专利名称：金属粉末型坯注射成型方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属粉末加工的注射成型技术，具体是金属粉末型坯注射成型方法及其设备，通过对目前金属粉末注射成型过程的改进，从而使型坯性能得到了提高。
背景技术：
金属粉末注射成型技术是一种把塑料注射成型技术应用于金属粉末冶金的新型金属加工成型技术，与传统的金属粉末压铸技术和机械加工方法相比，该工艺具有很多优点。但是，目前金属粉末的型坯注射成型仍然采用传统的螺杆注射成型技术，存在一些明显的不足之处(1)金属粉末的装载率低；(2)型坯的注射成型周期长；(3)型坯的密度低且分布不均匀；(4)型坯的收缩率高，质量不高；(5)难以制造壁厚的大零件。
发明内容
本发明的目的正是针对目前金属粉末注射成型过程中存在的不足，提供一种金属粉末型坯注射成型方法，将振动技术应用到型坯注射成型过程中，使喂料的塑化、注射充模和保压过程均可以在周期性振动状态下进行。
本发明的目的还在于提供所述方法使用的设备。
本发明的金属粉末型坯注射成型方法是通过一线式注射机螺杆的轴向振动和周向振动使金属粉末混合喂料的塑化、注射充模和保压过程处于周期性振动状态。
一线式注射机螺杆的振动频率和振幅分别在0～300Hz和0～1.5mm范围内(不等于0)进行调整。
当一线式注射机螺杆的振动频率或振幅变为数值0时，金属粉末混合喂料的塑化、注射充模和保压三个阶段可处于不振动状态。
本发明方法使用的设备主要由模具、机筒、电机及激振器依次连接构成，料筒上方安装料筒，电机及激振器和驱动装置驱动机筒内的螺杆做圆周方向和轴向方向的脉动振动。
本发明的特点在于利用了振动力场的作用，其使金属粉末喂料在被螺旋输送的同时被周期性地压缩和释放，瞬时压力促使物料被快速压实，松散物料带入的空气以及各种低分子挥发物借助于动态压实过程而快速排出。振动力场改变了压实体内部的压力和温度分布，促进了压力和热量在散粒体中的传播，提高了熔融速率并缩短了熔融段的长度，这就很好地解决了由于螺杆有效长度缩短造成的塑化混炼不均匀而影响型坯质量的问题。
由于振动力场的作用，加工过程中形成的局部压力场和速度场都是脉动的，这一方面增加了高分子链之间的相互剪切摩擦，产生了大量的耗散热，增加了高分子的热运动能，加速和加强了高分子链段的扩散和运动，减小了高分子链及其链段之间的相互缠结。振动不断对喂料进行挤压和释放，使粘结剂的分子取向更加容易，分子间的空穴增大，降低了分子间的相互作用力，从而降低了粘结剂的黏度，流动性得到了提高；另一方面，振动力场的作用降低了金属粉末颗粒的团聚现象，提高了金属粉末颗粒的运动能力。
在振动状态下，瞬时变化的剪切速率和压力使喂料得到更有效的混炼，金属粉末和粘结剂之间的混合和扩散得到加快和加强，从而提高了喂料组分的分散均匀程度。
在注射充模过程中，螺杆向前直线脉动位移，将熔体注入模腔，熔体的压力随螺杆的振动而周期性变化，这种作用同样使熔体黏度及弹性降低，流动阻力减小，从而降低了充模压力，使充模速度加快，填充均匀。
模腔充满熔体后，螺杆继续作轴向振动，保持模腔压力继续周期性变化，模腔中的空气由于压力的波动而容易排出。同时振动力场的作用延长了喷嘴、浇口等部位喂料熔体的凝固时间，使型坯的温度和内应力在振动作用下得到充分均化。由于熔体周期性的压缩和膨胀，延缓了冷却速度，使型坯厚壁部分冷却收缩时能及时地得到足够的补充，从而减少或避免了缩孔、疏松和表面沉陷等缺陷的产生，可以制备壁厚的大零件。
振动力场使喂料熔体弹性减小，扩大了喂料组分之间的接触面积，降低了制品中的残余应力，有效地防止翘曲变形，提高了注射制品的质量。
将振动引入到物料塑化中的能量以热耗散方式使物料均匀受热，从而使注射成型过程需要的外部热量减小，降低了成型加工温度，减少了功耗。本发明与现有技术相比具有如下显著优点1、金属粉末的装载率提高由于振动力场作用下，喂料的黏度降低，流动性提高，因此较高的金属粉末装载率同样可以具有良好的流动性能和加工性能。
2、型坯的致密度提高一方面是由于金属粉末装载率的提高，另一方面是由于振动力场产生的脉动压力作用使喂料被压的更加致密。
