MIM: инжекционное формование порошков

Как полимерная смесь становится металлом

MIM, или инжекционное формование металлических порошков, сочетает заполнение формы текучей смесью и последующее спекание металлического скелета. Feedstock содержит мелкий порошок и систему связующего. Связующее обеспечивает формуемость, но не должно оставаться в готовой детали в исходном количестве. Основные стадии — подготовка смеси, формование, удаление связующего и спекание — нужно различать и по геометрии, и по массе.

«Зелёная» деталь после формования содержит металл и связующее. После удаления основной части связующего получается хрупкая промежуточная заготовка с каналами для выхода продуктов разложения; остаточная удерживающая составляющая зависит от системы feedstock. Во время спекания металлические частицы образуют прочные связи и уплотняются. Поверхность и размеры в результате зависят не только от формы, но и от однородности смеси и условий последующих стадий.

Масса и плотность: три разных понятия

Плотность металлического материала без пор ρ₀ отличается от фактической плотности спечённой детали ρs. Относительная конечная плотность Ds = ρs/ρ₀ — безразмерная доля. Объёмная доля металла в исходной формованной смеси φm — ещё одна величина: она описывает, сколько объёма зелёной заготовки занимает металлическая фаза. Общая плотность смеси включает связующее и не равна φmρ₀.

При сохранении металлической массы, неизменном составе металлических фаз и одинаковой базовой температуре сравнения справедливо Vs/Vg = φm/Ds. При изотропной усадке отношение линейных размеров Ls/Lg = (φm/Ds)^(1/3). Это модель объёмного баланса металла, а не баланс полной массы от зелёной детали до готовой. Удаление связующего уменьшает общую массу, поэтому формулу постоянной массы через полные плотности этих двух состояний применять нельзя.

Условный пример усадки

Зададим Vg = 10,00 см³, φm = 0,60, ρ₀ = 7,80 г/см³ и плотность связующего 1,00 г/см³. Объём металла составляет 6,00 см³, его масса — 46,80 г. Связующее занимает 4,00 см³ и весит 4,00 г. Общая зелёная масса равна 50,80 г, а плотность смеси — 5,08 г/см³.

При полном удалении связующего и сохранении металла конечная масса равна 46,80 г. Для условной конечной относительной плотности Ds = 0,97 фактическая плотность ρs = 7,566 г/см³ и объём Vs = 46,80/7,566 = 6,1856 см³. Линейный коэффициент равен (0,60/0,97)^(1/3) ≈ 0,8520: изотропная усадка составляет около 14,80%. Размер 20,00 мм уменьшился бы примерно до 17,04 мм.

Расчётный коэффициент увеличения исходного размера составляет около 1,174. Он не равен прибавлению процента усадки к готовому размеру. Реальная формованная деталь может уже отличаться от полости формы из-за усадки при охлаждении. Производитель BASF описывает увеличение размеров через Oversizing Factor; фактический коэффициент выбирают для конкретного feedstock и геометрии.

Когда модель требует уточнения

Неодинаковая толщина стенок, разделение порошка и связующего при течении, линии соединения потоков и особенности опоры при спекании приводят к короблению и неодинаковой усадке. Поэтому объёмный баланс служит предварительной проверкой, а не заменой измерения трёх направлений. Изменение состава, окисление или остатки связующего требуют отдельного учёта массы и теоретической плотности.

Для сложной детали проверяют заполнение тонких участков, массу после каждой стадии, трещины после удаления связующего и размеры после спекания. Окончательная приёмка включает химический состав, плотность и свойства, требуемые назначением. Хорошее воспроизведение формы без подтверждённой структуры ещё не означает получения требуемого металлического материала.

Параметры и их смысл

Таблицу можно прокручивать по горизонтали →

Первичные источники

• BASF — MIM Process
• BASF — Catamold