金剛石/銅基粉末注射成形熔體溫度對充填率影響的有限元模擬

鄧朝暉，伍俏平，言佳穎，萬林林

（湖南科技大學1.難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室；2.機電工程學院，湘潭411201）

0 引 言

粉末注射成形技術(shù)（PIM）是一種以粘結(jié)劑為流動載體，以金屬或陶瓷粉等為原料，通過注射成形手段達到成形目的，并經(jīng)過脫脂及燒結(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)展起來的一種新的近凈成形技術(shù)，被譽為當今最熱門的零部件成形技術(shù)［5］。由于粉末注射成形過程中熔體流動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)的密度不均勻等問題，突破了傳統(tǒng)模壓成形工藝對制品形狀的限制，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特的優(yōu)勢。近些年來，粉末注射成形技術(shù)在航空航天、電子、汽車等行業(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)制備金剛石增強銅基制品的報道還較少。作者利用粉末注射成形技術(shù)對金剛石/銅基粉進行了粉末注射成形試驗，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程中，由于熔體黏度較高，快速冷凝時容易導(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)計時，注射成形參數(shù)主要依靠經(jīng)驗設(shè)定，需要進行反復(fù)修模和試模，生產(chǎn)成本高、周期長。利用CAE模擬軟件可以對注射成形參數(shù)進行優(yōu)化以及對注射充模過程進行可視化監(jiān)控，當設(shè)計者發(fā)現(xiàn)問題后可以在計算機上進行相關(guān)參數(shù)的修改和調(diào)整，而不需要進行實物試模，從而節(jié)省了大量的時間和費用。其中，Moldflow有限元軟件是目前世界上功能最強大也是應(yīng)用范圍最廣的注射成形CAE模擬軟件之一，利用它可對整個注射成形過程進行模擬分析，包括填充、保壓、冷卻、纖維取向、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及材料流動分析等?？紤]到熔體溫度是粉末注射成形過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，結(jié)合Moldflow有限元軟件分析了注射成形過程中熔體溫度對金剛石制品填充率的影響規(guī)律，并進行了注射成形驗證試驗。

1 試驗方法

試驗所用金剛石為商用 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)量分數(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)量分數(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型真空捏合機中于157℃下混合1.5h得到喂料，采用臺灣呈菘35T型立式注射成形機進行粉末注射成形試驗，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有安放熱電偶的小孔，通過熱電偶及溫控裝置實現(xiàn)對模具溫度的讀取和控制。

為了進一步對金剛石/銅基釬料粉末注射件的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及粉體分布情況進行觀測分析，將熔體溫度為170℃制備的成形坯于液氮中迅速冷卻斷裂，并對其橫截面進行表面噴金處理，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變形能力的指標，表1為用毛細管流變儀測得的試驗所用喂料的黏度。

喂料在熔融狀態(tài)時是非牛頓流體，為了定量地表示熔體的流動規(guī)律，一般采用Cross-WLF七參數(shù)模型來表示［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數(shù)曲線，見圖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，并對實體造型進行Fusion網(wǎng)格劃分，如圖4所示。網(wǎng)格劃分結(jié)果得到13 104個單元、6 554個節(jié)點、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%。同時對金剛石/銅基粉體喂料的物理性能參數(shù)進行了測試，利用BT-100型粉體綜合特性測試儀測得其振實密度為4.12g·cm-3；利用LFA44型閃光導(dǎo)熱儀測得導(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，采用流動速率控制喂料充模，盡可能保持固定的流動速率使制品密度均勻；當模腔即將充滿時，為了防止充模速率過快出現(xiàn)噴射現(xiàn)象，改為壓力控制，同時對注射模具材料的相關(guān)參數(shù)進行了設(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軟件對金剛石/銅基粉體的喂料填充率進行了模擬，模擬條件與前面的粉末注射成形試驗完全相同。

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行分析了，邊界條件一般不需要單獨分析。

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，會使熔體的黏度下降，熔體的流變性增強，有利于充模的順利進行；但是隨著熔體溫度的進一步上升，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，黏度的降幅會變小，因此熔體黏度受溫度影響變小。從模擬與試驗結(jié)果看，二者吻合較好。當熔體溫度為140～160℃時，填充率在85.9%～97.1%之間，當熔體溫度為170℃時，填充率就達到了100%。

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

在粉末注射成形中也不能過高地升高熔體溫度。因為這一方面這會導(dǎo)致能耗增大；另一方面由于熔體溫度過高，會使制品產(chǎn)生飛邊、噴射等缺陷。從圖6中可看到，當熔體溫度過低時（低于170℃），由于喂料的快速冷凝而出現(xiàn)了“欠注”現(xiàn)象；但當熔體溫度過高時（高于170℃），則出現(xiàn)了噴射和飛邊等缺陷，這些都會導(dǎo)致制品的報廢。而當熔體溫度為170℃時，模腔填充充分，成形坯表面光滑平整，無宏觀裂紋和相關(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；當注射壓力為10MPa，注射流量為10cm3·s-1，熔體溫度為170℃時，填充率就達到了100%。

（2）注射成形試驗與有限元模擬結(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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