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cnpim POSTED ON 2018-4-17 23:45

免费资料~金属粉末注射成形技术在汽车零件上的应用

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--整理:CNPIM David--转载请注明来源!


       作者:乔 斌 1,2, 曹振伟 3, 孙 伟 1, 付 杰 3, 尚 峰 1,2

1. 淮海工学院 机械工程学院, 江苏 连云港 222005; 2. 徐州工程学院 江苏省大型工程装备检测与控制重点建设实验室, 江苏 徐州 221111;

3. 中国矿业大学 机电工程学院, 江苏 徐州 221116)

摘 要:金属粉末注射成形是一门新型近净成形技术,适用于制造体积小、结构复杂的零件。 本文介绍了金属粉末注射成形工艺及特点,重点阐述了金属粉末注射成形在汽车上的应用,对其前景进行了展望。

关键词:金属粉末注射成形; 工艺; 汽车零件; 发展

DOI: 10.14158/j. cnki. 1001-3814. 2016.21. 003

中图分类号:TG249.9 文献标识码:A 文章号:1001-3814(2016)21-0010-04

发表于:《热加工工艺》 2016 年 11 月 第 45 卷 第 21 期

Application of metal Powder Injection Molding in Automotive Parts

QIAO Bin1,2, CAO Zhenwei3, SUN Wei1, FU Jie3, SHANG Feng1,2

1. School of Mechanical Engineering,Huaihai Institute of Technology,Lianyungang 222005, China; 2. Jiangsu KeyLaboratory of Large Engineering Equipment Detection and Control, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221111, China;3. School of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)Abstract:metal powder injection molding is a new net shaping technology, which is suitable for manufacturing partswith small volume and complex structure. The process and characteristics of metal powder injection molding were introduced.The application of metal powder injection molding in automobile was emphatically expounded. And the procspect wasprospected.Key words:metal powder injection molding; process; automobile parts; development。

金 属 粉 末 注 射 成 形 (metal Injection Molding,MIM) 是由专门从事 MIM 技术的研究和产品研发的美国加州 Parmatech 公司于 1973 年发明的,此技术当时外界知之甚少。 由于最初的研究工作都在少数几家公司中进行,彼此技术保密,而且由于粉末成本高、 脱脂时间长、 产品易变形等问题一直都没解决,其发展一度处于停滞状态。

到了 20 世纪 80 年代初期,因美国政府的引导加快了 MIM 技术的发展。经过随后几十年的发展,由于粉末产出率大大提高、合理的粘结剂设计、 先进的脱脂方法的出现,MIM技术得到了快速的发展[1]。

由于 MIM 是一种近净成形工艺,不仅能得到致密度高、力学性能良好、表面粗糙度小的零件,而且还能大批量、高效率地生产结构复杂的零件,一般不需要继续精加工,零件成本降低,促进了汽车轻量化发展,减少了环境污染,因而引起了汽车行业的重视。自从 20 世纪 90 年代初期,MIM 零件进入汽车市场,经过近 20 多年的发展,汽车用 MIM 零件的生产厂家越来越多[2]。

据金属注射成形协会最近的调查表明, 按照出货的质量分数细分 ,轻武器占 42.3%,医疗 、牙科占 14.0%,汽车占13.0% , 电 子 仪 器 / 电 信 占 10.0% , 一 般 工 业 占16.0%,国防、航空航天占 1.0%,其他占 3.7%[3]。

MIM技术作为粉末冶金领域的先进技术正在逐步取代传统的机加工技术,更多地运用在汽车零部件生产上。

本文简要介 绍了 MIM 的工艺 过程及技术 特点, 同时着重介绍了 MIM 在汽车零件上的典型应用,主要包括动力传输零件、涡轮增压器、燃油喷油器、安全气囊传感器嵌入件、压力传感器、电动门锁组合零件等 MIM 零件,并对 MIM 技术在汽车上的应用进行了展望,为 MIM 技术更广泛应用提供参考。

