王光耀，何 浩，李益民，張健光

(中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

工藝參數(shù)對(duì)金屬粉末共注射成形芯層熔體形貌的影響

王光耀，何 浩，李益民，張健光

(中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

分別以316L(40%，體積分?jǐn)?shù))、316L(60%)為芯、殼層喂料，研究工藝參數(shù)如殼層熔體溫度、殼層注射速度和延遲時(shí)間對(duì)粉末共注射芯層熔體形貌的影響；分析工藝參數(shù)對(duì)金屬共注射芯層形貌影響的流變學(xué)機(jī)理。結(jié)果表明：芯層熔體前沿呈蘑菇狀；固定芯層熔體溫度，隨著殼層熔體溫度的升高，芯層穿透深度從 148 mm減小到136 mm，最大穿透寬度從133 mm增加到139 mm；隨殼層注射速度的增加，芯層穿透深度從148 mm減小到143 mm，而芯層穿透寬度的變化規(guī)律不明顯；隨著芯層熔體延遲時(shí)間的增大，芯層穿透深度從146 mm增加到154 mm，穿透寬度從118 mm增加到136 mm。

金屬粉末共注射成形；工藝參數(shù)；芯層熔體形貌；流變學(xué)；芯、殼層黏度比

金屬粉末共注射成形技術(shù)是由傳統(tǒng)粉末注射成形和塑料共注射成形相結(jié)合而發(fā)展起來的一門新技術(shù)。該技術(shù)通過共注射把不同加工特性的材料在模具內(nèi)一次復(fù)合注射成形，整合各組分的優(yōu)越性能，可以在一個(gè)生產(chǎn)步驟內(nèi)使產(chǎn)品同時(shí)獲得功能性和形狀復(fù)雜性，從而一步完成制品的涂層、表面處理和組裝等步驟，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀、高性能的多功能一體化零件的近凈成形和大批量生產(chǎn)，大大降低了零部件的生產(chǎn)成本。該技術(shù)為功能零件的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了一條全新的途徑，滿足了制備多功能復(fù)合材料的要求，具有巨大的發(fā)展?jié)摿1?2]。

對(duì)共注射成形技術(shù)而言，芯層熔體的形貌和分布直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量及性能。近年來，在塑料共注射成形領(lǐng)域，研究者通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的手段對(duì)芯層物料分布進(jìn)行了研究。LI等[3?5]、周國(guó)發(fā)等[6]、王麗霞等[7]分別選用不同的聚合物作為物料對(duì)夾芯注射進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)黏度比是影響界面形貌的最主要因素。JOHNSTON和 SQUIRES[8]將聚丙烯作為殼層與芯層材料，并通過光學(xué)儀器觀察觀察芯層厚度。研究表明，在制品凸起部分或具有類似特征的區(qū)域，黏度是影響芯層穿透和殼層厚度的主要因素。MESSAOUD等[9]選用聚丙烯和玻纖增強(qiáng)聚丙烯進(jìn)行物料組合研究后發(fā)現(xiàn)，殼層物料的注射速度對(duì)殼層?芯層物料分布的影響極為明顯，而芯層注射速度基本沒有影響。而SCHLATTER 等[10]的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)芯層流速不變時(shí)，殼層流速的改變對(duì)芯層穿透深度影響不大；若殼層流速不變，芯層流速改變會(huì)使得芯層穿透深度減小。除了注射速度外，其他工藝參數(shù)也在一定程度上影響物料的分布。LI等[3]認(rèn)為，在非等溫條件下，物料熔體溫度對(duì)界面形狀的影響非常復(fù)雜。周國(guó)發(fā)等[11]的模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，若芯層熔體溫度固定，隨著殼層熔體溫度升高，芯層相對(duì)穿透深度減小，而相對(duì)寬度增大；若殼層溫度固定，隨著芯層溫度升高，芯層相對(duì)穿透深度增大，相對(duì)寬度減小。

