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1、材料制备新技术 New Technologies of Preparing Materials,材料科学与工程学院李 军,2,金属粉末的注射成型,Poweder Injection Moulding,3,主要内容金属粉末注射成型的特点金属粉末注射成型的材料金属粉末注射成型的过程金属粉末注射成型的原理金属粉末注射成型的应用,4,随着技术进步和创新速度的加快，材料加工技术朝高性能、低成本、短流程、近终成型的方向发展，涌现出不少集设计、制备、加工于一体的新型制备技术，如金属粉末注射成型技术。,慢走丝机床,精密铸造技术,5,粉末注射成形（Powder injection molding,PIM）是传统
2、粉末冶金工艺与现代塑料注射成形工艺相结合而形成的一门新型近终成形技术。金属粉末注射成型是将金属粉末在模具中快速注射成型，并通过脱脂烧结，快速制造出高密度、高精度、三维形状结构复杂零件的新技术。,传统粉末冶金,塑料注塑成型,6,粉末注射成形是粉末冶金学、金属材料学、塑料成型学和高分子材料学等多学科交叉复合的技术。,金属粉末注射成型,7,（1）注射成形中，熔融粒料均匀地填充模腔成形，模腔内各点压力基本一致，消除传统粉末冶金压制成形中不可避免的沿压制方向密度梯度问题，一定程度上克服传统粉末冶金存在的密度、组织、性能不均匀现象。,粉末注射成形特点,金属粉末注射成型制品,单向压制Ni粉压坯密度分布,8,
3、（2）粉末注射成型能制造传统工艺不能制造的具有复杂形状的零部件。传统粉末成形是外力把粉末压成生坯后烧结，粉末通过颗粒重排、塑性流动而致密化。由于粉末流动性较差，一些具有外部切槽、横孔、盲孔、外螺纹、凹台、表面滚花等形状的零部件，难以一次成形。,传统粉末压制成型制品,粉末注射成型制品,9,PIM用一定比例的高分子粘结剂与金属粉末、陶瓷粉末等制成具有良好流动性的均匀粒料，能像塑料注射一样成形复杂形状的零部件，再经脱脂烧结得到最终产品，如外螺纹、锥形外表面、交叉孔与盲孔，凹台与键销、加强筋板、表面滚花等，这类零件都无法用常规粉末冶金方法得到。,金属粉末注射成型复杂件,10,（3）PIM可根据零件性能
4、要求进行大范围的成分设计，可制取复合材料零件，充分发挥不同材料的优异性能，适应性广，生产成本低。,材料的复合设计,11,（4）PIM适合大批量自动化生产。PIM可采用一模多腔模具，成形效率高，模具使用寿命长，更换调整模具快，产品转向周期短。与精密铸造相比，粉末注射成形在提高零件精度，避免成分偏析等问题的同时，大大提高生产率。生产复杂形状零件的数量高于一定值时，PIM会比机加工方法更为经济。,12,金属粉末注射成型的优势,产品规模化生产带来效益,13,（5）PIM制造的零件几乎不需要再进行机加工，材料消耗少，利用率可达98%以上。,自动化注塑生产车间一角,14,注塑成型材料,理想的注射成形用金属
5、粉末：粉末颗粒尺寸在0.5-20m之间，D50在4-6m之间；粉末颗粒的粒度分布范围处于非常窄或非常宽的范围内，其分布斜率的理想值为2或8；粉末颗粒无团聚现象；粉末颗粒近似为球形、等轴；粉末颗粒致密，内部无孔洞；粉末颗粒环境污染小，表面干净。,金属粉末,15,氧化还原是一种重要的化学反应法，实际生产中很多粉末是通过氧化还原法来制备的，使用较细、净化的氧化物粉末，在还原性气体如CO、H2等参与下进行热化学反应。注射成形用W粉可用氧化还原制取，将研磨的WO3粉末在干燥H2中还原制得，粉末粒径为2-3m。,H还原得到的W粉,16,雾化法是利用高速射流将液态金属粉碎成粉。熔融材料注入喷嘴中，形成液滴喷
