粉末冶金行业如何才能稳步前行?
粉末冶金是一种工艺技术,通过以金属或非金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)为原料,经成型、烧结等工序,制造金属材料、复合材料以及各种几何结构产品。与传统工艺相比,它具有节能、节材、省力、环保、近净成形、个性化定制及一致性好等显著优势。这些优势使其成为解决新材料问题的关键,在新材料开发中发挥着重要作用,堪称现代工业发展的朝阳产业,占据着举足轻重的地位。
粉末冶金是一种工艺技术,通过以金属或非金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)为原料,经成型、烧结等工序,制造出金属材料、复合材料以及各种几何结构产品。与传统工艺相比,它具有节能、节材、省力、环保、近净成形、个性化定制及一致性好等诸多优势。这些优势使其成为解决新材料难题的关键,在新材料开发中发挥着重要作用,并在现代工业发展中占据举足轻重的地位,堪称朝阳产业。
从粉末冶金产品行业的技术发展趋势来看,我国粉末冶金产业的未来发展方向是:
1. 以金属注射成型为代表的新粉末冶金技术的蓬勃发展,拓展了粉末冶金零件的结构复杂性,提升了粉末冶金制造的效率,并进一步拓宽了粉末冶金产品的应用领域。
2. 通过提高粉末冶金压制产品的密度,可以弥补传统粉末冶金产品的缺陷,并扩大粉末冶金产品对传统制造工艺的替代范围。目前,一般企业的粉末冶金产品烧结密度为6.2-7.4克/立方厘米,同时已开发出多种先进的致密化技术,能够使铁基零部件的密度达到完全致密化水平,从而显著提升产品的使用性能。
3. 新制备工艺的开发将进一步提升粉末冶金产品的一致性、强度、精度及结构复杂性,同时提高其制造效率,并扩大产品的制造经济优势,从而有助于产业结构升级与市场应用空间的拓展。
4. 为满足轻量化和功能化的需求,通过开发合金化方法,丰富了粉末冶金材料体系,进而推动新型材料体系的进一步发展。此外,还涉及钛合金及其他材料的粉末冶金制造技术。
行业模式分析
从全球粉末冶金行业的角度来看,主流技术方向是模压成型(PM),实现快速增长的技术方向是金属注射成型(MIM),而具有发展潜力的新兴技术方向则是增材制造(AM)。
下午1点行业模式分析
根据相关数据显示,2016年全球用于粉末冶金的铁粉中,北美和南美占比44%,欧洲占24%,而亚洲与大洋洲则占32%。《2016-2020年中国粉末冶金制造业发展现状及投资分析与预测报告》(中益科创市场研究(北京)有限公司)指出,北美每辆汽车所用粉末冶金产品的平均重量高达18.6公斤,与之相 correspondingly,欧洲为7.2公斤,日本为8公斤,而中国则约为4.5公斤。目前,汽车行业依然是粉末冶金行业最受关注的领域,同时也是最具潜力的市场。
在中国经济快速发展的推动下,中国粉末冶金工业持续壮大。2015年,根据中国机械工业联合会粉末冶金协会的统计数据,行业产量达到17.81万吨;到2016年,这一数字攀升至18.45万吨。经过2015至2016年的产品结构优化调整后,2018年产量更是突破了20万吨大关。目前,中国粉末冶金行业的规模不断扩大,产品结构也日趋合理。如今,中国粉末冶金工业已发展成为全球粉末冶金领域的一支重要力量。尤其在铁粉应用方面,中国与欧洲的差距正日益缩小。
随着粉末冶金技术的不断进步,粉末冶金产品的应用领域正持续拓展至高端市场。只有跨越技术和资金这两道“门槛”,行业才得以逐步从注重“数量”增长,转向更加关注“质量”提升,从而实现粉末冶金产业的产品升级与结构优化,以满足新时代高质量发展的需求。
