根據《透視先進位造》, 粉末冶金是一種通過加熱壓實金屬粉末至低於其熔點進行金屬成型過程的技術. 該技術已經存在超過100年, 在過去的25年成為了公認的生產各種高質量零件的優質技術. 該技術相較於其他金屬成型技術, 如鍛造, 鑄造等, 在材料利用率, 形狀複雜度和近淨形尺寸控制等方面均具有優勢, 由於其具有促進可持續發展的性質, 粉末冶金被公認為綠色技術.
1 粉末冶金—高性價比零部件的首選成型工藝
根據配方不同, 粉末冶金零件的抗拉強度在170——1200MPa之間, 相比傳統零件製造工藝, 具有如下優勢: 1)零件接近最終尺寸, 具有良好的光潔度, 減少後續加工成本, 最大限度地減少廢品損失;2)能夠生產別的工藝無法製造的複雜或獨特形狀的零件;3)能夠控制產品的孔隙率, 以此滿足產品自潤滑, 耐磨性等方面的需求. 相對傳統機加工切削工藝, 粉末冶金節能60%, 材料利用率高達95%, 是高性價比零部件的極佳選擇. 也作為增材製造的重要成型工藝, 成為中國製造2025的重要一環.
2 全球年市場規模八十億美元, 龍頭GKN粉末冶金收入規模逾近百億人民幣
據全球粉末冶金龍頭GKN公司測算, 2016年, 全球粉末冶金產品銷售額約80億美元. GKN公司是粉末冶金領域的龍頭企業, 產品包括用於汽車發動機, 變速箱, 泵, 車身, 底盤, 以及壓縮機, 金屬注塑成型等零部件. GKN粉末冶金營業收入近五年一直維持在14億美元左右, 營業利潤率也穩定在10%左右. 按用途劃分, 汽車零部件其總銷售收入的72%, 占其粉末冶金零件的銷售的85%.
3 國內汽車領域佔比較低, 200億以上市場空間尚待開拓
我國目前平均每輛汽車粉末冶金製品用量僅約5kg, 遠低於歐洲的14kg, 美國的19.5kg. 另一方面, 2016年, 我國國內汽車粉末冶金製品占粉末冶金總產品的比例雖提升至約60%, 但仍然遠低於發達國家80%的比例. 與此同時, 我國汽車粉末冶金產品的種類並不齊全, 目前主要應用於連杆, 墊片等技術含量較低產品, 而技術要求更高的VVT, VCT, 行星齒輪等由於技術壁壘較高, 目前國內絕大部分企業無法批量生產. 粉末冶金在汽車上主要應用在發動機與變速箱兩個領域, 假設2020年乘用車銷量達3000萬輛, 發動機粉末冶金零部件市場規模約40億元, 變速箱粉末冶金零部件市場規模約150億元. 加上用於汽車底盤等的粉末冶金零件, 國內汽車粉末冶金市場空間達200億元.
-- 粉末冶金應用工藝
粉末冶金主要有傳統法, 金屬注射成型(MIM), 金屬3D列印(AM), 等靜壓(IP)四種工藝, 其中, 目前在汽車等領域應用最為廣泛的, 是傳統法與MIM法. 所需的原材料, 即粉末冶金混粉, 有兩種類型, 零件生產商使用的自混粉及粉末供應商提供的預混粉.
- 金屬注射成型(MIM)
該工藝為生產製造複雜形狀的零件提供了可能, 利用細金屬粉末(通常小於20微米), 與粘合劑(各種熱塑性塑料, 蠟等材料)配製定製為原料, 送入腔(或多腔)的進行注射成型.
MIM工藝與塑料注射成型和高壓壓鑄非常相似, 它可以產生相同的形狀和結構特點. 然而, 這僅限於相對小(一般小於250克), 高度複雜的零件, 否則需要大量的精加工或裝配操作.
金屬注射成型工藝生產的零件, 其機械性能幾乎相當於鍛造材料, 提供了幾乎無限的形狀和幾何特徵的能力, 具有很高的生產速率.
- 等靜壓(IP)
適用於所有方向上壓力均等的粉末緻密部件, 從而達到最大密度和微觀結構均勻和無單軸壓的幾何限制. 用於生產緻密的高性能零部件.
