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透氣鋼及其在注塑模具的應用
摘要：塑料模具中的氣體對注塑件的性能，外觀和壽命有很大的影響。一般來說應該用排氣通道及其附件系統(tǒng)排氣。但是若依賴于通風系統(tǒng)，模具設計將變得復雜。此外，在某些情況下很難使排氣系統(tǒng)與模具很好的結合在一起。目前在國外已經具有一種透氣性的模具材料，但此模具材料的應用因其成本較高而且尺寸較小而受到限制。在本項研究中，一種采用粉末冶金技術制成的多孔材料，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，用特定的裝置進行測試和對比。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，最終建成用于檢測透氣鋼應用的實際注塑器。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中具有良好的透氣性，能夠順利排出模腔中產生的氣體。融化的塑料不會滲透到模具中阻塞微孔，使經過數(shù)次注塑生產的模具，仍然保持良好的透氣性。這種透氣鋼的強度是200–250兆帕，適合工業(yè)應用，利用透氣剛簡化的排氣系統(tǒng)在注塑中結構簡單，可以應用到任何需要排氣的地方。
關鍵字：粉末冶金，透氣鋼，注塑模，排氣系統(tǒng)
1 簡介
注塑加工是生產聚合物的重要方法之一，它制造的產品尺寸穩(wěn)定性高，生產周期和成本較低。充模階產生的氣體是影響最終產品質量的原因之一。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)，模具設計將變得復雜。此外，在某些情況下很難使排氣系統(tǒng)與模具很好的結合在一起?，F(xiàn)在，這個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構和設計也得到簡化。透氣金屬的形成，測量及應用吸引了眾多研究者。張，等人研究了溫壓對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合金粉和壓制壓力對燒結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整孔隙率。林，等人，分析了燒結工藝參數(shù)和壓實壓力對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生的原因、壓力對孔隙度和孔隙連通性的影響。
然而，雖然透氣鋼對注塑模的制造非常重要，但是如何獲得適當?shù)耐笟鈩?，把它應用到注塑工藝中，并在二次加工后保留透氣性，目前仍沒有得到很好的研究。在這項研究中，通過控制壓縮和燒結工藝得到了一種透氣鋼，這些工藝的細節(jié)將在第二節(jié)中介紹。第3節(jié)通過宏觀實驗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合在一起實際生產注塑件。高質量的注塑件，進一步驗證了這種透氣剛的良好透氣性和排氣功能。
2 壓制和燒結工藝
這項研究采用了304L不銹鋼粉末。在壓制前要對不銹鋼粉的粒度進行分級，通過控制壓實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不銹鋼粉末的化學組成
表二 不同大小顆粒的組成
在這項研究中，每次都用250克的（含1%硬脂酸鋅）304 L不銹鋼粉末進行壓制。在100兆帕的壓實壓力下獲得圓柱樣品，再將樣品在RSJ-13氨氣氛燒結爐中燒結。燒結溫度為1100–1300℃，持續(xù)時間為1小時。樣品的平均孔隙率約為17%，拉伸強度在200兆帕到300兆帕之間。
3 透氣性的檢測
3.1 透氣性的宏觀實驗
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）顯示的是一個磨削加工件。在透氣性實驗之前，要對這二個試件進行油滲透。在大氣環(huán)境中，由于壓制件微孔中氣體表面張力的存在，無法進行油滲透。所以，這個過程要在真空環(huán)境中進行。在真空下，微孔中的空氣被驅散，降低了表面壓力，所以，油滲透要在一定的壓力下才能進行。油滲透后，將清洗后的樣品被放置在儀器上實驗，如圖（2）所示。這種儀器（見圖2）是專門用來檢測壓制件的透氣性的。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由堅硬的致密材料制成，它與一個空氣泵連在一起。腔B是一個變體積的密封容器，它的內部一直保持著恒定的大氣壓力。當空氣泵開啟時，腔A內的壓力將減少。若放置在倆腔之間的壓制件具有一定的透氣性，氣體就會從腔B通過試件進入腔A，導致腔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.用于透氣試驗的裝置的圖解示圖
圖1（a）和1（b）中的二個壓制件就是用這種儀器進行檢測的，腔B在倆次試驗中都收縮了，這表明倆個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，在透氣性實驗的過程中，如圖1（c）和（d）所示，試件內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一步證實。 圖3（a）顯示的是未蝕刻的燒結樣品的金相圖。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。壓實及后續(xù)燒結后，粉體的邊界結合在一起，形成了一個三維的連接網絡，網絡中的空洞就起到了氣體通道的作用。
（a） 未蝕刻的燒結樣品的金相圖
（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。
（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。但對透氣鋼用于注塑模具，該加工過程可能會造成一些問題。雖然透氣鋼可以維持加工，但很難留住高質量的表面空隙。加工后，試件表面的多孔結構可能被破壞或微孔被阻塞，透氣性降低。在這項研究中，分析了線切割和研磨工藝對表面孔隙的影響。
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，多孔結構變差，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材料的融化，而且用細砂紙進行緩慢的打磨，也避免了摩擦效應。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構。
圖6試件在水下環(huán)境中用細砂紙打磨處理后的顯微圖像
4 注塑實驗
為了檢測注塑模具中透氣剛的實用性，專門發(fā)明了一臺機器（見圖7）。這臺機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
這項研究采用由304 L不銹鋼粉末（包括1質量%的硬脂酸鋅）制成的透氣材料。所用的生坯是在400兆帕壓實壓力下獲得的壓制件。壓實后，將壓制件置于RSJ-13氨氣氛燒結爐中燒結。燒結溫度約為1300℃，燒結過程持續(xù)了1–3小時。這種透氣鋼的平均孔隙率約為25%，并通過油淬改善其力學性能。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
注塑實驗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）。這些塑料也不會滲透到模具材料的微孔中阻塞氣體通道。經過十幾次的注塑實驗，模具仍然保持良好的透氣性。本實驗再次驗證了這種多孔鋼的良好透氣和排氣功能。
圖9.注塑件
5 結論
(1)用不銹鋼粉末制成的生坯，在對其進行粒度分級后再通過控制壓實壓力，使生坯獲得一定的孔隙率。
(2)燒結過的壓制件內部有很多連通孔，它的強度約為200–250兆帕。實驗表明，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，經過多次的注塑實驗后，它生產的注塑件仍具有較好的表面質量。由此可以得出結論，這種透氣剛始終具有較好的透氣性，滿足工業(yè)應用。