6、射出来，击碎熔融金属流的流体可是空气、氮气、氦气、氩气，也可采用水或油。这种方法可将合金化材料制成小颗粒粉末，并且可获得理想的颗粒形状和高的填充密度。,注射用雾化不锈钢粉末,17,雾化法颗粒形状为球形，粒度分布较宽，具有较高的振实密度。通过控制工艺条件，可以得到不带附属物和消除内部孔隙的球形粉。,雾化球形铁粉：(a)700(b)1300,18,铁粉、镍粉和钴粉还可采用气相沉积法制取。在加热加压下，粉末与CO生成金属羰基物气体，羰基物冷却成液态，经分级蒸馏、净化、重复加热使液相挥发，分解沉积形成金属粉末。羰基粉末粒径较小，纯度可达99.95%。颗粒形状为近球形或链状。,羰基铁粉形貌,羰基镍粉形貌
7、,19,对脆性材料来说，粉碎研磨是制粉的常用方法。旋转装有一定量硬球和粗粉的容器，粉未经研磨球不断撞击、研磨制得粒度较小的颗粒；粉末粒度越小，所需研磨时间越长；机械粉碎后粉末呈不规则形状，粉末之间尖锐接触导致粉末堆积性和流动性下降，导致粉末注射困难，球磨制粉还有污染问题。,球磨后具有尖角的不规则形状SiC粉末形貌,20,塑料,塑料是以有机高分子化合物为基础，加入若干其他材料(添加剂)制成的固体材料。高分子化合物是由相对分子量较小的低分子化合物经聚合反应后得到的相对分子量较大的化合物。不是所有低分子化合物都能成为单体，如食盐、水、甲烷等都不能成为单体，这些化合物的分子处于饱和状态，不能进行聚合反
8、应。目前可作为单体的低分子化合物主要是含双键的不饱和碳氢化合物。,21,高分子化合物的大分子以某种方式(通过范德华力的作用)聚集在一起时，成为各种各样的树脂。,线型无定形聚合物：大分子不规则排列在一起，彼此交叉缠绕呈无序排列；存在某些近程有序区域，在微小范围内大分子呈规则排列，但这种有序范围小、数量少，对树脂性能影响不大。,线型无定形聚合物的聚集态,22,线型无定形聚合物处于不同温度时的力学状态可用形变温度曲线表示。,线型无定形聚合物的形变-温度曲线,23,Tx-Tg温度范围：高分子聚合物的玻璃态。温度较低，大分子具有的能量较少，大分子链之间的运动不能进行，分子内的链段运动也很难进行，聚合物表
9、现出像玻璃一样的刚硬。聚合物具有较好的力学性能，施加外力产生微小变形，去除外力能恢复原状（普弹形变）。温度低于Tx时，不仅链段运动不能进行，分子局部的热振动也不能进行，聚合物呈脆性状态。温度高于Tg时，外力作用下聚合物产生较大变形。,24,Tg-Tf温度范围：高分子聚合物的高弹态。温度较高，大分子链能在较大范围内自由地进行链段运动，外力作用下，原来卷曲状的大分子链缓慢伸直，去除外力后大分子链又缓慢恢复成卷曲状，可产生百分之数百的变形量（高弹形变）。产生高弹形变时，大分子链之间没有相对滑动，因此此时的高弹形变是可逆的。,25,Tf-Td温度范围：高分子聚合物的粘流态。温度更高，大分子链能更自由地
10、进行链段运动，大分子链之间也能产生相对滑动，外力作用下，高分子产生流动变形（粘流变形）。粘流变形是聚合物中大分子的相对滑动，这种变形是不可逆的，也正是由于这种不可逆变形，才能通过注塑制造各种制品。,模塑制造各种塑料制品,26,粘流变形伴随着高弹形变。高弹形变是链段运动，所以注塑时必须将原料加热到足够高的温度，使高弹形变部分得到完全松弛，否则塑料制品会由于高弹形变恢复而产生严重的内应力，导致制品断裂或变形。粘度是聚合物粘流态的一项重要参数。粘度大的塑料，模塑时难以充型，需要较高的温度和压力才能完成充型，增大生产工艺的复杂性。,27,分子结构复杂，相对分子量大的聚合物粘度大，粘流温度高。分子结构复