等靜壓分為冷和熱等靜壓, 冷等靜壓(CIP)是在常溫下壓實 '綠色部件' , 而熱等靜壓(HIP)則在高溫下通過固態擴散鞏固部件, 熱等靜壓也可以用來消除燒結粉末冶金零件殘餘氣孔率.
- 3D列印
金屬3D列印包括直接金屬3D列印和間接金屬3D列印.
金屬粉末床熔融(PBF)是目前最廣泛被使用的金屬3D列印技術. 包括去年通用電氣投資14億美元收購Concept Laser和Arcam, 進一步加強了金屬粉末床熔融的市場關注度. PBF被認為是一種直接的金屬3D列印技術, 包括雷射熔融和電子束熔融兩種加工方式, 目前雷射熔融方式被更廣泛的使用. 在這個領域, 活躍著眾多的品牌, 包括GE收購的Concept Laser和Arcam, 包括原有的金屬3D列印解決方案商德國EOS,德國SLM Solutions, 英國Renishaw,以及進入到PBF領域的機床廠商德國通快, 以及德馬吉森精機等.
還有一種直接金屬3D列印技術(LENS —— 定向能量沉積技術)是冶金粉末的另一種應用工藝.
間接金屬3D列印技術, 故名思意是指通過金屬3D列印過程所獲得的金屬零件並不是最終的零件, 而是需要通過高溫爐的熱處理過程將金屬零件中的化學物質去除, 從而獲得緻密的金屬零件.
當然, 當前間接金屬3D列印技術包括多種不同的技術, 根據3D科學穀的市場研究一大類是以Desktop Metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting技術, 另一類是以Xjet為代表的NanoParticle Jetting技術, 第三類是Prodways以樹脂為間接體的金屬3D列印技術, 第四類則是惠普將要推出的金屬3D列印技術. 而GE也將推出金屬零件的粘結劑噴射3D列印設備.
-- 粉末冶金製備
制粉設備應用於原料制粉過程. 制粉方法可劃分為三大類: 機械制粉, 物理制粉, 化學制粉, 常用的制粉方法有氧化物還原法, 霧化法, 旋轉電極法, 電解法和機械破碎法等, 不同制粉方法所使用的設備也是不同的. 根據不同的制粉方法, 主要使用的設備包括還原爐, 離子膜電解槽, 球磨機等.
-- 粉末冶金應用市場
粉末冶金零件的應用很廣泛, 主要可分為兩大類: 第一類是難以用其他方法製造的部件, 如鎢, 鉬或鎢硬質合金. 此外, 含油軸承, 過濾器和許多類型的硬和軟磁元件都是採用粉末冶金技術生產. 第二類是能為鑄件和鍛件提供一種經濟高效的替代方案, 如汽車離合器片, 連杆, 凸輪軸, 行星齒輪載體等.
粉末冶金產品廣泛用於汽車行業, 航空航天行業, 家電行業以及消費電子行業. 其中, 汽車行業, 航空航天行業屬於高端的市場, 產品附加值很高;目前, 我國國內粉末冶金企業主要生產家電, 消費電子行業的粉末冶金產品. 家電行業的粉末冶金產品主要有冰箱, 空調使用的壓縮機, 洗衣機, 電風扇中使用的多孔自潤滑軸承, 空調, 吸塵器中的齒輪與磁體等;消費電子領域, 眾多手機品牌的金屬外殼, 音量按鍵, 墊腳, SIM卡托等零部件均為粉末冶金產品. 然而, 家電與消費電子行業粉末冶金件技術門檻較低, 各類中小廠商爭相進入, 導致我國國內低端粉末冶金市場競爭十分激烈.
汽車行業是主要的應用領域, 約佔70%. 其他重要的市場包括娛樂, 家用電器, 工業電機及控制, 硬體和商業機器等. 2016年, 我國國內汽車粉末冶金製品占粉末冶金總產品的比例提升至約60%, 但仍然低於發達國家80%的比例. 與此同時, 我國汽車粉末冶金產品的種類並不齊全, 目前主要是一些技術含量較低的連杆, 墊片, 鏈輪等產品, 而絕大多數企業無法批量生產技術要求更高的VVT, VCT, 行星齒輪等產品.