3、型坯的密度均匀性提高由于在振动力场作用下，金属粉末颗粒的团聚现象降低，瞬时变化的剪切速率和压力使喂料得到充分的混炼，金属粉末和粘结剂的混合得到了加快和加强，同时由于振动使粘结剂的流动性得到提高，金属粉末颗粒的分散程度就得到了提高。
4、型坯的质量提高由于振动力场提高了型坯的致密性和颗粒分散性，也延长了喷嘴、浇口等部位熔体的凝固时间，使型坯冷却收缩时可以及时地得到足够的补充，从而减少了缩孔、疏松和表面沉陷等缺陷的产生，提高了型坯的质量。
5、型坯的成型周期缩短振动力场的作用提高了粘结剂的熔融速率，缩短了熔融段的长度，降低了喂料的黏度和流动阻力，从而降低了充模压力，充模速度也得到了提高，模腔中周期性变化的压力使型坯的温度和内应力得到快速均化，保压时间缩短，从而缩短了成型周期。
6、设备的功耗降低由于振动力场的作用减少了型坯成型过程中的需求热量，提高了热量利用率，使塑化和注射充模功率减小。
7、设备体积减小将振动力场引入到金属粉末型坯注射成型过程，从而使螺杆长度缩短，设备的体积重量减小。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1为本发明设备的结构示意图。
图2为图1中螺杆振动时速度随时间变化的波形图。
图3是频率为6Hz时喂料熔体的动态表观黏度实验数据曲线。
图4为不同频率下型坯密度与振幅的关系曲线。
图5为不同振幅下型坯密度与频率的关系曲线。
图6是频率为7Hz时动态注塑型坯液氮脆断端面SEM(扫描电镜)照片。
图7是振幅为100μm时动态注塑型坯液氮脆断端面SEM照片。
具体实施例方式
如图1所示，金属粉末与粘结剂组成的喂料5通过料筒4进入机筒2中，在电机及激振器6和驱动装置7的作用下，螺杆3做圆周方向和轴向方向的脉动振动，螺杆振动时速度随时间变化的波形如图2所示。振动螺杆将喂料压实并排除其中的空气和低分子挥发物，粘结剂熔融塑化，使各组分混合均匀。螺杆3进行轴向直线脉动位移，完成计量、注射充模和保压，最后型坯在模具1中成型。总之，使金属粉末混合喂料的塑化、注射充模和保压三个阶段处于周期性振动状态。
实验用喂料为316L金属粉末喂料，其主要成分为不锈钢，粘结剂为油性组分，粘结剂骨架材料为聚丙烯。喂料的基本物理参数为(a)主要成分316L不锈钢。平均粒度(μm)8.71，松装密度2.5～2.8，振实密度3.3～3.9；(b)粘结剂的主要成分石蜡、花生油、蓖麻油、PP；(c)金属和粘结剂的配比1000∶84(质量比)。
图3是频率为6Hz时上述喂料熔体的动态表观黏度实验数据曲线。从图3中可以发现，在施加振动后，与稳态时相比，喂料熔体的表观黏度降低，且在实验范围内，随着振动强度的增加，表观黏度有逐渐减小的趋势。降低喂料熔体的黏度可以改善喂料熔体的流动性能，降低成型温度和压力，从而可以减少冷却时间，缩短成型周期，降低能耗；同时有利于易分解喂料熔体的加工，更有利于高黏度喂料熔体的加工和薄壁制件的成型。
振动技术引入到金属粉末的注射成型，其对注射出的型坯密度也将产生深远的影响。不同振幅和频率与型坯密度之间的关系曲线如图4、5所示，从图中可以分析得出当频率在6～10Hz，振幅在50～200μm范围内时，注射出的型坯密度较高，密实性较好。另外，经实验发现，脉动注射成型的型坯比稳态注射成型的型坯密度分布要均匀。
制备高质量金属粉末注射型坯的关键在于粘结剂在金属粉末间隙中分散的均匀性。为揭示振动力场对型坯结构均匀性的影响，可对各种振动力场工况下的成型坯进行SEM照片分析与表征，将稳态与动态注射成型的型坯内部结构进行微观结构的分析对比。