目前，國(guó)際上對(duì)金屬粉末共注射成形的研究仍停留在嘗試階段，并沒有對(duì)影響材料芯、殼層厚度、芯、殼層界面形貌的因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究，更沒有對(duì)金屬粉末共注射成形的充填機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)、成功的理論解釋。本文作者分別以316L(40%)、316L(60%)為芯、殼層原料，研究了工藝參數(shù)如注射溫度、殼層熔體溫度、延遲時(shí)間對(duì)芯層穿透距離的影響。建立金屬共注射成形工藝參數(shù)與芯層穿透距離的關(guān)系，并對(duì)其流變學(xué)機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用尺寸為160 mm×160 mm×5 mm正方體平板模具，澆口為線澆口，位于160 mm×5 mm平面的底部，尺寸為6 mm×1 mm×5 mm，如圖1所示。

圖1 共注射平板模具示意圖Fig.1 Geometry of square plate co-injection mold (mm)

粉末材料選用英國(guó) Ospery公司生產(chǎn)的氣霧化316L不銹鋼粉，其平均粒度為22 μm。粘結(jié)劑選用蠟基粘結(jié)劑，其組成成分主要有石蠟+乙烯?醋酸乙烯+高密度聚乙烯+苯乙烯磺酸鈉。另外，為了便于觀察樣品芯層熔體的形貌，實(shí)驗(yàn)在芯層喂料中加入了少量的石墨粉末，其質(zhì)量配比為1:150。按照粉末與粘結(jié)劑裝載量分別為40%和60%的配比，用捏合機(jī)捏合1.5~2 h，在XSMY密煉機(jī)上密煉3 h后，于YHL04型單螺桿擠料機(jī)上經(jīng)3次擠條，使粉末和粘結(jié)劑混合均勻，設(shè)定溫度為165 ℃。再通過V68型制粒機(jī)進(jìn)行制粒，喂料制成長(zhǎng)3~5 mm、直徑約為2 mm的條狀，得到適合注射成形的均勻喂料。將裝載量為40%的喂料作為芯層，裝載量為 60%的喂料作為殼層。再采用Rheo5000型高壓毛細(xì)管流變儀測(cè)定喂料在剪切速率為40~1 200 s?1范圍內(nèi)不同溫度下的黏度值，結(jié)果如圖2和3所示。然后，在寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的HTF90W2型塑料注射成型機(jī)上完成喂料的注射，注射工藝參數(shù)如表1所列。將獲得的試樣沿中面平剖，分別測(cè)量芯層熔體的穿透深度和穿透寬度。穿透深度在注射方向上芯層熔體料流前沿與澆口位置的距離，用y表示，單位為mm；穿透寬度是指將芯層穿透深度沿著注射方向分成三等分，則熔體在垂直于注射方向上擴(kuò)展的距離，分別用 x1，x2，x3表示。試樣芯層熔體穿透距離測(cè)量示意圖如圖4所示。

圖2 316L-40%喂料在不同溫度下的黏度—剪切速率關(guān)系曲線Fig.2 Viscosity—shear rate curves of 316L-40% feedstock at different temperatures

表1 注射實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)Table 1 Technique parameters of injection conditions

圖3 316L-60%喂料在不同溫度下的黏度—剪切速率關(guān)系曲線Fig.3 Viscosity—shear rate curves of 316L-60% feedstock at different temperatures

圖4 芯層穿透深度y、寬度x示意圖Fig.4 Schematic diagram of measurement of core penetration in directions x and y

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5所示為芯層溫度為158 ℃時(shí)芯層穿透距離隨殼層溫度變化的實(shí)物照片。從圖5可以很明顯的看出，芯層熔體前沿呈蘑菇形狀。這與 NGUYEN等[12]、WATANABE等[13?14]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，共注射過程中芯層熔體前沿往往成蘑菇形或“V”字形流動(dòng)相符。

根據(jù)圖5，可以獲得芯層溫度為158 ℃時(shí)芯層穿透距離隨殼層溫度的變化曲線，如圖6所示。從圖6可以看到，芯層穿透深度y值隨著殼層溫度的升高而減小，穿透寬度x1，x2則隨著殼層溫度的升高而升高。圖6數(shù)據(jù)顯示，隨著殼層溫度的升高，芯層穿透深度從148 mm減小到136 mm，而最大穿透寬度則從133 mm增加到139 mm。

圖7所示為芯、殼層溫度均為164 ℃、芯層注射速率為60 g/s下芯層穿透距離隨殼層注射速度的變化曲線。從圖7可以看到，芯層穿透深度y隨殼層速度的增加而減小，而芯層穿透寬度的變化規(guī)律則不明顯。但是，殼層注射速度的變化對(duì)芯層穿透距離的影響很小，變化量基本在 2~3 mm之間。這一點(diǎn)與SCHLATTER等[10]的研究結(jié)論一致。與殼層注射速率相比，殼層溫度引起的芯層穿透距離變化量更大。

