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1、振动力场对金属粉末注射熔体流变性能及相分离的影响研究基金项目：国家自然科学基金项目（10590351）刘 斌 骆接文, 2 瞿金平1 蔡一湘（1.华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室 广州510402广州有色金属研究院,广州510）摘 要:本文简介了动态注射成型技术在金属粉末注射成型中的应用状况，探讨了振动频率、振幅对316L不锈钢粉末喂料熔体流变性能及相分离的影响。成果表白,振动力场的引入能改善金属喂料的流动性能，增长金属喂料在阿基米德螺旋模具中充模过程的流程长度;振幅、频率的变化能改善制品相分离的状况，在频率为1H、振幅为0.1m时对相分离的改善作用最为明显。核心词：动态注射成型
2、;金属粉末注射;流变性能;相分离Studyon te Efetofibraton Fe Field on the Met heogy anwder Phae-isolatin LuoJewen1, 2 Jinpn1 aYixang2（1. heKey Labor Polmer Processin Engineerin f Mistry Eduction, Suth China nirsi Technlogy， Guanghou,51602 Gangzhou esearch Intiut of n-frros Mtals，Guangzhou 1050）ABSTA：T applatin o dna
3、mic njection moldingi hemetal jectin moldn i ntroduced nthipaper he dynamicnjectio mldinexperiment rslt sows tt he dynamic frqenc and mplitue melrate he fedstoks hegcal popertynlengthen te flwlengthinthe rhmedeshicamld Tesaig electronmicscoe tst result sows that he dynam freuency a ampite aorat t fe
4、dtkshase-iolation. When thednamc frequenfis10Hz and theamplitudA is 0.1mm, theaffecton s the best.KEORDS:Dynmic Injction Moldig； Mtalwdr ncon Moing； heology; se-olin金属粉末注射成型(Ma pwder Ijecion Modin,简称MI）是老式的粉末冶金技术与塑料注射成型技术相结合而发展起来的一门新型粉末冶金成型技术1。它的基本工艺过程是:一方面将金属粉末与有机粘结剂均匀混合,用注射成型机成型,然后将成型坯件中的粘结剂脱除,最后经
5、烧结致密化得到最后金属产品。金属粉末注射成型可以成型出多种具有复杂形状的型坯,免除了繁琐的多道机加工工序。在金属粉末注射成型过程中,喂料为流动状态,能均匀填充模腔，使得模腔内各点压力较一致,这样就可以消除老式粉末冶金压制成型所固有的沿压制方向密度梯度的缺陷,从而获得组织构造均匀、力学性能优秀的近净成型零部件。但由于喂料为金属粉末与粘结剂混合而成，这样在注射成型过程中，容易导致粉末相与粘结剂互相相分离的状况3-。本文重要探讨振动力场对金属粉末注射熔体流变性能及相分离的影响。1.动态注射成型技术聚合物动态成型加工措施是华南理工大学瞿金平专家在2世纪8年代发明的一种新型的聚合物成型加工措施5。研究表
6、白,动态成型加工技术具有一系列的长处。在高分子填充体系加工工程中引入振动场，对于体系的混合特性有明显的改善,实验成果表白6,振动力场对于填充体系的分散有明显作用,减少了团聚体的存在,在微观上使得填充体系在高分子体系中均匀分散,在宏观上体现为制品性能的改善。金属粉末注射成型与塑料注射成型有着较大的区别。在MIM成型过程中,金属粉末喂料会对螺杆和料筒产生长时间、高强度的摩擦，因此,必须将螺杆和料筒的表面进行氮化解决。同步,由于MIM喂料容易由于内摩擦产生的热量而使得粘结剂分解,从而影响流动性。另一方面，由于振动力场的引入,对老式的M工艺中的粘结剂体系一定会带来影响，例如注射压力的变化以及分散性改善
7、等等。基于金属粉末喂料和聚合物在性能上的差别，何亮等7人针对金属粉末喂料高粘度、强剪切、高摩擦热的特点对塑料动态注射机的塑化部件进行了改造，制成了一台金属粉末动态注射成型机DP-90,其原理示意图如图1所示。曾春萌等8人研究了在动态注射条件下,压力传递的变化状况,最后发现,螺杆振动产生的压力在通过喷嘴传递到模腔后所产生的振动力场与螺杆振动力场存在相位差。高威等人运用金属粉末动态注射成型机研究了动态注射成型工艺下模腔压力的变化，发目前振动状况下,模腔压力先是随振动频率、振幅的上升有下降的趋势，继而随着振动频率、振幅的上升而上升,这之间存在一种最佳的频率、振幅值使模腔压力最小。图1 金属粉末动态注
