Литье металла под давлением ( MIM ) — это процесс металлообработки , в котором тонкоизмельченный металл смешивается со связующим материалом для создания «сырья», которое затем формуется и затвердевает с помощью литья под давлением . Литье металла под давлением сочетает в себе самые полезные характеристики порошковой металлургии и литья пластмасс под давлением для облегчения производства небольших металлических компонентов сложной формы с выдающимися механическими свойствами. [1] Процесс формования позволяет формовать большие объемы сложных деталей за один этап. После формования деталь проходит операции кондиционирования для удаления связующего вещества (удаления связующего) и уплотнения порошков. Готовая продукция представляет собой небольшие компоненты, используемые во многих отраслях промышленности и областях применения.
Поведение сырья МИМ регулируется реологией — наукой о шламах, суспензиях и других неньютоновских жидкостях.
Из-за ограничений текущего оборудования [ по состоянию на? ] изделия должны формоваться с использованием количеств 100 граммов или менее на «выстрел» в форму. Этот выстрел может быть распределен по нескольким полостям, что делает MIM экономически эффективным для небольших, сложных, крупносерийных изделий, которые в противном случае были бы дороги в производстве. Исходное сырье MIM может состоять из множества металлов, но наиболее распространенными являются нержавеющие стали, широко используемые в порошковой металлургии . После первоначального формования связующее сырье удаляется, а металлические частицы подвергаются диффузионной связи и уплотняются для достижения желаемых прочностных свойств. Последняя операция обычно усаживает изделие на 15% в каждом измерении.
Рынок литья металлов под давлением вырос с 9 миллионов долларов США в 1986 году до 382 миллионов долларов США в 2004 году и более чем 1,5 миллиарда долларов США в 2015 году. Связанная технология — литье керамического порошка под давлением, что привело к общему объему продаж около 2 миллиардов долларов США. Большая часть роста в последние годы пришлась на Азию. [2]
В монографии П.О. Грибовского, изданной в 1956 году, подробно описана технология горячего литья (горячей формовки) керамических изделий под давлением (ныне — литье порошков под низким давлением) и, в частности, отмечено, что «технология горячего литья обеспечивает возможность изготовления изделий из любых твердых материалов, начиная от природных минералов, чистых оксидов, карбидов, металлов и т.д. и кончая многокомпонентными композиционными синтетическими материалами и их комбинациями». [3] Это указание на возможность MIM-литья, которое было реализовано доктором Рэймондом Э. Вихом-младшим в 1970-х годах, усовершенствовавшим MIM-технологию как соучредитель калифорнийской компании Parmatech, название которой было образовано от словосочетания «технология материалов из частиц». [4] Позднее Вих запатентовал [5] свой процесс, и он получил широкое распространение в производстве в 1980-х годах.
Технология MIM получила признание в 1990-х годах, поскольку усовершенствования последующих процессов кондиционирования привели к получению конечного продукта, который по своим характеристикам аналогичен или превосходит конкурирующие процессы. Технология MIM повысила эффективность затрат за счет крупносерийного производства до «чистой формы», исключив дорогостоящие дополнительные операции, такие как механическая обработка, хотя MIM слаб с точки зрения жестких размерных спецификаций.
Этапы процесса включают в себя объединение металлических порошков с полимерами, такими как воск и полипропиленовые связующие, для получения смеси «исходного сырья», которая впрыскивается в виде жидкости в форму с помощью машин для литья пластмасс под давлением. Формованная или «зеленая часть» охлаждается и выталкивается из формы. Затем часть связующего материала удаляется с помощью растворителя, термических печей, каталитического процесса или комбинации методов. Полученная хрупкая и пористая (40 объемных процентов «воздуха») часть находится в состоянии, называемом «коричневой» стадией. Для улучшения обработки часто удаление связующего и спекание объединяют в один процесс. Спекание нагревает порошок до температур, близких к точке плавления, в печи с защитной атмосферой для уплотнения частиц с использованием капиллярных сил в процессе, называемом спеканием . Детали MIM часто спекаются при температурах, почти достаточно высоких, чтобы вызвать частичное плавление в процессе, называемом спеканием в жидкой фазе. Например, нержавеющая сталь может быть нагрета до 1350–1400 °C (2460–2550 °F). Скорость диффузии высока, что приводит к высокой усадке и уплотнению. Если процесс выполняется в вакууме, обычно достигается плотность твердого тела 96–99%. Конечный металлический продукт имеет сопоставимые механические и физические свойства с отожженными деталями, изготовленными с использованием классических методов металлообработки. Последующая термическая обработка для MIM такая же, как и при других способах изготовления, а при высокой плотности компонент MIM совместим с такими обработками кондиционирования металла, как гальванопокрытие , пассивирование , отжиг, цементация, азотирование и дисперсионное упрочнение.
Окно экономического преимущества в литьевых металлических деталях заключается в сложности и объеме для деталей небольшого размера. Материалы MIM сопоставимы с металлом, сформированным конкурирующими методами, и конечные продукты используются в широком спектре промышленных, коммерческих, медицинских, стоматологических, оружейных, аэрокосмических и автомобильных приложений. Допуски размеров ±0,3% являются обычными, и для более жестких допусков требуется механическая обработка. MIM может производить детали, в которых трудно или даже невозможно эффективно изготовить элемент другими способами изготовления. В идеале, по крайней мере 75 размерных спецификаций в компоненте с максимальным размером всего 25 мм и массой 10 г являются наилучшими — как, например, требуется для корпусов часов, разъемов сотовых телефонов и петель ноутбуков. Повышенные затраты на традиционные методы производства, присущие сложности детали, такие как внутренняя/внешняя резьба, миниатюризация или идентификационная маркировка, обычно не увеличивают стоимость операции MIM из-за гибкости литья под давлением.
Другие возможности проектирования, которые можно внедрить в операцию MIM, включают коды продуктов, номера деталей или штампы даты; детали, изготовленные по их чистому весу, что снижает отходы материалов и стоимость; плотность, контролируемая в пределах 95–98%; объединение деталей и сложных трехмерных геометрий. [6]
Возможность объединения нескольких операций в один процесс гарантирует, что MIM успешно экономит время выполнения заказа, а также расходы, предоставляя производителям значительные преимущества. Процесс литья металла под давлением может быть зеленой технологией из-за значительного сокращения отходов по сравнению с «традиционными» методами производства, такими как 5-осевая обработка с ЧПУ. Однако некоторые из старых операций генерируют токсичные выбросы, такие как формальдегид, утилизируют хлорированные растворители и должны сжигать воск или другие полимеры, что приводит к выбросам парниковых газов.
Существует широкий спектр материалов, доступных при использовании процесса MIM. Традиционные процессы металлообработки часто подразумевают значительное количество отходов материала, что делает MIM высокоэффективным вариантом для изготовления сложных компонентов, состоящих из дорогих/специальных сплавов ( кобальт-хром , нержавеющая сталь 17-4 PH , титановые сплавы и карбиды вольфрама ). MIM является жизнеспособным вариантом, когда требуются чрезвычайно тонкие стенки (например, 100 микрометров). Кроме того, требования к экранированию электромагнитных помех представляют уникальные проблемы, которые успешно достигаются путем использования специальных сплавов ( ASTM A753 Type 4). [7]
Хотя MIM имеет много преимуществ, у него есть и недостатки: