Урок 9.2Придать формуГлава 9 · Порошки и керамика

Литьё металлов под давлением (MIM)

Отформуйте пасту из порошка и связующего, удалите связующее, спеките

Литьё металлов под давлением (MIM) формует металл как пластик: горячая паста из металлического порошка и пластикового связующего впрыскивается в форму. Затем пластик удаляют, а металл спекают, и деталь усаживается до почти сплошного металла. Так делают крошечные сложные детали, например элементы корпусов часов, детали шарниров телефонов и губки хирургических инструментов.

Фото: INDO-MIM, CC BY-SA 4.0, через Wikimedia Commons

Литьё металлов под давлением · смешивание, формование, удаление связующего, спеканиеВерхний ряд превращает гранулы в отформованную «сырую» деталь; нижний ряд следует за этой деталью, пока она теряет связующее и усаживается. Номера в кружках соответствуют шагам.

Как это работает

Смешайте сырьё. Очень тонкий металлический порошок с зёрнами обычно менее 20 мкм (четверть ширины волоса) вымешивают со связующим из воска и пластика. Паста содержит около 60% металла по объёму и измельчается в гранулы.
Формование. Термопластавтомат (нагретый цилиндр с вращающимся шнеком) плавит связующее и подаёт пасту в стальную форму. На выходе — «сырая» деталь: полной формы, но на 15–20% больше окончательной. Литники (подводящие каналы) измельчают и используют повторно.
Удаление связующего. Большая часть связующего удаляется, обычно сначала растворителем или химическими парами, затем мягким нагревом. Остаётся хрупкая «коричневая» деталь: металлические зёрна, удерживаемые следами связующего, полные открытых пор.
Спекание. Деталь помещают в вакуумную или водородную печь примерно при 1200–1400 °C для сталей, близко к температуре плавления (но ниже неё). Зёрна срастаются, поры закрываются, и деталь равномерно усаживается примерно на 15–20%, достигая плотности 95–99%. Затем возможны термообработка, гальваника или лёгкая механическая обработка.

Ключевые факты

Материалы: В основном нержавеющие стали (например, 17-4PH и 316L) и низколегированные стали; также титан, вольфрамовые сплавы, кобальт-хром и магнитные сплавы
Типичные детали: Детали корпусов часов, детали шарниров, мелкие шестерни, ортодонтические брекеты, губки хирургических инструментов, детали замков и оружия
Размер детали: Небольшие: обычно 0,1–100 г, от размера кончика пальца до размера ладони
Точность: Около ±0,3–0,5% размера (около ±0,05 мм на элементе 10 мм)
Качество поверхности: Гладкая, примерно Ra 0,8–1,6 мкм (Ra — средняя высота неровностей поверхности), копирует форму
Подходящая партия: Большие объёмы: обычно от 10 000 до миллионов деталей в год
Стоимость оснастки и оборудования: Форма примерно $10 000–100 000; термопластавтоматы, установки удаления связующего и печи стоят сотни тысяч долларов каждая
Скорость: Формование: один впрыск каждые 10–60 с, часто несколько деталей за впрыск; удаление связующего и спекание занимают много часов, часто сутки и более на партию

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Сложные 3D-формы, тонкие стенки и мелкие детали, которые было бы дорого обрабатывать резанием
Плотность 95–99%, поэтому прочность близка к прочности сплошного металла
Подходит для сплавов, трудно поддающихся механической обработке, таких как нержавеющая сталь и титан
Мало отходов: литники перерабатываются в новое сырьё

Ограничения

Только небольшие детали: толстые сечения медленно освобождаются от связующего и могут трескаться или оседать
Усадку 15–20% нужно точно спрогнозировать при проектировании формы
Дорогая форма и долгий цикл удаления связующего и спекания; нужны большие объёмы
Тонкие порошки стоят дороже обычных порошков для прессования и спекания

Где применяется

Бытовая электроникаДетали шарниров телефонов, лотки для SIM-карт, детали камер и разъёмов
Медицина и стоматологияОртодонтические брекеты, губки и рукоятки хирургических инструментов
Часы и украшенияКорпуса часов, пряжки, звенья браслетов
АвтомобилестроениеЛопатки турбокомпрессоров, детали топливных форсунок, детали замков и датчиков
Огнестрельное оружиеСпусковые крючки, курки, предохранители и другие мелкие детали механизмов
Инструменты и замкиДетали замков, мелкие шестерни, детали электроинструмента

Как узнать процесс

Небольшие сложные стальные детали с гладкой сатиновой поверхностью и чёткими деталями, как отлитая пластиковая деталь, но из металла.
Крошечные круглые следы толкателей и небольшой след литника там, где паста входила в форму.
Слабая линия разъёма там, где сошлись две половины формы.
Равномерная толщина стенок, рёбра и выемки, типичные для литых, а не для обработанных резанием деталей.

Сравните с

Порошковая металлургия9.1прессует порошок в пресс-форме; дешевле для простых плоских форм, но оставляет больше пор.Литьё под давлением2.1та же идея машины и формы, но пластик остаётся в детали.Литьё по выплавляемым моделям1.2тоже делает сложные стальные детали, обычно более крупные, заливая расплавленный металл в керамическую оболочку.

Смотрите

AMT Pte. Ltd. · Четыре шага и виды деталей, которые делает MIM

GKN Powder Metallurgy · Как уходит связующее и насколько усаживается деталь

MPP · Настоящие литьевые машины, печи и готовые детали

Zimmer Group · Полная цепочка процесса у производителя, от литьевой ячейки до детали

Смотреть реальные фото

Википедия: Metal injection molding — обзор шагов, материалов и применений
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

MIM — это литьё пластмасс под давлением с пастой, наполненной металлом, с последующим удалением связующего и спеканием.
Деталь усаживается в печи на 15–20%, поэтому форму делают больше ровно на эту величину.
Это основной процесс для небольших сложных металлических деталей в больших количествах.