Порошковая металлургия (ПМ) — отличный способ производства мелких и сложных деталей. Однако ПМ не позволяет изготавливать миниатюрные детали с мелкими деталями, например, тонкими стенками.
Процесс литья металлов под давлением (MIM) — перспективная технология, позволяющая изготавливать сложные детали диаметром до 2 мм.
Содержание:
Что такое литье металлов под давлением?
Процесс литья металла под давлением объединяет обычная порошковая металлургия с литьем пластмасс под давлением.
Мелкий металлический порошок и связующие вещества смешиваются для создания исходного сырья. Затем исходное сырье формуется с помощью литьевой машины, после чего следует удаление связующего и спекание для получения конечного продукта.
Этапы процесса литья металла под давлением
По сравнению с пластиком, порошки MIM-металлов более коррозионны. Поэтому формы MIM в основном изготавливаются из инструментальной стали и имеют износостойкое покрытие на поверхностях. Обычно процесс литья металла под давлением включает следующие этапы.
Смешивание
Целью процесса смешивания является получение равномерного покрытия связующим веществом поверхности металлических частиц.
Сначала металлический порошок помещают в смеситель для предварительного нагрева. Затем добавляют связующее и смешивают с металлическим порошком. Объемное соотношение металлического порошка и связующего составляет около 6:4.
После того, как они хорошо перемешаны, вы получаете инжекционный материал-сырье. Сырье экструдируется как лапша. Затем гранулятор измельчает их до размеров риса перед подачей в машину для литья металла.
Если требуется дальнейшее перемешивание, необходим смеситель с высоким усилием сдвига.
Функции связующих в MIM следующие:
- Улучшить текучесть металлического порошка
- Придать сырью определенную адгезию
- Помогите сформировать зеленые части
- Помощь в демонтаже
Литье под давлением
- Сначала форма закрывается, и шнек начинает двигаться вперед для впрыска сырья.
- Сырье нагревается примерно до 200°C и заполняет всю полость формы.
- После завершения впрыска следует применить удерживающее давление, чтобы компенсировать усадку сырья.
- Литник замораживается, расплавленный материал из трубки не может попасть в полость формы, и расплавленный материал в полости формы продолжает охлаждаться.
- Затем форма открывается, и деталь выталкивается путем выталкивания штифта.
При литье под давлением следует обратить внимание на несколько факторов.
- Скорость впрыска
Слишком низкая скорость впрыска может привести к дефектам поверхности. Слишком высокая скорость впрыска, не позволяющая воздуху из полости выходить через вентиляционные отверстия формы, может привести к образованию пустот.
- Точка и метод переключения
Точка переключения — это точка перегиба от впрыска к давлению выдержки. Четыре наиболее часто используемых метода переключения — это положение, гидравлический, временной и давление полости.
- Выдержка давления при литье под давлением
Во время литья под давлением, из-за низкой температуры внутри формы, исходное сырье немного сжимается при охлаждении в форме. Поэтому на этапе охлаждения необходимо продолжать применять давление и впрыскивать небольшое количество исходного сырья, чтобы компенсировать усадку. Это называется выдержкой под давлением.
По данным 3 ERP, давление выдержки составляет около 50–65 % от давления впрыска.
- Время охлаждения
Охлаждение необходимо для того, чтобы деталь полностью затвердела. Если компонент остынет слишком слабо, деталь может быть повреждена в процессе выталкивания.
Снятие привязки
Удаление связующих веществ удалит большинство связующих веществ в зеленой части. Это необходимо для предотвращения дефектов в продукте или для влияния на механические свойства продукта в ходе последующего процесса спекания. После удаления связующих веществ у вас есть пористая, хрупкая и малоплотная часть. Это называется «коричневой частью».
Время удаления присадок зависит от следующих факторов:
- Метод удаления привязки
- Размер детали
- Размер частиц порошка
Например, одна и та же деталь, отформованная из 20 мкм аэрозольного медного порошка, 10 мкм порошка карбонильного железа и 1 мкм порошка оксида алюминия
Для удаления связующего растворителя им требуется 3 часа, 6 часов и 22 часа соответственно.