11、杂，链段运动较因难，分子间相对滑动困难；相对分子量大，聚合物分子链较长，大分子间彼此缠绕点较多，引力也较大，大分子之间滑动困难。降低粘度方法：降低大分子聚合度(保证力学性能的前提下，采用低分子量或线型结构的树脂)，可降低粘流温度和粘度；注塑时加入增塑剂，也可达到类似目的；提高注塑温度可降低粘度，但粘度太小易产生溢流；温度接近或超过Tf，聚合物易发生分解。,28,树脂分类,热塑性树脂受热软化，温度升高至一定数值时呈现粘流态，当温度降低时塑料变得坚硬，再次加热又再变软，冷却后又变硬，可以如此多次反复。热塑性树脂除能多次反复加热冷却外，还能溶于某些溶剂，这种现象称为可熔可溶。常用热塑性树脂：聚乙烯、
12、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS塑料、聚甲醛、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等。,29,热固性塑料第一次受热时软化，冷却固化并呈现刚硬状态；重新加热不再软化，温度超过一定值时发生分解。固化后的树脂不溶于溶剂，称为不熔不溶。常用的热固性树脂有酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂和不饱和聚酯等。,热固性环氧树脂,30,聚乙烯（PE）低密度聚乙烯(LDPE)：分子量较小，大分子链含有若干短支链，结晶度最小，强度较差，而柔顺性、抗冲击性和透明性较好。高密度聚乙烯(HDPE)：大分子链支链较少，相对分子量和结晶度较大，柔顺性较差，质地坚硬。,31,聚乙烯呈乳白色半透明状态，遇火会燃烧。聚乙烯分
13、子中只有碳、氢元素，没有极性基团，常温下耐酸、碱，也不易溶有机溶剂，吸水性小，耐蚀性和绝缘性好，是优良的高频电绝缘材料。LDPE用于制造薄膜，HDPE用于制造日用品、化工设备中耐蚀管道、槽衬和机械零件等。,LDPE树脂,LDPE树脂薄膜,32,聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯树脂为无色透明体，含有较高的氯，具有耐燃自熄特性。聚氯乙烯大分子链含有极性氯原子，分子间作用力比聚乙烯大，强度和硬度都比聚乙烯略大。聚氯乙烯在65-85时开始软化，150-170呈熔融状态，190以上分解并放出有毒的氯化氢。,33,聚氯乙烯具有良好的介电性能，可用于制造室温使用的低频电器元件，如民用电器插座、插头和开关等。但随温
14、度上升和频率增高，介电性能变差。聚氯乙烯具有良好的化学稳定性，能耐许多化学药品腐蚀，常温能耐一定浓度的盐酸、硫酸、硝酸和氢氧化钠，广泛用于制造化工容器和运输管道。,PVC树脂及器件,34,聚丙烯（PP）聚丙烯的分子链上每隔一个碳原子就连接一个甲基基团。聚丙烯的密度为0.90-0.91g/cm3，是常用塑料中密度最小的品种之一。聚丙烯具有良好的耐热性，在无外力作用环境中150也不变形，故聚丙烯可在水中煮沸，制作需经煮沸消毒的医疗器械，如注射针筒等。,35,聚丙烯的力学性能如拉伸强度、屈服强度、压缩强度和弹性模量等都优于HDPE，可作机械零件材料，如齿轮、法兰、风扇叶轮和等。聚丙烯具有良好的绝缘性
