Литье металла под давлением ( MIM ) — это процесс металлообработки , при котором мелкопорошковый металл смешивается со связующим материалом для создания «сырья», которому затем придают форму и затвердевают с помощью литья под давлением . Литье металлов под давлением сочетает в себе наиболее полезные характеристики порошковой металлургии и литья пластмасс под давлением, что облегчает производство небольших металлических компонентов сложной формы с выдающимися механическими свойствами. [1] Процесс формования позволяет формовать сложные детали большого объема за один этап. После формования деталь подвергается операциям кондиционирования для удаления связующего (десвязывания) и уплотнения порошков. Готовая продукция — это небольшие компоненты, используемые во многих отраслях и приложениях.
Поведение сырья МИМ определяется реологией , изучением осадков, суспензий и других неньютоновских жидкостей.
Из-за текущих ограничений оборудования, [ на момент? ] продукты должны быть отлиты в количестве 100 граммов или меньше на один «заход» в форму. Эту порцию можно распределить по нескольким полостям, что делает MIM экономически эффективным для небольших, сложных и крупносерийных изделий, производство которых в противном случае было бы дорогостоящим. Сырье для МИМ может состоять из множества металлов, но наиболее распространенными являются нержавеющие стали, широко используемые в порошковой металлургии . После первоначального формования связующее сырье удаляется, а частицы металла подвергаются диффузионной сварке и уплотнению для достижения желаемых прочностных свойств. Последняя операция обычно уменьшает изделие на 15% по каждому измерению.
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 миллиардов долларов США в 2015 году. Сопутствующей технологией является литье под давлением керамического порошка, общий объем продаж которого составляет около 2 миллиардов долларов США. Наибольший рост в последние годы наблюдался в Азии. [2]
В монографии П. О. Грибовский, изданной в 1956 году, подробно описывается технология горячего литья (горячего формования) керамических изделий под давлением (ныне — литье под низким давлением порошков) и, в частности, отмечается, что «технология горячего литья обеспечивает возможность изготавливать изделия из любых твердых материалов, начиная от природных минералов, чистых оксидов, карбидов металлов и т. д. и заканчивая многокомпонентными композиционными синтетическими материалами и их сочетаниями». [3] Это указание на возможность MIM-литья, которое было реализовано доктором Раймондом Э. Вихом-младшим в 1970-х годах, который усовершенствовал технологию MIM в качестве соучредителя калифорнийской компании Parmatech, название которой сокращено от фраза «технология материалов частиц». [4] Позже Вих запатентовал [5] свой процесс, и он получил широкое распространение в производстве в 1980-х годах.
MIM получила признание на протяжении 1990-х годов, когда усовершенствования последующих процессов кондиционирования привели к созданию конечного продукта, который работает так же или лучше, чем те, которые были получены с помощью конкурирующих процессов. Технология MIM повысила экономическую эффективность за счет крупносерийного производства до «чистой формы», исключив дорогостоящие дополнительные операции, такие как механическая обработка, хотя MIM слаб с точки зрения жестких размеров.
Этапы процесса включают 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 «сырая деталь» охлаждается и выбрасывается из формы. Затем часть связующего материала удаляется с использованием 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 связующих и спекание объединяют в один процесс. При спекании порошок нагревается до температуры, близкой к температуре плавления, в печи с защитной атмосферой для уплотнения частиц с использованием капиллярных сил в процессе, называемом спеканием . Детали MIM часто спекаются при температурах, достаточно высоких, чтобы вызвать частичное плавление в процессе, называемом жидкофазным спеканием. Например, нержавеющую сталь можно нагреть до 1350–1400 °C (2460–2550 °F). Скорость диффузии высока, что приводит к сильной усадке и уплотнению. При выполнении в вакууме обычно достигается плотность твердого вещества 96–99%. Металл конечного продукта имеет механические и физические свойства, сравнимые с отожженными деталями, изготовленными классическими методами металлообработки. Термическая обработка MIM после спекания такая же, как и при других способах изготовления, а благодаря высокой плотности компонент MIM совместим с такими обработками металла, как гальваника , пассивация , отжиг, цементация, азотирование и дисперсионное твердение.
Экономическое преимущество металлических деталей, полученных литьем под давлением, заключается в сложности и объеме деталей небольших размеров. Материалы MIM сравнимы с металлом, полученным конкурирующими методами, а конечные продукты используются в широком спектре промышленных, коммерческих, медицинских, стоматологических, огнестрельных, аэрокосмических и автомобильных применений. Размерные допуски составляют ±0,3%, а для более жестких допусков требуется механическая обработка. MIM может производить детали, которые сложно или даже невозможно эффективно изготовить с помощью других способов изготовления. В идеале лучше всего иметь не менее 75 размерных характеристик в компоненте с максимальным размером всего 25 мм и массой 10 г – как, например, требуется для корпусов часов, вилок сотовых телефонов и петель ноутбуков. Повышенные затраты на традиционные методы производства, связанные со сложностью 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 могут быть реализованы в операции MIM, включают коды продуктов, номера деталей или отметки даты; детали, изготовленные по их собственному весу, сокращают количество отходов и стоимость материалов; Плотность контролируется в пределах 95–98%; Объединение деталей и сложная трехмерная геометрия. [6]
Возможность объединения нескольких операций в один процесс гарантирует, что MIM успешно сокращает время выполнения заказов и затраты, обеспечивая значительные преимущества производителям. Процесс литья металла под давлением может быть экологически чистой технологией из-за значительного сокращения отходов по сравнению с «традиционными» методами производства, такими как 5-осевая обработка с ЧПУ. Однако некоторые из старых предприятий производят токсичные выбросы, такие как формальдегид, утилизируют хлорированные растворители и должны сжигать воск или другие полимеры, что приводит к выбросам парниковых газов.
При использовании процесса MIM доступен широкий спектр материалов. Традиционные процессы металлообработки часто связаны со значительным количеством отходов материала, что делает MIM высокоэффективным вариантом 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 (т. е. 100 микрометров). Кроме того, требования к защите от электромагнитных помех создают уникальные проблемы, которые успешно решаются за счет использования специальных сплавов ( ASTM A753, тип 4). [7]
Хотя MIM имеет множество преимуществ, у него есть и недостатки: