и пластиковых связующих. В данном руководстве представлен подробный обзор MIM-порошков с указанием их состава, ключевых свойств, областей применения в различных отраслях промышленности, распространенных марок и спецификаций, основных мировых поставщиков и ценовых показателей.
Обзор металлических порошков MIM
Порошки MIM - это металлические порошки сферической формы, специально разработанные для процесса литья металлов под давлением. Они демонстрируют отличные характеристики текучести и упаковки в литьевой форме для достижения высокой зеленой прочности до удаления связующего и окончательного спекания детали.
Ключевые свойства, необходимые для металлических порошков, используемых в технологии MIM:
- Контролируемый размер и распределение частиц по размерам
- Высокая чистота с пониженным содержанием кислорода и азота
- Хорошая текучесть порошка и высокая плотность упаковки
- Смешиваемость и совместимость со связующими системами
- Сферичность, низкая пористость, небольшое количество сателлитов и гладкая морфология поверхности
Благодаря таким строгим свойствам получаются высококачественные конечные металлические детали, сочетающие в себе тонкость пластиковых деталей и высокую производительность обработанных металлических компонентов.
Наиболее распространенными сплавами для MIM являются нержавеющая сталь, низколегированная и инструментальная сталь, магнитные сплавы, тяжелые сплавы с вольфрамом и сплавы титан + титан.
Состав основных металлических порошков для MIM
MIM подходит для целого ряда материалов, включая нержавеющие стали, легированные стали, магнитные сплавы, титан, вольфрам и т.д., адаптированных для конкретных применений путем оптимизации состава.
Типичные составы металлических порошков MIM
| Тип сплава | Основные легирующие элементы |
|---|---|
| Нержавеющая сталь | Fe + 17-20% Cr + 8-12% Ni + незначительные добавки Mo, Mn, Si |
| Низколегированная сталь | Fe + Cr + Mo + Mn + Ni + C |
| Инструментальная сталь | Fe + Cr + W + Mo + V + C |
| Мягкий магнит | Fe + Ni + Mo , Fe + Cr + Si + Nb + Cu + Ti , Fe + Cr + Co + Mo + Al |
| Кобальтовый хром | Co + Cr + Mo + другие элементы |
| Вольфрам тяжелый сплав | W + Ni + Fe , W + Ni + Cu |
| Класс титана 1-4 | Ti + следы C, Fe, O, N и H |
Производители порошков подбирают соотношение основных легирующих элементов в сочетании с распределением частиц по размерам и выбором связующего для удовлетворения требований к эксплуатационным характеристикам MIM-продуктов из различных материалов - от нержавеющей стали до титановых и вольфрамовых сплавов.
Основные характеристики и области применения порошков MIM
Характеристики и типичные области применения всех категорий сплавов MIM:
| Тип сплава | Характеристики | Приложения |
|---|---|---|
| Нержавеющая сталь | Высокая прочность, износостойкость и коррозионная стойкость, биологическая совместимость | Медицинские приборы, столовые приборы, ручные инструменты, клапаны, сантехнические приспособления |
| Низколегированная сталь | Термообработка, сверхвысокая прочность, износостойкость | Автомобильная промышленность, огнестрельное оружие, зубчатые колеса, инструментальные вставки |
| Инструментальная сталь | Очень высокая твердость + износостойкость, термообработка | Пуансоны, штампы, промышленные ножи, хирургические инструменты |
| Мягкий магнит | Высокая магнитная проницаемость, низкие потери в сердечнике | Магнитные датчики, детали электродвигателей, реле, магнитные экраны |
| Кобальтовый хром | Биосовместимость, износостойкость и коррозионная стойкость, высокая жесткость | Ортопедические и зубные имплантаты, протезы |
| Вольфрам тяжелый сплав | Очень высокая плотность, демпфирование вибраций | Противовесы, радиационная защита, балансировка ротора |
| Титановые сплавы | Низкая плотность, коррозионная стойкость, биологическая совместимость | Аэрокосмическая промышленность, медицинские имплантаты, спортивные товары |
MIM расширяет свободу проектирования и сферу применения всех этих передовых металлических сплавов, превращая их в малогабаритные компоненты с более низкой стоимостью изготовления нетто-формы по сравнению с такими альтернативами, как прецизионная механическая обработка.
Литье металлов под давлением Параметры процесса
Для достижения оптимальной производительности технологии MIM необходимо оптимизировать параметры исходного сырья и условия процесса:
Основные этапы и переменные процесса литья металлов под давлением
| Сцена | Условия процесса |
|---|---|
| Подготовка сырья | Характеристики порошка, рецептура связующего, процесс смешивания, условия гранулирования |
| Литье под давлением | Температура пресс-формы, профили давления, скорость впрыска, скорость охлаждения |
| Облицовка | Растворитель, тепловые профили, условия катализа |
| Агломерация | Атмосфера, температура, время выдержки |
Такие характеристики порошка, как гранулометрический состав, морфология и чистота, определяют механические характеристики, в то время как связующие обеспечивают необходимую вязкость и легкость удаления.
