0 簡介
在過去的30年間，中國以每年約10%的GDP增長速率快速發(fā)展經(jīng)濟(jì)。與此同時，中國與WTO成員國聯(lián)系日益緊密，為雙邊經(jīng)貿(mào)關(guān)系奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。在最近幾年，在經(jīng)濟(jì)刺激計劃的幫助下，中國經(jīng)濟(jì)從全球金融危機(jī)中回復(fù)過來進(jìn)入穩(wěn)步增長時期。中國制造風(fēng)靡全球的同時中國成為第二大經(jīng)濟(jì)體。2009年中國成為最大的汽車消費(fèi)市場，2010年中國成為最大的汽車制造市場，中國廣東省成為全球最大的手機(jī)和筆記本電腦OEM制造場地。所有這些都為金屬注射成形工業(yè)和從業(yè)人員提供了越來越多的機(jī)會。從1990年至今，中國金屬注射成形經(jīng)歷了從起步到相對成熟的過程?，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?；诮饘僮⑸涑尚蔚膬?yōu)點(diǎn)和潛力，大量資金投入到這個行業(yè)，因此新建的金屬注射成形公司在中國大量涌現(xiàn)。據(jù)報道，目前為止有60-70家金屬注射成形公司。然而與此同時每年有一家新的金屬注射成形公司破產(chǎn)，也就是說，風(fēng)險與機(jī)會并存，這就是中國金屬注射成形企業(yè)的現(xiàn)狀。本文簡要的描繪了中國金屬注射成形工業(yè)的市場、技術(shù)和公司情況。
1 MIM市場前景及挑戰(zhàn)
MIM工業(yè)在中國起步于90年代后期，比其他亞洲國家(如：日本、韓國、新加坡)都要晚。最近幾年，MIM年增長率大概在15%左右。值得注意的是，在全球金融危機(jī)的時候MIM工業(yè)仍然保持著穩(wěn)定的增長。根據(jù)調(diào)研，2011年中國MIM的銷售額在12-15億人民幣之間。目前，中國MIM產(chǎn)品主要集中在終端客戶應(yīng)用上，如消費(fèi)類電子產(chǎn)品、五金器具、醫(yī)療器械等，其所占比例如圖1。
圖1 中國MIM產(chǎn)品銷售比例分布
如圖所示，消費(fèi)類電子產(chǎn)品幾乎占據(jù)了MIM銷售額的一半。最近幾年，全球幾家大的OEM工廠，如三星、蘋果和西門子等都持續(xù)對中國投資建廠，這導(dǎo)致了消費(fèi)類電子工業(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市場快速發(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)提供了廣闊的市場空間。例如，MIM工業(yè)目前被用來生產(chǎn)手機(jī)上的鍵盤和密封件。然而巨大利益的同時也伴隨著風(fēng)險。電子產(chǎn)品更新速度快和對表面處理要求嚴(yán)格的特點(diǎn)，需要MIM供應(yīng)商大量的前期投入。與此同時，它需要在較短的周期內(nèi)開發(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公司沒有充足的技術(shù)支持和對市場快速反應(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)帶來了巨大的增長潛力。
五金器具由多方面組成，包括鎖具和電動工具，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，如鎖桿的擺動臂、連桿、轉(zhuǎn)軸、鎖芯。雖然它的采購量幾乎達(dá)到了電子產(chǎn)品的銷售量，但由于五金器具零件的多樣性，它在中國的MIM銷售中仍然只是保持著一個穩(wěn)定的份額，其增長緩慢。
隨著汽車需求在中國的快速增長，中國的汽車生產(chǎn)基地都是由幾家汽車寡頭所建造。眾所周知，發(fā)達(dá)國家的MIM市場由汽車零部件所支配，特別是對一些MIM產(chǎn)品而言，如離合器內(nèi)環(huán)、叉套、分配器、氣門導(dǎo)管和同步器等。另外，隨著MIM工藝在汽車行業(yè)中應(yīng)用越來越成熟，MIM能夠提供質(zhì)量越來越好和形狀越來越復(fù)雜的產(chǎn)品。與此相反，由于汽車零部件的制造必須充分考慮其安全性能，這對于提高M(jìn)IM技術(shù)是至關(guān)重要的，否則這些不成熟的MIM產(chǎn)品將會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患，但中國的MIM技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，故其應(yīng)用于汽車制造業(yè)仍然處于發(fā)展階段。
2 中國MIM技術(shù)的研究和發(fā)展
2006年以來，越來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新概念，它能夠在同一個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。這個工藝是將兩個不同的粉末或粘接劑同時或分批注射到一個模具中。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]對共注射成形過程進(jìn)行了系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。注射溫度、速率和延遲時間對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?；诖搜芯拷Y(jié)果，通過控制表面形態(tài)制備的齒輪模型如圖3所示。
圖2 不同延遲時間下共注射圓盤的表面形態(tài) (a-0s, b-0.5s, c-0.8s, d-1.1s)
圖3 通過控制表面形態(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題。為了滿足功能梯度結(jié)構(gòu)材料中對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元素含量過高并不適合共燒結(jié)。原因有二，其一，Cr元素含量過高降低了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)力傳遞到周圍的骨質(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。
