Ép phun kim loại là gì?

Đúc phun kim loại là một dạng đúc phun chuyên biệt trong đó bột kim loại kết hợp với chất kết dính để tạo thành nguyên liệu đầu vào được phun vào khuôn dưới áp suất để tạo thành các vật thể rắn. Các vật thể này sau đó được xử lý để loại bỏ chất kết dính và gia cố các bộ phận kim loại thông qua các quy trình như thiêu kết.

Khả năng làm việc với kim loại của MIM cho phép các thành phần của nó vượt trội hơn nhựa về các đặc tính quan trọng như độ bền và độ cứng.

Đối với sản xuất khối lượng lớn các bộ phận có trọng lượng dưới 100 gram , đúc phun kim loại thường khả thi hơn các quy trình như gia công, đúc mẫu chảy và dập. Phương pháp này cho phép đạt được mật độ cao lên đến 99%, độ hoàn thiện bề mặt tuyệt vời và tạo ra các hình học phức tạp. Ngoài ra, nó còn có các tính năng như ren ngoài và ren trong, thành mỏng (nhỏ tới 100 micromet), lỗ định hình và các dấu hiệu tinh xảo.

Tuy nhiên, nó cũng đi kèm với một số hạn chế nhất định, bao gồm đầu tư ban đầu cao và hạn chế về kích thước bộ phận. Trước khi đi sâu vào những khía cạnh đó, trước tiên chúng ta hãy so sánh nó với một quy trình tương tự khác: đúc khuôn.

Đúc phun kim loại so với đúc khuôn

Đúc phun kim loại và đúc khuôn có một số điểm tương đồng nhưng cũng khác nhau ở một số khía cạnh chính. Cả hai quy trình đều liên quan đến việc phun nguyên liệu lỏng vào khuôn, sau đó là quá trình đông đặc. Tuy nhiên, trong MIM, nguyên liệu bao gồm bột kim loại kết hợp với các chất kết dính như sáp và polypropylen, trong khi đúc khuôn sử dụng kim loại nóng chảy.

Trong cả hai phương pháp, áp suất cao được sử dụng để phun vật liệu vào khuôn. Tuy nhiên, MIM cung cấp một số lợi thế, bao gồm độ chính xác cao hơn, dung sai chặt chẽ hơn, độ hoàn thiện bề mặt vượt trội, ít hạn chế về thiết kế hơn, tỷ lệ phế liệu thấp hơn và xử lý hậu kỳ tối thiểu. Ngoài ra, MIM hỗ trợ cả kim loại đen và kim loại màu , trong khi đúc khuôn thường chỉ giới hạn ở hợp kim màu.

Mặt khác, đúc khuôn có những điểm mạnh riêng. Nhìn chung, nó phù hợp hơn và tiết kiệm chi phí hơn đối với các thành phần lớn hơn, tuổi thọ khuôn dài hơn và trong một số trường hợp, cho phép khuôn được đổ đầy dưới trọng lực. Nó cũng có thể nhanh hơn MIM trong các tình huống cụ thể, vì MIM yêu cầu các bước bổ sung, chẳng hạn như loại bỏ chất kết dính, trước khi sản xuất bộ phận cuối cùng.

Ứng dụng MIM

Hầu hết các kim loại có thể được nghiền thành bột, sau đó có thể được sử dụng trong quá trình đúc phun kim loại (MIM). Do đó, MIM phù hợp với nhiều loại kim loại. Nó đặc biệt hiệu quả để sản xuất các bộ phận nhỏ (thường dưới 100 gam) dành cho sản xuất khối lượng lớn. Thép không gỉ là một trong những kim loại được sử dụng phổ biến nhất trong quá trình này.

MIM cũng rất hiệu quả trong việc chế tạo các thành phần từ các vật liệu đắt tiền và chuyên dụng như cacbua vonfram, coban-crom và hợp kim titan. Các ứng dụng phổ biến của khuôn Ép phun kim loại trong nhiều lĩnh vực bao gồm:

• Ô tô – Trong ngành công nghiệp ô tô, MIM được sử dụng để sản xuất các linh kiện chính xác như cánh tăng áp, tay đòn, vòi phun, cần số và nhiều phụ kiện, đầu nối khác nhau.
• Hàng không vũ trụ – Các ứng dụng hàng không vũ trụ thường yêu cầu các loại kim loại và hợp kim chuyên dụng khó có thể xử lý bằng các phương pháp thông thường. MIM được sử dụng để sản xuất các bộ phận động cơ quan trọng, bao gồm cánh tua bin, vòi phun và buồng đốt. Nó cũng được sử dụng cho các thành phần khung máy bay và thiết bị điện tử hàng không như chốt, bản lề, bộ truyền động, đầu nối, công tắc và cảm biến.
• Nông nghiệp – MIM đã có chỗ đứng trong lĩnh vực nông nghiệp thông qua các bộ phận như bánh răng , ổ trục và ống lót được sử dụng trong các thiết bị như máy kéo. Nó cũng được ứng dụng trong các dụng cụ bao gồm vòi phun, van, khớp nối, răng bừa, mũi cày và lưỡi cày.
• Thiết bị y tế – MIM có khả năng sản xuất các dụng cụ phẫu thuật, cấy ghép và thiết bị chẩn đoán chính xác cho lĩnh vực y tế.
• Sản phẩm tiêu dùng – Quy trình này cũng được sử dụng để sản xuất các sản phẩm tiêu dùng có độ bền cao và tính thẩm mỹ cao, bao gồm điện thoại di động, đồng hồ, bản lề máy tính xách tay và đồ gia dụng.

