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粉末注塑的材料特性

作者： 2013年07月16日 來(lái)源： 瀏覽量：
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粉末注塑（PIM）由幾個(gè)工藝步驟所組成（圖1）。金屬或陶瓷粉末與粘結(jié)組分是混合在連續(xù)式或非連續(xù)式設(shè)備的原料的基礎(chǔ)成分。粉末組分的份額占到了體積含量的60%左右。通常用于注塑的原料呈粒狀。 圖1.在

 


 
        粉末注塑（PIM）由幾個(gè)工藝步驟所組成（圖1）。金屬或陶瓷粉末與粘結(jié)組分是混合在連續(xù)式或非連續(xù)式設(shè)備的原料的基礎(chǔ)成分。粉末組分的份額占到了體積含量的60%左右。通常用于注塑的原料呈粒狀。

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圖1. 在原料被加工后，原始物件被脫粘而變成了
成熟物件，然后再被燒結(jié)而成為最終產(chǎn)品

缺陷探測(cè)和消除

加工金屬或陶瓷原料的機(jī)器不同于傳統(tǒng)注塑機(jī)，主要是在于它們的塑化裝置。溫度會(huì)將粘結(jié)劑熔融。粉末組分在熔體里保持固態(tài)，并且要?dú)w功于盡可能均勻的分布。不僅是粉末的裝載、顆粒的大小和粘結(jié)劑的組成，而且混合物的均勻度嚴(yán)格影響著加工性能。

隨后大多數(shù)粘結(jié)組分從原始注塑件中被抽取出來(lái)。這樣獲得的所謂棕色部件然后被傳遞至爐中做最后燒結(jié)（圖2）。由PIM制成的金屬和陶瓷物件被應(yīng)用在許多的行業(yè)領(lǐng)域，例如醫(yī)療技術(shù)和汽車業(yè)。

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圖2. 注塑后的不銹鋼材料成型物件，左為原始態(tài)，
右為燒結(jié)之后的。由燒結(jié)引起的皺縮被清晰地表現(xiàn)出來(lái)

原料的生成和加工是要求嚴(yán)格的作業(yè)，在許多步驟中可能出現(xiàn)失誤，這常常會(huì)導(dǎo)致物件質(zhì)量不良。通過(guò)在工藝周期中進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整，這樣的缺陷多數(shù)可以避免。為了獲得良好的結(jié)果，絕對(duì)有必要將組分的形狀適應(yīng)于工藝，為實(shí)際的溫度控制和各成分的良好混合作準(zhǔn)備。所以為了認(rèn)識(shí)到混合物有多均勻，通常原料的粘度被確定下來(lái)。

混合物的流變性能

混合原料在流變儀中描繪出來(lái)，從而決定著流動(dòng)性能。最為普通的方法是在一個(gè)點(diǎn)上通過(guò)熔體流動(dòng)指數(shù)測(cè)試裝置進(jìn)行的測(cè)量。比較混合原料的流變性能提供了均勻度方面的一些信息。對(duì)于同樣的混合組成，不均勻混合的流動(dòng)性能比不含塊狀料的流動(dòng)性能較差。然而，流變數(shù)據(jù)不僅可用于原料的品質(zhì)控制，而且還可用作注塑模擬程序的輸入?yún)?shù)。手頭除了針對(duì)塑料以外用于原料的材料數(shù)據(jù)很少。所以模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域的加工者如想要應(yīng)用模擬，必須設(shè)計(jì)自己獨(dú)有的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在有RheoNoz(流變測(cè)量管，制造商是Battenfeld塑料機(jī)器有限公司)作為易于使用的儀器，可提供原料的全面流變性能。它能在注塑機(jī)中直接進(jìn)行測(cè)量。這種方法帶來(lái)的主要好處是原料的熱學(xué)和機(jī)械性能在被加工時(shí)保持相同。對(duì)于由硬質(zhì)金屬組成原始物件的注塑，流變管之前已經(jīng)被測(cè)試過(guò)。

當(dāng)使用傳統(tǒng)毛細(xì)管流變儀時(shí)，原料只是被加入的熱量所熔化。但是，在實(shí)際測(cè)量前并沒應(yīng)用剪切。塑化螺桿內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程應(yīng)當(dāng)提高均質(zhì)化，通常產(chǎn)生較低的粘度。或者相對(duì)的效果可能是：如果在塑化裝置內(nèi)的停滯時(shí)間太長(zhǎng)或者溫度太高，那么粘結(jié)劑會(huì)溶化，粘度逐步提高。這表明由傳統(tǒng)測(cè)量方法獲得的數(shù)據(jù)可能描述真正的狀況。當(dāng)把在注塑機(jī)上直接測(cè)得的粘度數(shù)據(jù)用于模擬時(shí)，新方法更適合于描述填模過(guò)程和確定所需的壓力和鎖模力。