圖8所示為芯層穿透距離隨延遲時(shí)間變化的關(guān)系曲線。從圖8可以看到，隨著延遲時(shí)間的增長(zhǎng)，芯層穿透深度y、穿透寬度x3隨均明顯增加，其中，芯層穿透深度從146 mm增加到154 mm。該結(jié)果與注射速度相比，引起的芯層穿透距離變化大，而相對(duì)于注射溫度而言，則較小。即改變延時(shí)時(shí)間比改變殼層注射速度能更有效地調(diào)節(jié)芯、殼層形貌分布，但效果不如改變注射溫度的明顯。

3 分析與討論

3.1 工藝參數(shù)影響芯層熔體形貌分布的流變學(xué)分析

圖6 芯層溫度為158 ℃時(shí)芯層穿透距離隨殼層注射溫度的變化曲線Fig.6 Change curves of core penetration with skin temperature at core temperature of 158 ℃

由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分別改變殼層熔體注射溫度、殼層熔體注射速度和延遲時(shí)間等工藝參數(shù)，均使芯層的熔體形貌發(fā)生了規(guī)律性的變化，這種調(diào)整工藝參數(shù)影響芯層熔體形貌的現(xiàn)象可以從流變學(xué)的角度進(jìn)行解釋。

如圖9所示，如果型腔中的芯、殼層熔體為牛頓流體，則根據(jù)Hele-Shaw潤(rùn)滑理論，芯、殼層的平均流動(dòng)速率分別為[15]

圖7 芯層注射速率固定為60 g/s時(shí)芯層穿透距離隨殼層注射速率的變化曲線Fig.7 Change curves of core penetration with skin injection velocity at core velocity of 60 g/s

圖8 芯層穿透距離隨芯層延遲時(shí)間變化的關(guān)系曲線Fig.8 Change curves of core penetration with delay time

圖9 充模流動(dòng)過程流變學(xué)示意圖Fig.9 Schematic diagram of rheological analysis for mold-filling process

通過式(1)~(2)，可以得到：

通過式(6)可以看出，如果ηcore＜ηskin，那么vcore＞vskin，即當(dāng)芯層熔體黏度低于殼層熔體黏度時(shí)，芯層熔體比殼層熔體流動(dòng)的更快，芯層熔體向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)越大，充填結(jié)束時(shí)芯層熔體在型腔中的位置更接近殼層前沿位置。芯、殼層黏度比調(diào)節(jié)范圍越大，芯、殼層熔體的流動(dòng)速率比的變化范圍越大，從而能夠更有效地調(diào)節(jié)芯層熔體的分布。所以，可以通過調(diào)節(jié)芯、殼層黏度比來調(diào)節(jié)芯層熔體的分布。由于牛頓流體的黏度只與溫度有關(guān)，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以直接或者間接地調(diào)節(jié)熔體的溫度，這樣使芯、殼層黏度比改變，從而使芯、殼層的速度之比發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)芯層熔體分布的目的。

另外，通過改變芯、殼層的注射速率，可以直接改變芯、殼層的注射速率之比，這樣使芯、殼層的相對(duì)流動(dòng)速度發(fā)生變化，從而使芯層熔體的分布發(fā)生變化。

對(duì)于滿足冪律黏度模型的非牛頓流體，型腔中芯、殼層的平均速度可以表示為[15]

式中：ncore、nskin分別表示芯、殼層熔體流動(dòng)指數(shù)；kcore、kskin分別為芯、殼層稠度系數(shù)。

為了便于分析，令ncore=nskin，則

式中：A、Ta為熔體物性常數(shù)。

對(duì)于非牛頓流體充填型腔，通過式(6)可以得出類似牛頓流體充填型腔的規(guī)律，如果 kcore＜kskin，那么vcore＞vskin，即當(dāng)芯層熔體稠度系數(shù)低于殼層熔體稠度系數(shù)時(shí)，芯層熔體要比殼層熔體流動(dòng)的更快，芯層熔體向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)越大，充填結(jié)束時(shí)芯層熔體在型腔中的位置更接近殼層前沿位置。因此，調(diào)節(jié)芯、殼層熔體的稠度系數(shù)k和流動(dòng)指數(shù)n可以有效地調(diào)節(jié)芯、殼層的流動(dòng)速率之比，進(jìn)而能夠有效地調(diào)節(jié)芯層熔體的分布。非牛頓流體的稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)均與溫度有關(guān)。因此，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，可以直接或者間接地調(diào)節(jié)熔體的溫度，這樣使芯、殼層熔體的稠度系數(shù)之比和流動(dòng)指數(shù)改變，從而使芯、殼層的速度之比發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)芯層熔體分布的目的。

