金属注射成型技术(MIM)产业化发展分析
2018-05-06
摘要:金属粉末注射成型技术是当今世界粉末冶金行业快速发展的高新技术,国内对MIM技术的发展与欧美和日本MIM行业相比还比较滞后,应加强行业发展,缩短与发达国家的差距。本文就该项技术的产业化发展进行了深入分析。 

一、技术概述 
金属粉末注射成型技术(Metal Powder InjectonMolding)简称MIM,是利用模具注射成型并通过烧结快速制造高密度、高精度、三维复杂形状结构零件的高新技术。MIM是塑料成型工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科交叉复合的产物,其特点一是以金属粉末为原材料,二是用注塑机注射成型,能制造传统工艺不能制造的复杂零部件,三是根据零件性能要求可进行大范围的成份设计,四是适合大批量自动化生产,可以说是制造业的一次变革。该丁艺技术不仅具有常规粉末冶金技术工序少、少切削或无切削、经济高效的优点,而且克服了传统粉末冶金制品密度低、材质不均匀、机械性能低、不易成型薄壁复杂件的缺点,特别适合大批量、小型、复杂以及具有特殊要求的金属零部件;既可以制造铁铜基零件。也可以制造钨制品、不锈钢以及陶瓷零件。因此具有广阔的应用前景。其工艺过程如下:
二、产业背景 
1、国外概况 
MIM技术是1973年由美国Parmatech公司的航天燃料专家Wiech博士发明的,如今已成为世界粉末冶金领域发展最快的高新技术。由于该技术的独特优点和先进性,被美国列为不对外扩散技术加以保密,直到1985年才向全世界公布这一技术,而在这期间美国国内的MIM技术得以成熟并迅速发展形成产业化。该项技术向世界披露后得到世界各国政府、学术界、企业界的广泛重视,并投入了大量人力物力和财力予以开发研究。其中日本在研究上十分积极而且表现突出,许多大型株式会社参与了MIM技术的工业化推展,包括太平洋金属、三菱制钢、川奇制铁、神户制钢、住友矿山、精工— — 爱普生、大同特殊钢等。目前日本有四十余家企业从事MIM制品的生产,每家公司的利润都十分可观。自2000年世界粉末冶金会议在日本召开后,在每次的会议中专门设立了MIM技术论坛。继日本快速发展之后,台湾、韩国、新加坡、欧洲和南美的MIM产业也雨后春笋般的发展起来,其中德国的BASF公司以其独特的黏结剂配方成立了专门的MIM产品喂料生产线,在全世界范围内进行技术辅导和喂料的销售,获得了较大的商业利润。作为该项技术的发明国美国。MIM技术已经广泛的应用于航天、摩托车、汽车、医疗器械、食品机械、计算机、通信设备、五金工具、仪器仪表、钟表等各个制造行业,MIM企业也因此赚了个盆满钵满。据粉末冶金协会粗略统计和预测,全球MIM产品的销售量正在以每年30%-40%的速度递增。截止2007年,全球的年销售额为lO亿美元,预计到2020年平均年销售量将超过42亿美元。 

2、国内状况 
中国MIM技术的产业化发展大约有十多年的时间,技术的研究始于八十年代中期,从事研究开发的单位不足l0家,虽然粘结剂各有不同,但都取得了一定的成果,有的已经达到国际先进水平.而在MIM技术的应用及产业化方面与国外相比存在一定的差距。原因有以下几个方面: 
(1)中国1956年才开始粉末冶金的发展,基础实力薄弱。 
(2)机械制造业与发达国家相比落后,工程技术人员的开发能力不足。 
(3)国内技术人员对MIM技术的认识程度不够,制约了MIM技术的推广,但随着中国工业水平的不断提高和WTO的加人, 国外商品大量涌人中国,政府对MIM技术的重视,以及国内工程技术人员对MIM技术认知程度的进一步加深,MIM技术必将在中国得以迅速发展据中国粉末冶金协会预测:2—3年内我国MIM产品的市场需求量将达5—8亿元人民币,2015年可望突破l5亿元人民币。 