1 MIM 工艺及技术特点

1.1 MIM 工艺过程MIM 技术包含四个主要工艺过程:①粉末和粘结剂混炼、制粒;②注塑机注射成形;③选取恰当的脱脂工艺脱脂;④烧结零件使其致密化 [4]。

图 1 为MIM 工艺流程图。

1.2 MIM 工艺特点

MIM 是融合了塑料注射成形工艺、 高分子学、粉末冶金工艺和金属材料学的一门新型金属零件近净成形技术。 它不仅继承了传统粉末冶金和塑料注射成形的优势, 而且突破了传统金属粉末模压成形在零件形状上的限制。可快速制造体积小、形状复杂的利用传统方法无法加工或难加工的零件[5]。

几乎所有的材料均可以采用 MIM 工艺生产,MIM 技术不仅具有工艺简单、成本低、无切削或少切削、经济效益高等优点, 而且克服了传统粉末冶金、 切削加工、熔模铸造的诸多缺点,表 1 为 MIM 工艺与其它三种生产工艺的比较结果。

2 MIM 零件在汽车上的应用

MIM 技术与传统 加工方法相 比 ,MIM 零 件 具有高精度、高强度、高形状复杂度、材料多样化、成本低等特点, 因而 MIM 技术在汽车上得到了广泛的应用。 目前应用在汽车上的 MIM 零件一般都是铁基材料,主要有 Fe-Ni 合金钢、Fe-0.4C-1Cr-0.75Mn-0.2Mo合金钢、 预合金化的 Cr-Mo-C 钢、Ni-Cr-Mo-C 钢、316L、17-4PH、400 系 列 、HK 系 列 不 锈 钢 、Inconel713C 镍基耐热高温合金钢[7]。

2.1 涡轮增压器

涡轮增压器主要由涡轮、泵轮、转子、叶轮等组成, 利用发动机排出的高压废气产生的惯性力驱动泵轮转动,通过转子带动涡轮旋转,使发动机进气压力增加。

近年来涡轮增压器 MIM 零部件的研发和生产成为科研工作关注的重点, 同时涡轮增压器也是 MIM 制造的标志性零件之一。 其结构异常复杂、工作环境恶劣、精度要求高,然而其他加工方法成本较高、精度不易控制。 涡轮增压器零部件主要是由镍基超高温合金、钛合金等材料组成,以前采用传统的粉末冶金技术加工[8-9]。

德国的 BASF 公司在 MIM涡轮增压器零部件上做出了很大的贡献,BASF 公司使用独特的 Catamold 工艺制造出 MIM 涡轮增压器零部件。 并在室温下对 MIM 零件和精密铸造样品的机械强度进行了对比,结果如表 2 所示。这证明了采用 Catamold 工艺可以获得优异的材料性能[10]。

在国内,北京科技大学曲选辉等[11]以氩气雾化 K418合金粉末为原料, 添加自主设计的多组元石蜡基粘结剂, 并采用注射成形技术制备出复杂形状增压涡轮, 通过后续热等静压和热处理工艺优化制备出致密、组织成分均匀、力学性能优异、外形轮廓符合使用要求、表面光洁度良好的增压涡轮。突破了复杂形状增压涡轮模具结构设计、注射成形工艺参数优化、烧结致密化与尺寸精度控制等关键技术难点, 综合力学性能较铸造涡轮显著提升。

2.2 喷油器

在汽车上许多小型精密组合零件均可以用MIM工艺制造。 制造组合零件一般通过锻造、精密铸造等方法,制造的零件成本高、精度低,达不到较好的经济效益。 采用 MIM 工艺制造时,可以提高生产效率、提高精度、节约材料、减少工序、降低成本。

汽车发动机上的电控汽油喷油器由 20 多个零件组成,其中铁芯、衔铁、导磁片、导向体等零部件构成喷油器的磁路结构, 这些部件都是由软磁合金材料制造的。

通过 MIM 技术用铁基纳米晶软磁粉制造的零部件 , 与传统的汽油喷油器相比较 ,MIM 技术制造的喷油器综合性能得到改善[12]。

印度-美国 MIM 技术有限公司使用 MIM 研发制造了汽油直接喷射泵的 4 个组件, 组件材料为 440C 不锈钢, 密度 ρ>7.65 g/cm3,σbmax 为 480MPa,σs 为 150MPa,δ 为 45%,洛氏硬度最大为 100 HRB,不仅制造费用减少近 35%, 泵的性能提高, 燃油节省近10%~20%[13]。