本實(shí)驗(yàn)的充填過程可視為非牛頓流體在型腔中的運(yùn)動(dòng)過程，由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)殼層注射溫度或注射延遲時(shí)間是直接或間接地調(diào)節(jié)了芯、殼層的注射溫度，使芯、殼層熔體的稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)發(fā)生變化，從而改變了芯、殼層的注射速率之比，進(jìn)而調(diào)節(jié)了芯層熔體的分布。改變殼層的注射速率，即直接改變芯、殼層的注射速率之比，這樣使芯、殼層的相對(duì)流動(dòng)速度發(fā)生變化，從而使芯層熔體的分布發(fā)生變化。

3.2 工藝參數(shù)對(duì)芯層形貌分布的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，改變不同的工藝參數(shù)對(duì)芯、殼層形貌分布的影響程度不同，即分別改變殼層注射溫度以及芯層延遲時(shí)間比改變殼層注射速度能更有效地調(diào)節(jié)芯、殼層形貌分布。本文作者從芯、殼層黏度比的角度對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析[3?5,16?18]。

根據(jù)冪律黏度模型，黏度與剪切速率的關(guān)系為

其中：η為表觀黏度；k為熔體稠度系數(shù)；γ˙為剪切速率；n為流動(dòng)指數(shù)。

剪切速率與模具尺寸、喂料注射速率存在如下關(guān)系[19]：

式中：Q為注射速率；W為模具的寬度；h為模具高度。

圖10和11所示分別為316L-40%和316L-60%粉末喂料在不同溫度下的黏度—剪切速率對(duì)數(shù)曲線，由圖10和11可以分別擬合得到冪律模型的相關(guān)參數(shù)k和n的值。那么，通過式(11)和(12)可以獲得芯、殼層熔體在不同溫度下，不同注射速率時(shí)芯、殼層的黏度比。

表2所列為芯、殼層注射速率為60 g/s，芯層溫度為158 ℃，不同殼層溫度情況下，芯、殼層對(duì)應(yīng)的k值、n值以及黏度η。由表2可以看出：芯層在注射速率為60 g/s下，殼層熔體溫度變化對(duì)芯、殼層黏度比的影響。即殼層溫度為152 ℃時(shí)，芯、殼層的黏度比為0.49，而到176 ℃時(shí)，芯、殼層的黏度比為1.06。

圖10 316L-40%粉末喂料不同溫度下的lnη—ln 曲線Fig.10 lnη—ln curves of 316L-40% feedstock at different temperatures

圖11 316L-60%粉末喂料不同溫度下的lnη—ln 曲線Fig.11 lnη—ln curves of 316L-60% feedstock at different temperatures

表2 芯層和殼層注射速率分別為60 g/s、不同殼層溫度下芯層和殼層熔體對(duì)應(yīng)的黏度(η)值Table 2 Viscosity of core and skin melts at different temperatures and velocity of 60 g/s

同樣地，可以得到改變殼層熔體注射速率對(duì)芯、殼層黏度比的影響。根據(jù)圖10和11可以獲得在芯、殼層熔體溫度為 164 ℃時(shí)的冪律黏度模型的相關(guān)系數(shù)k和n的值，即kcore=292.1，ncore=0.66，kskin=789.9，nskin=0.55，進(jìn)而根據(jù)式(11)、(12)獲得殼層注射速率分別為30和90 g/s時(shí)，芯、殼層黏度比分別為0.7和1.15?？梢钥闯觯淖冏⑸渌俣鹊玫降男?、殼層黏度比變化為0.7到1.15，而改變溫度芯、殼層黏度的變化為0.49到1.06。所以說，與改變注射速度相比，改變殼層注射溫度能更有效地調(diào)節(jié)芯、殼層形貌分布。