三、技术特点与应用领域
3.1 MIM工艺与其它加工工艺的对比。 
3.1.1MIM使用的原料粉末粒度直径为2—15urn,而传统粉末冶金的原料粉末粒度为50—100urn。MIM工艺的成品密度高,原因是使用微细粉末。MIM工艺具有传统粉末冶金工艺的优点,但是形状自由度是传统粉末冶金所不能达到的。 
3.1.2传统的精密铸造工艺作为一种制作复杂形状产品极有效的技术,近年使用陶心辅助可以完成狭缝、深孔穴的产品,但碍于陶心的强度以及铸液的流动性限制,该工艺仍有某些技术上的难题。一般而言,此工艺制造大、中型零件较为合适,而小型复杂零件则MIM工艺较为合适,而且精铸工艺材质受到一定限制。 
3.1.3压铸T艺适用于铝和锌合金等低熔点、铸流性好的材料,而MIM工艺适合各种材质。 
3.1.4精密锻造可以成型复杂零件,但不能成型三维复杂的小型零件,其产品的精度低,产品有局限。 
3.1.5传统机械加工法:近来靠自动化和数控提升加工能力,在效率和精度上有很大的进展,但是基本的程序上仍脱不开逐步加工f车、刨、铣、磨、钻、抛等1完成零件形状的方式,机械加工的方法精度和复杂度远优于其他方法,但是因为材料的有效利用率低,且形状的完成受限于设备与刀具,有些零件无法用机械加工完成,相反,MIM可以有效利用材料,形状自由度不受限制。对于小型、复杂、高难度形状的精密零件的制造,MIM工艺比较机械式加工而言,其成本较低且效率高,具有竞争力。 
3.1.6MIM技术弥补了传统加工方法在技术上的不足或无法制作的缺撼,并非与传统加工方法竞争。MIM技术可以在传统加工方法无法制作的零件领域发挥其特长。 
3.2 MIM工艺在零件制造方面的总结 
3.2.1可成型高度复杂结构的结构零件该工艺技术利用注射方法,保证物料充分充满模具型腔,也就保证了零件高复杂结构的实现。以往在传统加工技术中先作成个别元件再组成组件的方式,在使用MIM技术时可以考虑整合成完整的单一零件,大大减少步骤,简化加T程序。 
3.2.2制造尺寸精度高,不必进行二次加工或只少量精加工注射成形工艺可直接成形薄壁结构件.制品形状已能达到或接近最终产品要求,零件尺寸公差一般保持在±0.10%~±0.3%左右.特别对于降低难于进行机械加工的硬质合金的加工成本.减少贵重金属的加工损失尤其具有重要意义。 
3.2-3制品微观组织均匀、密度高、性能好在压制过程中由于模壁与粉末以及粉末与粉末之间的摩擦力.使得压制压力分布不均匀,也就导制了压制毛坯在微观组织的不均匀,材料致密性差,密度低,严重影响产品的机械性能,反之MIM是一种流体成形工艺,粘结剂的存在保证了粉末均匀排布从而可消除毛坯微观组织的不均匀,进而使烧结制品密度接近材料的理论密度,从而使强度增加、韧性加强;延展性、导电性、导热性得到改善,综合性能提高。 
3.2.4效率高.易于实现大批量和规模化生产MIM技术使用的模具.其寿命与塑料注射成形模具相当,由于使用金属模具,MIM适于零件的大批量生产.由于利用注射机成形产品毛坯,极大提高了生产效率,降低了成本,而且注射成形产品一致性好,重复性好,从而为大批量和规模化工业生产提供了保证.再者一模多腔可进一步提高效率和降低毛坯的成形成本。 
3.2.5适用材料范围宽.应用领域广可用于MIM工艺的材料非常广泛,原则上任何可高温烧结的粉末材料均可由MIM工艺作成零件,包括传统工艺中难加工材料及高融点材料,此外,MIM也可以根据用户的要求进行材料配方设计,制造任意组份的复合材料 并制成特种要求的零件。MIM工艺制品应用领域已涉及国民经济各领域 市场前景广阔 
3.3MIM工艺应用领域概述 
3.3.1计算机及辅助设施:如打印机零件,磁芯,撞针轴销,驱动零件; 
3.3.2工具:如钻刀头、喷嘴、枪钻、螺旋铣刀、冲头、套筒、板手、电工工具、手工工具; 
3-3.3家用器具:如表壳、表链、电动牙刷、剪刀、风扇、高尔夫球头、珠宝链环、圆珠笔卡箍、刃具刀头等零件 
3.3-4医疗器械零件:如牙齿矫形架、剪刀、镊子; 
3.3.5军用军械零件,导弹尾翼、枪支零件、弹头、型罩、引信用零件。 
3.3.6电气零件,微型马达、电子零件、传感器件、手机、BP机用零件。 
3-3.7机械用零件:如松棉机、纺织机、卷边机、缝纫机、办公机械等所用机械零件。 
3-3.8汽车船舶零件:如离合器内环,摇臂镶块、拔叉套、分配器套、汽车农用车零件.汽车安全气囊 
件,汽车锁件等。 

