根据《透视先进制造》, 粉末冶金是一种通过加热压实金属粉末至低于其熔点进行金属成型过程的技术. 该技术已经存在超过100年, 在过去的25年成为了公认的生产各种高质量零件的优质技术. 该技术相较于其他金属成型技术, 如锻造, 铸造等, 在材料利用率, 形状复杂度和近净形尺寸控制等方面均具有优势, 由于其具有促进可持续发展的性质, 粉末冶金被公认为绿色技术.
1 粉末冶金—高性价比零部件的首选成型工艺
根据配方不同, 粉末冶金零件的抗拉强度在170——1200MPa之间, 相比传统零件制造工艺, 具有如下优势: 1)零件接近最终尺寸, 具有良好的光洁度, 减少后续加工成本, 最大限度地减少废品损失;2)能够生产别的工艺无法制造的复杂或独特形状的零件;3)能够控制产品的孔隙率, 以此满足产品自润滑, 耐磨性等方面的需求. 相对传统机加工切削工艺, 粉末冶金节能60%, 材料利用率高达95%, 是高性价比零部件的极佳选择. 也作为增材制造的重要成型工艺, 成为中国制造2025的重要一环.
2 全球年市场规模八十亿美元, 龙头GKN粉末冶金收入规模逾近百亿人民币
据全球粉末冶金龙头GKN公司测算, 2016年, 全球粉末冶金产品销售额约80亿美元. GKN公司是粉末冶金领域的龙头企业, 产品包括用于汽车发动机, 变速箱, 泵, 车身, 底盘, 以及压缩机, 金属注塑成型等零部件. GKN粉末冶金营业收入近五年一直维持在14亿美元左右, 营业利润率也稳定在10%左右. 按用途划分, 汽车零部件其总销售收入的72%, 占其粉末冶金零件的销售的85%.
3 国内汽车领域占比较低, 200亿以上市场空间尚待开拓
我国目前平均每辆汽车粉末冶金制品用量仅约5kg, 远低于欧洲的14kg, 美国的19.5kg. 另一方面, 2016年, 我国国内汽车粉末冶金制品占粉末冶金总产品的比例虽提升至约60%, 但仍然远低于发达国家80%的比例. 与此同时, 我国汽车粉末冶金产品的种类并不齐全, 目前主要应用于连杆, 垫片等技术含量较低产品, 而技术要求更高的VVT, VCT, 行星齿轮等由于技术壁垒较高, 目前国内绝大部分企业无法批量生产. 粉末冶金在汽车上主要应用在发动机与变速箱两个领域, 假设2020年乘用车销量达3000万辆, 发动机粉末冶金零部件市场规模约40亿元, 变速箱粉末冶金零部件市场规模约150亿元. 加上用于汽车底盘等的粉末冶金零件, 国内汽车粉末冶金市场空间达200亿元.
-- 粉末冶金应用工艺
粉末冶金主要有传统法, 金属注射成型(MIM), 金属3D打印(AM), 等静压(IP)四种工艺, 其中, 目前在汽车等领域应用最为广泛的, 是传统法与MIM法. 所需的原材料, 即粉末冶金混粉, 有两种类型, 零件生产商使用的自混粉及粉末供应商提供的预混粉.
- 金属注射成型(MIM)
该工艺为生产制造复杂形状的零件提供了可能, 利用细金属粉末(通常小于20微米), 与粘合剂(各种热塑性塑料, 蜡等材料)配制定制为原料, 送入腔(或多腔)的进行注射成型.
MIM工艺与塑料注射成型和高压压铸非常相似, 它可以产生相同的形状和结构特点. 然而, 这仅限于相对小(一般小于250克), 高度复杂的零件, 否则需要大量的精加工或装配操作.
金属注射成型工艺生产的零件, 其机械性能几乎相当于锻造材料, 提供了几乎无限的形状和几何特征的能力, 具有很高的生产速率.
- 等静压(IP)
适用于所有方向上压力均等的粉末致密部件, 从而达到最大密度和微观结构均匀和无单轴压的几何限制. 用于生产致密的高性能零部件.
