多孔不銹鋼的制備及其在注塑模具中的應(yīng)用

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(華僑大學 福建省特種能場制造重點實驗室；廈門市數(shù)字化視覺測量重點實驗室，福建 廈門 361021)

多孔不銹鋼的制備及其在注塑模具中的應(yīng)用

楊翔鵬，王霏，張際亮，吳樹海，黃亦斌，顧永華，江開勇

(華僑大學福建省特種能場制造重點實驗室；廈門市數(shù)字化視覺測量重點實驗室，福建廈門361021)

通過凝膠注模與微波燒結(jié)方法制備多孔不銹鋼，研究粉末固相含量對漿料和生坯性能的影響，比較冷凍干燥與傳統(tǒng)干燥的效果，對比本文制備的多孔不銹鋼與PM35多孔模具鋼的內(nèi)部孔隙與宏觀性能，并將其用于注塑模型芯。實驗結(jié)果表明：粉末固相含量為56%時，漿料流動性好，生坯強度高；與傳統(tǒng)干燥方法相比，冷凍干燥后的生坯收縮更均勻，不易產(chǎn)生裂紋；與PM35多孔模具鋼相比，本文制備的多孔不銹鋼具有相近的孔隙形貌、孔隙率、平均孔徑和透氣率；利用多孔不銹鋼型芯制作的注塑件表面粗糙度可達Ra1.1。凝膠注模與微波燒結(jié)法制備的多孔不銹鋼可以很好地解決困氣問題，同時保證注塑件的表面質(zhì)量，簡化模具結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本。

多孔不銹鋼； 注塑模具； 困氣問題； 凝膠注模； 微波燒結(jié)

1 引 言

多孔材料在20世紀70年代就已作為透氣性元件在注塑成型技術(shù)中使用，然而由于當時的技術(shù)和模具生產(chǎn)商的問題，直至90年代才引起廣泛地關(guān)注，被應(yīng)用于解決注塑成型排氣方面的問題。

國內(nèi)外學者通過研究[1-4]，證實了多孔材料在解決模具排氣方面具有廣闊的應(yīng)用前景。通過粉末冶金可以制備許多具有特殊性能的材料[5-6]，也是目前制備多孔材料的主要方法。然而，多孔材料在注塑模具中的應(yīng)用還存在諸多問題：一是采用傳統(tǒng)粉末冶金方法制備的多孔材料，受粉末壓制模具的限制，無法成型形狀復(fù)雜的模具型芯；二是進口的多孔金屬材料價格昂貴，限制了其推廣應(yīng)用。近年來，一些學者嘗試應(yīng)用凝膠注模制備多孔材料[7-9]的新方法，并通過實驗驗證了其可行性，但對于形狀復(fù)雜的生坯，燒結(jié)后易存在裂紋和變形等缺陷。隨著近十幾年國內(nèi)外學者的深入研究，微波燒結(jié)工藝的應(yīng)用逐漸從陶瓷材料擴展到金屬材料[10-15]，由于其具有加熱均勻、升溫快、燒結(jié)溫度低的特點，在復(fù)雜形狀金屬件燒結(jié)方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

316L不銹鋼因其力學性能和成形性好，常被用于制備多孔金屬材料[16-18]。本文采用凝膠注模和微波燒結(jié)工藝，實現(xiàn)一次性制作符合性能要求和所需形狀的316L多孔不銹鋼模具型芯，避免或減少了后續(xù)機加工對透氣性能的破壞，同時能夠縮短制作周期，降低生產(chǎn)成本。本文主要研究凝膠注模、冷凍干燥、微波燒結(jié)等工藝，將制備出的多孔不銹鋼與進口PM35多孔模具鋼的性能進行對比分析。最后，制作多孔不銹鋼注塑模型芯，并與無頂桿型芯、有頂桿型芯模具注塑件的成型質(zhì)量進行對比。

