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中國(guó)金屬注射成形產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

805   編輯:中冶有色技術(shù)網(wǎng)   來(lái)源:中南大學(xué)粉末冶金研究院  
2023-05-19 14:34:19
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在過(guò)去的30年間,中國(guó)以每年約10%的GDP增長(zhǎng)速率快速發(fā)展經(jīng)濟(jì)。與此同時(shí),中國(guó)與WTO成員國(guó)聯(lián)系日益緊密,為雙邊經(jīng)貿(mào)關(guān)系奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在最近幾年,在經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃的幫助下,中國(guó)經(jīng)濟(jì)從全球金融危機(jī)中回復(fù)過(guò)來(lái)進(jìn)入穩(wěn)步增長(zhǎng)時(shí)期。中國(guó)制造風(fēng)靡全球的同時(shí)中國(guó)成為第二大經(jīng)濟(jì)體。2009年中國(guó)成為最大的汽車(chē)消費(fèi)市場(chǎng),2010年中國(guó)成為最大的汽車(chē)制造市場(chǎng),中國(guó)廣東省成為全球最大的手機(jī)和筆記本電腦OEM制造場(chǎng)地。所有這些都為金屬注射成形工業(yè)和從業(yè)人員提供了越來(lái)越多的機(jī)會(huì)。從1990年至今,中國(guó)金屬注射成形經(jīng)歷了從起步到相對(duì)成熟的過(guò)程?,F(xiàn)在,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制備小型復(fù)雜零部件。基于金屬注射成形的優(yōu)點(diǎn)和潛力,大量資金投入到這個(gè)行業(yè),因此新建的金屬注射成形公司在中國(guó)大量涌現(xiàn)。據(jù)報(bào)道,目前為止有60-70家金屬注射成形公司。然而與此同時(shí)每年有一家新的金屬注射成形公司破產(chǎn),也就是說(shuō),風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)會(huì)并存,這就是中國(guó)金屬注射成形企業(yè)的現(xiàn)狀。本文簡(jiǎn)要的描繪了中國(guó)金屬注射成形工業(yè)的市場(chǎng)、技術(shù)和公司情況。

1 MIM市場(chǎng)前景及挑戰(zhàn)

MIM工業(yè)在中國(guó)起步于90年代后期,比其他亞洲國(guó)家(如:日本、韓國(guó)、新加坡)都要晚。最近幾年,MIM年增長(zhǎng)率大概在15%左右。值得注意的是,在全球金融危機(jī)的時(shí)候MIM工業(yè)仍然保持著穩(wěn)定的增長(zhǎng)。根據(jù)調(diào)研,2011年中國(guó)MIM的銷(xiāo)售額在12-15億人民幣之間。目前,中國(guó)MIM產(chǎn)品主要集中在終端客戶應(yīng)用上,如消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、五金器具、醫(yī)療器械等,其所占比例如圖1。


 中國(guó)MIM產(chǎn)品銷(xiāo)售比例分布

圖1 中國(guó)MIM產(chǎn)品銷(xiāo)售比例分布

如圖所示,消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品幾乎占據(jù)了MIM銷(xiāo)售額的一半。最近幾年,全球幾家大的OEM工廠,如三星、蘋(píng)果和西門(mén)子等都持續(xù)對(duì)中國(guó)投資建廠,這導(dǎo)致了消費(fèi)類(lèi)電子工業(yè)的快速發(fā)展。然而這些零部件都是采用傳統(tǒng)的機(jī)加工制備的,這完全不能滿足這個(gè)市場(chǎng)快速發(fā)展的需要。MIM工業(yè)適合大量生產(chǎn)小型復(fù)雜零部件,給MIM工業(yè)提供了廣闊的市場(chǎng)空間。例如,MIM工業(yè)目前被用來(lái)生產(chǎn)手機(jī)上的鍵盤(pán)和密封件。然而巨大利益的同時(shí)也伴隨著風(fēng)險(xiǎn)。電子產(chǎn)品更新速度快和對(duì)表面處理要求嚴(yán)格的特點(diǎn),需要MIM供應(yīng)商大量的前期投入。與此同時(shí),它需要在較短的周期內(nèi)開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品和需要較強(qiáng)的后期處理能力的支持。而一些MIM公司沒(méi)有充足的技術(shù)支持和對(duì)市場(chǎng)快速反應(yīng)的能力,這將導(dǎo)致資金壓力甚至失去訂單。相反,這些給其他大的企業(yè)帶來(lái)了巨大的增長(zhǎng)潛力。