對(duì)于所進(jìn)行的試驗(yàn)，利用了粉末粘結(jié)劑混合物的標(biāo)準(zhǔn)配方，但混合率改變了。不銹鋼原料的粘結(jié)劑含量要比普通混合物高出5%.然后原料的流變性被表現(xiàn)出來(lái)。粘度進(jìn)程表明粘結(jié)成分的含量只是影響粘度值。在塑料加工中，流動(dòng)曲線通常是利用普通近似值方法來(lái)進(jìn)行描述的。原料可以被看作是高度填充的系統(tǒng)。這些材料易于在模壁上滑動(dòng)。這意味著熔體在模壁上的流動(dòng)速度偏離零值。流變機(jī)器可以量化這種現(xiàn)象。

MFQ: 原料質(zhì)量的監(jiān)控

當(dāng)注塑機(jī)上的流變測(cè)量管用于在一個(gè)廣泛的剪切速度范圍內(nèi)確定粘度曲線時(shí)，MFQ（原料質(zhì)量監(jiān)控）產(chǎn)生出一個(gè)描述原料的數(shù)值。作為在線過(guò)程的儀器，MFQ非常適合于發(fā)現(xiàn)混合品質(zhì)的變化。不同于監(jiān)測(cè)注射部分過(guò)程的傳統(tǒng)方法，MFQ值不是在注射而是在計(jì)量時(shí)得到確定的。

塑化裝置內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生剪切力，這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響螺桿扭矩（圖3）。

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圖3. 塑化螺桿熔化填充段的流動(dòng)過(guò)程

然而MFQ值描述了在塑化過(guò)程中所應(yīng)用的能量。當(dāng)注塑機(jī)的計(jì)量裝置是靠伺服電動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，螺桿扭矩只能由電動(dòng)機(jī)的電子件上讀出來(lái)，并傳遞至機(jī)器控制裝置中（圖4）。MFQ值在那里被進(jìn)一步計(jì)算。

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圖4. HM40/130型油電復(fù)合注塑機(jī)，具有節(jié)能的伺服
電動(dòng)計(jì)量驅(qū)動(dòng)裝置和Unilog B4控制裝置

當(dāng)模具溫度提高時(shí)，注塑壓力必須更低。這降低了注塑整體性。但是，MFQ值不受模具內(nèi)狀態(tài)或注射參數(shù)所影響。因?yàn)樵腺|(zhì)量保持穩(wěn)定，它只要經(jīng)受螺桿扭矩和機(jī)筒溫度。而且，當(dāng)剪切速度和壓力不高時(shí)，它描述出了原料的粘度性能。在這樣的條件下，原料對(duì)影響粘度的因素的反應(yīng)非常敏感。同樣，在這樣的情況下，粉末混合均勻度和粘結(jié)劑的修正對(duì)流動(dòng)性起著作用。所以，建議由MFQ值來(lái)描述原料。

以上所介紹的方法也適合于監(jiān)測(cè)木塑復(fù)合物（WPC）的原料性能。木塑復(fù)合物是可以象純熱塑性塑料那樣進(jìn)行加工的復(fù)合材料。木材或其它植物原料被加入其中用作填料或增強(qiáng)材料。為了確保熱塑性材料和有機(jī)填料之間的相容性，找到合適的混合比率是必不可少的。

在粉末注塑中，粉末顆粒和粘結(jié)劑的均勻混合對(duì)于注塑件的品質(zhì)是至關(guān)重要的。所介紹兩種方法的開始事實(shí)是混合組成的變化會(huì)最終改變?nèi)垠w的流動(dòng)性。不同于傳統(tǒng)方法，流變管在注塑機(jī)直接確定粘度，從而形成理想的數(shù)據(jù)。

MFQ（原料質(zhì)量監(jiān)控）能夠在線監(jiān)控原材料的品質(zhì)。在這里要檢查計(jì)量過(guò)程。由電動(dòng)機(jī)的電子件讀出螺桿扭矩，并傳遞至機(jī)器上來(lái)計(jì)算MFQ值。它描述了塑化過(guò)程中所引入的熱量。
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