Навигация по таблицам
- Таблица 1: Основные материалы MIM и их свойства
- Таблица 2: Коэффициенты усадки при спекании
- Таблица 3: Точность размеров и допуски
- Таблица 4: Шероховатость поверхности MIM деталей
- Таблица 5: Сравнение MIM с другими технологиями
Таблица 1: Основные материалы MIM и их свойства
| Материал | Химический состав | Плотность после спекания, г/см³ | Предел прочности, МПа | Твердость, HRC | Температура спекания, °C |
|---|---|---|---|---|---|
| 316L нержавеющая сталь | Fe-18Cr-10Ni-2Mo | 7.9-8.0 | 520-620 | 15-25 | 1360-1380 |
| 17-4PH нержавеющая сталь | Fe-17Cr-4Ni-4Cu | 7.6-7.8 | 1000-1200 | 38-45 | 1320-1340 |
| 420 нержавеющая сталь | Fe-13Cr-0.4C | 7.6-7.7 | 750-950 | 50-55 | 1320-1340 |
| Низколегированная сталь Fe-2Ni | Fe-2Ni-0.6C | 7.4-7.6 | 650-800 | 20-30 | 1120-1150 |
| Инструментальная сталь M2 | Fe-6W-5Mo-4Cr-2V | 8.1-8.3 | 1200-1400 | 60-65 | 1250-1280 |
Таблица 2: Коэффициенты усадки при спекании
| Материал | Усадка по длине, % | Усадка по ширине, % | Усадка по толщине, % | Общая объемная усадка, % | Анизотропия усадки |
|---|---|---|---|---|---|
| 316L нержавеющая сталь | 16-18 | 16-18 | 18-20 | 45-50 | Слабая |
| 17-4PH нержавеющая сталь | 17-19 | 17-19 | 19-21 | 47-52 | Умеренная |
| 420 нержавеющая сталь | 16-18 | 16-18 | 18-20 | 45-50 | Слабая |
| Низколегированная сталь Fe-2Ni | 19-21 | 19-21 | 21-23 | 52-57 | Сильная |
| Инструментальная сталь M2 | 15-17 | 15-17 | 17-19 | 42-47 | Слабая |
Таблица 3: Точность размеров и допуски
| Размер детали, мм | Стандартная точность, ±мм | Высокая точность, ±мм | Квалитет точности | Минимальная толщина стенки, мм | Отношение длины к диаметру |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.5-3 | ±0.05 | ±0.03 | IT8-IT9 | 0.3 | 8:1 |
| 3-6 | ±0.08 | ±0.05 | IT8-IT9 | 0.4 | 6:1 |
| 6-10 | ±0.10 | ±0.08 | IT9-IT10 | 0.5 | 5:1 |
| 10-18 | ±0.15 | ±0.10 | IT9-IT10 | 0.6 | 4:1 |
| 18-30 | ±0.20 | ±0.15 | IT10-IT11 | 0.8 | 3:1 |
| 30-50 | ±0.30 | ±0.20 | IT10-IT11 | 1.0 | 2:1 |
Таблица 4: Шероховатость поверхности MIM деталей
| Тип поверхности | Ra, мкм | Rz, мкм | Дополнительная обработка | Применение | Стоимость обработки |
|---|---|---|---|---|---|
| После спекания | 1.6-3.2 | 8-15 | Не требуется | Общие детали | Базовая |
| После пескоструйной обработки | 0.8-1.6 | 4-8 | Пескоструйка | Декоративные детали | +15-20% |
| После механической обработки | 0.2-0.8 | 1-4 | Токарная/фрезерная | Точные детали | +30-50% |
| После полировки | 0.05-0.2 | 0.3-1 | Полировка | Медицинские имплантаты | +50-80% |
| После электрополировки | 0.02-0.1 | 0.1-0.5 | Электрополировка | Высокоточные детали | +60-100% |
Таблица 5: Сравнение MIM с другими технологиями
| Параметр | MIM | Литье под давлением | Механическая обработка | Порошковая металлургия | 3D печать металлом |
|---|---|---|---|---|---|
| Точность размеров | ±0.3-0.5% | ±0.5-1.0% | ±0.01-0.05% | ±0.5-2.0% | ±0.1-0.3% |
| Шероховатость Ra, мкм | 1.6-3.2 | 3.2-12.5 | 0.2-1.6 | 6.3-25 | 6.3-25 |
| Плотность, % от теор. | 96-99 | 99-100 | 100 | 85-95 | 95-99 |
| Сложность геометрии | Высокая | Высокая | Ограниченная | Средняя | Очень высокая |
| Размер деталей, мм | 0.1-100 | 10-1000 | 0.01-5000 | 1-300 | 0.1-500 |
| Серийность | Средняя-высокая | Очень высокая | Любая | Высокая | Малая |
Оглавление статьи
Основные разделы:
1. Основы MIM технологии металлического литья под давлением
2. Материалы для MIM и их физико-механические свойства
3. Технологический процесс и этапы производства MIM
4. Усадка материалов при спекании и расчет размеров
5. Точность размеров, допуски и квалитеты
Основы MIM технологии металлического литья под давлением
MIM (Metal Injection Molding) представляет собой революционную технологию производства металлических деталей, которая сочетает в себе преимущества литья пластмасс под давлением и традиционной порошковой металлургии. Данная технология позволяет изготавливать сложные по геометрии металлические детали с высокой точностью и отличными механическими свойствами при серийном производстве.
