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(华工学报).doc

振动力场对金属粉末注射熔体的流变性能及相分离的影响研究 8/8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1 骆接文1, 2 瞿金平1 蔡一湘2（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 5106402广州有色金属研究院，广州 510650）摘 要：本文介绍了动态注射成型技术在金属粉末注射成型中的应用情况，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。结果表明，振动力场的引入能改善金属喂料的流动性能，增加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、频率的改变能改善制品相分离的情况，在频率为10Hz、振幅为0.1mm时对相分离的改善作用最为明显。关键词：动态注射成型；金属粉末注射；流变性能；相分离Study on the Effect of Vibration Force Field on the Melt Rheology and Powder Phase-isolationLiu Bin1 Luo Jiewen1, 2 Qu Jinpin1 Cai Yixiang2（1. The Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry Education, South China University of Technology, Guangzhou, 5106402. Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals，Guangzhou 510650）ABSTRACT：The application of dynamic injection molding in the metal injection molding is introduced in this paper. The dynamic injection molding experiment result shows that the dynamic frequency and amplitude ameliorate the feedstocks rheological property and lengthen the flow length in the Archimedes helical mold. The scanning electron microscope test result shows that the dynamic frequency and amplitude ameliorate the feedstocks phase-isolation. When the dynamic frequency f is10Hz and the amplitude A is 0.1mm, the affection is the best.KEYWORDS：Dynamic Injection Molding; Metal Powder Injection Molding; Rheology; Phase-isolation金属粉末注射成型（Metal powder Injection Molding，简称MIM）是传统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：首先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，最后经烧结致密化得到最终金属产品。金属粉末注射成型可以成型出各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，这样就可以消除传统粉末冶金压制成型所固有的沿压制方向密度梯度的缺陷，从而获得组织结构均匀、力学性能优异的近净成型零部件2。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，容易造成粉末相与粘结剂相互相分离的情况3-4。本文主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方法是华南理工大学瞿金平教授在20世纪80年代发明的一种新型的聚合物成型加工方法5。研究表明，动态成型加工技术具备一系列的优点。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，实验结果表明6，振动力场对于填充体系的分散有显著作用，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，在宏观上表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处理。同时，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。其次，由于振动力场的引入，对传统的MIM工艺中的粘结剂体系一定会带来影响，比如注射压力的变化以及分散性改善等等。基于金属粉末喂料和聚合物在性能上的差异，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DPII-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，压力传递的变化情况，最终发现，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9人利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，发现在振动情况下，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，这之间存在一个最佳的频率、振幅值使模腔压力最小。图1 金属粉末动态注射成型装置原理示意图 Fig 1 Sketch of dynamic metal injection molding本文在DPII-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316L不锈钢粉末喂料的流变性能及相分离的影响。2.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程度的度量，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利用率10-11。熔体的螺旋流动长度SFN（Spiral Flow Number）是衡量熔体流动性的一个重要参数，对金属粉末注射成型而言，螺旋流动长度能够较准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，研究了在金属粉末注射过程中加入振动参数，改变不同的振幅、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主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DP90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SEM-S3700型；喂料粉末为316L不锈钢粉末和石蜡-聚乙烯粘结剂共混。2.2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方法进行注射实验，即在注射成型过程中只变动单个工艺参数，而保持其他工艺参数不变，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4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、5Hz和10Hz，振幅分别为0mm、50mm、100mm和150mm。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90，可防止“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60MPa，具体的各种注射工艺参数如表1所示。表1 注射工艺参数Table 1 Processing parameters for injection注射1234压力(MPa)90909090速度（mm/s）55505050时间(S)2.0保压压力(MPa)60时间(S)6.0注射温度()90155165155冷却时间(S)10.0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40%，L=40.5 cm （b）装载量30%，L=48.5 cm （c）装载量20%，L=51.5cm图2 振幅A=150um、频率f=10Hz工艺条件下不同粉末装载量流程测试试样Fig. 2 The flow length of different powder loading samples when A=150um，f=10Hz在注射成型实验完成24h后，在室温下记录各有效试样的长度尺寸。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结果，各参数下粉末装载量分别为20%、30%、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，各种粉末装载量下的喂料的流程相比于稳态情况下的均有所增加，这说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Table 2 Flow length of different powder loading vs dynamic injection frequency and amplitude频率（Hz）振幅（um）不同粉末装载量下的流程（cm）20%30%40%004942382504942.538.5210050.24338.521505143.5395505044.540.5510051.54540515052464110505145.541.51010051.546.54210150514842.52.3相分离实验为了观察金属粉末相分离的情况，本实验使用日立公司型号为S3700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情况12，如图3所示，所以为了能更好的看出相分离的情况，本文采用粉末装载量为20%和30%的样品脆断后做电镜实验。 （a）装载量60% （b）装载量65%图3 喂料的SEM照片Fig 3 The SEM photo of the feedstocks注射成型后，对不同成型条件下螺线坯的前端（靠近浇口）、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，表面经镀金处理，使用放大倍数为500倍的电子扫描电镜（SEM）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4、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情况。在其断面右边缘金属粉末的分布很致密，且较均匀；断面的左边缘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缘的致密，粘结剂占的比例相对于断面边缘来说大很多，这说明流动中金属粉末往边缘聚集从而发生相分离的情况。这与蒋炳炎教授13得出的结论是一致的。 （a）断面右边沿 （b）断面左边沿（c）断面中部图4 粉末装载量为30%的情况下相分离情况Fig 4 The phase-isolation SEM photo of the 30% powder loading feedstock对于金属粉末装载量为20%的型坯来说，从图5（c）可以看出，其粘结剂的比例相比于粉末装载量为30%的样品要更大，这可能是因为在粉末装载量小的情况下粘结剂相容易聚集到一起。 （a）断面右边沿 （b）断面左边沿（c）断面中部图5 粉末装载量为20%的情况下相分离情况Fig 5 The phase-isolation SEM photo of the 20% powder loading feedstock当粉末装载量较小时，将样品对着强光来观察其相分离的情况，如图6所示。从图6可以看出，宏观中对着强光（日光灯）可以看到样品的明显的相分离情况，图中的样品呈现两边缘较黑、中间发白的情况，这说明在流动过程中，金属粉末往两边流动，而粘结剂则在中间流。这可能是因为在注射成型温度以及注射速率的剪切下，粘结剂粘度下降而与金属粉末分离，在注射压力下往前流，而金属粉末由于其自身的粘度很大，只能被“挤”到边缘，从而导致边缘金属粉末密集而中间金属粉末较少的情况。 （a）观察样品相分离 （b）对样品局部放大图6 粉末装载量为20%的制品宏观图像Fig 6 The photo for the 20% powder loading feedstock为了定量地表征相分离的大小，作者在计算机模拟仿真软件FLUENT中，将粘结剂和金属粉末分别作为液相和固体颗粒相，并依据动态注射机中设定的振动速度场作为边界条件，依据实验测定的喂料粘度作为流体粘度的值，定量地模拟了动态注射成型对相分离的影响。图7是在动态注射工艺下，保持频率为10Hz不变，改变振幅时振动力场对相分离的模拟情况。从图7中可以看出，振幅对相分离的影响不明显，如粉末装载量为30%时，在振幅为0.2mm时金属粉末的最大体积为33.04438%，而加大振幅至0.25mm时其最大体积为33.04876%，说明振幅对相分离的影响较小。但在不同的振幅下，相分离的变化是有规律的，如金属粉末装载量为40%时的喂料熔体在振幅分别为0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm和0.3mm时其上限的体积分别为42.14237%、42.06745%、42.07947%、42.07193%、42.10237%和42.10765%，振幅等于0.1mm时其相分离量最小，体积为42.06745%；其下限体积分别为35.81515%、35.82305%、35.81703%、35.79613%、35.79531%和35.74699%，当振幅等于0.1mm时其相分离量最小，体积为35.82305%。金属粉末装载量为30%的喂料熔体在振动注射过程中，在振幅分别为0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm和0.3mm时，其上限的体积比可以从图7中看出，其最小分离量的体积为33.00854%，亦是出现在振幅等于0.1mm的时候；振幅等于0.1mm其下限最小分离量的体积为22.57841%。这表明，振幅对相分离所起的作用虽然不大，而且随着振幅的改变其相分离的出现了有规律的变化，在相同的振动频率下先是随着振幅的升高相分离量变小，在振幅达到0.1mm后，相分离量又开始变大。 （a）上限体积分数 （b）下线体积分数图7 频率f=10Hz不同振幅下的相体积分数Fig 7 The relation between VOF with the amplitude when f=10Hz为了研究频率对相分离的影响，取振幅为0.1mm，分别令频率为2Hz、5Hz、10Hz、12Hz和15Hz，分别计算粉末装载量为30%和40%时，相分离的上限体积及下限体积的大小，计算所得数据如图8所示。从图8中可以看出，频率对相分离的影响较大，对于粉末装载量为40%的喂料，在频率为2Hz时，其相分离的上限体积为42.37655%，而在频率为10Hz时其上限体积为42.06745%，比喂料在频率为2Hz时的上限体积小；但当继续增大频率，当频率为15Hz时，相分离的上限体积又增大至44.59761%。从图可以看出，当频率为10Hz时所产生的相分离上限体积最小，此时的下限体积也最大，为35.81505%。这说明在频率为10Hz时能产生最小的相分离情况。 （a）上限体积分数 （b）下线体积分数图8 振幅A=0.1mm粉末相体积分数与频率的关系Fig 8 The relation between VOF with frequency when A=0.1mm对于粉末装载量为30%的喂料，由图8可知，其最小的相分离上限体积为33.00854%，出现在频率为10Hz的时候，并且其相分离趋势与粉末装载量为40%的喂料几乎一致，在频率210Hz时，相分离量随着频率的增大而减小，到了10Hz以后则出现一条上升的“小阳线”，此时随着频率的增加相分离量也增加。其下限体积在频率210Hz时随着频率的增大而增大，到了10Hz以后则出现一条下降的“小阴线”，这之后随着频率的增加，其下限体积反而在减小，这说明在10Hz时其下限体积最大，相分离量最小。3.结论通过利用石蜡-聚乙烯体系的粘结剂，对316L不锈钢粉末喂料熔体在不同粉末装载量下进行动态注射成型流变试验研究，结合相关的试验结果进行分析，可知：依据阿基米德注射实验表明振动力场的引入能改善金属喂料的流动性能，增加金属喂料充模过程的流程长度；结合SEM实验以及FLUENT模拟相分离的实验，结果表明，在石蜡-聚乙烯为主要成分的粘结剂体系下存在相分离的情况，动态注射下振幅和频率的改变能改善制品相分离的情况，并且不同的振幅和频率对相分离的影响不一，在频率为10Hz、振幅为0.1mm时对相分离的改善作用最为明显。参考文献1 German R MPowder injection molding MPrinceton Powder Indestries Federation,1997:1-102 李益民，李云平金属粉末注射成形原理与应用M长沙：中南大学出版，2004年，1-23 Z Y Liu，N H Loh，S B Tor，K A. KhorCharacterization of powder injection molding feedstockJMaterials Characterization，2002，4（49）：313-3204 D J Stephenson，P A. McKeown. Development in Powder Co-Injection MouldingJCIRP Annals- Manufacturing Technology，2000，1（49）：191-1945 瞿金平塑化挤出新概念华南理工大学学报（自然科学版），1992，20（4）：1-3Qu Jin-ping. Method and equipment for electromagnetic dynamic plasticating extrusion of polymer materialsJ. Journal of South China University of Technology：Natural Science Edition， 1992,20(4):1-3.6 瞿金平电磁动态塑化挤出方法及设备P美国专利：5217302，1993-05-08；7 何亮电磁动态金属粉末注射成型型坯结构性能表征D广州：华南理工大学，20048 曾春萌脉动压力诱导注射成型衰减现象与理论研究D广州：华南理工大学，20099 高威聚合物/金属粉末体系动态充模过程的