五金器具由多方面組成,包括鎖具和電動(dòng)工具,這些都是復(fù)雜形狀的零部件適合于MIM工藝制備。MIM技術(shù)適合于大量制備小型零部件,如鎖桿的擺動(dòng)臂、連桿、轉(zhuǎn)軸、鎖芯。雖然它的采購(gòu)量幾乎達(dá)到了電子產(chǎn)品的銷(xiāo)售量,但由于五金器具零件的多樣性,它在中國(guó)的MIM銷(xiāo)售中仍然只是保持著一個(gè)穩(wěn)定的份額,其增長(zhǎng)緩慢。

隨著汽車(chē)需求在中國(guó)的快速增長(zhǎng),中國(guó)的汽車(chē)生產(chǎn)基地都是由幾家汽車(chē)寡頭所建造。眾所周知,發(fā)達(dá)國(guó)家的MIM市場(chǎng)由汽車(chē)零部件所支配,特別是對(duì)一些MIM產(chǎn)品而言,如離合器內(nèi)環(huán)、叉套、分配器、氣門(mén)導(dǎo)管和同步器等。另外,隨著MIM工藝在汽車(chē)行業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越成熟,MIM能夠提供質(zhì)量越來(lái)越好和形狀越來(lái)越復(fù)雜的產(chǎn)品。與此相反,由于汽車(chē)零部件的制造必須充分考慮其安全性能,這對(duì)于提高M(jìn)IM技術(shù)是至關(guān)重要的,否則這些不成熟的MIM產(chǎn)品將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患,但中國(guó)的MIM技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后,故其應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)仍然處于發(fā)展階段。

2 中國(guó)MIM技術(shù)的研究和發(fā)展

2006年以來(lái),越來(lái)越多的研究集中于金屬的共注射成形,微注射成形,充模模擬和發(fā)展適合MIM的材料體系。

2.1金屬共注射成形(Co-MIM)的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

Co-MIM是結(jié)合傳統(tǒng)的金屬注射成形和聚合物三明治注塑成形而提出的一個(gè)新概念,它能夠在同一個(gè)零部件中將金屬材料和性能完全不同的材料結(jié)合到一起。這個(gè)工藝是將兩個(gè)不同的粉末或粘接劑同時(shí)或分批注射到一個(gè)模具中。用這種方法能夠制備出芯/殼層結(jié)構(gòu),因此能夠通過(guò)一道工序制備出功能梯度材料而不需要后期處理如涂層、熱處理。這樣能夠大大減少工序從而降低產(chǎn)品的成本。

為了得到可以應(yīng)用的Co-MIM產(chǎn)品,控制共注射成形過(guò)程中的表面形態(tài),即殼層厚度、均勻性和芯殼層材料成分比例至關(guān)重要。何浩和李益民[1-3]對(duì)共注射成形過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。注射溫度、速率和延遲時(shí)間對(duì)共注射成形表面形態(tài)的影響如圖2所示。由圖可知,平行于流動(dòng)方向的芯部滲透隨著表面注射速率和溫度的增加以及延遲時(shí)間的減少而減弱。這一研究結(jié)果充分考慮了兩種喂料的流變性能,并且計(jì)算、比較了實(shí)驗(yàn)中所涉及的粘度比。實(shí)驗(yàn)表明,芯部和表面兩種不同喂料的流變性能是決定Co-MIM中不同相分布的主要原因。基于此研究結(jié)果,通過(guò)控制表面形態(tài)制備的齒輪模型如圖3所示。