四、注射成型制品的成本分析 
对于过硬、过脆难以切削的材料或几何形状复杂、用铸造方法有偏折或污染的零件.采用MIMI艺可大幅度节约成本.如: 
1、加工打字机印刷元件导杆为例.通常需14道工序,采用MIM工艺只需6道工序可节约成本一半左右。 
2、汽车安全气囊拨杆无法机械加工.利用MIM可以顺利加工成为制品。 
3、不锈钢手表表壳传统工艺需进2O道工序.MIM工艺可一次加工成形.只需要后道工序的人工光饰即为成品。 
4、永不磨损表壳无法传统加工.MIM使设计者思路成为现实。 
5、手枪保险件传统加工需60道工序并且需要配套大量辅助工装,MIMI艺可一次成型。 
总之:材料成本/制造成本的比率增加时,潜在的成本更能降低,因此零件越小越复杂,经济效益将越好,通过以上举例可以看出MIM工艺潜力巨大。 

五、投资效益分析 
MIM产品的效益要远远高于传统粉末冶金,由于所采用的金属粉末价格要远高于传统粉末冶金,因此其产品价格计算一般均按克计算。 
5.1注射工序能力: 
按以下内容计算: ①一台注射机②一年300天计③模具4腔/模④ 产品lOg/件⑤ 注射速率一般为2模/分钟年注射能力=300天x24/|~时×4腔/模×2模/分钟×l0g/件=34560Kg/年 
5.2烧结能力: 
按以下内容计算:①一台连续烧结炉② 平均1Kg/舟③ 一年300天计④ 每天(下转第26页) (上接第11页)22舟年烧量=300天x22舟/24小时xlKg=6600Krd年 
5.3年产值:产品价格按克计算,平均价按0.5元/克计。年产值=6600Kgx0.5元/g=330万元 
5.4年毛利润:MIM产品毛利润率按35%计算。年毛利润=330万元x35%=1 15.5万元 

六、MIM 技术项目产业化建设的可行性 
6.1 MIM技术实际上是塑料工艺与传统粉末冶金相结合的全新技术,此工艺可以称为高新技术与传统产业的合理嫁接,由于此工艺对小型,精密复杂零件来讲极大地提高了生产效率,降低了成本。有效地利用原材料.无环境污染,已经引起了政府的高度重视,属国家扶持的高新技术范畴。 
6.2随着WTO的加入。国际著名公司来我国采购越来越多.无疑中国将成为国际金属零部件加工的集散地,这为MIM产品的出口创汇创造了条件和市场空间。 
6.3随着高新技术的不断发展和未来产品的小型化智能化的发展,必将迎来小型零部件加工快速发展的时期。 
6.4随着中国汽车行业的发展和粉末冶金件在汽车零部件上的使用,MIM产品又具有其优良的机械性能,相信MIM产品将在汽车零部市场大显身手。 
综上所述,MIM技术作为新型制造业中最为活跃的前沿技术,被誉为世界粉末冶金行业开拓性技术,代表着粉末冶金的发展方向,在中国必将迅速发展。