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透氣鋼及其在注塑模具的應(yīng)用
摘要：塑料模具中的氣體對(duì)注塑件的性能，外觀和壽命有很大的影響。一般來說應(yīng)該用排氣通道及其附件系統(tǒng)排氣。但是若依賴于通風(fēng)系統(tǒng)，模具設(shè)計(jì)將變得復(fù)雜。此外，在某些情況下很難使排氣系統(tǒng)與模具很好的結(jié)合在一起。目前在國(guó)外已經(jīng)具有一種透氣性的模具材料，但此模具材料的應(yīng)用因其成本較高而且尺寸較小而受到限制。在本項(xiàng)研究中，一種采用粉末冶金技術(shù)制成的多孔材料，將代替塑料模具中的排氣系統(tǒng)。這種用不同的二次處理所得到的鋼的透氣性，用特定的裝置進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比。由不同的二次加工所得到的鋼的金相樣品將用于制備與研究，最終建成用于檢測(cè)透氣鋼應(yīng)用的實(shí)際注塑器。這種透氣性表明鋼中的微孔是相互貫通的。透氣鋼制成的模具在注塑生產(chǎn)中具有良好的透氣性，能夠順利排出模腔中產(chǎn)生的氣體。融化的塑料不會(huì)滲透到模具中阻塞微孔，使經(jīng)過數(shù)次注塑生產(chǎn)的模具，仍然保持良好的透氣性。這種透氣鋼的強(qiáng)度是200–250兆帕，適合工業(yè)應(yīng)用，利用透氣剛簡(jiǎn)化的排氣系統(tǒng)在注塑中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用到任何需要排氣的地方。
關(guān)鍵字：粉末冶金，透氣鋼，注塑模，排氣系統(tǒng)
1 簡(jiǎn)介
注塑加工是生產(chǎn)聚合物的重要方法之一，它制造的產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性高，生產(chǎn)周期和成本較低。充模階產(chǎn)生的氣體是影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的原因之一。一般來說，模具中的殘余氣體通過排氣系統(tǒng)排出，但是若依賴于排氣系統(tǒng)，模具設(shè)計(jì)將變得復(fù)雜。此外，在某些情況下很難使排氣系統(tǒng)與模具很好的結(jié)合在一起?，F(xiàn)在，這個(gè)問題可以通過使用透氣鋼制造的模具或模具插件來解決。利用透氣剛，模具型腔中產(chǎn)生的氣體可直接通過微孔排出，就不需要排氣系統(tǒng)了。此外，在保留排氣和吸氣功能的前提下模具結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)也得到簡(jiǎn)化。透氣金屬的形成，測(cè)量及應(yīng)用吸引了眾多研究者。張，等人研究了溫壓對(duì)制備多孔鐵的影響和采用高分子聚合物來生成多孔鐵中的氣孔。normitus，等人，研究了部分合金、不同合金元素成分的預(yù)合金粉和壓制壓力對(duì)燒結(jié)低合金鋼的楊氏模量和泊松比的影響。張，等人，他們選用碳酸氫銨來產(chǎn)生鎳鈦形狀記憶合金中的孔，通過改變碳酸氫銨的添加量調(diào)整孔隙率。林，等人，分析了燒結(jié)工藝參數(shù)和壓實(shí)壓力對(duì)多孔不銹鋼透氣性能的影響。周，等人，研究了多孔金屬材料中孔隙產(chǎn)生的原因、壓力對(duì)孔隙度和孔隙連通性的影響。
然而，雖然透氣鋼對(duì)注塑模的制造非常重要，但是如何獲得適當(dāng)?shù)耐笟鈩?，把它?yīng)用到注塑工藝中，并在二次加工后保留透氣性，目前仍沒有得到很好的研究。在這項(xiàng)研究中，通過控制壓縮和燒結(jié)工藝得到了一種透氣鋼，這些工藝的細(xì)節(jié)將在第二節(jié)中介紹。第3節(jié)通過宏觀實(shí)驗(yàn)介紹了這種材料的透氣性、微觀金相和電子掃描顯微鏡（電鏡掃描）圖像。大多數(shù)注塑模具都需要二次加工，不同加工方法對(duì)多孔材料透氣性的影響也在第三節(jié)中介紹。在4節(jié)，透氣模具和注塑裝置將結(jié)合在一起實(shí)際生產(chǎn)注塑件。高質(zhì)量的注塑件，進(jìn)一步驗(yàn)證了這種透氣剛的良好透氣性和排氣功能。