2 制備工藝方法

2.1316L多孔不銹鋼制備工藝

利用凝膠注模和微波燒結(jié)工藝制備多孔不銹鋼，其制作流程圖如圖1。

圖1 多孔不銹鋼制備工藝流程圖Fig.1 Porous stainless steel preparation process flow diagram

采用水霧化316L不銹鋼粉末，平均粒徑為43μm。借鑒并改進課題組前期研究成果[18-23]，采用52%，54%，56%，58%，60%的相對固相含量制備漿料，選用明膠為粘結(jié)劑(不銹鋼粉末質(zhì)量的1%)，海藻酸鈉為分散劑(不銹鋼粉末質(zhì)量的0.8%)，采用HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為7，用旋轉(zhuǎn)粘度計測定漿料的表觀粘度。分別采用真空冷凍和傳統(tǒng)加熱干燥方法進行干燥后，將坯體置于脫脂爐內(nèi)脫脂。最后，利用HAMiLab-HV3型高真空微波實驗爐進行燒結(jié)，微波頻率為2.45GHz，真空度為2.4×10-3Pa，脫脂與燒結(jié)工藝曲線見圖2。燒結(jié)工藝曲線中450℃以下為120W恒功率加熱，以5℃/min加熱至700℃，保溫30min，再以5℃/min加熱至1200℃，保溫30min，隨后隨爐冷卻至室溫。

圖2 脫脂與燒結(jié)工藝曲線 (a)脫脂工藝曲線；(b)微波燒結(jié)工藝曲線Fig.2 De-binding and sintering process curve(a)Skim temperature curve; (b)Microwave sintering temperature curve

2.2多孔不銹鋼在注塑模具中的應(yīng)用實驗設(shè)計

注塑材料選用低密聚乙烯(LDPE)，注塑壓力為100bar，注塑溫度為180℃，模腔溫度40℃左右，射出時間為3s，冷卻時間為5s。

圖3 注塑零件(左)與模具(右)Fig.3 Injection part and mold

圖3所示的零件在注塑成型過程中容易出現(xiàn)困氣現(xiàn)象。以該零件為對象，設(shè)計對比實驗。制作模具如圖3所示采用一模六腔，包括45#鋼制作的兩個無頂桿模芯、兩個有頂桿模芯和兩個316L多孔不銹鋼模芯，保證完全相同的注塑工藝條件。使用3D光學輪廓儀(NV7300)檢測注塑件的表面質(zhì)量，分析三種型芯制作的注塑件的表面形貌和表面粗糙度。

3 實驗結(jié)果分析

3.1多孔不銹鋼制備實驗結(jié)果分析

不同固相含量對多孔不銹鋼生坯孔隙率和漿料粘度的影響如圖4(a)所示，圖中可見，固相含量越高，孔隙率越低，當固相含量高于56%以后，孔隙率變化趨于平緩；固相含量越高，粘度越大，在固相含量為56%～60%時變化最為明顯。由于固相含量還影響生坯的抗彎強度和316L多孔不銹鋼的抗壓強度，實驗

分析了不同固相含量的生坯的抗彎強度和成品的抗壓強度，結(jié)果如圖4(b)所示。由圖可見，抗壓強度和抗彎強度隨固相含量增多呈先增大后減小的趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：隨固相含量的增大，膠體成分越少，后續(xù)工藝過程中的孔隙率降低，有助于提高強度。但當固相含量過大時，漿料中粉末流動性變差，不同直徑顆粒間填充不完全，坯體內(nèi)部不均勻，反而會降低生坯的抗彎和抗壓強度。綜合實驗結(jié)果得出，最佳的粉末固相含量為56%。

對生坯進行傳統(tǒng)加熱干燥和真空冷凍干燥的效果對比如圖5所示。傳統(tǒng)加熱干燥后的坯體內(nèi)部由于收縮不均勻，產(chǎn)生裂紋等缺陷；而真空冷凍干燥后的坯體收縮率小，表面無缺陷，能保持原有的形狀。這是由于真空冷凍干燥過程是在真空環(huán)境中進行，有效地解決了坯體在干燥過程中的氧化變質(zhì)現(xiàn)象。另外，在真空冷凍干燥過程中，坯體中的水分直接由固態(tài)升華，消除了普通干燥中存在的固、液表面張力(這一張力為干燥變形的主要驅(qū)動力)，從而基本消除了干燥內(nèi)應(yīng)力。

圖4 不同固相含量的影響 (a) 對生坯孔隙率和漿料粘度的影響； (b) 對生坯抗彎強度和316L多孔不銹鋼抗彎強度的影響Fig.4 Effect of different solid contents (a) Effect on porosity in green body and viscosity of slurry; (b) Effect on the flexural strength of green body and 316L porous stainless steel compressive strength

圖5 兩種干燥方式獲得的生坯對比 (a) 傳統(tǒng)干燥； (b) 真空冷凍干燥Fig.5 Comparison of two kinds of drying methods for green body (a) Traditional drying; (b) Vacuum freeze drying

干燥后的生坯再進行脫脂和微波燒結(jié)制備出316L多孔不銹鋼，將其斷面顯微孔隙形貌與進口PM35多孔模具鋼進行對比，如圖6所示。從圖中可以看出：二者的孔隙形貌、孔隙度和孔隙大小分布接近。表1比較了兩種材料的物理和力學性能，從表中可見二者的孔隙率、平均孔徑在同一水平，最重要的透氣性能指標也十分接近。而力學性能方面，PM35的抗彎強度明顯高于本文制備的316L多孔不銹鋼，主要原因是316L不銹鋼材料為奧氏體不銹鋼，其本身的力學性能不如PM35(成分為1Cr17NiMo)。然而，PM35-7多孔模具鋼市價為1000元/公斤，而自制的316L多孔不銹鋼折算加工成本之后每公斤成本約為400元，在價格上具有很大的優(yōu)勢。

圖6 自制316L多孔不銹鋼與PM35多孔模具鋼的斷面微觀形貌對比 (a) 316L多孔不銹鋼； (b) PM35多孔模具鋼Fig.6 Comparison of 316L porous stainless steel and PM35 porous die steels cross section morphology (a) 316L; (b) PM35

ProjectHomemade316LmaterialPM35-7Porosity/%22.820.78Averageporediameter/μm7.36.8Permeability/m3(kPa·m2·h)-12.832.60Flexuralstrength/MPa213315

3.2多孔不銹鋼在注塑模中應(yīng)用結(jié)果分析

傳統(tǒng)模具的制作方法是用致密材料制作注塑型芯，注塑過程中會出現(xiàn)困氣現(xiàn)象，注塑件局部出現(xiàn)填充不滿的現(xiàn)象，其裝配和注塑效果如圖7(a)所示。傳統(tǒng)模具為了解決注塑過程中的困氣問題，在注塑件困氣末端設(shè)置頂桿，可利用間隙排除氣體，但導(dǎo)致

注塑件表面存有印痕，其裝配和注塑結(jié)果如圖7(b)所示。而采用多孔不銹鋼制作的注塑型芯能及時排除注塑過程中的困氣，同時具有一定粘度的熔融塑料又無法深入多孔不銹鋼表面的微小孔隙，注塑件的表面沒有顯著缺陷，成型質(zhì)量好，裝配和注塑結(jié)果如圖7(c)所示。

分別對使用316L多孔不銹鋼和致密45#鋼生產(chǎn)的注塑成品的表面粗糙度進行分析，結(jié)果見圖8。如圖8(a)所示，無頂桿型芯生產(chǎn)的注塑成品的表面粗糙度為Ra1.2，因為存在困氣，在圖中可看出有明顯的凸起，表面有裂痕；圖8(b)所示的模具因為采用頂桿，其表面起伏大，同時表面粗糙度達到Ra2.2，比一般有頂桿型芯制作的注塑件表面粗糙度稍大；圖8(c)則是由316L多孔不銹鋼型芯所得到的注塑件，其表面粗糙度為Ra1.1，比無頂桿注塑件的要小，表面連貫性好，較45#鋼制作出來的成品平整很多，目前行業(yè)普遍采用的表面粗糙度為Ra0.8～Ra1.6，能滿足行業(yè)標準對注塑件表面質(zhì)量的要求，將其用于制作模具型芯是可行的。