1. Термическое удаление связующего
В процессе термического удаления связующего вещества вы помещаете сырую деталь в нагревательную печь для удаления связующего вещества. Обычно в нагревательную печь вводят воздух, инертный газ или восстановительный газ. Особое внимание следует уделять скорости нагрева. Если связующее вещество испаряется слишком быстро, на детали могут появиться дефекты, такие как отслаивание, деформация, образование пузырей и т. д.
Преимущество термического удаления связующего — низкая стоимость. Недостатком является то, что оно занимает много времени, которое может занять 24 часа и более.
2. Удаление связующего растворителя
Для сокращения времени удаления связующего появилось обезжиривание растворителем. Этот метод заключается в помещении сырых деталей в растворитель гексан, гептан или трихлорэтилен. Метод заключается в том, что парафин и стеариновая кислота в связующих могут быть растворены в растворителе. После удаления связующего растворителем может потребоваться термическое обезжиривание. Целью является удаление связующих веществ, которые не растворяются в растворителе, таких как полиэтилен и полипропилен.
Согласно «Исследованию параметров удаления связующих растворителей из литой нержавеющей стали марки 316L», оптимальная температура и время обезжиривания растворителем нержавеющей стали марки 316L составляют 60 ℃ и 240 минут.
Преимуществами термического удаления связующего растворителем являются более короткий цикл обезжиривания и хорошее сохранение формы продукта. Недостатками являются более высокая стоимость и то, что растворители могут быть неблагоприятны для окружающей среды.
3. Каталитическое удаление связующих
Каталитическое удаление связующего использует кислотные газы, такие как азотная кислота, щавелевая кислота, для разложения некоторых клеев. Каталитическое удаление связующего имеет отличное сохранение формы продукта и высокую скорость обезжиривания. Однако оно применимо только к клеям, содержащим полиацеталь.
4. Сверхкритическое флюидное удаление связующих
При сверхкритическом флюидном расслаивании вы используете жидкий CO2 в качестве растворителя для удаления парафина при температурах около 508–708℃. Процесс является многообещающим, так как он потребляет CO2, что полезно для окружающей среды.
По сравнению с растворителем и термическим удалением связующего, он имеет более высокие скорости удаления связующего и меньше дефектов деталей. Однако этот процесс требует высоких температур и давлений, поэтому он подходит только для очень маленьких деталей. В противном случае используются большие камеры, и затраты могут резко возрасти.
Спекание МИМ
Спекание MIM похоже на обычное порошковая металлургия спекание.
Спекание в основном делится на следующие три этапа:
- Прогревание
Предварительный нагрев необходим для дальнейшего удаления связующих веществ и первоначального рассеивания и сплавления частиц.
- Спекание
Коричневые детали спекаются при температуре ниже точки плавления. Во время спекания металлические частицы сплавляются, устраняя поры. Кроме того, необходимо вводить защитные газы, такие как водород, азот и аргон, чтобы предотвратить окисление продукта.
- Охлаждение
Спеченные детали постепенно охлаждаются до комнатной температуры. Целью охлаждения является устранение термического напряжения в процессе спекания. Это позволяет избежать трещин в деталях.
Обычно время предварительного нагрева составляет 45–60 минут, время спекания — около часа, а время охлаждения — около 2 часов.
В отличие от порошковой металлургии, детали, полученные литьем под давлением, имеют большую усадку при спекании, около 15%-20%. Это может потребовать более высокой температуры спекания и более длительного времени спекания.