粉末冶金汽車零部件主要應用於兩大類車輛領域: 發動機, 變速箱/分動箱. 根據MPIF(金屬粉末工業聯合會)的統計, 粉末冶金零件在300多個單獨的汽車部件上均有應用, 零件總數超過750個. 考慮到節能減排與成本控制因素, 國內企業未來會更多使用粉末冶金工藝生產汽車零部件.
汽車發動機與變速箱是粉末冶金零部件應用最為廣泛的兩個領域. 在這兩個領域裡, 發動機粉末冶金零部件市場規模約40億元, 變速箱粉末冶金零部件市場規模約150億元. 加上用於汽車底盤等的粉末冶金零件, 國內汽車粉末冶金市場空間達200億元.
- 發動機粉末冶金市場規模約40億
在汽車發動機領域, 一輛乘用汽車上平均使用兩個發動機可變正時氣門(VVT), 其單價約70元, 即對應每輛汽車的價值量為140元/輛, 按照智研諮詢發布的《2017-2022年中國汽車市場運行態勢及投資戰略研究報告》預計, 2020年中國乘用車銷量將達到3000萬輛的規模, 採用粉末冶金技術製造的VVT約有42億元的發展空間.
- 變速箱粉末冶金市場規模約150億
在汽車變速器領域, 汽車變速器分為四大類, 手動變速器(MT), 約佔45%市場份額, 自動變速器(AT)佔30%市場份額, 無級變速器(CVT)佔15%市場份額, 雙離合器(DCT)佔10%市場份額, 其中AT, DCT市場快速發展, 機會較多, CVT市場粉末冶金機會較少.
單個MT, AT, CVT, DCT變速箱使用的粉末冶金零部件價格分別約為500元, 600元, 200元, 500元. 2020年, 預計中國乘用車銷量3000萬輛, 假設各類型變速器市場份額不變, 則MT, AT, CVT, DCT變速箱的數量分別為1350萬, 900萬, 450萬, 300萬. 總計變速箱內粉末冶金零部件的市場空間約150億元.
若粉末冶金行業能夠取得技術上的突破, 強度, 耐磨性等指標進一步提升, 則結合齒輪, 傳動齒輪等傳統鍛造零件有望被粉末冶金零件所取代, 市場規模將會進一步爆髮式擴張.
-- 粉末冶金市場
根據GKN公司測算, 2016年, 全球粉末冶金產品銷售額約為80億美元. 其中, 銷售額前十名的公司總銷售額約為45億美元, 市場份額約佔60%. 前十名的公司中, 5家公司為歐洲企業, 4家公司為日本企業, 1家公司為美國企業. GKN公司為行業的領導者, 2016年其粉末部門銷售額達 10.3億英鎊(14億美元), 市場份額約佔18%, 遠高於第二名住友電工9%的市場份額.
根據中國機協粉末冶金分會統計, 2016年我國粉末冶金零件出貨量48萬噸, 銷售額達64億元, 其中汽車行業銷售額40億元, 占銷售總額62%. 2017年, 粉末冶金市場規模預計達69億, 實現穩定增長.
GKN是粉末冶金領域的龍頭企業, 有著最大的銷售規模以及最齊全的產品種類. 在粉末冶金領域具有很好的參考意義. GKN粉末冶金由兩個部分組成: GKN Sinter Metals和Hoeganaes. GKN Sinter Metals是粉末冶金成形零件的行業領導者, 其市場份額世界第一. 產品包括用於汽車發動機, 變速箱, 泵, 車身, 底盤, 壓縮機的粉末冶金零部件, 粉末冶金製作的軸承與過濾器, 金屬注塑成型組件, 其他工業應用的粉末冶金零部件, 以及用於電動機的軟磁元件. Hoeganaes是GKN旗下專門提供高質量金屬粉末的公司, 其產品包括鐵粉, 銅粉, 鎢粉, 鈦粉等金屬粉末, 廣泛用於粉末冶金, 化工和焊接等工業. 其市場份額世界第二.
2016年, GKN粉末冶金部門的營業收入為14億美元. 其中Sinter Metals貢獻了11.7億美元的收入, 佔總收入的83.6%;Hoeganaes貢獻了2.3億美元的收入, 佔總收入的16.4%. 其主要客戶包括福特, 通用汽車, 舍弗勒, 博格華納等諸多著名汽車公司與汽車零部件公司.