表 3 为不同材料、工艺制造的喷油器零部件性能比较。

直接供油喷油器组件的 440C 不锈钢 MIM 密封支座。 这是一个带有多角度的沟槽和顶部孔的复杂结构零件, 用 MIM 制造的密封支座具有接近最终形的结构形状 ,ρ 在 7.54~7.65 g/cm3,σb 为1600MPa,σs 为 1400MPa。 MIM 工艺比其他的生产工艺在成本上节约近 30%~40%[14]。 同时用于 V-8 缸发动机上冷却活塞喷嘴也是用 MIM 制造[15-16]。

2.3 传感器

随着科技的进步, 应用在汽车上的传感器种类和功能趋向于多元化、智能化、小型化发展。 根据应用区域不同,传感器壳被用于发动机、底盘、车身、导航等系统[17]。

发动机、底盘、车身、导航等系统上很多传感器都已经应用 MIM 工艺制造, 例如压力传感器组件、安全气囊传感器嵌入件、氧传感器、转向传感器、巡航控制传感器座、传感器外壳等[18-19]。

由美国 -印度注射成形技术私营有限公司使用MIM 工艺开发的传感元件、带有螺纹的端口、支承环、 传感器工具包用于测量乘用车发动机每缸的穿气燃油混合物的进口压力的压力传感器, 这些零件都是由 17-4PH 不锈钢制造的。 热处理后,σs 为 1103MPa,σbmax 为 1228MPa,δ 为 7%, 硬度在 35~40 HRC 之间的零件成形接近最终形状[20] 。

安全气囊是汽车在遇到突发事故时, 保护驾驶人员生命的一种措施,可分为:机械式和电子式。

机械式依靠惯性球冲击撞针引发, 电子式依靠敏感元件触发。 安全气囊由 D 形轴、嵌入接片、点火销组成,均是由 MIM17-4PH 不锈钢制造[21],热处理后,σb为 1170MPa,σs 为 1100MPa,硬度达到 38~41HRC之间,δ 为 7.0%,密度在 7.60~7.68g/cm3 之间。 零件的尺寸精度、刚度、强度、耐磨性均满足使用要求。

MIM 工艺与精密铸造工艺相比较,其具有表面粗糙度好,抗拉强度高,可实现零件组合,减少零件数量,降低成本,提高效益等优势。

表 4 为 MIM 零件可达到的一般尺寸公差。除上述零件外,汽车上的点火钥匙、发动机摇臂零件、转向装置 U 型夹、倒档同步器、气门顶杆、活塞环、燃烧室盖、轿车固定器等均采用 MIM 工艺制造[22-27]。

3 MIM 技术在汽车上的应用前景

随着科技的进步,汽车发展的主要方向是节能、环保、舒适、智能化和轻量化,MIM 汽车产品在汽车上的应用前景巨大。

利用 MIM 技术,可以将微小的汽车零件设计成为一个整体或多个组件,运用 MIM工艺一次注射成形,使得零件在满足性能的前提下,达到微型、集成、低成本等特点。 同时可制造零件带有外部切槽、外螺纹、交叉孔、盲孔、加强筋板、凹槽与键销等复杂形状[28]。

例如印度-美国金属注射成形技术有限公司采用 MIM 制造了控制汽车后门失灵的正齿轮, 昆山麦格纳汽车系统有限公司(MagnaClosures) 正在使用这种新产品, 现在印度-美国MIM 有限公司每年供应市场 720000 个此种零件 ,比使用粉末冶金方法节约费用 30%[13]。 同时公司利用 MIM 技术研发生产的一种燃料控制装置扇形齿轮,每年向 Bosch 公司提供近 300 万个此种零件[20]。

MIM 技术的应用对汽车零件的轻量化、节能化、功能集成化、低成本化等方面起到了不可估量的作用,MIM 技术在汽车上的应用市场前景十分广阔。

CNPIM备注:文章来源: 粉末冶金材料科学与工程第23卷第1期 ,2018年2月,仅供学习参考用;转发请注明作者及来源;如有侵权,请联系本站删除。如需论文全文,请前往相关期刊网站下载(如知网,万方),或在文本最下方留言。

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