鄧朝暉，伍俏平，言佳穎，萬(wàn)林林

（湖南科技大學(xué)1.難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.機(jī)電工程學(xué)院，湘潭411201）

0 引 言

粉末注射成形技術(shù)（PIM）是一種以粘結(jié)劑為流動(dòng)載體，以金屬或陶瓷粉等為原料，通過(guò)注射成形手段達(dá)到成形目的，并經(jīng)過(guò)脫脂及燒結(jié)獲得粉末冶金制品的工藝方法［1-4］。它是在傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)基礎(chǔ)上，借鑒了塑料注射成形工藝發(fā)展起來(lái)的一種新的近凈成形技術(shù)，被譽(yù)為當(dāng)今最熱門(mén)的零部件成形技術(shù)［5］。由于粉末注射成形過(guò)程中熔體流動(dòng)填充模腔的均勻性好，使得PIM制品的密度均勻，避免了模壓工藝中出現(xiàn)的密度不均勻等問(wèn)題，突破了傳統(tǒng)模壓成形工藝對(duì)制品形狀的限制，可以大批量、高效率地生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、力學(xué)性能及表面性能優(yōu)良的零件［6-8］，在制備高性能的小型零件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近些年來(lái)，粉末注射成形技術(shù)在航空航天、電子、汽車(chē)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用［9-10］。

目前有關(guān)采用粉末注射成形技術(shù)制備金剛石增強(qiáng)銅基制品的報(bào)道還較少。作者利用粉末注射成形技術(shù)對(duì)金剛石/銅基粉進(jìn)行了粉末注射成形試驗(yàn)，制備了纖維狀金剛石微刃坯。而在金剛石制品的注射成形過(guò)程中，由于熔體黏度較高，快速冷凝時(shí)容易導(dǎo)致填充困難，特別是小型薄壁件更容易產(chǎn)生充填不足，即發(fā)生“欠注”現(xiàn)象。傳統(tǒng)注射成形模具設(shè)計(jì)時(shí)，注射成形參數(shù)主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，需要進(jìn)行反復(fù)修模和試模，生產(chǎn)成本高、周期長(zhǎng)。利用CAE模擬軟件可以對(duì)注射成形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以及對(duì)注射充模過(guò)程進(jìn)行可視化監(jiān)控，當(dāng)設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的修改和調(diào)整，而不需要進(jìn)行實(shí)物試模，從而節(jié)省了大量的時(shí)間和費(fèi)用。其中，Moldflow有限元軟件是目前世界上功能最強(qiáng)大也是應(yīng)用范圍最廣的注射成形CAE模擬軟件之一，利用它可對(duì)整個(gè)注射成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析，包括填充、保壓、冷卻、纖維取向、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及材料流動(dòng)分析等?？紤]到熔體溫度是粉末注射成形過(guò)程中影響填充效果的重要因素之一，因此，作者將填充率作為考察目標(biāo)，結(jié)合Moldflow有限元軟件分析了注射成形過(guò)程中熔體溫度對(duì)金剛石制品填充率的影響規(guī)律，并進(jìn)行了注射成形驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用金剛石為商用 MBD-8型金剛石，粒徑為90～109μm；銅基粉體為氣霧化Cu-10Sn-5Ti粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），平均粒徑為8μm，密度為8.23g·cm-3，所用金剛石與銅基粉體顆粒形貌如圖1所示。將金剛石與銅基粉體按1∶1.2的體積比混合均勻，采用含熱塑性聚合物的多組元石蠟基粘結(jié)劑，粘結(jié)劑配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為69%PW（石蠟），10%HDPE（高密度聚乙烯），20%LDPE（低密度聚乙烯），1%SA（硬脂酸）。粉體裝載量為63%。將金剛石/銅基粉和粘結(jié)劑在ZNH-1型真空捏合機(jī)中于157℃下混合1.5h得到喂料，采用臺(tái)灣呈菘35T型立式注射成形機(jī)進(jìn)行粉末注射成形試驗(yàn)，注射流量為10cm3·s-1，注 射 壓 力 為10MPa，熔 體 溫 度 為140～180℃。成形試樣為纖維狀金剛石微刃坯，形狀尺寸如圖2所示，厚度為1.5mm。注射模具上開(kāi)有用于加熱的孔，利用加熱棒將模具加熱至40℃；在接近摸腔的地方開(kāi)有安放熱電偶的小孔，通過(guò)熱電偶及溫控裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)模具溫度的讀取和控制。