不同延遲時(shí)間下共注射圓盤(pán)的表面形態(tài) (a-0s, b-0.5s, c-0.8s, d-1.1s)

圖2 不同延遲時(shí)間下共注射圓盤(pán)的表面形態(tài) (a-0s, b-0.5s, c-0.8s, d-1.1s)


通過(guò)控制表面形態(tài)而制備的co-MIM齒輪模型

圖3 通過(guò)控制表面形態(tài)而制備的co-MIM齒輪模型

如何確定兩種不同材料注射后是否適合共燒結(jié)十分重要,而通過(guò)比較不同材料體系在不同溫度下各自的收縮率能夠解決這一問(wèn)題。為了滿足功能梯度結(jié)構(gòu)材料中對(duì)韌性和耐磨性能的要求,何浩等[4]研究了不同Cr含量Fe2Ni合金的共燒結(jié)行為。研究結(jié)果表明,F(xiàn)e2Ni和Fe2NiCr不同收縮率導(dǎo)致的誘導(dǎo)應(yīng)力提高了復(fù)合材料的致密速率。Cr元素從Fe2NiCr一側(cè)向Fe2Ni一側(cè)擴(kuò)散不但引起了相的轉(zhuǎn)變而且提高了界面的結(jié)合強(qiáng)度。然而,Cr元素含量過(guò)高并不適合共燒結(jié)。原因有二,其一,Cr元素含量過(guò)高降低了Fe2NiCr一側(cè)的密度,從而降低了整體密度;其二,它將導(dǎo)致界面的不匹配應(yīng)力,從而影響界面結(jié)合強(qiáng)度。

Co-MIM產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)并且具有廣闊的工業(yè)化前景。李益民等[5-7] 已提出了一種新的仿生種植結(jié)構(gòu),這能夠廣泛應(yīng)用在皮質(zhì)骨致密結(jié)構(gòu)和外部多孔內(nèi)部稠密的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu),如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)有利于種植骨中的界面應(yīng)力傳遞到周?chē)墓琴|(zhì)結(jié)構(gòu)中。外層的多孔結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒖紫犊刂圃?vol%-60vol%,孔隙大小能夠最大達(dá)到400um。


Ti基生物種植體顯微照片,界面處無(wú)裂痕,MG63細(xì)胞生長(zhǎng)在其表面

圖4 Ti基生物種植體顯微照片,界面處無(wú)裂痕,MG63細(xì)胞生長(zhǎng)在其表面

功能梯度硬質(zhì)合金由于其表面具有優(yōu)異的耐磨性能的同時(shí)其芯部具有良好的韌性,正吸引著越來(lái)越多的人的關(guān)注。中南大學(xué)的一個(gè)研究小組[8]運(yùn)用0.3um的WC粉作為提供硬度的表層和3um的WC粉作為芯層提供韌性,通過(guò)Co-MIM工藝制備了球齒模型。這個(gè)產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度達(dá)到了2100Mpa,其表面硬度為90.4HRC,沖擊韌性為3.2 J/cm2。如下圖5所示,粗粉和細(xì)粉的表面結(jié)合為冶金結(jié)合且無(wú)明顯缺陷。這種結(jié)構(gòu)有望于獲得好的機(jī)械性能和長(zhǎng)的使用壽命。


球齒照片,粗粉細(xì)粉界面處無(wú)裂痕

圖5 球齒照片,粗粉細(xì)粉界面處無(wú)裂痕

2.2金屬微注射成形(μ-MIM)

