星期一, 5月 16

    MIM风云 (4)点匠录:脱脂与烧结

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    ■邱耀弘博士

    前言

    再来这篇,就提到了粉末制程的最后关键,当产品生坯 完成了几何造型确定,便要进行固体化的步骤,必须确 实脱除制程辅助的粘结剂以避免爆裂和残留碳的脱脂 程序,以及高温方式烧结脱脂后的低密度棕坯(Brown part)转化成高密度的银坯(Silver part or sintered part) 。过去,在传统粉末冶金和最新的3D打印倚激光烧结 的方式都是采用一步式(One step)的作法,这样的方式 显然效率式不高的,一旦出现异常,整个制程白费力气, 大  量的不良品造成公司损失是很可观的。因此,把脱脂 (第一步催化或是萃取脱脂)和烧结(第二步热脱脂+烧 结)分开成为二步法,已经成为现今PIM技术的主流, 甚至更新的作法是拆开成为脱脂、预烧结、烧结的三步法。

    在Dr. Q个人的观点来看,最早开始由美欧领导的MIM 技术是以连续烧结炉和常压氢气保护为主,其中德国制 造的克莱默连续脱脂烧结炉是业界的霸主,到目前为止 都是;日本在1990年代由岛津的真空脱脂烧结炉则在

    批次炉(或称为间歇炉)称霸,使用负压气氛(低于1 大气压以下的真空环境)加上石墨炉膛的设计,大大 的减少使用氢气的用量以及危险性,同时分压烧结也 能大大节省了电费和气体的消耗;到了今天,大陆地 区的炉俱生产制造商已经符合甚至超越了国际标准, 以下是Dr.Q要表扬的几项事情:

    自动化的设计促使粉末成形的热制程趋向简单方便, 更重要的是安全,传统炉具设计有非常多的程序和手 段要执行,同时监控系统的不发达,守夜顾炉是一种 常态,因为疏忽或是遗漏,意外的发生让粉末制程成 为不受欢迎的制造方式,这些都在供货商的努力,加 上使用经验比国外企业更长期,更在终端客户订单催 赶的原因下,自动化热制程设备越趋成熟。

    连续烧结炉的效率是必须依靠不间断的订单来维持, 待机、意外停炉,由于炉体冷却或是加热必须限制在 每日不能超过250℃的限制,在亚洲地区除了苹果供应链之外的中小型MIM 企业,仍旧是采用每炉可开启重整的批次炉,而大中华地区的批次炉的性价比是全球最优且价格最实惠的。

    在中国境内的10 家APPLE AVL 也被要求以1 部8XL炉续烧结炉+4 部240L 真空脱脂烧结炉最为紧急备用炉,成为MIM 生产线的标准,主要还是炉续炉可能的意外和事故( 尤其是停电),这个规划已经执行了有5 年之久,成效卓越,因此也凸显了工场管理的技术建立在良好的装备管理,以及可靠的炉具。在BASF Catamold® 专利到期后,POM 喂料技术的改良突飞猛进,主要还是催化脱脂炉的技术更新所致,从早期的稀释硝酸和发烟硝酸的不稳定催化脱脂,经过配方的改良和设备过程控制的升级,安全可靠的催化脱脂已经可以高效、稳定的完成任务,更因为粘结剂配方的升级和温度控制技术,今天的催化脱脂后的棕坯强度已经可以到达10MPa 以上(15g 产品30cm 跌落不破碎),并且可以重新移动摆排。以还原性的草酸(Oxalic acid) 取代强氧化性的硝酸(Nitric acid),这是一个划时代的脱脂技术,除了解决硝酸移动和存放的安全性不佳,粉末态草酸的优质特性也为金属材质系列粉末在脱脂过程不氧化贡献了最佳的条件。有哪些匠级的设备厂商值得我们写进点匠录中的呢?读者请和我们一起来看看以下。

    斯百睿的制造车间

    生坯整理与摆排

    在注射之后得到生坯到脱脂和烧结之前,须要有几个 步骤,包含:生坯整理(去进胶口、去毛刺)、承烧板 的选型(Setter,主要是以氧化铝、氧化锆两种板来制 作),以及坯体的摆排。首先是切进胶口和除毛刺, 手工修整是必要的程序,包含手工、激光除毛刺、冷 冻除毛刺机、喷玻璃砂等,由于方法很多,但是给予 良心的建议是把模具开好并且妥善维护,要以工匠精 神维护精密的注射成形,这是很重要的观念,模具是 要时常整理和保养,而整理的时机就是观察注射生坯 的尺寸、重量与外观,产品的好坏会告诉你什么时候 要保养模具的。