15、、化学稳定性和成型工艺性，可制作电器元件、化工管道等。聚丙烯遇火容易燃烧，使用时应注意。,PP树脂及器件,36,聚苯乙烯（PS）聚苯乙烯密度为1.04-1.16g/cm3；聚苯乙烯主链上带结构庞大的苯环，柔顺性差，质硬脆，抗冲击性差，敲打时发出类似金属的声音。聚苯乙烯具有良好的可塑流动性及较小的成型收缩率，是成型工艺性最好的塑料品种之一，容易制造形状复杂的制品。聚苯乙烯遇火会自燃。,37,聚苯乙烯无色透明，透光性仅次于有机玻璃，容易着色，常用于制造要求透明或颜色鲜艳的制品，如各种灯罩、光学仪器零件等。聚苯乙烯具有很小的吸水率，在潮湿环境中形状和尺寸变化很小，适于制造要求尺寸稳定的制品。聚苯乙烯
16、具有优良的电绝缘性，尤其在高频下介电损耗仍然很小，是优良的高频绝缘材料。,PS树脂及器件,38,ABS塑料是一种三元共聚物，由丙烯腈(A)、丁二烯(B)和苯乙烯(S)三种单体组成，丙烯腈具有良好的耐蚀性和耐热性；丁二烯具有高韧性和低温弹性；苯乙烯具有良好的成型工艺性、着色性和刚性。ABS兼有三种组分的优点，而且三种组分的比例可按需要任意调整，使ABS塑料具有所需的性能。,39,ABS塑料具有优良的综合性能：力学性能、电绝缘性、化学稳定性、成型工艺性和着色性等都很优良，吸水率也很小。ABS塑料表面可电镀、喷漆、真空镀膜和绘画。ABS塑料可制造多种机械零件，在家用电器中也有广泛应用，如家用电器的壳
17、体等。,ABS树脂及器件,ABS汽车保险杠,40,聚酰胺（PA）大分子链中含有酰胺基团的高分子聚合物制成的塑料总称，包含若干品种。聚酰胺俗称尼龙(尼龙66纤维织物也称锦纶)。聚酰胺是最先用作工程塑料的品种之一。,锦纶,41,各种尼龙的性能参数,42,聚酰胺属线型高分子聚合物，酰胺基团上的氢可以和另外一个大分子酰胺基团上的羰基结合，形成氢链，使聚酰胺大分子之间存在很大的作用力，具有较高的机械强度和熔点。聚酰胺吸水性较大，吸水后发生体积膨胀，影响制品的尺寸精度：尼龙6在24小时后吸水率为2；尼龙1010为0.39，尼龙12为0.25。,PA树脂及纤维,43,聚酰胺具有小的摩擦系数和良好的自润滑性，
18、可作摩擦材料使用，适用于不允许润滑油污染的纺织与食品机械零件，如齿轮、轴承、轴套等。聚酰胺耐油、耐溶剂和耐稀酸，但不耐浓酸。聚酰胺的耐热温度不高，吸湿性大，应避免在高温和高湿环境中使用。,尼龙产品及器件,44,聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃，PMMA)聚甲基丙烯酸甲酯分子链上带有极性基团，属长支链线型聚合物。与无机玻璃相比，有机玻璃的主要优点是密度小(1.18g/cm3)，质轻而又富有韧性，抗拉强度和弯曲强度都比无机玻璃好，受冲击不易破碎。,45,聚甲基丙烯酸甲酯具有很高的透明性，透光率达92-95，无机玻璃的透光率只有88。有机玻璃的主要缺点是硬度较低，容易被外界硬物擦伤，遇火容易燃烧。有机玻璃
19、主要作透明材料使用，在飞机、汽车、灯具、医疗仪器和装饰等行业中大量应用。,PMMA制品,46,注塑成型过程,金属粉末注射成形是选择符合要求的金属粉末和树脂粘结剂，在一定温度下将粉末和树脂混合成均匀的注射粒料，造粒后在注射机上成形，获得的成形坯经脱脂处理后烧结致密化，获得最终产品。金属注射成形基本过程可分为四个阶段：粒料制备 注射成形脱脂烧结,47,喂料准备,粒料制备包括：粘结剂的准备原料粉末的预混合粉末/粘结剂粒料的混炼粒料制粒这一阶段与传统注射成形最大区别在于用金属或陶瓷粉末作原料。由于粉末本身流动性不好，需加入大量粘结剂在一定温度下混炼成均匀的、具有流动性的喂料，然后制成大小均一的粒料。,