Các bước của quy trình

Ép phun kim loại

Giai đoạn đầu của quá trình đúc phun kim loại (MIM) rất giống với quá trình đúc phun nhựa nhưng bao gồm các bước bổ sung để loại bỏ tạp chất và cải thiện chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Toàn bộ quá trình MIM thường được chia thành năm giai đoạn riêng biệt:

1. Trộn nguyên liệu

Bột kim loại mịn được trộn với chất kết dính polyme, chẳng hạn như sáp hoặc polypropylene, để đạt được độ đồng nhất. Hỗn hợp này thường được tạo thành dạng hạt giống như những viên được sử dụng trong quá trình đúc phun nhựa thông thường, đảm bảo dòng chảy đồng nhất trong quá trình đúc. Các biện pháp kiểm soát bổ sung được áp dụng để bảo toàn các đặc tính và tính toàn vẹn của bột kim loại trong suốt giai đoạn này.

2. Đúc

Nguyên liệu dạng hạt được đưa vào phễu và vận chuyển đến bộ phận phun, tại đó nguyên liệu được làm nóng chảy và nén bằng các bộ phận gia nhiệt và trục vít chuyển động qua lại. Sau đó, vật liệu nóng chảy được phun vào khoang khuôn. Thành phần đúc, được gọi là “phần xanh”, nguội và đông cứng bên trong khuôn trước khi được đẩy ra.

Tại thời điểm này, phần màu xanh lá cây là một khối rắn được tạo thành từ cả bột kim loại và chất kết dính. Quá trình này có thể được điều chỉnh để lấp đầy nhiều khoang trong một chu kỳ duy nhất để tăng hiệu quả sản xuất.

3. Tháo rời

Ở giai đoạn này, chất kết dính được loại bỏ khỏi phần xanh bằng các quy trình nhiệt, hóa học hoặc xúc tác hoặc kết hợp cả hai. Khi chất kết dính bị loại bỏ, thành phần trở nên xốp. Vì chất kết dính thường chiếm 30–45% thể tích của phần xanh , nên dự kiến sẽ có mức độ xốp tương đương sau khi loại bỏ liên kết.

4. Thiêu kết

Để loại bỏ độ xốp và tăng cường độ bền cho bộ phận, thành phần được thiêu kết. Trong giai đoạn này, nó được nung nóng đến gần điểm nóng chảy của nó —ví dụ, thép không gỉ (điểm nóng chảy 1.530 °C / 2.786 °F) thường được thiêu kết ở khoảng 1.350–1.400 °C (2.462–2.552 °F), tùy thuộc vào hợp kim.

Nhiệt độ cao khiến các hạt kim loại khuếch tán qua ranh giới của chúng, làm đặc bộ phận. Một số biến thể của quy trình áp dụng áp suất cơ học trong quá trình thiêu kết để tăng cường thêm độ đặc.

Các bộ phận MIM thiêu kết thường đạt mật độ 96–99% và thể hiện các tính chất cơ học tương đương với vật liệu rèn được sản xuất thông qua gia công kim loại thông thường. Tuy nhiên, thiêu kết cũng gây ra co ngót, làm cho các bộ phận nhỏ hơn đáng kể so với kích thước “xanh” ban đầu của chúng. Sự co ngót này được tính đến trong giai đoạn thiết kế khuôn để đảm bảo độ chính xác về kích thước.

5. Xử lý thứ cấp

Sau khi thiêu kết, các thành phần MIM có thể được cải tiến hơn nữa thông qua các phương pháp xử lý nhiệt và hậu xử lý tiêu chuẩn —tương tự như các phương pháp được sử dụng cho các bộ phận kim loại được sản xuất theo cách truyền thống. Các phương pháp này có thể bao gồm ủ , thấm cacbon, thấm nitơ, mạ, thụ động hóa và làm cứng kết tủa, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng.

