Spiekanie w technologii Metal Injection Molding – klucz do wysokiej jakości elementów metalowych
Technologia Metal Injection Molding (MIM) łączy zalety formowania wtryskowego tworzyw sztucznych z możliwościami obróbki metali proszkowych. W efekcie umożliwia produkcję precyzyjnych, gęstych i wytrzymałych elementów o złożonej geometrii. Wśród wszystkich etapów procesu MIM, spiekanie odgrywa rolę absolutnie kluczową – to właśnie ono decyduje o ostatecznych właściwościach mechanicznych i strukturalnych gotowych wyrobów.
Mikrostruktura i właściwości po spiekaniu
Przebieg spiekania – kontrola temperatury i atmosfery
Przygotowanie i etapy procesu MIM
Efektem prawidłowego spiekania w technologii Metal Injection Molding jest mikrostruktura o niskiej porowatości i jednorodnych ziarnach. Właściwie dobrane parametry procesu pozwalają uzyskać części o gęstości 97–99% gęstości teoretycznej, co przekłada się na doskonałe właściwości mechaniczne.
Dla przykładu: stal nierdzewna po spiekaniu w MIM może osiągać wytrzymałość na rozciąganie ponad 2000 MPa oraz twardość dochodzącą do 709 HV przy temperaturze 1320°C. Po zakończeniu spiekania często stosuje się dodatkowe operacje – obróbkę cieplną, badania mikroskopowe, pomiary gęstości i twardości, a także analizy chemiczne – aby potwierdzić jakość i powtarzalność wyników.
Proces spiekania MIM odbywa się w specjalistycznych piecach – ciągłych lub okresowych – zdolnych osiągać temperatury nawet 1350–1400°C (dla stali nierdzewnych). W trakcie spiekania stosuje się kontrolowane atmosfery ochronne (np. wodór, argon, azot), które zapobiegają utlenianiu i niepożądanym reakcjom chemicznym.
Typowy cykl spiekania trwa 15–20 godzin i obejmuje cztery główne etapy:
-
Ogrzewanie i usuwanie resztek spoiwa – powstają tzw. „brązowe” elementy.
-
Wstępne spiekanie – szybki wzrost „szyjek” między cząstkami i redukcja porów.
-
Zaawansowana densyfikacja – zamykanie porów i wzrost gęstości materiału.
-
Kontrolowane chłodzenie – stabilizacja wymiarowa i mikrostrukturalna części.
W wyniku tych procesów zachodzi skurcz liniowy rzędu 15–20%, który należy przewidzieć już na etapie projektowania formy.
Spiekanie w technologii Metal Injection Molding polega na ogrzewaniu wcześniej przygotowanych elementów (tzw. „brązowych” części) do temperatury wynoszącej 60–90% punktu topnienia danego stopu. Na tym etapie zachodzi dyfuzja atomowa, czyli proces łączenia się cząstek metalu w zwartą, jednolitą strukturę. Dzięki temu uzyskuje się części o wysokiej gęstości – nawet do 99% gęstości teoretycznej – oraz właściwościach zbliżonych do elementów kutych czy walcowanych.
Właściwie przeprowadzone spiekanie decyduje o tolerancjach wymiarowych, mikrostrukturze, twardości i wytrzymałości końcowego produktu. Dlatego kontrola parametrów temperatury, atmosfery oraz czasu trwania procesu ma tu kluczowe znaczenie.
Zanim dojdzie do spiekania, materiał musi przejść kilka etapów przygotowawczych. Proces Metal Injection Molding rozpoczyna się od mieszania drobnego proszku metalu (np. stali nierdzewnej, tytanu, stopów Fe-Ni czy miedzi) z polimerowym spoiwem. Tak powstała masa jest wtryskiwana do form, tworząc tzw. zielone części.
Kolejny krok to odbindowywanie, czyli usuwanie większości spoiwa – termicznie, katalitycznie lub przy użyciu rozpuszczalników. Jakość tego etapu wpływa bezpośrednio na przebieg spiekania, ponieważ jednorodna porowatość materiału warunkuje równomierną densyfikację i brak deformacji.
Istota i znaczenie spiekania w Metal Injection Molding
Defekty i sposoby ich eliminacji
Mimo zaawansowania technologii, spiekanie w procesie Metal Injection Molding wiąże się z pewnymi ryzykami. Najczęstsze problemy to:
-
Nieregularny skurcz – może powodować deformacje; przeciwdziała się mu przez precyzyjne projektowanie form i stosowanie podpór.
-
Porowatość i niejednorodność mikrostruktury – wynikają z niewłaściwego usuwania spoiwa lub błędów temperaturowych.
-
Wtrącenia tlenków – pogarszają właściwości mechaniczne i są efektem nieodpowiedniej atmosfery spiekania.
-
Niedokładności wymiarowe i pęknięcia – powstają przy zbyt szybkim nagrzewaniu lub nierównomiernym chłodzeniu.
Aby minimalizować wady, stosuje się piece próżniowe, gęstościomierze i symulacje MES, które pozwalają przewidzieć zachowanie materiału podczas spiekania.
Zastosowanie i znaczenie przemysłowe
Dzięki procesowi spiekania w technologii Metal Injection Molding możliwa jest produkcja części o skomplikowanej geometrii, wysokiej wytrzymałości i precyzyjnych wymiarach – bez potrzeby dodatkowej obróbki mechanicznej większości powierzchni.
Technologia ta znajduje szerokie zastosowanie w motoryzacji, lotnictwie, elektronice, medycynie oraz przemyśle narzędziowym. Finalne operacje obejmują kalibrację, kontrolę nieniszczącą, a także obróbki powierzchniowe, takie jak powlekanie czy utwardzanie.
Nieustanny rozwój metod spiekania oraz cyfrowe systemy kontroli procesu sprawiają, że Metal Injection Molding staje się coraz bardziej konkurencyjną alternatywą dla klasycznych technik produkcji metali – otwierając nowe możliwości projektowania i wytwarzania komponentów o najwyższej jakości.
Optymalizacja procesu i nowoczesne rozwiązania
Dobór parametrów spiekania w Metal Injection Molding zależy od wielu czynników – rodzaju proszku, wielkości ziaren, składu spoiwa, wymaganych właściwości mechanicznych i zastosowanej atmosfery. Dla stali nierdzewnych najlepsze rezultaty daje atmosfera wodoru, natomiast dla tytanu – próżnia.
Współczesne rozwiązania technologiczne, takie jak segmentacja stref temperaturowych czy integracja systemów kontroli gazów ochronnych, pozwalają na jeszcze precyzyjniejsze sterowanie procesem. W najbardziej wymagających zastosowaniach przemysłowych wykorzystuje się również HIP (Hot Isostatic Pressing) – proces, który dodatkowo zwiększa gęstość i szczelność elementów, co jest szczególnie istotne w branżach lotniczej i medycznej.
ROBERT BIELAK
kierownik projektu MIM
rbielak@jg-mat.pl
greszka@jg-group.pl
prezes i założyciel JG Group
GRZEGORZ RESZKA
ZAPRASZAMY DO KONTAKTU
Z NASZYMI EKSPERTAMI
JESTEŚ ZAINTERESOWANY
WSPÓŁPRACĄ?
GODZINY PRACY
Poniedziałek-piątek
7:00 do 16:00
SIEDZIBA FIRMY
JG Machines and Tools Sp. z o.o.
ul. Ignacego Mościckiego 1 24-110