20、注塑用粒料,48,混炼是将金属粉末与粘结剂混合得到均匀粒料的过程。由于粒料性质决定最终注射成形产品的性能，所以混炼步骤非常重要。,双辊法,挤出造粒法,模压破碎法,49,粒料表示粉末与粘结剂之间的一种平衡关系，两者之间适当的比例是决定注射成形成败的关键。粘结剂过多，粒料粘度小，金属颗粒间不能充分接触，脱脂后变形严重，甚至导致产品塌陷；粘结剂太少，粒料粘度高，注射十分困难，脱脂后容易生成孔隙，烧结后易导致产品开裂；加入标准：粉末颗粒间发生点接触，粉末颗粒在没外压情况下粘在一起，中间的空隙被粘接剂填充；使用低分子量的粘结剂可减少粘度，易于成形。装载量是评价喂料的一个重要指标，工业上一般使用质量分数来
21、衡量。,50,均匀混合过程：将表面处理过的金属或陶瓷粉末加入粘结剂中，两者实现均匀混合，得到复合粉末体系；将复合粉末加热，使粘结剂熔化；液态粘结剂通过毛细作用进入粉末颗粒团聚体中，润滑粉末颗粒，在螺杆剪切力作用下使颗粒团聚得到持续分解，保持混合均匀。,工业双螺杆挤出机,51,合格的粒料应该是粉末在粘结剂中均匀分布，不能团聚或有孔隙，粉末分布不均匀会导致粒料粘性不一致，不利于成形和烧结。,合格的PA/NdFeB喂料及其SEM图谱,52,如果粉末颗粒小或形状不规则，混合时间需相应增加，以实现均匀混合。混炼时间增加，混合料均匀性增加，但树脂易氧化分解，部分金属或合金粉末氧化，导致混炼失败。在保证粒料
22、均匀性的前提下，混炼时间尽量缩短。,混炼时间长的PA/NdFeB喂料,最佳混炼时间的PA/NdFeB喂料,53,混炼后的粒料经过破碎机或者切粒机加工后（一般制成3mm左右的颗粒）成为注塑用喂料。,破碎机,切粒机,54,注射成型是在一定压力和温度下，通过柱塞或螺杆推动，将具有流动性和温度均匀性的粒料熔体注入模腔充满，熔体在控制条件下凝固冷却成形，直至注射坯从模腔中脱出，形成三维复杂形状和结构。该阶段完全不同于传统冶金中的压制成形，类似于塑料工业中的成形工艺。,注射成型,55,注射时，喷嘴紧靠流道，螺杆向前推进，喂料受压后挤出料筒，填充模腔；当有足够喂料填充到模腔中时，螺杆停止转动。理想充模是喂料
23、沿模壁逐渐填充模腔，厚坯件要求螺杆推进速度快，薄件则反之。充模速率太大导致喷射，出现气泡、焊纹或不完全填充(空气无法逃逸)等现象产生。（大的注射压力和充模速率、喂料粘度低都是导致喷射产生的原因）充模速度太慢会导致喂料冷却过早，产生不完全填允，出现短射。（粒料注射温度控制不当也会产生此类现象）,56,当螺杆到达顶端喷嘴处后，对喂料进行施压的过程为保压过程。注射成形最后是将成形坯从模具中取出。开模温度应低于坯件脱模时维持其形状所需临界温度。开模压力须小于成形坯脱模而不粘模所需的最大压力。开模压力和温度应有一定范围，不能使制品出现变形、粘模、划伤模具或在制品表面形成缩孔或凹陷。,57,脱脂属于金属粉
24、末注射成形独有的步骤，需从坯体中脱除约30%-50%（体积分数）的粘结剂，完全不同于传统粉末冶金中极少量表面活性剂的脱除。粘结剂的热脱除分为两个基本过程：粘结剂的热分解，这是一个化学反应过程；分解气体传输到坯块表面进入外部气氛，这是一个物理传热、传质的过程。,脱脂,58,热脱脂过程分为三个阶段：初始阶段：初始孔隙的形成，粉末颗粒在粘结剂毛细管力作用下产生的颗粒重排；中间阶段：坯块内贯通孔隙通道的产生和形成，以及贯通孔隙通道形成后剩余粘结剂的脱除；最终阶段：粘结剂完全脱除后粉末颗粒之间发生点接触实现预烧结。,59,初始阶段,连通孔隙形成,低熔点组元脱除,高熔点组元脱除,60,未脱脂样品表面,脱脂