金屬微注射成形是制造尺寸在微米范圍內(nèi)零部件的一種很有前途的工藝,對(duì)于完成復(fù)雜的金屬和陶瓷零件微系統(tǒng)具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。微系統(tǒng)技術(shù)(MST)的快速發(fā)展為復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)組件的制備提出了更多的需求。金屬微注射成形是金屬注射成形技術(shù)小型化的變體,對(duì)制備形狀復(fù)雜和機(jī)械性能良好的零部件具有一定的優(yōu)勢(shì)。尹海清[9,10]等通過(guò)燒結(jié)的方法制備了外圓直徑為700um的鐵基微尺寸齒輪,外圓的燒結(jié)收縮率為15.6%,齒輪表面粗糙度為Sa=5.099um。盧振和張凱鋒[11]應(yīng)用粉末微注射成形制備了直徑200-500um,高度為250um的ZrO2圓柱體。研究結(jié)果表明,可以通過(guò)提高模具溫度,注射壓力和模具吸塵處理等方法改善其表面微結(jié)構(gòu)質(zhì)量。駱接文[12]等用粉末微注射成形制備了最小尺寸為315um不銹鋼微齒輪,其直徑偏差為±3um。王長(zhǎng)瑞[13]等研究了注射充模過(guò)程和直徑在245-1190um的氧化鋯微部件,研究發(fā)現(xiàn)陶瓷生坯和燒結(jié)后的表面粗糙度分別為0.33和0.28um。

2.3充模模擬——顆粒模型

電腦輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用在金屬注射成形已經(jīng)有一段時(shí)間了,它主要應(yīng)用在預(yù)測(cè)充模過(guò)程中材料行為和過(guò)程條件的選擇上。研究人員通常都是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型來(lái)構(gòu)建方程,如有限元法和有限差分法,然而,這些方法只適合于描繪宏觀流變學(xué)行為并不適合于描繪微觀的流變學(xué)行為,不能夠用來(lái)模擬充模過(guò)程中粉末和粘結(jié)劑的流動(dòng)情況。因此不能夠解決粉末和粘接劑分離以及粉末和粘接劑分布不均勻等問(wèn)題,而這些在其后續(xù)工序脫脂和燒結(jié)過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生變形和體積改變。Iwai等人提出了顆粒模型,此模型充分考慮了每個(gè)不同顆粒物質(zhì)的粉末性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),然而在他們的模型參數(shù)(如切向剛度系數(shù)、法向剛度系數(shù)等)難以獲得,而且不適合描述喂料性能。國(guó)內(nèi),一個(gè)研究小組[14-17]對(duì)顆粒模型進(jìn)行了改善,考慮了粉末和粘接劑的特性以及模具參數(shù),如顆粒大小、粘接劑流變學(xué)行為、注射溫度和速度,因此可以直接描述MIM過(guò)程,如圖6。


基于顆粒模型模擬不同注射速率下的充模過(guò)程(a:2.5 m/s, b:3 m/s, c: 3.5 m/s, d:4m/s)

圖6基于顆粒模型模擬不同注射速率下的充模過(guò)程(a:2.5 m/s, b:3 m/s, c: 3.5 m/s, d:4m/s)

2.4MIM材料研究

越來(lái)越多的材料體系應(yīng)用到了MIM工藝中,表1給出了幾種國(guó)內(nèi)正在研究的材料體系,研究點(diǎn)和其性能狀況。


中國(guó)MIM材料代表

表1 中國(guó)MIM材料代表

3 中國(guó)MIM公司概況

隨著MIM技術(shù)在中國(guó)的快速發(fā)展和MIM產(chǎn)品市場(chǎng)的快速增長(zhǎng),國(guó)內(nèi)MIM企業(yè)增長(zhǎng)到70家左右,根據(jù)其技術(shù)和市場(chǎng)領(lǐng)域分為以下三種MIM企業(yè)類(lèi)型。