2 壓制和燒結(jié)工藝
這項(xiàng)研究采用了304L不銹鋼粉末。在壓制前要對(duì)不銹鋼粉的粒度進(jìn)行分級(jí)，通過控制壓實(shí)壓力來獲得具有一定孔隙度的壓制品。表1顯示了這種粉末的化學(xué)成分，表2顯示了不同大小顆粒的組成。
表一 304L不銹鋼粉末的化學(xué)組成
表二 不同大小顆粒的組成
在這項(xiàng)研究中，每次都用250克的（含1%硬脂酸鋅）304 L不銹鋼粉末進(jìn)行壓制。在100兆帕的壓實(shí)壓力下獲得圓柱樣品，再將樣品在RSJ-13氨氣氛燒結(jié)爐中燒結(jié)。燒結(jié)溫度為1100–1300℃，持續(xù)時(shí)間為1小時(shí)。樣品的平均孔隙率約為17%，拉伸強(qiáng)度在200兆帕到300兆帕之間。
3 透氣性的檢測(cè)
3.1 透氣性的宏觀實(shí)驗(yàn)
圖1顯示了不同二次加工工藝獲得的鋼的透氣性。圖1（a）顯示的是線切割件的壓制試樣。試樣表面的微孔太小，肉眼觀察不到。圖1（b）顯示的是一個(gè)磨削加工件。在透氣性實(shí)驗(yàn)之前，要對(duì)這二個(gè)試件進(jìn)行油滲透。在大氣環(huán)境中，由于壓制件微孔中氣體表面張力的存在，無法進(jìn)行油滲透。所以，這個(gè)過程要在真空環(huán)境中進(jìn)行。在真空下，微孔中的空氣被驅(qū)散，降低了表面壓力，所以，油滲透要在一定的壓力下才能進(jìn)行。油滲透后，將清洗后的樣品被放置在儀器上實(shí)驗(yàn)，如圖（2）所示。這種儀器（見圖2）是專門用來檢測(cè)壓制件的透氣性的。它由兩腔組成，分別命名為腔A和腔B。試件放置在二腔之間。腔A由堅(jiān)硬的致密材料制成，它與一個(gè)空氣泵連在一起。腔B是一個(gè)變體積的密封容器，它的內(nèi)部一直保持著恒定的大氣壓力。當(dāng)空氣泵開啟時(shí)，腔A內(nèi)的壓力將減少。若放置在倆腔之間的壓制件具有一定的透氣性，氣體就會(huì)從腔B通過試件進(jìn)入腔A，導(dǎo)致腔B收縮。
(a)線切割件的壓制試樣
（b）磨削加工件的壓制試樣
圖2.用于透氣試驗(yàn)的裝置的圖解示圖
圖1（a）和1（b）中的二個(gè)壓制件就是用這種儀器進(jìn)行檢測(cè)的，腔B在倆次試驗(yàn)中都收縮了，這表明倆個(gè)試件都有一定的透氣性。但是試件I比試件Ⅱ收縮的速度快，在透氣性實(shí)驗(yàn)的過程中，如圖1（c）和（d）所示，試件內(nèi)部的油滲出到了試件的表面。試件I的滲出現(xiàn)象比試件Ⅱ的明顯，通過收縮性和滲出現(xiàn)象的比較表明試件I比試件Ⅱ的透氣性好。
（c）試件Ⅰ的滲透現(xiàn)象
（d）試件Ⅱ的滲透現(xiàn)象
3.2透氣性的微觀證明
透氣剛中微孔的連通性可通過金相圖和電子掃描顯微鏡圖得到進(jìn)一步證實(shí)。 圖3（a）顯示的是未蝕刻的燒結(jié)樣品的金相圖。圖中不規(guī)則的黑色區(qū)域是試件表面的坑洞。圖3（b）是蝕刻的金相組織，它揭示了試件表面的孔隙和基質(zhì)材料的顆粒邊界。原材料的平均顆粒大小可通過分析這張照片中的數(shù)據(jù)來確定。壓實(shí)及后續(xù)燒結(jié)后，粉體的邊界結(jié)合在一起，形成了一個(gè)三維的連接網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的空洞就起到了氣體通道的作用。
（a） 未蝕刻的燒結(jié)樣品的金相圖
（b）蝕刻的金相組織
圖3.透氣剛樣品的金相組織