25、后样品的微观形貌,61,传统粉末冶金压坯在烧结前一般已有90%以上的相对密度，完全致密化只需消除约10%的孔隙；粉末注射成形坯在脱脂后，烧结前只有60%的相对密度，其烧结本质是松装粉末烧结，难度大增。烧结中会发生较大收缩，虽然这种收缩是烧结的主要目的，但同时也导致变形。金属粉末注射成形产品烧结成功标准：在保证产品精度和性能具有可控性和重复性前提下，使其密度达到要求。,烧结,62,控制加热速度可促进坯件致密化。缓慢加热使在低温烧结阶段表面扩散占主导地位，消耗烧结驱动力却很难使坯件致密化。快速加热到一定温度范围，在此温度范围内体扩散变得活跃，而且快速加热可控制晶粒长大，同时孔隙也在演化缩小。烧结中
26、产生液相以有助于坯件的致密化。液相提高物质的传输速率，引起更快的烧结；液相对颗粒施加毛细管力，等同一种大的外压；预期的液相可通过一种组元熔化而形成。,63,金属注射成形产品的烧结过程：最初阶段：烧结颈形成并长大；中间阶段：烧结颈长大，形成晶界相连的孔隙网络；最终阶段：孔隙几何外形变成圆柱状，只剩很少的小孔隙位于晶界上。,烧结过程中微观结构的变化,64,注射成型原理,树脂熔融粘度极高，靠其自然流入模具中赋形是不可能的，加入金属粉末后复合体系粘度急剧上升。为使熔融粒料流入模腔各角落，获得具有复杂形状，表面没有缩痕、内部没有空洞的制品，成型时必须对熔融粒料施加高压。注塑是在料筒中加热粒料使之熔融，对
27、熔融粒料施加高压并使之注射到模具中，在模具中冷却固化成为制品的过程。,65,过程描述,注塑基本过程,66,锁紧前移注射保压冷却后移开模顶出,闭模,67,闭模前移注射保压冷却后移开模顶出,锁紧,68,闭模锁紧注射保压冷却后移开模顶出,前移,69,闭模锁紧前移保压冷却后移开模顶出,注射,70,闭模锁紧前移注射冷却后移开模顶出,保压,71,闭模锁紧前移注射保压后移开模顶出,冷却,72,闭模锁紧前移注射保压冷却开模顶出,后移,73,闭模锁紧前移注射保压冷却后移顶出,开模,74,闭模锁紧前移注射保压冷却后移开模,顶出,75,注射成型包括熔料经喷嘴射入模腔，再经过充模、保压，直至最终冷却成型等过程。充模、
28、熔料在模腔内压实、倒流、在浇口处凝固、冷却及制品脱模等阶段的控制最为重要。,注射过程系统压力和模腔浇口压力示意图1-液压系统压力 2-模腔浇口压力,76,A-B为充填和压实阶段，熔料近似等温填充。A开始进入模腔，到达B时表明模腔已填满，模腔压力在极短时间内迅速增大。本阶段需要控制注射速度，缩短成型周期，避免熔料因流速过低而冷却凝固，减少表面质量缺陷及内应力。模腔填满，注射速度趋于零，压力成为影响制品质量的重要因素，开始进入压力控制阶段。,77,B-C为保压阶段。B点开始按等压曲线变化，模温持续下降，熔料被压实。该过程仍有少量熔料进入模腔，以补偿模腔内制品由于冷却而产生的尺寸收缩。到达C点时，浇
29、口因熔料冷却凝固而封死。C-E为冷却阶段：模腔内的熔料继续冷却，模腔压力一直下降到某压力值(D-残余压力)，再按冷却曲线D-E冷却至启模所需温度。E-F为开模阶段，模腔压力从残余压力降为零。,78,螺杆旋转与塑化过程,料筒外部设有圆形加热器，在螺杆推动下，粒料一边前进一边熔融，最后经喷嘴射入模具中，在该过程中粒料中的树脂发生一系列变化。,注塑机料筒和螺杆的形状L1-送料段；L2-压缩段；L3-混炼段；h1/h2-压缩比；D-螺杆直径,79,树脂从送料段(L1)进入压缩段(L2)时，因螺槽体积变小而被压缩并发生脱气；进入计量段(L3，也称混炼段)时，树脂温度己达其熔融温度成为熔融体；由于计量段螺