Ưu điểm của ép phun kim loại

Đúc phun kim loại (MIM) đã tạo ra một vị trí thích hợp trong sản xuất bằng cách cho phép sản xuất các thành phần có độ bền cao với chi phí hiệu quả bằng cách sử dụng nhiều loại kim loại. Dưới đây là những lợi thế chính của nó:

1. Mật độ cao với bề mặt nhẵn mịn – Các bộ phận MIM có thể đạt mật độ lên tới 99%. Độ nhám bề mặt có thể được giảm thiểu xuống dưới 1 micromet Ra.
2. Tính chất cơ học tuyệt vời – Các thành phần MIM có các đặc tính cơ học vượt trội, bao gồm độ bền và độ bền cao, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe và quan trọng về an toàn.
3. Hình học phức tạp & các tính năng tinh tế – MIM cho phép sản xuất các bộ phận kim loại phức tạp thường không thể đạt được thông qua các phương pháp thông thường. Nó hỗ trợ các tính năng chi tiết như lỗ định hình, thành mỏng, ren ngoài và ren trong, cũng như kết cấu bề mặt như khía , khắc và đánh dấu . Việc tạo ren bên trong sau khi đúc vẫn chính xác hơn và tiết kiệm chi phí hơn so với sử dụng lõi tháo vít. Quy trình này cũng cho phép dễ dàng dập nổi hoặc dập chìm các chi tiết tinh tế, bao gồm mã sản phẩm, số sê-ri và tem ngày.
4. Hỗ trợ nhiều loại kim loại – MIM là một quy trình cực kỳ linh hoạt, có thể sử dụng cả kim loại thông thường và chuyên dụng, bao gồm các vật liệu như cacbua vonfram. Tính linh hoạt này cho phép các nhà sản xuất tùy chỉnh các thành phần theo nhu cầu cụ thể như độ bền, khả năng chống mài mòn, độ bền và khả năng chống ăn mòn .
5. Giảm thời gian chờ – MIM tích hợp nhiều hoạt động vào một quy trình làm việc duy nhất, giảm thời gian chờ sản xuất. Ngoài ra, sự thay đổi giữa các bộ phận là tối thiểu.
6. Lượng phế liệu thấp, hiệu quả vật liệu cao – MIM tạo ra ít chất thải vật liệu hơn đáng kể so với các phương pháp truyền thống như đúc hoặc gia công. Hiệu quả vật liệu cao của nó định vị nó là một giải pháp sản xuất xanh và bền vững.

Nhược điểm của ép phun kim loại

Mặc dù đúc phun kim loại có nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng có những hạn chế có thể khiến nó không phù hợp trong một số bối cảnh nhất định. Điều quan trọng là phải hiểu những hạn chế này khi xem xét MIM như một phương pháp sản xuất:

1. Chi phí đầu tư ban đầu cao – MIM liên quan đến chi phí thiết lập và dụng cụ cao, khiến nó kém hiệu quả về mặt chi phí đối với sản xuất khối lượng thấp. Trong những trường hợp như vậy, các phương pháp thay thế như phay CNC hoặc tiện có thể phù hợp hơn.
2. Giới hạn về kích thước và trọng lượng – Quy trình này phù hợp nhất với các thành phần nhỏ—thường dưới 100 gram. MIM không hiệu quả để sản xuất các thành phần lớn hơn.
3. Co ngót chi tiết – Như đã lưu ý trước đó, các chi tiết MIM co ngót trong giai đoạn thiêu kết. Tuy nhiên, sự co ngót này có thể dự đoán được và có thể được bù đắp trong giai đoạn thiết kế khuôn để đảm bảo độ chính xác về kích thước trong sản phẩm cuối cùng.

Phần kết luận

Đúc phun kim loại (MIM) đã thay đổi cách các nhà sản xuất sản xuất các thành phần nhỏ, bền bỉ trong nhiều ứng dụng khác nhau. Bằng cách kết hợp tính linh hoạt trong thiết kế của đúc phun nhựa với sức mạnh của các kỹ thuật gia công kim loại thông thường , MIM cung cấp giải pháp sản xuất chính xác và hiệu quả cao.

Khả năng xử lý nhiều loại kim loại , bao gồm titan, cacbua vonfram và hợp kim thép không gỉ, khiến nó phù hợp với nhiều ngành công nghiệp khác nhau, từ hàng không vũ trụ và ô tô đến hàng tiêu dùng.

Bên cạnh những khả năng này, MIM còn mang lại những lợi thế quan trọng khác, chẳng hạn như độ hoàn thiện bề mặt tuyệt vời, khả năng tương thích mạnh mẽ với sản xuất hàng loạt và hiệu quả vật liệu đặc biệt. Những phẩm chất này định vị MIM là một phương pháp riêng biệt và có giá trị trong sản xuất hiện đại. Khi các quy trình và vật liệu tiếp tục phát triển, MIM được kỳ vọng sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong kỹ thuật và sản xuất hiệu suất cao trên toàn thế giới.