Нержавеющий металлический порошок в области MIM: революция в создании сложных деталей с помощью мелкого порошка

Когда тончайший, как мука, порошок из нержавеющей стали встречается с пластичной технологией формовки, производство незаметно переживает настоящую революцию.

Металлическое литьё под давлением (MIM) называют «революционной технологией формования, объединяющей современные порошковую металлургию и технологию литья пластмасс под давлением», а Нержавеющий металлический порошок Именно этот материал является одним из наиболее широко используемых в данной технологии.

От повседневных конструкционных элементов для смартфонов до медицинского хирургического оборудования, детали из нержавеющей стали, изготовленные методом MIM, проникли во все высокотехнологичные области производства, благодаря своим характеристикам высокой сложности, высокой прочности и высокой точности, вновь определяя границы современного машиностроения.

1. Краткий анализ технологии MIM

Металлическое литьё под давлением (MIM) — это новая технология получения металлических изделий практически чистой формы, основанная на внедрении современных технологий литья пластмасс в область порошковой металлургии.

Основной технологический процесс заключается в следующем: равномерное смешивание металлического порошка с органическим связующим, последующее нагревание и пластификация на машине для литья под давлением с последующей заливкой в полость пресс-формы для формовки, затем удаление связующего из полученного заготовки химическим или термическим разложением, и, наконец, спекание для достижения плотности и получения конечного продукта.

Технология MIM уникально сочетает гибкость дизайна, присущую литью пластмасс под давлением, с преимуществами порошковой металлургии, позволяющими получать изделия практически готовыми к использованию; это особенно эффективно для массового производства небольших, сложных и высокоточных металлических деталей.

Согласно статистике Отделения порошковой металлургии Китайского общества машиностроения, технология MIM позволяет изготавливать детали массой от 0,1 до 200 г с точностью размеров до ±0,3%–±0,5%, при этом плотность изделий достигает 95%–99,7%, а механические свойства сравнимы с коваными.

2. Порошок из нержавеющей стали Подготовка и требования

MIM использует порошок нержавеющей стали В основном 304L、316L、17-4PH Те же марки, среди которых 316L Наиболее широко применяется.

В отличие от традиционной порошковой металлургии и напыления Порошок из нержавеющей стали MIM предъявляет более строгие требования к свойствам порошков:

1. Форма и размер частиц порошка

Технология MIM требует, чтобы порошок имел правильную сферическую форму; средний размер частиц обычно составляет 3–20 мкм, при этом доля порошка размером менее 20 мкм должна превышать 90%. Сферические частицы способствуют повышению плотности укладки порошка и улучшают его подвижность.

2. Распределение по размерам

Правильное распределение частиц является ключом к достижению высокой плотности уплотнения порошка. Более широкое распределение частиц позволяет мелким частицам заполнить зазоры между крупными, что повышает плотность сырой заготовки.

3. Контроль содержания кислорода

Требования к технологии MIM Порошок из нержавеющей стали Низкое содержание кислорода (обычно ≤0,05%) может привести к реакции углерода с кислородом в спекаемом продукте, вызывая образование пузырьков и дефектов.

В настоящее время MIM использует порошок нержавеющей стали Основной метод получения — «аэрозольный», при котором расплавленный металлический поток разрушается под давлением газа на мелкие капли, которые затем охлаждаются и затвердевают, образуя сферические порошки.

3. Подробное описание технологического процесса производства нержавеющей стали методом MIM

1. Подготовка корма

Порошок нержавеющей стали смешивают с связующим веществом в определённой пропорции (обычно объёмное соотношение 60:40) равномерно в смесительном аппарате. Связующее вещество обычно состоит из нескольких полимерных материалов, таких как полипропилен, парафин и др., и призвано обеспечить необходимую текучесть для формования.

2. Литьё под давлением

После того как смешанная подача нагревается до расплавленного состояния в машине для литья под давлением, она впрыскивается в полость формы, образуя «сырой заготовки». Эта стадия определяет геометрическую форму и основные размеры детали.

3. Обезжиривание

Удаление связующего из сырой заготовки с помощью растворительной экстракции или термического разложения формирует «коричневую заготовку». Деграссирование является самым важным и наиболее трудоемким этапом в процессе MIM; при неправильном контроле это легко приводит к возникновению дефектов.

4. Синтерование

При высоких температурах (обычно 1300–1380°C) и в защитной атмосфере (вакуум или водород) бурый заготовка уплотняется и сжимается, образуя плотный конечный продукт. Линейная степень усадки деталей после спекания обычно составляет 15–18%.

4. Свойства материалов и области их применения

MIM нержавеющий материал Благодаря своим превосходным комплексным характеристикам, он получил широкое распространение в различных областях:

Нержавеющая сталь 316L

Обладая превосходной коррозионной стойкостью и биосовместимостью, он широко применяется в медицинском хирургическом инструментарии, стоматологических имплантатах, корпусах часов, деталях химической промышленности и т.д. Его предел прочности на растяжение достигает 500–550 МПа, предел текучести — 200–250 МПа, а удлинение составляет 45–50%.