30、槽深h2更小，树脂将在螺杆旋转中受到较强的剪切力混炼，熔融更加完全，粒料混合更加均匀。为保证制品质量树脂应充分脱气后再熔融，如果树脂进入压缩段就熔融，脱气效果将受到很大的影响。控制熔胶时间比较重要，可影响产品的密度和光洁度。,80,螺杆的三个参数直接影响树脂脱气和熔融的程度，其值越大，树脂的熔融越完全：螺杆的长径比L/D：22-25；螺杆的压缩比h1/h2：13-15；螺杆的压缩部分相对长度L2/L：40%-60%；,注塑机螺杆,81,螺杆旋转塑化螺杆旋转时熔融树脂被输送至螺杆前端，与此同时树脂产生反压力使螺杆后退至设定位置，完成计量过程，然后螺杆在机械力作用下前进，将前端熔融树脂注入到模具中
31、。,82,树脂的流动,在注入模具前，熔融树脂受到急剧压缩；注入模具时，熔融树脂会因突然减压而膨胀，这种急剧膨胀引起熔融树脂本身温度下降，粘度上升。聚甲醛的温度下降可达30；聚碳酸酯的温度下降可达50；熔融树脂进入模具并接触到冷壁后也将产生急剧的温度下降：熔体在模腔壁面附近流动极慢，在模腔中心部分流动轻快，这将造成制品变形和翘曲。注射压力和模具温度的调节十分重要,83,熔融树脂在注射时，经喷嘴进入模具后被赋予形状，并经冷却而成为制品，在冷却中主要发生体积收缩现象。PE冷却时，温度达到结晶开始温度后，其质量体积将急剧地变小，,赋形,不同温度下PE比容变化(到达结晶温度C1、C2、C3时发生剧烈收缩
32、)a-相对密度为0.965的PE；b-相对密度为0.950的PE；c-相对密度为0.918的PE；d-PE收缩时的理论曲线；,84,聚合物在成型中的物理变化,加热阶段-将固态聚合物加热和熔化并为注入模具而使其有适当的粘度。熔点以上，聚合物转变为无序无定形卷团，熔体粘度取决于相对分子量和分子粘性。低相对分子量和高分子柔性的聚合物可在其熔化温度稍高处成形，高相对分子量和低分子柔性的聚合物需在比熔化温度高许多的温度下成形，以产生较好的熔体流动。,85,冷却阶段-除去所有的熔化热并保持晶体刚度的增长，直到可不变形地脱出模具。熔体冷却时倾向于堆砌规则的晶体结构，须找到晶核(熔融聚合物中微小有序区域)，熔
33、体越冷，热振动越小，形成的有序微小晶核越多。结晶的第二阶段是聚合物分子的移动，从熔体中无序的卷团移到正在生长的晶体表面上，将每个原子都配在晶格精确的位置上。,86,成形收缩阶段-从无序的无定形卷团和变为晶格中紧密堆砌的分子链，产生体积显著变化，引起较大的成形收缩。由于有机聚合物的热膨胀系数比金属模具高，因此收缩率是一个必须加以考虑的问题。在形状的精密设计中需要认真考虑结晶工程翅料的成形收缩率。,87,聚合物的障解和交联聚合物在热、力、氧、水和辐射等外界因素的作用下，发生可能是聚合物大分子断链；结构或侧基改变；或是它们间的综合作用。热降解：成型中高温受热时间过长引起的降解反应，其速度随温度升高而
34、提高，首先大分子主链上的某些化学链断裂并生长初始游离基，然后通过产生活性中心、链转移、链减短和链终止等反应，形成不同的降解物。,88,力降解：成型中因粉碎、高速搅拌、挤压、注射等而受到切变和拉伸应力，使分子链发生断裂，并因此引起相对分子量降低的现象称为力降解，它常常伴有热量释放，若不及时泄排则可能引起热降解。实验结果表明：相对分子量大，施加应力增大都会使力降解加剧；成型温度提高，添加增塑剂可减弱力降解。,89,氧化降解-大部分聚合物都能和氧气发生缓慢作用，某些较弱化学键常产生极不稳定的过氧化结构，易分解出游离基，导致解聚反应，且随着热作用迅速加剧，生产中称之为热氧化降解。热氧化降解速度因聚合物