在中国,大多数本土粉末冶金企业依靠在低端产品市场的激烈价格竞争来求生存。然而,在高端粉末冶金市场,只有少数国内企业能与众多外资企业或在华独资企业展开竞争。总体来看,冶金行业正面临较为明显的结构性产能过剩局面。
2MIM行业模式分析
从整个MIM行业的角度来看,在资本热捧与重点客户定向培育的双重推动下,2020年大型竞争对手将进一步增多,行业产能增量将显著超过业务增量。其中,折叠屏手机已成为热门焦点,而其所提出的折叠轴部件的轻量化与耐用性改进方案,更是备受关注。
2019年,中国金属注射成型行业的平均增长率约为18%,其中龙头企业上海富驰和常州精研贡献了行业增长的70%。按销售额计算,应用领域占比分别为:智能手机约占60%,其他3C领域约13%,汽车零部件约10%,工具与五金约占11%,医疗产品约4%,其余领域占2%。与传统粉末冶金不同,MIM工艺在家电领域的应用非常有限,通常不纳入应用分类中。目前,MIM产业的大规模应用仍以不锈钢为主,占比约70%;低合金钢约占21%;钴基合金占6%;钨基合金约占2%;此外还有少量钛、铜、铝合金以及硬质合金等材料。
全球MIM行业在应用领域的分布具有自身特点。据2018年估算,美国MIM行业的应用分布(按产品重量计)如下:医疗产品约占30%,汽车零部件占11%,轻武器产品占33%,通用工业产品占12%,3C领域占7%,其他应用占7%。而在欧洲地区,根据2017年EPMA调查结果,汽车工业的应用已占据欧洲MIM产值的40%以上,其他主要应用领域还包括消费品、轻武器、医疗设备、建筑、电动工具及各类工具体等。
3SMC 行业模式分析
软磁金属粉末芯(SMC)是一种新型的软磁复合材料,兼具优良的综合性能。它由金属或合金软磁材料制成的粉末经特殊工艺压制而成。这种材料既保留了铁氧体软磁材料的一些优异特性,又在最大程度上克服了其固有缺陷,因此尽管金属磁粉芯的磁导率较低,但线性度良好,饱和磁密高,且工作频率范围宽广。这对推动电力电子产品向高精度、高灵敏度、高功率密度和小型化方向发展具有重要意义。目前,全球对该材料的需求增速已超过其他任何软磁材料,预计全球磁芯总需求将突破10亿只,而仅国内每年的进口量就已超过2亿只。
20世纪末之前,软磁金属粉末芯基本由美国产品主导,垄断了全球市场;而日本、德国等其他工业发达国家也已形成相当规模。进入21世纪后,韩国产品迅速崛起,尤其在韩国昌兴地区表现尤为突出。其中,电子公司(CSC)甚至在合金磁性粉末芯领域超越了老牌巨头美格尼蒂克斯。过去20年里,我国的金属磁性粉末芯产业也实现了快速成长——特别是随着新能源及新能源汽车的迅猛发展,国内多家企业纷纷投入金属磁性粉末芯的研发,产品品质与生产规模显著提升,与国际先进水平的差距也大幅缩小。
FeSiAl和超级FeSiAl合金粉末磁芯是经济高效的金属磁性粉末磁芯。国内制造商已全面取代国际同类产品,广泛应用于新能源光伏逆变器、UPS电源、充电桩以及高端家用电器等领域。这些磁芯尤其适用于服务器电源、钛级开关电源、5G通信电源、车载电源等场景。随着碳化硅和氮化镓技术的发展,高频电力电子领域仍有进一步提升的空间,这对其金属磁性粉末磁芯的高频特性提出了更高要求,同时也为金属磁性粉末磁芯在部分应用场景中替代铁氧体提供了更多可能性。下一代高频低损耗金属磁性粉末磁芯正成为SMC行业新的增长点。
行业发展趋势分析
2017年,美国粉末冶金工业联合会更新了《2017年粉末冶金行业路线图》,以分析未来粉末冶金市场的发展趋势。报告指出,未来十年粉末冶金行业的主要增长机遇将涵盖能源、航空航天、医疗/牙科、电工合金与磁性材料、国防,以及工业和消费品等领域。此外,粉末冶金行业可在提升性能和减轻重量方面发挥更大作用。同时,新能源产业将成为粉末冶金行业新的市场和应用领域;而随着人口老龄化加剧,粉末冶金产品在医疗领域的应用范围将进一步扩大;全球经济增长及生活水平的提高,也将推动粉末冶金零部件在消费品中的广泛应用。
