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将塑料注射成形技术引入粉末冶金领域的MIM技术(金属粉末注射成形),日本为何在此深耕不已?

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MIM技术由美国加州Parmatech公司于1973年发明,八十年代初欧洲许多国家以及日本也都投入极大精力开始研究该技术,并使其得到迅速推广,特别是在八十年代中期该技术实现产业化以来,更获得了突飞猛进的发展,产量每年都以惊人速度在递增。到目前为止,美国、西欧、日本等十多个国家和地区有一百多家公司从事该工艺技术的产品开发、研制与销售工作。


日本在竞争上十分积极,并且表现突出,许多大型株式会社均参与MIM工艺的推广应用,这些公司包括太平洋金属、三菱制钢、川崎制铁、神户制钢、住友矿山、精工-爱普生、大同特殊钢等。目前日本有四十多家专业从事MIM产业的公司,其MIM产品的销售总值早已超过欧洲并直追美国。MIM技术已成为新型制造业中非常活跃的前沿技术领域,是世界冶金行业的开拓性技术。


金属粉末注射成形(MIM)的工艺流程


MIM的工艺流程为:金属粉末+粘结剂→混炼→注射成型→脱脂→烧结→后处理。


(1)金属粉末


MIM工艺所用的金属粉末颗粒尺寸一般在0.5~20μm。从理论上讲,颗粒越细,比表面积也越大,越易于成型和烧结。而传统的粉末冶金工艺则采用大于40μm的较粗粉末。


(2)有机粘结剂


有机粘结剂的作用是粘结金属粉末颗粒,使混合料在注射机料筒中加热后具有流变性和润滑性,即粘结剂是带动粉末流动的载体。因此,粘结剂的选择是整个粉末注射成型的关键。对有机粘结剂的要求为:①用量少,用较少的粘结剂能使混合料产生较好的流变性;②不反应,在去除粘结剂的过程中与金属粉末不起任何化学反应;③易去除,在制品内不残留碳。


(3)混料


把金属粉末与有机粘结剂均匀掺混在一起,使各种原料成为注射成型用混合料。混合料的均匀程度直接影响其流动性,从而影响注射成型工艺参数以及最终材料的密度及其它性能。


(4)注射成型


本步工艺过程与塑料注射成型工艺过程在原理上是一致的,其设备条件也基本相同。在注射成型过程中,混合料在注射机料筒内被加热成具有流变性的塑性物料,并在适当的注射压力下注入模具中,成型出毛坯。注射成型毛坯在外观上应均匀一致,从而使制品在烧结过程中均匀收缩。


(5)萃取成型毛坯


在烧结前必须去除毛坯内所含有的有机粘结剂,该过程称为萃取。萃取工艺必须保证粘结剂从毛坯的不同部位沿着颗料之间的微小通道逐渐排出,而不降低毛坯的强度。粘结剂的排除速率一般遵循扩散方程。


(6)烧结


烧结能使多孔的脱脂毛坯收缩密化成为具有一定组织和性能的制品。尽管制品的性能与烧结前的许多工艺因素有关,但在许多情况下,烧结工艺对最终制品的金相组织和性能有着很大甚至决定性的影响。


(7)后处理


对于尺寸要求较为精密的零件,需要进行必要的后处理。这工序与常规金属制品的热处理工序相同。

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MIM的工艺特点及与其它加工工艺的比较


MIM使用的原料粉末粒径在2~15μm,而传统粉末冶金的原料粉末粒径大多在50~100μm;MIM工艺的成品密度较高,相对密度达95%~98%,而传统粉末冶金工艺相对密度仅为80%~85%(主要原因是MIM工艺使用微细粉末);MIM的产品重量通常小于400克,传统粉末冶金的产品重量为十到数百克;MIM的产品形状可以是三维复杂形状,传统粉末冶金的产品形状通常为二维简单形状。MIM工艺具有传统粉末冶金工艺的优点,而其形状自由度高是传统粉末冶金工艺所不能达到的。传统粉末冶金工艺受到模具强度和填充密度的影响,成型形状大多为二维圆柱型。


传统的精密铸造脱燥工艺为一种制作复杂形状产品的有效技术,近年来使用陶芯辅助,可以完成狭缝、深孔的制造,但受到陶芯强度以及铸液流动性的限制,该工艺仍存在某些技术难题。一般而言,该工艺制造大、中型零件较为合适,制造复杂形状的小型零件则以MIM工艺较为合适。


压铸工艺用于铝和锌合金等熔点低、铸液流动性良好的材料,该工艺的产品因材料的限制,其强度、耐磨性、耐蚀性均有一定限度。MIM工艺可以加工的原材料则较多。


精密铸造工艺虽然近年来其产品的精度和复杂度均有所提高,但仍比不上脱蜡工艺和MIM工艺。粉末锻造是一项重要的发展,已适用于连杆的量产制造。但是一般而言,锻造工程中热处理的成本和模具的寿命还是有问题,仍待进一步解决。

传统机械加工工艺靠自动化而提升其加工能力,在效果和精度上有极大的进步,但在基本程序上仍脱不开以逐步加工(车、刨、铣、磨、钻孔、抛光等)来完成零件形状的加工。机械加工方法的加工精度远优于其他加工方法,但是因为材料的有效利用率低,且其形状的完成受限于设备与刀具,有些零件无法用机械加工完成。相反,MIM可以有效利用材料,不受限制,对于小型、高难度形状的精密零件的制造,MIM工艺比较机械加工而言,其成本较低且效率高,具有很强的竞争力。


MIM技术并非与传统加工方法竞争,而是弥补传统加工方法在技术上的不足或无法制作的缺陷。MIM技术可以在传统加工方法制作的零件领域上发挥其特长。

      

      MIM制程和传统粉末冶金法的比较

MIM工艺在零部件制造方面的技术优势


(1)可成型高度复杂结构的结构零件


注射成型工艺技术利用注射机注射成型产品毛坯,保证物料充分充满模具型腔,也就保证了零件高复杂结构的实现。以往在传统加工技术中先作成个别元件再组合成组件的方式,在使用MIM技术时可以考虑整合成完整的单一零件,大大减少步骤,简化加工程序。MIM与其他金属加工方法比较,制品尺寸精度高,不必进行二次加工或只需少量精加工。注射成型工艺可直接成型薄壁、复杂结构件,制品形状已接近最终产品要求,零件尺寸公差一般保持在±0.1~±0.3左右,特别对于降低难于进行机械加工的硬质合金的加工成本,减少贵重金属的加工损失尤其具有重要意义。


(2)制品微观组织均匀、密度高、性能好


在压制加工过程中,由于模壁与粉末以及粉末与粉末之间的摩擦力,使得压制压力分布不均匀,也就导致了压制毛坯在微观组织上不均匀,这样就会造成压制粉末冶金件在烧结过程中收缩不均匀,因此不得不降低烧结温度以减少这种效应,从而使制品孔隙度大、材料致密性差、密度低,严重影响制品的机械性能。反之,注射成型工艺是一种流体成型工艺,粘接剂的存在保障了粉末的均匀排布,从而可消除毛坯微观组织上的不均匀,进而使烧结制品密度可达到其材料的理论密度。一般情况下,压制产品的密度最高只能达到理论密度的85%。制品的高致密性可使强度增加,韧性加强,延展性、导电导热性得到改善,磁性能提高。


(3)效率高,易于实现大批量和规模化生产


MIM技术使用的金属模具,其寿命和工程塑料注射成型具模具相当。由于使用金属模具,MIM适合于零件的大批量生产。由于利用注射机成型产品毛坯,极大地提高了生产效率,降低了生产成本,而且注射成型产品的一致性、重复性好,从而为大批量和规模化工业生产提供了保证。


(4)适用材料范围宽,应用领域广阔(铁基,低合金,高速钢,不锈钢,克阀合金,硬质合金)


可用于注射成型的材料非常广泛,原则上任何可高温浇结的粉末材料均可由MIM工艺制造成零件,包括传统制造工艺中的难加工材料和高熔点材料。此外,MIM也可以根据用户要求进行材料配方研究,制造任意组合的合金材料,将复合材料成型为零件。注射成型制品的应用领域已遍及国民经济各领域,具有广阔的市场前景。


(5)MIM工艺采用微米级细粉末,既能加速烧结收缩,有助于提高材料的力学性能,延长材料的疲劳寿命,又能改善耐、抗应力腐蚀及磁性能。


MIM技术的应用领域


(1)计算机及其辅助设施:如打印机零件、磁芯、撞针轴销、驱动零件等;


(2)工具:如钻头、刀头、喷嘴、枪钻、螺旋铣刀、冲头、套筒、扳手、电工工具,手工具等;


(3)家用器具:如表壳、表链、电动牙刷、剪刀、风扇、高尔夫球头、珠宝链环、圆珠笔卡箍、刃具刀头等零部件;


(4)医疗机械用零件:如牙矫形架、剪刀、镊子等;


(5)军用零件:导弹尾翼、枪支零件、弹头、药型罩、引信用零件等;


(6)电器用零件:电子封装,微型马达、电子零件、传感器件等;


(7)机械用零件:如松棉机、纺织机、卷边机、办公机械等;