本文作者認(rèn)為，改變延遲時(shí)間是間接地改變了殼層的注射溫度，因此也可以從溫度改變芯、殼層黏度比的角度，解釋改變延遲時(shí)間比改變殼層注射速度能更有效地調(diào)節(jié)芯層熔體形貌分布這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。隨著延遲時(shí)間的增長(zhǎng)，由于型腔中的殼層熔體與模壁的熱傳導(dǎo)的作用，殼層熔體耗散的能量也就越多，殼層熔體的溫度越低。由表2可知，熔體的黏度隨著溫度的下降而下降，因此，黏度比發(fā)生變化，從而影響了芯層熔體的形貌分布。目前，延遲時(shí)間對(duì)芯層熔體形貌分布的影響的定量解釋還在進(jìn)一步的研究之中。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，給定工藝參數(shù)，相當(dāng)于給定黏度比，給定流動(dòng)速度，改變工藝參數(shù)，黏度比、流動(dòng)速度之比均隨之變化，導(dǎo)致芯、殼層形貌變化。當(dāng)芯、殼層黏度比變化大時(shí)，芯、殼層熔體流動(dòng)速度比變化大，導(dǎo)致芯、殼層形貌變化也大。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)固定芯層熔體溫度、殼層熔體溫度在152~176 ℃之間改變時(shí)，隨著殼層熔體溫度的升高，芯層熔體穿透深度減小，最大穿透寬度增加；隨殼層注射速度的增加，芯層穿透深度減小，而芯層穿透寬度的變化規(guī)律則不明顯；隨著芯層熔體延遲時(shí)間的增大，芯層熔體穿透深度，穿透寬度變化明顯。與改變注射速度工藝參數(shù)相比，改變殼層注射溫度、芯層延遲時(shí)間能更有效地調(diào)節(jié)芯、殼層形貌分布。

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3．2 根據(jù)不同年齡階段調(diào)整健康教育內(nèi)容，重視知識(shí)鞏固 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，5年級(jí)小學(xué)生對(duì)一些慢性病防控知識(shí)如“體質(zhì)指數(shù)（BMI）計(jì)算方法”，“導(dǎo)致高血壓或血壓升高的因素”和“每日食油量”等的知曉率均高于6年級(jí)。進(jìn)一步分析學(xué)校問卷中健康教育課時(shí)發(fā)現(xiàn)，6年級(jí)平均課時(shí)數(shù)量（37．1節(jié)／學(xué)年）與5年級(jí)（36．4節(jié)／學(xué)年）相當(dāng)。因此筆者推測(cè)這一結(jié)果應(yīng)與5、6年級(jí)健康教育課程涉及的內(nèi)容差異有關(guān)，因本調(diào)查并未涉及課程的具體內(nèi)容，所以無法論證。但這提示在健康教育課程設(shè)置方面，不能只注重?cái)?shù)量，要注意內(nèi)容的合理性并要注重一些重點(diǎn)知識(shí)的鞏固，這樣才能達(dá)到更好的效果。

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Effects of processing parameters on core melt morphology of metal powder co-injection molding

WANG Guang-yao, HE Hao, LI Yi-min, ZHANG Jian-guang
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Using two feedstocks, 316L(60%) and 316L(40%), as core and skin feedstocks, the effects of processing parameters, such as skin melt temperature, skin velocity and delay time, on the core melt morphology of metal co-injection molding were studied. The mechanism of the effect of processing parameters on the core melt morphology was studied on the basis of rheological theory. The results show that core melt front shows the shape of mushroom.With the increase of skin melt temperature, the penetration depth decreases from 148 mm to 136 mm, and the largest penetration width increases from 133 mm to 139 mm. While there is no significant variation on the core penetration with the increase of skin velocity, the penetration depth decreases from 148 mm to 143 mm. With the increase of delay time, the core penetration depth and width change significantly from 146 mm to 154 mm and from 118 mm to 136 mm,respectively.

metal powder co-injection molding; processing parameters; core melt morphology; rheology; core-skin viscosity ratio

TF124

A

1004-0609(2011)08-1847-08

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007AA03Z114)；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體基金資助項(xiàng)目(50721003)

2010-02-22；

2010-11-15

何 浩，博士；電話：0731-88836113；E-mail: he_hao555@yahoo.com.cn

(編輯 龍懷中)