1-定模板；2-定模芯；3-注塑件；4-動模芯；5-澆口；6-頂桿圖7 模具結(jié)構(gòu)與成品對比 (a) 無頂桿45#鋼模芯裝配及成品； (b) 有頂桿45#鋼模芯裝配及成品； (c) 316L多孔不銹鋼模芯裝配及成品Fig.7 Comparison of three kind of cores and finished products (a) 45# steel core without ejector pin assembly and finished products; (b) 45# steel core with ejector pin and finished products; (c) 316L porous stainless steel core and finished products

4 結(jié) 論

1.316 L多孔透氣鋼制備的最佳工藝參數(shù)為：固相含量為56%，明膠含量(相對固體粉末)為1%，海藻酸鈉(相對固體粉末)為0.8%，混合液pH為7。采用真空冷凍干燥可以解決傳統(tǒng)干燥中的坯體變形、開裂等問題。

2.采用凝膠注模和微波燒結(jié)工藝制備的316L多孔不銹鋼內(nèi)部孔隙分布均勻，透氣度可達2.83m3/kPa·m2·h，主要性能指標與進口PM35多孔模具鋼材料相當。

3.該多孔不銹鋼用于制作注塑模具型芯，可以在相同注射工藝條件下，很好地解決型腔內(nèi)局部困氣的問題，同時滿足注塑件的表面質(zhì)量要求，簡化了模具結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本。

圖8 三種型芯注塑件表面形貌分析圖 (a) 無頂桿型芯注塑件； (b) 有頂稈型芯注塑件； (c) 316L多孔不銹鋼型芯注塑件Fig.8 Analysis of surface topography of three types of core injection molding parts(a) without ejector pin; (b) with ejector pin; (c) with 316L porous stainless steel core

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PreparationofPorousStainlessSteelandItsApplicationinInjectionMold

YANGXiangpeng,WANGFei,ZHANGJiliang,WUShuhai,HUANGYibin,GUYonghua,JIANGKaiyong

(FujianProvincialKeyLaboratoryofSpecialEnergyManufacturing,XiamenKeyLaboratoryofDigitalVisionMeasurement,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China)

Porous stainless steel was prepared by gel casting and microwave sintering. Effects of solid content on the properties of slurry and green body were studied, and different results between freeze drying and traditional drying were compared. Macroscopic properties and internal porosities of the porous stainless steel were investigated and compared with PM35 porous mold steel, which was then served as injection mold core. The results show that optimum fluidity of slurry and high strength of green body can be accessed when solid content is 56%. Compared with traditional drying, shrinkage of the green body achieved by freeze drying is more uniform, and crack is seldom occurred. Pore morphology, porosity, average pore size and permeability of the porous stainless steel are similar to that of PM35 porous mold steel. Surface rough of injection part that produced via the PSS core can be up to Ra1.1. The porous stainless steel, prepared by gel casting and microwave sintering, can solve trapped gas problem. Meanwhile, it can ensure surface quality of injection parts, simplify mold structure, and reduce production cost.

porous stainless steel; injection mold; trapped gas problem; gel casting; microwave sintering

TB383

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.05.021

2016-05-13；

2016-07-18

國家自然科學基金資助項目(51605170)；福建省自然科學基金資助項目(2017J01089，2014J01190)；廈門市科技計劃資助項目(3502Z20163010)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(JB-ZR1211，JB-ZR1210)；華僑大學研究生科研創(chuàng)新能力培育計劃資助項目

楊翔鵬(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：增材制造。E-mail：1078793493@qq.com。

王 霏(1979-)，講師，博士，研究方向：增材制造。E-mail：wangfei@hqu.edu.cn。

1673-2812(2017)05-0796-05