8、射成型装置原理示意图 Fig1kethf yna mtl njectimolding本文在PI-90金属粉末动态注射成型机上进一步研究了振动频率、振幅对16L不锈钢粉末喂料的流变性能及相分离的影响。.实验喂料的成型性能是喂料在规定型腔中填充快慢和难易限度的度量，成型性能的研究目的是寻找成型性能良好的成型条件,从而减少金属粉末注射成型产品的缺陷，提高产品的成品率和材料的运用率10-11。熔体的螺旋流动长度SFN（Spiral FowNumbe)是衡量熔体流动性的一种重要参数，对金属粉末注射成型而言，螺旋流动长度可以较精确地衡量喂料的成型性能。本文以带刻度的阿基米德螺旋流动模具为平台,研究了在金属
9、粉末注射过程中加入振动参数，变化不同的振幅、频率,得出了各工艺参数对316L不锈钢粉末喂料成型性能的影响规律以及对喂料的相分离的影响。2.1重要原料及设备注射机为聚合物新型成型装备国家工程研究中心研制的P0金属粉末动态注射成型机;测量模具为阿基米德螺旋线模具;电子扫描电镜为日立公司SM-S3700型;喂料粉末为316L不锈钢粉末和石蜡-聚乙烯粘结剂共混。22流变性能实验为了研究不同注射工艺参数对金属粉末注射流程的影响，本实验采用单参数变动措施进行注射实验,即在注射成型过程中只变动单个工艺参数，而保持其她工艺参数不变,考察振幅和频率对金属粉末喂料熔体充模流程的影响,这样就可对单个工艺参数对充填效
10、果的影响趋势和机理进行分析。实验前,按金属粉末和粘结剂的体积比进行喂料配比,然后将物料在烘箱中干燥小时，干燥温度设为50。设定注射工艺参数,调节振动频率分别为0Hz、2Hz、5z和10Hz，振幅分别为m、5、00m和1mm。由于粘结剂的熔点较低，在实验时料筒的温度要保持较低的温度，本实验中设定温度为0,可避免“架桥现象”的发生，将注射速率设为四段,注射压力也设为四段，注射时间设为2秒,保压压力为0M，具体的多种注射工艺参数如表所示。表1 注射工艺参数Tale 1Processng parametrs for ijetin注射123#压力（Pa)9090速度（m/s)555500时间(S)2.0
11、保压压力（MPa)60时间(S)6.0注射温度（)015555冷却时间（S)10在取样时，要注意参数变更后，保证成型的振幅频率稳定后才进行取样，每个计数点取10个样品，待样品冷却至室温后,将样品用塑料密封袋装好，供后续的测量实验与电镜实验使用。部分实验样条如图2所示。 (a)装载量%,L405 c （）装载量30%，L48.5 cm (）装载量20%,L=51.5cm图2 振幅A=50m、频率f=10Hz工艺条件下不同粉末装载量流程测试试样F Thflow legh o frent poder lodin pleswhen A=150u，f=10Hz在注射成型实验完毕2后,在室温下记录各有效试
12、样的长度尺寸。为了减小误差,记录每个试样,最后取它们的平均值作为测量成果，各参数下粉末装载量分别为20、3%、40%的喂料的流程如表2所示。从表2可以看出,在加入振动后，多种粉末装载量下的喂料的流程相比于稳态状况下的均有所增长，这阐明动态注射成型能改善金属粉末喂料的流变性能,使喂料在充模阶段的流动性更好,更易于充模。表2 不同振幅频率下的几种不同金属粉末装载量喂料的流程Tb 2Flowlenth of different powder loadg v dynamicnjion eqecya amlitd频率(H)振幅（um)不同粉末装载量下的流程(cm)203%40%004942382592.
13、38.51000243380143539505.545510051.4545104411505145.5415110051.4654210150514822.3相分离实验为了观测金属粉末相分离的状况，本实验使用日立公司型号为3700的扫描电镜进行测验。由于当金属粉末装载量太大时很难看出其相分离的状况2,如图3所示，所觉得了能更好的看出相分离的状况，本文采用粉末装载量为20%和3%的样品脆断后做电镜实验。 (a)装载量60% (b）装载量5%图3喂料的SEM照片Fig 3 hS phtof the feedsock注射成型后，对不同成型条件下螺线坯的前端（接近浇口)、中部、后部（末端)分别进行取样，并将其进行液氮脆断形成断面，表面经镀金解决，使用放大倍数为5倍的电子扫描电镜(SM)对样品进行拍照。拍照位置在生坯的圆弧表面和断面中部，如图、5所示。从图4、5中可以看出,制品在流动过程中发生了较为明显的相分离的状况。在其断面右边沿金属粉末的分布很致密，且较均匀;断面的左边沿的金属粉末也较致密,金属粉末和粘结剂混合得比较好；而在断面的中部金属粉末颗粒不如边沿的致密,粘结剂占的比例相对于断面边沿来说大诸多,这阐明流动中金属粉末往边沿汇集从而发生相分离的状况。这与蒋炳炎专家13得出的结论是一致的。
