金属射出成形の品質評価方法とは何ですか?

MIM 生産ラインを長く稼働させた人なら誰でも、このフラストレーションを知っているでしょう。焼結後、部品のバッチは完璧に見え、寸法をチェックし、表面仕上げもきれいになりました。{0}3 週間後、部品が塩水噴霧試験に合格していないという理由でお客様から電話がありました。{0}}根本的な原因は？減量データが「十分に近い」ように見えたため、誰も捕らえられなかった不完全な脱結合による残留炭素。

MIM 品質評価は、まさにこのような状況を防ぐために存在します。しかし、ほとんどの概要記事では分からないことは次のとおりです。最も重要な方法は、何を作成しているのか、誰のために作成しているのかに大きく依存します。

MIMプロセス検証の現実

MIM が実際にどのようなものであるかについて率直に話しましょう。金属粉末-人間の髪の毛より小さい粒子-をポリマー バインダーと体積比約 60/40 で混合し、その混合物を型に注入し、化学的または熱的にバインダーを取り除き、粉末粒子が融合するまですべてを融点直下まで加熱します。部品は焼結中に全方向に約 15 ～ 20% 収縮します。

これらの手順の 1 つひとつで欠陥が発生する可能性があり、それは後になって初めて判明します。粒子サイズ分布がわずかに異なる粉末ロットにより、原料の粘度が変化します。この粘度の変化は、昨日機能していた射出パラメータが今日は同じように金型に充填されないことを意味します。ショート ショットや密度の変動は、処理コストの全額を投資した焼結後まで明らかになりません。

実際に問題を防ぐ受入資材チェック

粉末サプライヤーはロットごとに分析証明書を提供します。問題は、どの数値がアプリケーションにとって実際に重要なのかということです。

炭素と酸素の含有量はステンレス鋼にとって非常に重要です。同じ金型、同じ処理パラメータで作成した 17 ～ 4PH の部品では、粉末ロットの炭素含有量が 0.02% ～ 0.07% の範囲であったため、8 ～ 10 HRC ポイントの硬度のばらつきが見られました。どちらも技術的には仕様の範囲内でした。粉末供給業者も私たちの受入検査もそれを指摘しませんでした。顧客の品質管理部門が入荷検査中に発見し、在庫の整理に 2 週間を費やしました。

粒度分布は下流のすべてに影響します。より細かい粉末はより速く焼結し、より高い密度を達成しますが、原料の粘度も増加し、充填挙動が変化します。粉体サプライヤーが噴霧装置を切り替えたり、分級プロセスを調整したりすると、分布形状が完全に変化しても、D50 は同じままになる可能性があります。入荷ロットに対して ASTM B822 に従ってレーザー回折分析を実行するのに 20 分かかり、複数の生産上の災害から私たちを救ってくれました。

原料の場合、-社内で配合しても、-サプライヤーから購入しても-ピクノメーターまたはアルキメデス法を使用して密度を測定すると、粉末-と-の結合剤の比率が正しいかどうかがすぐにわかります。 2% の密度偏差は、焼結後に測定可能な寸法変化に変換されることに気づくまでは、大したことのようには聞こえません。

成形中に監視すべきこと

部品の重量は、射出成形中の最も有用なリアルタイムの品質指標です。{0}これは充填体積と直接相関しており、充填体積によって焼結寸法が決まります。 15-20 ショットごとに部品の重量を量るのに数秒かかります。重量が変動し始めると、-材料温度、金型温度、射出速度、逆止弁の摩耗など、何かが変化しているため、何百もの疑わしい部品を製造する前に調査できます。

圧力曲線の監視にはより高度な機器が必要ですが、問題を早期に警告します。射出圧力プロファイルの形状は充填挙動を示します-同じピーク圧力と上昇率を伴う一貫した曲線は、一貫した充填を意味します。最新の成形機はこのデータを自動的に記録します。曲線のレビューには時間がかかり、多くの場合、生産上のプレッシャーにより許可されないこともありますが、重要な部品やトラブルシューティングの場合、この情報は非常に貴重です。

緑色の部品を目視検査すると、ショート ショット、バリ、ヒケ、ウェルド ラインの可視性などの明らかな欠陥が見つかります。難しいのは、どの視覚的特徴が焼結後の問題を予測するのか、どの視覚的特徴が加工中に消える表面上の懸念なのかを知ることです。この知識は、未加工部品の外観と焼結部品の品質を相関させた経験から得られたものです-これに代わるものはありません。

結合解除の検証

バインディング解除では、多くの MIM 操作が気づかないうちに制御を失います。ポリマーバインダーは完全に取り出さなければなりませんが、速すぎると部品に亀裂が入ってしまいます。遅すぎるとスループットが失われます。

重量損失の測定は簡単です。脱脂前に部品を重量し、脱脂後に重量を量り、除去された割合を計算します。結合剤が体積で 40% (ステンレス鋼の場合は重量で約 8%) を含む原料の場合、重量損失が 8% のマークに近づいていることがわかります。わずか 6% の重量損失しか得られないということは、かなりのバインダーが部品内に残っていることを意味します。この残留バインダーは焼結時に残留炭素となり、ステンレス鋼中の残留炭素は耐食性を破壊します。