透氣鋼的電鏡掃描照片如圖4所示。圖4（a）是預(yù)加工生坯的表面形貌，不規(guī)則的黑色區(qū)域表示表面的氣孔。圖4（b）顯示的是壓制件的斷面圖。電鏡照片表明，孔隙不僅存在于表面，而且也存在于材料內(nèi)部?？紫妒惯@種材料具有良好的透氣性和表現(xiàn)出的宏觀現(xiàn)象如圖2所示的試驗(yàn)。
（a） 表面外貌
（b）斷面圖
圖4.試樣的電鏡掃描圖
3.3 加工連通孔的作用
在塑料模具行業(yè)中，模具制造需要各種各樣的加工工藝。但對(duì)透氣鋼用于注塑模具，該加工過程可能會(huì)造成一些問題。雖然透氣鋼可以維持加工，但很難留住高質(zhì)量的表面空隙。加工后，試件表面的多孔結(jié)構(gòu)可能被破壞或微孔被阻塞，透氣性降低。在這項(xiàng)研究中，分析了線切割和研磨工藝對(duì)表面孔隙的影響。
圖5顯示了圖1（a）中線切割試件Ⅰ的剖面圖，這張剖面圖與圖3（a）有顯著的不同。在這種情況下，多孔結(jié)構(gòu)變差，一些微孔被阻塞，微孔的大小和數(shù)量也減小了。此外，在這張圖中能看到許多球形顆粒。這些顆?？赡苁遣牧显诰€切割過程中發(fā)生熔化和凝固而形成的。一些微型顆粒堆積在孔洞中，這樣試件的部分微孔就被被阻塞了。但試件中仍保留許多連通微孔，仍具有透氣性。至于試件Ⅱ，高速磨削導(dǎo)致表面發(fā)生塑性變形，所以很多微孔都被阻塞，透氣性幾乎完全消失。
圖5.線切割試樣的電鏡掃描金相圖
通常情況下，模具型腔在線切割和其他加工工藝后都需要拋光。圖6顯示的是試件在水下環(huán)境中用細(xì)砂紙打磨處理后的顯微圖像，圖上不規(guī)則的黑色區(qū)域表示材料的孔隙。在水下環(huán)境中進(jìn)行打磨，可以防止試件表面的微孔被阻塞。試件表面水的冷卻作用可以阻止基質(zhì)材料的融化，而且用細(xì)砂紙進(jìn)行緩慢的打磨，也避免了摩擦效應(yīng)。雖然效率較低，但這一過程能有效的保證試件獲得連通的多孔結(jié)構(gòu)。
圖6試件在水下環(huán)境中用細(xì)砂紙打磨處理后的顯微圖像
4 注塑實(shí)驗(yàn)
為了檢測(cè)注塑模具中透氣剛的實(shí)用性，專門發(fā)明了一臺(tái)機(jī)器（見圖7）。這臺(tái)機(jī)器沒有額外的排氣和吸氣系統(tǒng)，它完全是依靠透氣鋼的透氣性實(shí)現(xiàn)排氣的。
壓力
圖7.注塑模的示意圖
1. 底板 2.螺栓 3.放電腔4.模具5.頂桿 6.密封橡膠7.模具型腔8.連接螺栓9.注塑腔10.注射桿
這項(xiàng)研究采用由304 L不銹鋼粉末（包括1質(zhì)量%的硬脂酸鋅）制成的透氣材料。所用的生坯是在400兆帕壓實(shí)壓力下獲得的壓制件。壓實(shí)后，將壓制件置于RSJ-13氨氣氛燒結(jié)爐中燒結(jié)。燒結(jié)溫度約為1300℃，燒結(jié)過程持續(xù)了1–3小時(shí)。這種透氣鋼的平均孔隙率約為25%，并通過油淬改善其力學(xué)性能。模具型腔采用電氣放電加工，型腔表面采用拋光研磨，如圖8所示。
圖8.電氣放電加工的模具型腔
注塑實(shí)驗(yàn)證明了透氣剛模具的透氣性，模腔中的氣體被順利排出，從而使塑料填滿整個(gè)透氣模，并且零件的表面也十分光滑（參見圖9）。這些塑料也不會(huì)滲透到模具材料的微孔中阻塞氣體通道。經(jīng)過十幾次的注塑實(shí)驗(yàn)，模具仍然保持良好的透氣性。本實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證了這種多孔鋼的良好透氣和排氣功能。
圖9.注塑件
5 結(jié)論
(1)用不銹鋼粉末制成的生坯，在對(duì)其進(jìn)行粒度分級(jí)后再通過控制壓實(shí)壓力，使生坯獲得一定的孔隙率。
(2)燒結(jié)過的壓制件內(nèi)部有很多連通孔，它的強(qiáng)度約為200–250兆帕。實(shí)驗(yàn)表明，該透氣鋼具有很好的透氣性。
(3)采用這種透氣剛制成的注塑模，經(jīng)過多次的注塑實(shí)驗(yàn)后，它生產(chǎn)的注塑件仍具有較好的表面質(zhì)量。由此可以得出結(jié)論，這種透氣剛始終具有較好的透氣性，滿足工業(yè)應(yīng)用。