Принцип работы MIM основан на использовании специального сырья - фидстока (feedstock), представляющего собой однородную смесь мелкодисперсного металлического порошка (размер частиц менее 20 микрон) и термопластичного связующего вещества. Содержание металлического порошка в фидстоке составляет 60-65% по объему, что обеспечивает высокую плотность готового изделия после спекания.
Расчет содержания металла в фидстоке:
Объемная доля металла = (V_металла / V_общий) × 100%
Где V_металла - объем металлического порошка, V_общий - общий объем фидстока
Пример: При использовании 62% металла по объему в 100 см³ фидстока содержится 62 см³ металлического порошка и 38 см³ связующего.
Технология MIM регламентируется действующими стандартами ГОСТ Р 59650-2021 "Литье под давлением полимерных материалов, высоконаполненных металлическими или керамическими порошками (PIM-технология). Термины и определения" и ГОСТ Р 59651-2021 "Изделия из сталей и сплавов, изготовленные методом литья под давлением полимерных материалов, высоконаполненных металлическими порошками (MIM-технология). Общие технические условия", утвержденными и введенными в действие в 2021 году.
Материалы для MIM и их физико-механические свойства
Выбор материала для MIM-технологии определяется требованиями к механическим свойствам готового изделия, условиями эксплуатации и экономическими факторами. Наиболее распространенными материалами являются нержавеющие стали, которые составляют более 50% от общего объема производства MIM деталей.
Нержавеющая сталь 316L является наиболее популярным материалом благодаря отличной коррозионной стойкости и биосовместимости. После спекания при температуре 1360-1380°C плотность деталей достигает 7.9-8.0 г/см³, что составляет 96-99% от теоретической плотности материала. Предел прочности составляет 520-620 МПа при относительном удлинении 35-45%.
Пример расчета механических свойств:
Для детали из стали 316L массой 10 г:
• Теоретическая плотность: 8.0 г/см³
• Достигнутая плотность: 7.9 г/см³ (98.8% от теоретической)
• Объем детали: 10 г ÷ 7.9 г/см³ = 1.27 см³
• Предел прочности: 570 МПа (типичное значение)
Сталь 17-4PH обеспечивает более высокие механические свойства благодаря дисперсионному твердению. После термообработки предел прочности может достигать 1000-1200 МПа при твердости 38-45 HRC. Эта сталь особенно востребована в аэрокосмической промышленности и производстве высоконагруженных деталей.
Технологический процесс и этапы производства MIM
Производственный цикл MIM включает четыре основных этапа: смешивание компонентов, литье под давлением, удаление связующего и спекание. Каждый этап требует строгого контроля параметров для обеспечения качества готовых изделий.
Первый этап - приготовление фидстока - осуществляется в специальных смесителях при температуре 150-180°C. Металлический порошок смешивается со связующим веществом до получения однородной массы. Качество смешивания критически важно для предотвращения дефектов в готовых деталях и обеспечения равномерной усадки при спекании.
Литье под давлением производится на модифицированных термопластавтоматах при давлении 800-1500 бар и температуре 130-200°C в зависимости от состава фидстока. Полученные "зеленые" детали имеют размеры на 17-22% больше готовых изделий с учетом последующей усадки при спекании.
Критические параметры литья:
Температура литья должна быть на 10-20°C выше температуры размягчения связующего, но не превышать температуру его разложения. Скорость впрыска составляет 20-100 мм/с, время выдержки под давлением - 5-15 секунд.
Удаление связующего (дебиндинг) происходит в два этапа: химическое извлечение растворимых компонентов в специальных растворителях и термическое удаление остатков при температуре 300-600°C в защитной атмосфере. Этот процесс может занимать от 12 до 72 часов в зависимости от размера и сложности деталей.