等静压分为冷和热等静压, 冷等静压(CIP)是在常温下压实 '绿色部件' , 而热等静压(HIP)则在高温下通过固态扩散巩固部件, 热等静压也可以用来消除烧结粉末冶金零件残余气孔率.
- 3D打印
金属3D打印包括直接金属3D打印和间接金属3D打印.
金属粉末床熔融(PBF)是目前最广泛被使用的金属3D打印技术. 包括去年通用电气投资14亿美元收购Concept Laser和Arcam, 进一步加强了金属粉末床熔融的市场关注度. PBF被认为是一种直接的金属3D打印技术, 包括激光熔融和电子束熔融两种加工方式, 目前激光熔融方式被更广泛的使用. 在这个领域, 活跃着众多的品牌, 包括GE收购的Concept Laser和Arcam, 包括原有的金属3D打印解决方案商德国EOS,德国SLM Solutions, 英国Renishaw,以及进入到PBF领域的机床厂商德国通快, 以及德马吉森精机等.
还有一种直接金属3D打印技术(LENS —— 定向能量沉积技术)是冶金粉末的另一种应用工艺.
间接金属3D打印技术, 故名思意是指通过金属3D打印过程所获得的金属零件并不是最终的零件, 而是需要通过高温炉的热处理过程将金属零件中的化学物质去除, 从而获得致密的金属零件.
当然, 当前间接金属3D打印技术包括多种不同的技术, 根据3D科学谷的市场研究一大类是以Desktop Metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting技术, 另一类是以Xjet为代表的NanoParticle Jetting技术, 第三类是Prodways以树脂为间接体的金属3D打印技术, 第四类则是惠普将要推出的金属3D打印技术. 而GE也将推出金属零件的粘结剂喷射3D打印设备.
-- 粉末冶金制备
制粉设备应用于原料制粉过程. 制粉方法可划分为三大类: 机械制粉, 物理制粉, 化学制粉, 常用的制粉方法有氧化物还原法, 雾化法, 旋转电极法, 电解法和机械破碎法等, 不同制粉方法所使用的设备也是不同的. 根据不同的制粉方法, 主要使用的设备包括还原炉, 离子膜电解槽, 球磨机等.
-- 粉末冶金应用市场
粉末冶金零件的应用很广泛, 主要可分为两大类: 第一类是难以用其他方法制造的部件, 如钨, 钼或钨硬质合金. 此外, 含油轴承, 过滤器和许多类型的硬和软磁元件都是采用粉末冶金技术生产. 第二类是能为铸件和锻件提供一种经济高效的替代方案, 如汽车离合器片, 连杆, 凸轮轴, 行星齿轮载体等.
粉末冶金产品广泛用于汽车行业, 航空航天行业, 家电行业以及消费电子行业. 其中, 汽车行业, 航空航天行业属于高端的市场, 产品附加值很高;目前, 我国国内粉末冶金企业主要生产家电, 消费电子行业的粉末冶金产品. 家电行业的粉末冶金产品主要有冰箱, 空调使用的压缩机, 洗衣机, 电风扇中使用的多孔自润滑轴承, 空调, 吸尘器中的齿轮与磁体等;消费电子领域, 众多手机品牌的金属外壳, 音量按键, 垫脚, SIM卡托等零部件均为粉末冶金产品. 然而, 家电与消费电子行业粉末冶金件技术门槛较低, 各类中小厂商争相进入, 导致我国国内低端粉末冶金市场竞争十分激烈.
汽车行业是主要的应用领域, 约占70%. 其他重要的市场包括娱乐, 家用电器, 工业电机及控制, 硬件和商业机器等. 2016年, 我国国内汽车粉末冶金制品占粉末冶金总产品的比例提升至约60%, 但仍然低于发达国家80%的比例. 与此同时, 我国汽车粉末冶金产品的种类并不齐全, 目前主要是一些技术含量较低的连杆, 垫片, 链轮等产品, 而绝大多数企业无法批量生产技术要求更高的VVT, VCT, 行星齿轮等产品.