В следующей таблице приведены температура и атмосфера спекания некоторых часто используемых металлов.
| Материалы | Спекание
температура (℃) |
спекание
атмосфера |
| FN02 | 1180-1290 | Азот |
| FN50 | 1180-1280 | Азот |
|
M2 |
1180-1250 | Азот |
| M4 | 1180-1250 | Азот |
| T15 | 1200-1270 | Азот |
| 17-4 PH | 1200-1360 | Водород |
| 316L | 1250-1380 | Водород |
| 410 | 1250-1375 | Водород |
| 420 | 1200-1340 | Азот |
| 440C | 1200-1280 | Азот |
| 304 | 1250-1375 | Водород |
| W–Cu | 1150-1400 | Водород |
| Чистая медь | 950-1050 | Водород |
| Бронза | 850-1000 | Водород |
| Титан | 1130-1220 | Аргон/Вакуум |
| Ti-6Al-4V | 1140-1250 | Аргон/Вакуум |
| Inconel 718 | 1200-1280 | вакуум |
Вторичные процессы
После спекания, части МИМ При необходимости может потребоваться вторичная обработка, например, механическая обработка, термическая обработка и отделка поверхности.
МИМ-материалы
Материалы для литья металлов под давлением включают металл и связующие вещества.
Папки-переплеты MIM
- Связующие на основе воска
Он изготовлен из полиэтилена и полипропилена в качестве связующих веществ скелета, и его количество составляет 30% по весу, остальное - парафин и небольшое количество смазки и активатора.
- Связующие на водной основе
Связующие на водной основе в основном состоят из воды и полимерных материалов. Его токсичность относительно мала, поэтому он более экологичен, но время удаления связующего и высыхания длительное.
- Связующие на основе растворителей
Он быстро сохнет и легко формуется, но токсичность его выше.
В следующей таблице приведены некоторые металлические связующие вещества, используемые при литье металлов под давлением.
| Металл | Связующее вещество |
| нержавеющая сталь 316L |
l 30% парафин, 10% карнаубский воск, l 10% пчелиного воска, l 45% полипропилен l 5% стеариновая кислота |
| 17-4 PH нержавеющая сталь |
l 64% парафина, l 16% микрокристаллического парафина, l 15% этиленвинилацетата, l 5% полиэтилен высокой плотности |
|
Медь |
l 65% парафин l 30% полиэтилен l 5% стеариновая кислота |
| Сплав железа и никеля |
l 79% парафин l 20% этиленвинилацетат l 1% стеариновая кислота |
| Сплав W–Cu |
l 35% полипропилен l 60% парафин l 5% стеариновая кислота |
МИМ-метал
- Нержавеющая сталь: 17-4, 316L, 420, 440C, 310
- Tool Steel: M2, M4, T15, S7, M42
- Титан: Ти, Ти-6АИ-4В, Ти-6Ал-7Нб.
- Магнитные: Fe49Co2V, Fe50Ni, Fe3Si
- Никель: Инконель 625, Инконель 718
- вольфрама
- Медь
- алюминий
Машина МИМ
Для процесса литья металлов под давлением требуется оборудование для смешивания порошков, машины для литья под давлением и печи для спекания.
Смеситель
К распространенным смесителям с высоким усилием сдвига относятся:
- роликовый сдвиг
- одношнековый экструдер
- двухшнековый экструдер
- двойная камера
- двойной планетарный
- Смеси Z-образных лезвий
Двухшнековый экструдер наиболее популярен благодаря своей высокой скорости сдвига и короткому времени выдержки.
Машина для литья под давлением металла
Машина для литья металла под давлением состоит из узла впрыска, узла зажима и гидравлического блока.
Узел впрыска отвечает за подачу сырья в форму. Узел зажима отвечает за формирование и выталкивание сырой детали. Гидравлический узел обеспечивает питание.
Агломерационная печь
Обычный печи для спекания порошковой металлургии также подходят для MIM, включая печи непрерывного действия и печи периодического действия.
Применение литья металлов под давлением
Поскольку литье металлов под давлением позволяет изготавливать небольшие детали сложной формы и подходит для массового производства, оно широко используется в таких областях, как медицина, авиакосмическая промышленность, электроника, автомобилестроение и т. д.