為了進(jìn)一步對(duì)金剛石/銅基釬料粉末注射件的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及粉體分布情況進(jìn)行觀測(cè)分析，將熔體溫度為170℃制備的成形坯于液氮中迅速冷卻斷裂，并對(duì)其橫截面進(jìn)行表面噴金處理，采用QUANTA200型掃描電子顯微鏡觀察其斷面形貌。

圖1 金剛石和銅基粉體SEM形貌Fig.1 SEM morphology of diamonds（a）and copper-based powders（b）

圖2 成形試樣的形狀與幾何尺寸Fig.2 Geometrical dimensions of formed specimen

2 有限元模型的建立及模擬

黏度是描述熔體流變行為最重要的參數(shù)，它是表征熔體抵抗外力引起流動(dòng)變形能力的指標(biāo)，表1為用毛細(xì)管流變儀測(cè)得的試驗(yàn)所用喂料的黏度。

喂料在熔融狀態(tài)時(shí)是非牛頓流體，為了定量地表示熔體的流動(dòng)規(guī)律，一般采用Cross-WLF七參數(shù)模型來(lái)表示［11］，如式（1）所示。

表1 不同溫度及剪切速率下喂料的黏度Tab.1 Viscosities of the feedstock at different temperatures and shearing rates Pa·s

式中：τ＊為熔體的剪切變稀特性，取值在1 000～1 000 000Pa；為剪切速率；n為非牛頓指數(shù)，取0～1；D1為玻璃化溫度下的零剪切率黏性系數(shù)，1.0×106～1.0×1015Pa·s；D2為非玻璃化轉(zhuǎn)換溫度，273.15～573.15K；A1，A2為決定熱膨脹系數(shù)的參數(shù)，A1取1～100，A2取1～1 000K。

將表1中的數(shù)據(jù)與待擬合參數(shù)的值用matlab軟件進(jìn)行七參數(shù)的非線性回歸方法擬合，最后得到n＝0.240 6，τ＊＝133 72.8Pa，D1＝5.226×1013Pa·s，D2＝360.15K，A1＝25.27，A2＝6.04K。將擬合數(shù)據(jù)代入Cross-WLF七參數(shù)模型中，可得到各溫度下的黏度和剪切速率的雙對(duì)數(shù)曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 不同溫度下喂料黏度與剪切速率的關(guān)系曲線Fig.3 The curve of viscosity and shearing rate for feedstock at different temperatures

圖4 Fusion網(wǎng)格劃分Fig.4 Fusion meshing

采用三維軟件UG NX4.0得到纖維狀金剛石微刃坯的三維模型，并對(duì)實(shí)體造型進(jìn)行Fusion網(wǎng)格劃分，如圖4所示。網(wǎng)格劃分結(jié)果得到13 104個(gè)單元、6 554個(gè)節(jié)點(diǎn)、最大縱橫比2.624、最小縱橫比1.155、平均縱橫比1.371、匹配百分比為97.9%。同時(shí)對(duì)金剛石/銅基粉體喂料的物理性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，利用BT-100型粉體綜合特性測(cè)試儀測(cè)得其振實(shí)密度為4.12g·cm-3；利用LFA44型閃光導(dǎo)熱儀測(cè)得導(dǎo)熱系數(shù)為4.06W·m-1·K-1；利用DSC204F1型差示掃描量熱儀測(cè)得比熱容875J·g-1·℃-1。而在工藝參數(shù)控制設(shè)置上，采用流動(dòng)速率控制喂料充模，盡可能保持固定的流動(dòng)速率使制品密度均勻；當(dāng)模腔即將充滿時(shí)，為了防止充模速率過(guò)快出現(xiàn)噴射現(xiàn)象，改為壓力控制，同時(shí)對(duì)注射模具材料的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置。前處理和工藝控制設(shè)置完成后，在模具溫度40℃、注射流量10cm3·s-1、注射壓力10MPa、熔體溫度140～180℃條件下，利用Moldflow軟件對(duì)金剛石/銅基粉體的喂料填充率進(jìn)行了模擬，模擬條件與前面的粉末注射成形試驗(yàn)完全相同。