(8)汽车船舶用零件:如离合器内环、拔叉套、分配器套、汽门导管、同步毂、安全气囊件等。


金属粉末注射成形(MIM)市场规模、竞争格局及趋势


全球:近年来,在电子、汽车、医疗、五金、机械等多个领域的带动下,全球 MIM市场稳健增长。预计 2026 年将达到 52.6亿美元,对应 2019-2026 年复合年均增长率(CAGR)为 7.87%。未来,在电子产品快速增长以及 MIM 制造零部件对传统工艺制造零部件替代等因素的带动下,全球 MIM 市场仍将保持向好发展。


中国:随着 MIM 工艺技术的逐步成熟,以及对 MIM 技术认知程度的进一步加深,MIM 产品在电子产品、汽车、医疗、五金、机械等领域的应用逐步增多,自 2012年开始,我国 MIM 行业开始飞速发展,市场规模也不断扩大。2019 年国内 MIM 市场规模达到67 亿元,与 2018 年相比增长 17.5%。


竞争格局分析


从行业竞争格局来看,按照业务规模可将行业内 MIM 企业分为三个竞争梯队:


第一梯队的 MIM 企业收入规模在 2 亿元以上,具有较强的研发创新能力,主要客户为国际品牌或国内知名品牌企业,主要包括印度 Indo-MIM、中南昶联、台湾晟铭电子、精研科技、富驰高科、泛海统联、全亿大等;


第二梯队,竞争实力弱于第一梯队,主要为国内品牌企业配套生产 MIM 零部件产品,客户集中度往往较高;


第三梯队,通常企业的整体技术研发能力目前还比较薄弱,仅通过设备的购置和人员的铺设进行中小批量的 MIM 产品生产。截至 2019 年,我国大陆 MIM生产企业及车间 200 余家。


金属粉末注射成形(MIM)行业的发展趋势


为实现 MIM 产品的进一步推广,行业内企业需要根据各领域需求对行业前沿技术进行研究开发,以扩大 MIM 产品在更多领域的适用性,MIM 行业的发展将呈现以下趋势:


(1)下游应用的多元化发展


随着我国 MIM 行业的深入发展,各 MIM 企业不断深化自身技术创新能力,以抢占更多的市场份额。目前,在我国 MIM 行业中,部分企业已经具备较强的技术创新实力,通过对行业前沿技术的持续研究,推动 MIM 产品性能日益提升,并能够适用于更多的下游产品。例如超薄、高精度 MIM 产品的研发,符合消费电子产品轻薄、便携的发展趋势;再例如,通过喂料及模具的研究和开发,进一步提升 MIM 产品高复杂度、高精度、高强度、外观精美等特性,促使 MIM 产品在汽车制造及医疗器械等多元领域的推广应用。


(2)技术工艺的复杂化发展


虽然中国 MIM 技术已经接近国际先进水平,但受制于技术工艺的特性,在部分领域仍无法规模化应用 MIM 技术,仍存在较大技术发展空间。因此,微粉末注射成形、超大件注射成形及共注射成形等技术工艺将成为行业的重要发展方向。微粉末注射成形将促使 MIM 产品向更小更精细的方向发展;超大件注射成形通过减少粘结剂用量增大产品尺寸,推动超大尺寸 MIM 产品的应用及普及;共注射成形能够将磁性材料与非磁性材料、硬质材料与软质材料、导电材料与绝缘材料有机结合,从而有效提升 MIM 产品适用性。


(3)材料体系的多元化发展


现阶段,中国 MIM 产品多以不锈钢及铁基合金粉末为原材料,产品广泛应用于消费电子等领域。随着下游领域对材料多元化及产品轻量化等差异化需求的不断提升,现有不锈钢及铁基合金产品已无法完全适应市场需求。因此,行业内企业需要追随市场对其他材料 MIM 产品的多元化需求,不断丰富 MIM 产品材料体系,进一步推动行业技术进步及规模增长。


目前,MIM 行业新材料的研发主要以高强和耐蚀兼顾的双相不锈钢、高强和高导热率兼顾的铜合金以及高比强和生物兼容性兼顾的钛合金等材料为重点,应用则向着汽车、医疗、五金等高端领域方向发展。


(4)喂料自主化趋势


现阶段行业内企业的喂料以外部采购为主,定制化喂料制备往往成为其技术发展的短板。随着 MIM 产品应用的日益广泛,更多高复杂度、高精度、高密度、外观精美的 MIM 产品需求也不断涌现,企业更加需要根据客户高度定制化的产品需求来制备不同配比的喂料,从而为客户提供符合其需求的 MIM 产品。现阶段,少数 MIM 企业已经具备自主制备喂料的能力,随着 MIM 产品应用的日益广泛,未来企业的喂料自主化将成为趋势。


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