    目前为止,国内的生坯摆排仍旧以手工方式,由于 MIM零件生命周期很短,交货期很急赶,无法及时开 发专用的自动化装置,因此摆排部分仍属于空白,请 各位设备厂商加点力气开法。承烧板通常要一起进入催化脱脂、预烧结和烧结,必 须要在每次检查其外观变化,如果发现翘曲的烧结板 必须淘汰,否则在变形的承烧板会使生坯件不平稳, 在制程中倾倒就会使产品报废,严重的甚至碰触石墨 箱或是石墨板造成共晶融化,报废的旧不光是产品, 连带的也造成设备的损伤。

    烧结用的石墨承板也需要经常清理,同时不要选用便 宜的石墨板,经常耳闻局部烧结件融化,原因是在烧 结件上方的石墨板粉化掉落,碳与铁产生共晶融化, 成为一摊铁水,后果很难以收拾,必须磨掉融化的铁 碳块,甚至更换时石墨承板与石墨箱体、绝热石墨毯 等,请读着们如果是MIM业者,必须非常的注意。

    脱脂

    深圳汇腾超声科技有限公司:最早投入BASF喂料硝 酸催化脱脂的设备厂商。

    深圳星特烁科技有限公司:国内首家全自动硝酸催化 脱脂进行产物投保的设备制造商,彻底解决了硝酸催 化脱脂不安全的问题。 在2017年更进一步的开发出世界首部气体草酸催化 脱脂炉,成为全球独步的领先技术,不但解决了安全 性和环保性的问题,更为推动MIM技术革新而作出 巨大贡献,往后的3D打印增材制造技术也势必采用 这样的装备。 宁波斯百睿自控设备有限公司:对于斯百睿的匠心在 于催化脱脂坯的用心,2015年在偶然的机会发现这个 基理,利用催化脱脂后的冲洗高温,把脆弱的通知后 棕坯给”烧结”成为强壮的棕坯,可以进行手拿取并 转移搬运,Dr. Q给予特别的感谢,这不但解决了传 统制程上的暗裂问题(由于棕坯过于脆弱,转移中或 是烧结时的震动引起裂痕而造成报废),更提升的整 过MIM业界的技术革新。在2017年,更新的自动检 视脱脂失重系统的完成,一部更自动化的催化脱脂装备-自动停止可根据设定的脱脂率而执行,省能省时, 更是业界的首创。能够观察细微、及时提出创新改善, 这是大陆地区典型年轻的MIM设备供货商的优秀表 现,我们给予高定的肯定。

    其他设备制造商尚有:台湾咏升/深圳科广达/ 山东 米纳斯冶金科技。

    预烧结与烧结

    深圳星特烁科技有限公司:不光脱脂炉,星特烁科技 也投入连续烧结炉和批次烧结炉的挑战,除了量产勘 与克莱默连续烧结炉匹敌的同型装备之外,也逐渐完 整后段热处理设备包含批次烧结炉和热处理炉,我们 正期待星特烁的新品。 宁波恒普真空技术有限公司:恒普真空为中国MIM 真空烧结炉开创了一个新纪元,更正确来说是打开全 球MIM主力战场落地于中国,我们都知道中国是全 球的工厂,尤其是帮助全球3C产品起飞的关键位置, 是知名手机品牌的决胜地点,能够缩短开发时间并配 合爬升产能、及时供货,MIM零件就因此而成为手机 金属零部件的主力供应技术。

    自2012年开始,恒普真空以龙卷风的速度席卷整个 亚洲MIM产业,连日本产业研究社都前来报导这个 起源于日本的MIM设备却被中国企业击败,并占有 75%以上的绝对市占率,连日本和台湾同业都不得不 改变经营模式与设计,一起在大中华地区竞争。

    苏州宏伦科技有限公司:有着台湾企业加持的宏伦科 技是真空批次烧结炉的后起之秀,在设备厂商林立的 真空批次炉业界,什么样的技术才能称为匠心?优势 是什么?宏伦科技用了下面几点:

    (1). 精准的温度控制与导热材料,使得整炉烧结件能够 于+/-5℃以内,达成满炉烧结于10mm+/-0.03mm 以内的保证。 (2). 快速冷却,比传统真空烧结炉更大的冷却风机和 冷水系统。 (3). 小尺寸实验/量产烧结炉,以小公升数(100L)的 设计针对小型工厂和实验室的需求,设计的小型烧结 炉可以在15小时以内完成烧结程序。如图(1)所表示, 小型化的真空脱脂快冷烧结炉,也是未来3D打印和 增材制造的第二部设备之首选。

     

    图 1:宏伦科技的迷你实验真空脱脂烧结快冷炉,体积虽小但功能齐全,可以实现医疗等级的 MIM 小零件整炉达 10 万件的烧结,也是未来金属 3D 打印后制程专用的脱脂烧结炉

    其他设备制造商尚有:台湾美扬科技/湖南旭博科技 /湖南顶立科技/湖南凌起电机/湖南久泰科技/深圳 美格科技/厦门至隆/北京华翔等等。

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