Взаимодействие между металлическими частицами, полимерами, растворителями, тепловыми градиентами влияет на конечные свойства. После того как рецепт установлен, автоматизация обеспечивает постоянство.
Роль свойств порошка в оптимизации производительности MIM
| Параметры порошка | Влияние на процесс и продукцию MIM |
|---|---|
| Распределение частиц по размерам | Прочность зеленой части и плотность спеченного материала |
| Морфология порошка | Смешивание металлических связующих, упаковка и подача порошка |
| Уровни оксидов на поверхности | Дефекты, такие как остаточный углерод, влияющие на чистоту |
| Спутниковые частицы | Износ пресс-формы, влияющий на срок службы инструмента и качество обработки поверхности |
Поэтому производители порошков разрабатывают такие аспекты, как диапазон размеров, соотношение форм, чистота и т. д., исходя из функциональности конечной детали.
Спецификации и стандарты контроля для порошков MIM
Чтобы обеспечить пригодность сырья для процесса литья металлов под давлением, в различных национальных и международных спецификациях существуют стандарты, определяющие предельный состав, гранулометрический состав, пороговые значения примесей, упаковку и т.д.
Ключевые стандарты, устанавливающие контроль за качеством и согласованностью порошка:
| Стандарт | Назначение |
|---|---|
| ISO 13330 | Определяет гранулометрический состав от мелких до крупных фракций |
| ASTM B215 | Охватывает стандартное руководство по отбору проб металлических порошков |
| MPIF 04 | Методы испытания на плотность, скорость потока и сжимаемость дроби |
| ASTM E345 | Определяет методы химического анализа состава порошка |
| ASTM B809 | Рассматривает рекомендуемую упаковку и транспортировку металлических порошков |
Сертифицированные порошки, готовые к MIM, подкрепленные статистическим контролем качества, обеспечивают надежную и повторяющуюся работу, сокращая время квалификации. Строгое ведение документации способствует анализу дефектов.
Требования к распределению частиц по размерам для порошков MIM
Распределение частиц по размерам, специально разработанное для процесса MIM, обеспечивает постоянную плотность упаковки в течение миллионов циклов впрыска. Это минимизирует износ пресс-формы, позволяет избежать дефектов "зеленой" детали и оптимизирует механическую целостность спеченного материала.
Типичные характеристики распределения частиц по размерам для MIM-оптимизированных порошков
| Размер частиц (мкм) | Нержавеющая сталь 316L | Нержавеющая сталь 17-4PH | Инструментальная сталь H13 |
|---|---|---|---|
| Менее 5 мкм | ≤ 7% | ≤ 6% | ≤ 3% |
| 5 мкм - 15 мкм | 10-35% | 15-38% | 35-40% |
| 15 мкм - 45 мкм | Баланс | Баланс | Баланс |
| Крупнее 45 мкм | ≤ 7% | ≤ 10% | ≤ 5% |
Средний диапазон размеров обеспечивает гладкое покрытие связующего, упаковку и однородность шихты, необходимую для высокой плотности спекания. Минимальное количество мелких частиц снижает износ пресс-формы, а ограниченный переизбыток позволяет избежать проблем с сегрегацией.
Мировые поставщики металлических порошков MIM-класса
По мере ускорения роста индустрии MIM, вызванного спросом в автомобильной промышленности, медицине и бытовой электронике, одними из основных мировых поставщиков специализированных порошков MIM являются:
Ведущие производители и поставщики заказной продукции Металлические порошки MIM
| Компания | Расположение штаб-квартиры |
|---|---|
| Sandvik Osprey | Нит, Великобритания |
| Höganäs | Швеция |
| АМЕТЕК | Соединенные Штаты |
| BASF | Германия |
| Металлические порошки Rio Tinto | Сорел-Трейси, Канада |
| Цзилиньские ферросплавы | Китай |
| Япония Новый металл | Япония |
| Металлические порошки Makin | ВЕЛИКОБРИТАНИЯ |
Эти известные производители металлических порошков имеют необходимый опыт и контроль в области раскисления, распыления в инертных газах, просеивания, смешивания и сферического отжига, которые необходимы для производства сырья, совместимого с MIM.
Помимо этих крупных игроков, множество небольших региональных предприятий предлагают нишевые легкие сплавы, инструментальные стали и т. д., но логистика глобальных поставок ограничена.
Мировые производственные мощности и спрос на MIM-порошки
Быстрый рост использования MIM для производства небольших прецизионных компонентов в различных областях применения приводит к увеличению производственных мощностей.
Оценка размера мирового рынка литья под давлением металлических порошков:
- Текущий объем рынка на 2022 год: ~120 000 метрических тонн
- Прогнозируемый объем рынка к 2027 году: более 160 000 метрических тонн
- CAGR для спроса на порошок в период 2022-2027: ~6%
MIM осваивает новые территории благодаря росту спроса на компоненты MIM с использованием всех типов металлов - от драгоценного золота, серебра, платины до меди, алюминия, магния и их сплавов, помимо обычных нержавеющих сталей, инструментальных сталей, тяжелых сплавов вольфрама и т.д.