Усадка материалов при спекании и расчет размеров
Усадка при спекании является ключевым фактором, определяющим точность размеров MIM деталей. Величина усадки зависит от типа материала, размера частиц порошка, содержания связующего и режимов спекания. Для большинства материалов линейная усадка составляет 16-22%, что соответствует объемной усадке 45-57%.
Усадка происходит неравномерно по различным направлениям, что называется анизотропией усадки. Обычно усадка по толщине детали на 1-3% больше, чем по длине и ширине, что связано с ориентацией частиц порошка при литье под давлением.
Формула расчета размеров пресс-формы:
L_форма = L_готовая × (1 + S/100)
Где L_форма - размер полости пресс-формы, L_готовая - требуемый размер готовой детали, S - коэффициент усадки в %
Пример: Для получения детали длиной 50 мм из стали 316L (усадка 17%):
L_форма = 50 × (1 + 17/100) = 50 × 1.17 = 58.5 мм
Контроль усадки осуществляется путем тщательного подбора состава фидстока, оптимизации режимов спекания и использования компенсирующих элементов в конструкции пресс-форм. Современные системы CAD позволяют моделировать процесс усадки и корректировать размеры пресс-форм еще на стадии проектирования.
Точность размеров, допуски и квалитеты
MIM технология обеспечивает высокую точность размеров, сопоставимую с прецизионным литьем. Стандартная точность составляет ±0.3-0.5% от номинального размера, что соответствует квалитетам IT8-IT11 по ГОСТ 25346-2013. Для особо ответственных деталей может быть достигнута точность ±0.1-0.3%.
Точность зависит от нескольких факторов: размера детали, сложности геометрии, свойств материала и качества пресс-формы. Наибольшая точность достигается для деталей размером до 10 мм, где возможно обеспечить допуски ±0.05-0.10 мм.
Практический пример расчета допусков:
Для втулки диаметром 20 мм из стали 17-4PH:
• Стандартная точность: ±0.3% = ±0.06 мм
• Размер с допуском: 20 ±0.06 мм
• Квалитет: IT9 (для диаметра 20 мм допуск составляет 0.052 мм по ГОСТ)
• Возможность механической доводки для достижения IT7-IT8
Для деталей, требующих повышенной точности, применяется последующая механическая обработка ключевых поверхностей. Это позволяет достичь квалитетов IT6-IT7 при экономически оправданном увеличении стоимости на 20-40%.
Шероховатость поверхности и методы улучшения
Шероховатость поверхности MIM деталей после спекания составляет Ra 1.6-3.2 мкм, что соответствует параметрам Rz 8-15 мкм. Эти показатели значительно лучше, чем у традиционной порошковой металлургии, но требуют дополнительной обработки для получения высококачественных поверхностей.
Качество поверхности определяется размером частиц исходного порошка, качеством пресс-формы и режимами спекания. Использование более мелкого порошка (менее 10 микрон) позволяет снизить шероховатость до Ra 0.8-1.6 мкм без дополнительной обработки.
Для улучшения качества поверхности применяются различные методы постобработки. Пескоструйная обработка позволяет получить равномерную матовую поверхность с Ra 0.8-1.6 мкм. Механическая обработка (токарная, фрезерная) обеспечивает Ra 0.2-0.8 мкм, а полировка - до Ra 0.05-0.2 мкм.
Рекомендации по выбору метода обработки:
• Общие детали: без дополнительной обработки (Ra 1.6-3.2 мкм)
• Декоративные элементы: пескоструйка (Ra 0.8-1.6 мкм)
• Точные сопряжения: механическая обработка (Ra 0.2-0.8 мкм)
• Медицинские изделия: полировка (Ra 0.05-0.2 мкм)
Преимущества, ограничения и области применения
MIM технология имеет ряд существенных преимуществ перед традиционными методами производства металлических деталей. Основными преимуществами являются возможность изготовления деталей сложной геометрии, высокая производительность при серийном производстве, отличная повторяемость размеров и минимальные отходы материала.
Технология особенно эффективна для производства небольших деталей массой от 0.1 до 100 граммов со сложной внутренней геометрией, которую невозможно получить механической обработкой. MIM позволяет за один цикл формовать детали с тонкими стенками (от 0.3 мм), внутренними каналами, зубчатыми профилями и другими сложными элементами.
Основными ограничениями технологии являются высокие первоначальные затраты на оснастку, необходимость больших объемов производства для экономической эффективности (обычно более 10000 штук в год) и ограничения по размерам деталей. Максимальные размеры обычно не превышают 100×50×25 мм.