Нержавеющая сталь 17-4PH

С помощью временной обработки можно получить предел прочности на растяжение свыше 1000 МПа, сохраняя при этом хорошую коррозионную стойкость. Используется в основном для деталей огнестрельного оружия, аэрокосмических компонентов и высококлассных деталей приборов.

Нержавеющая сталь 304L

Обеспечивая хорошую коррозионную стойкость при более низкой стоимости, часто используется в оборудовании для пищевой промышленности, сантехнических и кухонных фитингах, а также в обычных конструкционных деталях.

Согласно международному отчёту о состоянии рынка MIM-индустрии, сегмент бытовой электроники занимает наибольшую долю на рынке MIM-нержавеющей стали (около 45%), за ним следуют медицинская/стоматологическая отрасль (20%), автомобильная промышленность (15%) и промышленные детали (10%).

От карточек для смартфонов, кольцевых камер до шарниров для ноутбуков, детали из нержавеющей стали, изготовленные по технологии MIM, уже стали неотъемлемой составляющей бытовой электроники.

5. Технические преимущества и ограничения

Технические преимущества нержавеющей стали MIM

1. Высокая степень свободы проектирования: позволяет изготавливать сложные трехмерные детали, реализация которых затруднена традиционными методами обработки, такие как детали с внутренней резьбой, боковыми отверстиями, а также элементами со специфическими криволинейными поверхностями.

2. Высокая эффективность использования материалов: коэффициент использования материалов достигает 95–98%, что намного превышает показатели при механической обработке (обычно 40–70%), особенно подходит для дорогостоящих нержавеющих сталей.

3. Отличные механические свойства: продукт обладает высокой плотностью (обычно достигает 96–98% теоретической плотности), а его механические характеристики близки к кованым деталям.

4. Высокая эффективность серийного производства: подходит для крупносерийного производства, при этом удельная стоимость значительно снижается с ростом объема выпуска.

Технические ограничения и вызовы

Начальные инвестиции высоки: затраты на формы и специальное оборудование значительны, что делает их подходящими для крупносерийного производства.

Ограничения по размеру: в связи с технологиями обезжиривания и спекания в настоящее время они в основном подходят для небольших деталей (обычно массой менее 200 г).

Технический порог высок: требуются знания из нескольких дисциплин, таких как порошковая металлургия, полимерные материалы и проектирование пресс-форм; технологический контроль сложен.

6. Ключевые точки контроля качества

Контроль качества деталей из нержавеющей стали MIM осуществляется на протяжении всего технологического процесса:

1. Контроль свойств порошка

Обеспечение соответствия сферичности порошка, распределения его частиц по размерам и содержания кислорода заданным требованиям является основой для стабильности последующих процессов.

2. Контроль дефектов при инъекциях

Распространённые дефекты при литье под давлением включают сварочные швы, газовые поры, заусенцы и т. д., которые необходимо устранять путём оптимизации конструкции пресс-формы и технологических параметров.

3. Контроль обезжиривания

Слишком быстрый темп удаления жира может привести к растрескиванию и вздутию деталей. Необходимо точно контролировать такие параметры, как температура и время, чтобы обеспечить плавное удаление связующего вещества.

4. Контроль спекания

Температура, время и атмосфера спекания напрямую влияют на конечную плотность, точность размеров и механические свойства продукта.

7. Тенденции развития на будущее

1. Разработка новых материалов

Разработка новых материалов, таких как высокоазотистая нержавеющая сталь и специальные виды нержавеющей стали, расширит применение технологии MIM в более жестких условиях.

2. Микро- и нанокомпозитные порошки

Наноструктурированный порошок нержавеющей стали позволяет снизить температуру спекания и улучшить эксплуатационные характеристики продукции, что делает его одной из актуальных областей исследований.

3. Укрупнение и интеграция

С развитием технологий обезжиривания и спекания предельные размеры деталей из нержавеющей стали, производимых по технологии MIM, неуклонно растут, что открывает перспективы расширения от малогабаритных деталей до более крупных компонентов.

4. Интеллектуальное производство

Внедрение концепции Индустрии 4.0 позволяет с помощью реального времени мониторинга и анализа данных добиваться интеллектуальной оптимизации технологических параметров и точного контроля качества продукции.

5. Устойчивое развитие

Уделять внимание зелёному производству, разрабатывать экологически чистые системы связующих веществ и технологии переработки порошков, снижая энергопотребление и количество отходов в процессе производства.

Технология MIM из нержавеющей стали развивается в направлении более высоких характеристик, более сложных конструкций и больших размеров, неуклонно преодолевая ограничения традиционных производственных технологий.

С развитием материаловедения и улучшением контроля технологических процессов MIM-нержавеющая сталь будет играть всё более важную роль в таких областях, как медицинское оборудование, аэрокосмическая промышленность и высокотехнологичная электроника, придавая производственной отрасли новый импульс.