圖4 Ti基生物種植體顯微照片，界面處無裂痕，MG63細(xì)胞生長在其表面
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其芯部具有良好的韌性，正吸引著越來越多的人的關(guān)注。中南大學(xué)的一個研究小組[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Co-MIM工藝制備了球齒模型。這個產(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)合且無明顯缺陷。這種結(jié)構(gòu)有望于獲得好的機(jī)械性能和長的使用壽命。
圖5 球齒照片，粗粉細(xì)粉界面處無裂痕
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。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。尹海清[9，10]等通過燒結(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。王長瑞[13]等研究了注射充模過程和直徑在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)計應(yīng)用在金屬注射成形已經(jīng)有一段時間了，它主要應(yīng)用在預(yù)測充模過程中材料行為和過程條件的選擇上。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，不能夠用來模擬充模過程中粉末和粘結(jié)劑的流動情況。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題，而這些在其后續(xù)工序脫脂和燒結(jié)過程中將會產(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。國內(nèi)，一個研究小組[14-17]對顆粒模型進(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過程，如圖6。
圖6基于顆粒模型模擬不同注射速率下的充模過程(a:2.5 m/s, b:3 m/s, c: 3.5 m/s, d:4m/s)
2.4MIM材料研究
越來越多的材料體系應(yīng)用到了MIM工藝中，表1給出了幾種國內(nèi)正在研究的材料體系，研究點(diǎn)和其性能狀況。
表1 中國MIM材料代表
3 中國MIM公司概況
隨著MIM技術(shù)在中國的快速發(fā)展和MIM產(chǎn)品市場的快速增長，國內(nèi)MIM企業(yè)增長到70家左右，根據(jù)其技術(shù)和市場領(lǐng)域分為以下三種MIM企業(yè)類型。
第一類是由幾家大型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。這類企業(yè)引進(jìn)國外的MIM技術(shù)和至少雇傭30個技術(shù)人員，所有的設(shè)備都是進(jìn)口的，如數(shù)以百計的注射成型機(jī)和連續(xù)燒結(jié)爐。通常，這類企業(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)類電子產(chǎn)品市場。目前，他們集中于制造消費(fèi)類電子產(chǎn)品，是中國消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場的領(lǐng)頭羊，并且隨著這一市場的擴(kuò)大他們的銷售額也迅速增加。
第二類是以國內(nèi)MIM技術(shù)為支撐的企業(yè)，他們既擁有雄厚的資金同時具有自己的喂料系統(tǒng)。這類企業(yè)大部分都是由政府支持，由國內(nèi)頂級MIM行業(yè)人才組成，他們致力于產(chǎn)品的研究和開發(fā)。這類企業(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喂料以滿足國際國內(nèi)競爭的需要。然而與第一類企業(yè)比較起來，他們的后期工藝處理能力薄弱，不能夠制備消費(fèi)類電子產(chǎn)品。因此，他們不斷擴(kuò)大復(fù)雜形狀產(chǎn)品市場以便充分利用自己技術(shù)優(yōu)勢，朝著MIM市場的龍頭地位快速發(fā)展。
最后一類是小型公司。和前面兩種相比，它既沒有資金、技術(shù)又沒有后期處理工藝。這類公司所有的設(shè)備和喂料基本上都是國內(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，同時他們的發(fā)展只能依靠一些小的對產(chǎn)品和價格沒有過高的要求顧客。這些公司都是個體經(jīng)營，數(shù)量超過50個，分別尋求著各自的發(fā)展，不能夠與國內(nèi)的大型MIM公司競爭，因此其發(fā)展前途比較渺茫。
綜上所述，國內(nèi)分散的MIM公司需要整合起來，并且更加注重國內(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)品開發(fā)和批量生產(chǎn)，從而具有與國外MIM公司競爭的能力，使其管理和技術(shù)越來越成熟。
4 結(jié)論
(1)經(jīng)過20余年的發(fā)展之后，MIM作為材料成型的制備方法在國內(nèi)漸漸獲得認(rèn)可。
(2)隨著中國MIM的快速發(fā)展，許多國際國內(nèi)的制造業(yè)企業(yè)為其提供了巨大的市場空間。
(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)化還有很長的路要走。
(4)為了面對可能的市場和嚴(yán)格的產(chǎn)品要求，中國的MIM公司不得不提高他們的管理和技術(shù)水平。
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聲明：
“中國金屬注射成形產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：中南大學(xué)粉末冶金研究院
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