JPMA 仕様では、焼結ステンレス鋼部品の最終炭素含有量を 0.03% 未満にすることが求められています。その目標を達成するには、完全な脱結合が必要です。オペレーターが正しいと断言している熱脱脂サイクルを実行しているショップを見たことがありますが、実際の炉の温度プロファイルがプログラムされたプロファイルと一致しないため、部品は一貫して化学反応に失敗します。熱電対の検証と、部品に熱電対を埋め込んだ状態で時折テストを実行することが、確実に知る唯一の方法です。

この段階では結合剤を除去する際に発生する亀裂が目に見えるため、結合剤除去後の欠陥検査が重要です。焼結前にそれらを捕捉すると、炉の容量が節約され、欠陥がいつ発生したかについての混乱が防止されます。

焼結部品の評価

焼結後の寸法測定により、プロセスチェーン全体で図面要件を満たす部品が製造されたことが検証されます。重要な寸法の CMM 検査、プロファイルの光学的比較、-生産数量の可否測定-具体的な方法は、公差要件と検査量によって異なります。

重要な内容: MIM の寸法能力は通常、公称寸法の ±0.3% ～ ±0.5% です。 10mm フィーチャーは ±0.03 ～ ±0.05mm を保持します。これはほとんどの鋳造プロセスよりも優れていますが、精密機械加工ほど厳密ではありません。より厳しい公差が必要な部品には二次機械加工が必要となり、それに応じてコスト計算も変わります。

ASTM B962 に準拠したアルキメデス法を使用した密度測定により、焼結が適切な固化を達成したことが確認されます。構造用途の目標相対密度は通常、最小 96% ですが、多くの仕様では 97% 以上が必要です。密度が低いと内部の気孔が多くなり、機械的特性が低下し、流体を扱うコンポーネントに漏れ経路が生じる可能性があります。{5}}

製造上の注意: 密度測定には、特定の合金組成の理論密度についての正確な知識が必要です。粉末サプライヤーの実際の組成が異なる場合に「316L ステンレス鋼」の一般的なハンドブックの値を使用すると、不良部品を受け入れたり、良品を拒否したりするほど計算が狂う可能性があります。

機械試験と金属組織学

金属組織検査では、-部品を切断し、取り付け、研磨し、顕微鏡で検査する-ことで、他の方法では示されない微細構造の詳細が明らかになります。粒子サイズ、細孔分布、焼結ネックの形成、相構造、炭化物の析出: すべては適切に準備された断面で見ることができます。-これは破壊的で時間がかかるため、通常は製造検査ではなく、プロセス開発、トラブルシューティング、定期的な検証のために予約されています。-

重要なアプリケーションの場合、金属組織学によってプロセス監視が示唆する内容が確認されます。トラブルシューティングの場合、他の方法では症状が現れるだけの場合でも、根本原因が明らかになります。

内部欠陥に対する非破壊的方法-

X 線検査と工業用 CT スキャンは、部品を破壊することなく内部の空隙、介在物、亀裂を検出します。{0}}内部欠陥が許容できない医療用インプラントや航空宇宙部品では、これらの方法が必須となることがよくあります。

実際の現実: MIM 関連の空隙率を確認するのに十分な解像度を備えた工業用 CT は、高価で時間がかかり、熟練した解釈が必要です。{0}これは、故障の影響が深刻な高価値部品に適しています。-コモディティコンポーネントの場合、破壊的な金属組織検査による統計的サンプリングにより、低コストで十分な保証が得られることがよくあります。

検査とアプリケーションのマッチング

家庭用電化製品の化粧カバーを保持する 316L ブラケットには、航空機ドアの 17-4PH ロック機構と同じ検査強度は必要ありません。これを認識し、品質活動を適切に拡大することで、費用対効果の高い業務と、不必要な検査コストに溺れたり、さらに悪いことに必要な検査を省略して欠陥部品を出荷したりする業務を分離できます。

消費者向け製品では寸法検証と目視検査のみが必要な場合があり、機械的特性は設計適格性評価時に検証され、部品ごとのテストではなくプロセス管理を通じて監視されます。{0}}-

MPIF Standard 35 は、業界全体の共通の参照として機能する材料特性仕様を提供します。材料指定によって最小の特性値が定義されており、購入者とサプライヤーが要件を明確に伝達できるようになります。

これが実際に何を意味するか

MIM の品質評価は、すべての部品に同じように適用するチェックリストではありません。これは、各プロセスのステップが期待どおりの出力を生成していることを検証するシステムであり、顧客に届く欠陥の影響に合わせて調整されます。

基本は変わりません。入荷した材料を検証し、成形品の一貫性を監視し、完全な脱脂を確認し、焼結した寸法と密度を検証し、アプリケーション要件に適した機械的特性をテストします。各要素をどの程度厳密に適用するか、どの追加メソッドを追加するかは、作成する内容によって異なります。

成熟した MIM 品質システムを使用した運用では、{0}数十年にわたる生産経験を通じてこれらのアプローチを改良してきた施設も含まれます-。誤ったアラームを生成したり過剰なリソースを消費したりすることなく、実際の問題を検出する検査プロトコルを開発します。このバランスを確立するには時間と注意が必要ですが、それが、信頼できるサプライヤーと、収益性を重視して自社を過剰に検査したり、顧客からの苦情を考慮して自社を過小検査したりするサプライヤーとを分けるものです。-