第一類(lèi)是由幾家大型OEM公司投資建造的資金雄厚的MIM企業(yè),其覆蓋了模具的生產(chǎn),注射成形和后期工藝處理。這類(lèi)企業(yè)引進(jìn)國(guó)外的MIM技術(shù)和至少雇傭30個(gè)技術(shù)人員,所有的設(shè)備都是進(jìn)口的,如數(shù)以百計(jì)的注射成型機(jī)和連續(xù)燒結(jié)爐。通常,這類(lèi)企業(yè)使用進(jìn)口的BASF喂料并且具有很強(qiáng)的后期工藝處理的能力。他們的產(chǎn)品擁有短的發(fā)展周期和良好的表面處理,使其適合于消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)。目前,他們集中于制造消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品,是中國(guó)消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)的領(lǐng)頭羊,并且隨著這一市場(chǎng)的擴(kuò)大他們的銷(xiāo)售額也迅速增加。

第二類(lèi)是以國(guó)內(nèi)MIM技術(shù)為支撐的企業(yè),他們既擁有雄厚的資金同時(shí)具有自己的喂料系統(tǒng)。這類(lèi)企業(yè)大部分都是由政府支持,由國(guó)內(nèi)頂級(jí)MIM行業(yè)人才組成,他們致力于產(chǎn)品的研究和開(kāi)發(fā)。這類(lèi)企業(yè)制造的產(chǎn)品特點(diǎn)是形狀復(fù)雜,尺寸適中和質(zhì)量穩(wěn)定 ,這些受到快速發(fā)展的國(guó)內(nèi)企業(yè)(如五金器具、醫(yī)藥工業(yè)、輕武器)的青睞 ?,F(xiàn)在,他們的設(shè)備如注射成型機(jī)和燒結(jié)爐基本上都是進(jìn)口的。他們不僅自己生產(chǎn)喂料也進(jìn)口BASF喂料以滿足國(guó)際國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的需要。然而與第一類(lèi)企業(yè)比較起來(lái),他們的后期工藝處理能力薄弱,不能夠制備消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品。因此,他們不斷擴(kuò)大復(fù)雜形狀產(chǎn)品市場(chǎng)以便充分利用自己技術(shù)優(yōu)勢(shì),朝著MIM市場(chǎng)的龍頭地位快速發(fā)展。

最后一類(lèi)是小型公司。和前面兩種相比,它既沒(méi)有資金、技術(shù)又沒(méi)有后期處理工藝。這類(lèi)公司所有的設(shè)備和喂料基本上都是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的,而且他們的產(chǎn)品都是一些精度要求低的產(chǎn)品,同時(shí)他們的發(fā)展只能依靠一些小的對(duì)產(chǎn)品和價(jià)格沒(méi)有過(guò)高的要求顧客。這些公司都是個(gè)體經(jīng)營(yíng),數(shù)量超過(guò)50個(gè),分別尋求著各自的發(fā)展,不能夠與國(guó)內(nèi)的大型MIM公司競(jìng)爭(zhēng),因此其發(fā)展前途比較渺茫。

綜上所述,國(guó)內(nèi)分散的MIM公司需要整合起來(lái),并且更加注重國(guó)內(nèi)的MIM資源和人力資源甚至是資本運(yùn)作,才能夠有利于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和批量生產(chǎn),從而具有與國(guó)外MIM公司競(jìng)爭(zhēng)的能力,使其管理和技術(shù)越來(lái)越成熟。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展之后,MIM作為材料成型的制備方法在國(guó)內(nèi)漸漸獲得認(rèn)可。

(2)隨著中國(guó)MIM的快速發(fā)展,許多國(guó)際國(guó)內(nèi)的制造業(yè)企業(yè)為其提供了巨大的市場(chǎng)空間。

(3)然而機(jī)遇往往伴隨著挑戰(zhàn)。我們盡管在MIM材料發(fā)展和技術(shù)研究上花費(fèi)了巨大的人力和物力,要使其完全的工業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走。

(4)為了面對(duì)可能的市場(chǎng)和嚴(yán)格的產(chǎn)品要求,中國(guó)的MIM公司不得不提高他們的管理和技術(shù)水平。

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