粉末冶金汽车零部件主要应用于两大类车辆领域: 发动机, 变速箱/分动箱. 根据MPIF(金属粉末工业联合会)的统计, 粉末冶金零件在300多个单独的汽车部件上均有应用, 零件总数超过750个. 考虑到节能减排与成本控制因素, 国内企业未来会更多使用粉末冶金工艺生产汽车零部件.
汽车发动机与变速箱是粉末冶金零部件应用最为广泛的两个领域. 在这两个领域里, 发动机粉末冶金零部件市场规模约40亿元, 变速箱粉末冶金零部件市场规模约150亿元. 加上用于汽车底盘等的粉末冶金零件, 国内汽车粉末冶金市场空间达200亿元.
- 发动机粉末冶金市场规模约40亿
在汽车发动机领域, 一辆乘用汽车上平均使用两个发动机可变正时气门(VVT), 其单价约70元, 即对应每辆汽车的价值量为140元/辆, 按照智研咨询发布的《2017-2022年中国汽车市场运行态势及投资战略研究报告》预计, 2020年中国乘用车销量将达到3000万辆的规模, 采用粉末冶金技术制造的VVT约有42亿元的发展空间.
- 变速箱粉末冶金市场规模约150亿
在汽车变速器领域, 汽车变速器分为四大类, 手动变速器(MT), 约占45%市场份额, 自动变速器(AT)占30%市场份额, 无级变速器(CVT)占15%市场份额, 双离合器(DCT)占10%市场份额, 其中AT, DCT市场快速发展, 机会较多, CVT市场粉末冶金机会较少.
单个MT, AT, CVT, DCT变速箱使用的粉末冶金零部件价格分别约为500元, 600元, 200元, 500元. 2020年, 预计中国乘用车销量3000万辆, 假设各类型变速器市场份额不变, 则MT, AT, CVT, DCT变速箱的数量分别为1350万, 900万, 450万, 300万. 总计变速箱内粉末冶金零部件的市场空间约150亿元.
若粉末冶金行业能够取得技术上的突破, 强度, 耐磨性等指标进一步提升, 则结合齿轮, 传动齿轮等传统锻造零件有望被粉末冶金零件所取代, 市场规模将会进一步爆发式扩张.
-- 粉末冶金市场
根据GKN公司测算, 2016年, 全球粉末冶金产品销售额约为80亿美元. 其中, 销售额前十名的公司总销售额约为45亿美元, 市场份额约占60%. 前十名的公司中, 5家公司为欧洲企业, 4家公司为日本企业, 1家公司为美国企业. GKN公司为行业的领导者, 2016年其粉末部门销售额达 10.3亿英镑(14亿美元), 市场份额约占18%, 远高于第二名住友电工9%的市场份额.
根据中国机协粉末冶金分会统计, 2016年我国粉末冶金零件出货量48万吨, 销售额达64亿元, 其中汽车行业销售额40亿元, 占销售总额62%. 2017年, 粉末冶金市场规模预计达69亿, 实现稳定增长.
GKN是粉末冶金领域的龙头企业, 有着最大的销售规模以及最齐全的产品种类. 在粉末冶金领域具有很好的参考意义. GKN粉末冶金由两个部分组成: GKN Sinter Metals和Hoeganaes. GKN Sinter Metals是粉末冶金成形零件的行业领导者, 其市场份额世界第一. 产品包括用于汽车发动机, 变速箱, 泵, 车身, 底盘, 压缩机的粉末冶金零部件, 粉末冶金制作的轴承与过滤器, 金属注塑成型组件, 其他工业应用的粉末冶金零部件, 以及用于电动机的软磁元件. Hoeganaes是GKN旗下专门提供高质量金属粉末的公司, 其产品包括铁粉, 铜粉, 钨粉, 钛粉等金属粉末, 广泛用于粉末冶金, 化工和焊接等工业. 其市场份额世界第二.
2016年, GKN粉末冶金部门的营业收入为14亿美元. 其中Sinter Metals贡献了11.7亿美元的收入, 占总收入的83.6%;Hoeganaes贡献了2.3亿美元的收入, 占总收入的16.4%. 其主要客户包括福特, 通用汽车, 舍弗勒, 博格华纳等诸多著名汽车公司与汽车零部件公司.