轻量化技术是实现节能减排的重要手段。采用轻质高强材料和轻量化结构设计,是实现轻量化的两大主要措施。粉末冶金工艺具有节能、节材的特点,是一种绿色环保的生产技术,有助于节能减排。轻量化材料的代表包括铝基、钛基和镁基材料,其中铝合金最具发展前景。通过替代部分铁基零部件,铝合金已在汽车轻量化应用中发挥了重要作用。而在一些高端领域,镁基零部件也已开始被采用。随着技术的进步,产品结构的复杂性不断提升,推动了粉末冶金制造工艺的逐步推广。
MIM是一种先进的成型技术,融合了粉末冶金压缩成型与塑料注塑成型的优势。它突破了金属粉末成型技术在产品形状上的局限性,能够制造出高复杂度、高精度、高强度、外观精美且具备微小型化规格的精密结构件。与传统压制成型相比,MIM在小尺寸及微型零部件的相对密度和三维设计方面具有显著的比较优势。目前,全球范围内,MIM工艺已广泛应用于汽车、电子产品、医疗设备以及消费品等诸多领域。然而,世界各地MIM的应用结构却存在明显差异:在亚洲市场,MIM工艺主要应用于电子产品行业;而在北美市场,则更多见于医疗设备及其他领域;欧洲市场则以汽车和消费品行业为主。
软磁复合材料(SMC)是一种新型磁性材料。由于其高饱和磁感应强度和低损耗特性,被誉为“第四代”软磁材料。它广泛应用于高频电机、大功率及高频开关电源等领域,如变压器、高频大功率储能电感等,展现出巨大的应用优势和广阔的市场前景。目前,软磁复合材料产业正迎来爆发式增长的前夜,全球各国已纷纷投入大量资源,加速金属磁粉芯软磁材料的研发、推广与示范应用。随着电子技术的不断进步,市场对具备高磁感应强度、且在大电流工作条件下不易饱和的金属磁粉芯需求日益增加。电动汽车为粉末冶金领域的创新设计提供了契机,例如,软磁复合材料芯体可被用于主驱电机,以及油泵和冷却泵电机中。
粉末冶金与高分子材料的复合技术,为粉末冶金注入了新的发展活力。将粉末冶金制品与橡胶或塑料结合,可在减振降噪领域发挥重要作用。例如,粉末冶金橡胶齿链轮被应用于发动机VVT系统中以降低噪音,而粉末冶金橡胶齿轮则用于三缸发动机的平衡轴系统,有效减少发动机振动。此外,塑料齿轮还可与粉末冶金产品相连接,适用于小负载、低噪音的应用场景。
为了提高粉末冶金产品的耐磨性和耐腐蚀性,将采用热喷涂、静电喷涂、化学镀以及物理气相沉积等表面处理技术。在粉末冶金产品表面喷涂厚度约为十几微米的有机或无机涂层,可使其耐盐雾腐蚀时间延长至500至1000小时。当需要降低摩擦时,可通过物理气相沉积(PVD)技术,在粉末冶金产品表面制备一层厚度仅为几微米的固体润滑膜,从而显著降低摩擦系数,有效发挥减摩作用。此外,还可通过化学镀工艺,在粉末冶金产品表面均匀沉积一层镍磷合金膜。由于镍磷合金硬度高且呈非晶态结构,它既能提供优异的耐腐蚀性能,又能兼具出色的耐磨特性,进一步拓展了粉末冶金技术在耐腐蚀与耐磨领域的应用范围。
与发达国家相比,中国的粉末冶金技术仍存在一定差距,但近年来随着粉末冶金技术在5G通信、新能源等新兴领域的应用,中国已在此领域跻身世界前列。未来,中国粉末冶金的发展方向将继续聚焦产业升级、进口替代及高质量发展需求,持续研发和储备新技术、新工艺,并积极采用精益化自动化制造技术,以适应新时代节能环保的更高要求,朝着更致密化、化学化、高精度、高密度、复杂结构化以及高性能化元件的方向迈进,不断提升磁电性能。同时,随着注塑成型、粉末锻造、链轮涂层、粉末钎焊等新技术、新工艺及新能源领域的不断突破,粉末冶金产品的应用领域持续拓展,市场空间也日益壮大。
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