Автомобильная
MIM может изготовить коромысло двигателя с полой конфигурацией. Это снижает вес продукта и способствует снижению расхода топлива.
Другие распространенные из них включают в себя:
- Топливные форсунки
- Турбокомпрессоры
- направляющие клапанов,
- Звездочки распределительного вала
- Крышка шатуна
Аэрокосмическая индустрия
MIM обладает высокой проектируемостью, что делает его популярным в аэрокосмической отрасли. Например, детали ремней безопасности, распылительные форсунки, рычаги лопастей и детали пластин производятся MIM.
Медицинская промышленность
Технология MIM позволяет изготавливать чрезвычайно сложные прецизионные детали, идеально подходящие для медицинских целей, например, ортодонтические скобы, зубные имплантаты, хирургические инструменты и т. д.
Электроника
Процесс литья металла под давлением имеет широкий рынок в электронных продуктах. Например: держатель камеры мобильного телефона, шарнир складного телефона, аксессуары для емкостной ручки, лоток для карт смартфона.
Преимущества и недостатки литья металлов под давлением
Преимущества
- MIM позволяет формировать детали сложной формы за один шаг. Это сокращает производственные циклы и снижает стоимость вторичной обработки.
- Детали MIM имеют хорошую шероховатость поверхности. MIM может достигать шероховатости поверхности 1 мкм Ra. Это очень выгодно для производства продукции с высокими требованиями к внешнему виду, такой как аксессуары для мобильных телефонов, аксессуары для часов и украшения.
- Он позволяет производить практически полностью плотные детали из порошкового металла с плотностью от 95% до 99%.
- Для массового производства требуется только один комплект пресс-форм.
Недостатки
- Стоимость производства методом МИМ в несколько раз превышает стоимость традиционного процесса порошковой металлургии.
- Изготовление более крупных деталей невозможно. Типичные детали MIM имеют размер примерно с шарик для пинг-понга.
- Так как литье металлов под давлением может достигать плотности более 95%, то усадка при спекании составляет 10%-20%. Усадка готовых изделий велика, а их размеры нелегко контролировать.
В процессе литья металла под давлением мы хорошо знаем о значительном изменении скорости усадки формованных деталей. Поэтому поддержание узкого диапазона допусков ±0.3% для деталей является довольно сложной задачей.
Большая часть изменений усадки в MIM возникает из-за неравномерной плотности исходного сырья в процессе литья под давлением. Поэтому в практическом производстве мы ориентируемся на следующие параметры:
- Удерживать давление
- Время удержания
- Температура пресс-формы
- Скорость впрыска
- Однородность исходного сырья
Если у вас есть лучшие решения, пожалуйста, поделитесь ими с нами.
В BLUE мы лучшие услуги литья металла под давлением. Мы поддерживаем вес деталей от 0.2 г до 300 г, допуски в пределах ±0.3% и плотность до 99% от теоретической. Наши материалы включают нержавеющую сталь, низколегированную сталь, мягкие магнитные сплавы и титан — обслуживают такие отрасли, как автомобилестроение, медицина и электроника.
FAQ
1. В чем разница между литьем металла под давлением и литьем под давлением?
Литье металла под давлением идеально подходит для производства небольших сложных деталей, а литье под давлением подходит для более крупных деталей. Самый большой разница между MIM и литьем под давлением кроется в сырье.
MIM — это процесс формирования конечного продукта путем литья под давлением металлического порошка. Литье под давлением — это процесс заполнения формы расплавленным металлом для формирования готового продукта.
2. В чем разница между литьем металла под давлением и литьем пластика под давлением?
Литье металла под давлением и литье пластика под давлением используют разное сырье. Процесс литья металла под давлением более сложен и его стоимость выше.
3. Сколько времени занимает литье металла под давлением?
Литье металла под давлением занимает около 24–36 часов, включая процессы удаления связующего и спекания. Литье под давлением — это процесс заполнения формы расплавленным металлом для формирования готового изделия.