Moldflow軟件與普通的有限元軟件稍有不同，只需要將網(wǎng)格劃分后，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的材料參數(shù)及工藝參數(shù)設(shè)置好，就可利用軟件中的模塊直接進(jìn)行分析了，邊界條件一般不需要單獨(dú)分析。

3 結(jié)果與討論

從圖5可看出，隨著喂料熔體溫度的提高，充填率逐漸增大，這是由于熔體溫度的升高，會(huì)使熔體的黏度下降，熔體的流變性增強(qiáng)，有利于充模的順利進(jìn)行；但是隨著熔體溫度的進(jìn)一步上升，充填率的增幅有所下降，根據(jù)Cross-WLF模型公式，黏度與溫度之間是非線性關(guān)系，在相同剪切速率下，隨著熔體溫度的上升，黏度的降幅會(huì)變小，因此熔體黏度受溫度影響變小。從模擬與試驗(yàn)結(jié)果看，二者吻合較好。當(dāng)熔體溫度為140～160℃時(shí)，填充率在85.9%～97.1%之間，當(dāng)熔體溫度為170℃時(shí)，填充率就達(dá)到了100%。

圖5 熔體溫度對(duì)充填率的影響Fig.5 Effect of melt temperature on filling rate

在粉末注射成形中也不能過(guò)高地升高熔體溫度。因?yàn)檫@一方面這會(huì)導(dǎo)致能耗增大；另一方面由于熔體溫度過(guò)高，會(huì)使制品產(chǎn)生飛邊、噴射等缺陷。從圖6中可看到，當(dāng)熔體溫度過(guò)低時(shí)（低于170℃），由于喂料的快速冷凝而出現(xiàn)了“欠注”現(xiàn)象；但當(dāng)熔體溫度過(guò)高時(shí)（高于170℃），則出現(xiàn)了噴射和飛邊等缺陷，這些都會(huì)導(dǎo)致制品的報(bào)廢。而當(dāng)熔體溫度為170℃時(shí)，模腔填充充分，成形坯表面光滑平整，無(wú)宏觀裂紋和相關(guān)缺陷。

圖6 不同熔體溫度注射得到的成形坯宏觀形貌Fig.6 Macrograph of molded specimens at different melt temperatures

從圖7中可看到，熔體溫度170℃下注射成形試樣橫斷面上粉體分布均勻，粘結(jié)劑很好地填充于粉體顆粒間的空隙中，組織致密，沒(méi)有氣孔、空穴及其他缺陷，注射效果良好。

圖7 熔體溫度為170℃注射成形試樣橫斷面的SEM形貌Fig.7 Cross-section SEM morphology of the specimen formed at melt temperature of 170 ℃

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)在相同工藝參數(shù)不同熔體溫度下金剛石/銅基粉體的注射成形試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著熔體溫度的提高，充填率逐漸增大，但增大速率卻逐漸下降；當(dāng)注射壓力為10MPa，注射流量為10cm3·s-1，熔體溫度為170℃時(shí)，填充率就達(dá)到了100%。

（2）注射成形試驗(yàn)與有限元模擬結(jié)果比較吻合，熔體溫度為170℃的注射成形制品的表面光整，無(wú)宏觀裂紋和明顯缺陷，內(nèi)部組織均勻，注射效果良好。

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