Области применения MIM технологии:
Автомобильная промышленность: детали топливных систем, компоненты коробок передач, элементы систем впрыска
Медицина: хирургические инструменты, ортопедические имплантаты, стоматологические изделия
Электроника: корпуса разъемов, экранирующие элементы, детали мобильных устройств
Оружейная промышленность: спусковые механизмы, детали затворов, компоненты прицельных устройств
Экономическая эффективность MIM достигается при производстве от 10000 до нескольких миллионов деталей в год. При меньших объемах более выгодными могут быть альтернативные технологии, такие как механическая обработка или 3D печать металлом.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
MIM (Metal Injection Molding) - это технология литья металлов под давлением, которая сочетает гибкость литья пластмасс с прочностью металлов. Процесс включает смешивание мелкого металлического порошка со связующим веществом, литье под давлением в пресс-форме, удаление связующего и высокотемпературное спекание для получения плотной металлической детали.
Стандартная точность MIM составляет ±0.3-0.5% от номинального размера, что соответствует квалитетам IT8-IT11. Для деталей размером до 10 мм можно достичь точности ±0.05-0.10 мм. При необходимости более высокой точности применяется дополнительная механическая обработка.
Основные материалы: нержавеющие стали (316L, 17-4PH, 420), низколегированные стали, инструментальные стали, титановые сплавы, сплавы на основе кобальта. Нержавеющая сталь 316L составляет более 50% всех MIM применений благодаря отличной коррозионной стойкости и биосовместимости.
Линейная усадка составляет 16-22% в зависимости от материала. Объемная усадка достигает 45-57%. Усадка неравномерна: по толщине обычно на 1-3% больше, чем по длине и ширине. Эти параметры учитываются при проектировании пресс-форм.
После спекания шероховатость составляет Ra 1.6-3.2 мкм. Для улучшения качества поверхности применяются: пескоструйная обработка (Ra 0.8-1.6 мкм), механическая обработка (Ra 0.2-0.8 мкм), полировка (Ra 0.05-0.2 мкм), электрополировка (Ra 0.02-0.1 мкм).
MIM становится экономически выгодной при объемах от 10000 деталей в год и более. Оптимальные объемы: 50000-1000000 деталей в год. При меньших объемах более выгодными могут быть механическая обработка или 3D печать металлом.
Основные ограничения: максимальный размер деталей обычно 100×50×25 мм, минимальная толщина стенки 0.3 мм, высокая стоимость оснастки, необходимость больших объемов производства, ограниченный выбор материалов по сравнению с механической обработкой.
Основные области применения: автомобилестроение (детали двигателей, трансмиссии), медицина (хирургические инструменты, имплантаты), электроника (корпуса, разъемы), оружейная промышленность (спусковые механизмы), аэрокосмическая промышленность (точные детали).
Формула: L_форма = L_готовая × (1 + S/100), где S - коэффициент усадки в процентах. Например, для детали 50 мм из стали 316L (усадка 17%): L_форма = 50 × 1.17 = 58.5 мм. Необходимо учитывать анизотропию усадки по разным направлениям.
Температура спекания зависит от материала: 316L - 1360-1380°C, 17-4PH - 1320-1340°C, низколегированные стали - 1120-1150°C. Спекание проводится в защитной атмосфере (вакуум, водород, аргон) для предотвращения окисления и обеспечения требуемых свойств.
Важное примечание:
Данная статья носит ознакомительный характер и предназначена для изучения технических аспектов MIM технологии. Конкретные параметры процесса, свойства материалов и технические характеристики могут отличаться в зависимости от производителя оборудования, поставщика сырья и условий производства.
Источники информации:
1. ГОСТ Р 59650-2021 "Литьё под давлением полимерных материалов, высоконаполненных металлическими или керамическими порошками (PIM-технология). Термины и определения"
2. ГОСТ Р 59651-2021 "Изделия из сталей и сплавов, изготовленные методом литья под давлением полимерных материалов, высоконаполненных металлическими порошками (MIM-технология), общие технические условия"
3. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований - статьи по MIM технологии в медицине
4. Технические данные производителей MIM оборудования и материалов (2024-2025 гг.)
5. ГОСТ 25346-2013 "Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Система допусков на линейные размеры"
6. ГОСТ 30893.1-2002 "Основные нормы взаимозаменяемости. Общие допуски"
7. Актуальные исследования в области порошковой металлургии и спекания металлов (2025 г.)
Отказ от ответственности:
Автор не несет ответственности за любые прямые или косвенные потери, которые могут возникнуть в результате использования информации, представленной в данной статье. Перед применением MIM технологии в производстве необходимо провести собственные исследования, испытания и консультации с квалифицированными специалистами.
Все технические параметры, приведенные в таблицах, основаны на открытых источниках и могут варьироваться в зависимости от конкретных условий производства. Рекомендуется проведение опытно-промышленных испытаний перед внедрением технологии в серийное производство.