图6所示SEM照片的放大倍数都为1000倍，工况为稳态和在频率为7Hz、振幅分别为25μm、50μm、100μm、150μm和200μm的条件下，靠近型坯断面中心处随机取一点的SEM照片。图6(a)为稳态情况，即不加振动力场时拍摄的SEM照片。从照片中可以看出，型坯的微观结构较为松散，粘结剂和金属粉末之间存在相分离的现象，粘结剂没有均匀的分散到金属粉末颗粒的间隙中去，呈现有聚集在一起的情况，而且金属粉末颗粒的大小尺寸分布不均匀，表现为大尺寸的颗粒在某些区域堆积在一起。图6(b)～(f)照片代表频率为7Hz、振幅分别为25μm、50μm、100μm、150μm和200μm的情况。图6(b)显示的微观结构与稳态情况相比，密实程度有所提高，粘结剂逐渐分散到金属粉末颗粒中间，但金属粉末大小颗粒彼此均匀分布的情况仍没有得到改善，仍呈现部分区域为小颗粒的堆积，部分区域为大颗粒的堆积。在图6(c)和图6(d)中，粘结剂与金属粉末之间的结合趋于完善和均匀，空间空缺大为减少，密实程度提高。到振幅为150μm的图6(e)时，无论是粘结剂与金属粉末间的结合与填充，还是不同尺寸金属粉末颗粒间的交叉分布都呈比较均匀的状态，到频率为7Hz条件下所能加载的最大振幅200μm时，分散的情况仍较好，但微观结构的形貌将出现一种新的情形。从图6(f)可以观察到，颗粒表面的粘结剂疏松并有微孔的形貌，另外在10Hz、150μm和15Hz、50μm的工况条件下也出现该类似的形貌。综合不同频率工况下，可以得出在一定的频率下，随着振幅的增大，型坯微观结构逐渐趋于完善，不同尺寸的金属粉末相间趋于均匀，颗粒与粘结剂的分散也愈均匀，达到最佳效果后，随着振幅的继续增大，均匀和完善程度有所回落。根据实验分析结果来看，振动作用下所得型坯中金属粉末和粘结剂两相分散均匀程度好，型坯密实度的变化规律和型坯密度随着振幅的变化规律基本一致。
图7中SEM照片的放大倍数均为2000倍。图7(a)为稳态工况，图7(b)～(f)为在振幅100μm、频率分别为2Hz、4Hz、7Hz、10Hz和15Hz的条件下，靠近型坯断面中心处随机取一点的SEM照片。稳态情况如前所述。在图7(b)中，可以清晰的观察到金属粉末颗粒间的间隙被粘结剂完全填充，而且分散得比较均匀，但粘结剂之间有轻微的团聚现象。在频率为4Hz的工况条件下，粘结剂基本上充满金属粉末颗粒间的间隙，但仍和2Hz的情况一样，粘结剂之间有轻微的团聚现象。当频率逐渐增大到7Hz、10Hz和15Hz时，其微观形貌分别如图7(d)、(e)和(f)所示，粘结剂之间的团聚现象消失，粘结剂与金属粉末之间的结合趋于完善和均匀，空间空缺大为减少，密实度提高。综合不同振幅的工况下，可以得出在一定的振幅下，随着频率的增大，型坯微观结构逐渐趋于完善，不同尺寸的金属粉末相间趋于均匀，颗粒与粘结剂的分散也愈均匀，达到最佳效果后，随着频率的继续增大，均匀和完善程度有所回落，其规律和型坯密度随着频率的变化规律基本一致。根据分析结果来看，振动作用下所得型坯中金属粉末和粘结剂两相分散均匀程度好，型坯密实度的变化规律和型坯密度随着频率变化的规律基本一致。
权利要求
1.一种金属粉末型坯注射成型方法，其特征在于通过一线式注射机螺杆的轴向振动和周向振动使金属粉末混合喂料的塑化、注射充模和保压过程处于周期性振动状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于一线式注射机螺杆的振动频率和振幅分别在0～300Hz和0～1.5mm范围内(不等于0)进行调整。
3.根据权利要求1所述的方法，当一线式注射机螺杆的振动频率或振幅变为数值0时，金属粉末混合喂料的塑化、注射充模和保压三个阶段可处于不振动状态。
4.权利要求1所述方法使用的设备，其特征在于主要由模具、机筒、电机及激振器依次连接构成，料筒上方安装料筒，电机及激振器和驱动装置驱动机筒内的螺杆做圆周方向和轴向方向的脉动振动。
全文摘要
本发明涉及一种金属粉末型坯注射成型方法，是通过一线式注射机螺杆的轴向振动和周向振动使金属粉末混合喂料的塑化、注射充模和保压过程处于周期性振动状态。所述方法使用的设备主要由模具、机筒、电机及激振器依次连接构成，料筒上方安装料筒，电机及激振器和驱动装置驱动机筒内的螺杆做圆周方向和轴向方向的脉动振动。本发明解决了金属粉末型坯注射成型过程中喂料的流动性和混合性差、型坯注射成型周期长、型坯密度不高且分散性差等缺点。
文档编号B30B15/30GK1663712SQ20051003336
公开日2005年9月7日 申请日期2005年3月4日 优先权日2005年3月4日
发明者瞿金平, 刘斌 申请人:华南理工大学