Тенденции ценообразования и модели затрат на металлические порошки MIM
Цены на MIM-порошки зависят от состава, уровня соответствия качества, технологии производства, используемой производителем порошка, и объемов закупок.
Типичные диапазоны цен на MIM-оптимизированные порошки:
| Материал | Цена за кг (USD/кг) |
|---|---|
| Нержавеющая сталь | 5 – 15 |
| Инструментальная сталь | 15 – 30 |
| Кобальтовый хром | 50 – 80 |
| Титан Ti64 | 100 – 200 |
| Inconel | 150 – 300 |
Как правило, инструментальные стали, титановые сплавы и суперсплавы имеют более высокие цены из-за стоимости сырья и передовых технологий изготовления порошков, таких как распыление в инертном газе.
Высокочистые порошки, сертифицированные для медицинских/аэрокосмических целей, с возможностью отслеживания партии, требуют надбавки ~30% по сравнению с промышленным качеством. Крупные OEM-покупатели получают скидки до 20% от средних цен.
Возможности экономии затрат в жизненном цикле MIM-порошка:
| Сцена | Возможность экономии |
|---|---|
| Квалификация | Более быстрое утверждение с использованием готовых порошков MIM |
| Закупки | Контрактные оптовые цены от ведущих производителей |
| Инвентарь | Доставка точно в срок позволяет избежать накопления запасов |
| Операции | Повторное использование восстановленного порошка после проверки состава и гранулометрического состава |
Технологические усовершенствования еще больше снижают стоимость деталей MIM, делая экономически выгодными конструкции высокой сложности.
Сравнительный анализ MIM с конкурирующими вариантами производства металла
Процесс MIM конкурирует с методами прецизионной обработки при производстве небольших сложных металлических деталей.
Сравнительный анализ MIM и альтернативных технологий производства
| Параметры | Литье металлов под давлением (MIM) | Прецизионная обработка с ЧПУ | Инвестиционное литье |
|---|---|---|---|
| Расходы на установку | Высокая для плесени | Более низкий, как аддитивный процесс | Средняя благодаря восковым инструментам |
| Время выполнения заказа | Долговечность благодаря конструкции пресс-формы | Быстрее от САПР до обработки | Средняя из-за наличия инструмента |
| Геометрическая свобода | Высокая степень формовки сложных форм | Ограниченность из-за субтрактивного подхода | Возможности средней сложности |
| Снижение веса | Позволяет снизить вес за счет оптимизации | Сложности с удалением избыточного материала | В некоторой степени возможно |
| Согласованность деталей | Экстремально высокий | Зависит от навыков оператора | Достаточно высокий уровень после завершения процесса |
| Профиль затрат | Экономичность при объемах свыше 10000-50000 единиц | Дешевле, чем 10000 единиц | Идеально подходит для малых и средних объемов |
| Вертикальная масштабируемость | Большая производительность через машины для литья под высоким давлением | Ограничено размерами станка | Ограничено емкостью автоклава |
MIM обеспечивает лучшую в своем классе гибкость проектирования в сочетании с очень высокими объемами и снижением веса при себестоимости, не сравнимой ни с механической обработкой, ни с литьем, что приводит к ускоренному внедрению в автомобильной промышленности, медицине, бытовой электронике и промышленных сегментах.
Вопросы и ответы
Вопрос: Какой металлический порошок чаще всего используется в MIM?
О: Порошок из нержавеющей стали 316L является рабочей лошадкой для примерно 50% всего объема MIM-индустрии благодаря оптимальному сочетанию прочности, коррозионной стойкости, биологической совместимости, экологической стабильности и стоимости.
В: Что контролирует свойства деталей MIM?
О: Такие характеристики порошка, как гранулометрический состав, геометрия и чистота, определяют механические характеристики и качество конечной детали. Эти свойства исходного сырья в сочетании с переменными процесса контролируют конечные характеристики MIM-компонентов.
В: Являются ли компоненты MIM такими же прочными, как кованые металлы?
О: Правильно сформулированные и обработанные детали достигают >95% прочности деформируемого материала. Горячее изостатическое прессование (HIP) позволяет устранить внутренние пустоты и дополнительно повысить усталостную прочность и твердость поверхности.
В: Что влияет на цену порошков MIM?
О: Цены зависят от состава (например, драгоценные металлы стоят дороже), требуемого уровня соответствия качества, технологии производства, используемой производителями порошков, и объемов закупок у изготовителей деталей MIM.
В: Может ли MIM обеспечить создание легких компонентов?
О: Да, MIM позволяет значительно облегчить конструкцию за счет оптимизации топологии, которая невозможна при использовании субтрактивных методов обработки, позволяя усиливать конструкцию только вдоль путей нагрузки. Это способствует более быстрому внедрению мобильности.