35、的结构不同而不同，还与氧含量、加热温度和时间有关，各因素增强都促使其加快。成型时须严格控制温度和时间，避免过热发生氧化降解。,90,注塑成型工艺参量,注射压力一般分为2阶段，第1阶段是把熔融物料高速注入模具所需压力，即通常所称的注射压力；第2阶段是材料充满模具后所加的压力，称为保压压力。注射压力是注射时在计量段形成的熔体压强，根据具体要求设定，一般为80-120MPa；对熔体粘度高的材料或对尺寸精度要求高的制品，可采用150-200MPa的注射压力。,注射压力,91,注射时，注射压力必须克服从喷嘴流道浇口型腔的压力损失(总压力损失)，才能充满型腔。注射压力过低，模腔压力不足，熔体不能充满模腔；
36、较高注射压力可使制品密度增大、收缩宰减小；过高的注射压力会使制品产生毛边或较大的残余应力，有时还会使制品因脱模困难而影响工效，还会造成压力波动，甚至系统过载。,92,在注射压力作用下，熔体充满模腔之后，制品在模内边冷却边收缩，为补缩需要继续维持熔体流动的注射压力称保压压力。保压压力往往比注射压力低，但保压压力须保持到模腔中的物料完全固化，即各流道中的物料也发生固化时为止。保压压力可防止制品毛边发生和过度充填，而且在保压阶段使熔融物料从喷嘴中流出进行不断补充，补偿制品在冷却中因收缩引起的体积减小，减小制品的收缩率。,93,螺杆背压,在进入下一次注射前，螺杆通过旋转把熔融物料输送到料筒前部加以储备
37、，与此同时，螺杆一边旋转一边受到被输送到料筒前部物料所产生的反压力作用，产生后退。为调整和控制螺杆的后退，在螺杆上施加一定的和熔融物料相反的压力，形成螺杆背压。,94,螺杆背压可提高物料的熔融和混炼效果，同时也可保证熔融物料在螺杆前部完全充满，提高注射计量的准确性。螺杆背压可增加熔体内压力，加强切变效果，形成切变热，使大分子热能增加，提高熔体温度。螺杆背压提高有助于螺槽中物料的密实，驱走物料中的气体；同时使螺杆退回速度减慢，延长物料在螺杆中的热历程，塑化质量也得到改善。,95,过大的螺杆背压会增加计量段螺槽熔体的反流和漏流，降低熔体输送能力，减少塑化量，而且增加功率消耗；过高的螺杆背压还使剪切
38、热过高或切变应力过大，使高分子树脂发生降解，严重影响制品质量。螺杆背压过低，会引起注射量的计量不准。一般螺杆背压可设定在0.5-20MPa左右。,96,锁模力,在注射充模和保压补缩阶段，模腔产生使模具分开的胀模力。为克服这种胀模作用，合模系统必须施予模具闭紧力，称为锁模力。锁模力不足会导致模具离缝，发生溢料，锁模力太大会使模具变形，制品产生内应力和不必要的能量消耗。,注射机中的锁模装置,97,锁模力根据模腔压力Pep和制品投影面积FS来确定，模腔压力可根据注塑制品选择。对成型容易、壁厚均匀的日用品取为25MPa；对一般的民用制品取29.4MPa；工业制品取34.3 MPa；对精度高、形状较复杂
39、的工业制品取39.2 MPa；对模腔流长比小于50的，取20-30 MPa为宜，大于50的取35-40MPa。,98,螺杆转速,螺杆转速是影响塑化能力、塑化质量和成型周期等因素的重要参数。螺杆转速提高，塑化能力增加，流量加大，熔融温度均匀性有所改善。螺杆转速根据聚合物所允许的最大线速度来确定；对热敏性聚合物V=1.8cm/s；对一般性聚合物V=80cm/s，螺杆最高转速应为n=V/(Ds),99,预塑行程,每次注射终止后，螺杆处在料筒的最前位置，当预塑程序到达时，螺杆开始旋转，物料输送到螺杆头部，螺杆在物料的反压力作用下后退直到碰到限位开关为止，这个过程称为预塑过程，螺杆后退的距离称为预塑行程
40、。物料在螺杆头部所占容积是螺杆后退形成的预塑容积，也是注射容积，其计量行程就是注射行程。制品所需注射量是用预塑行程来调整的。,100,注射量大小与计量行程精度有关：计量行程太小，注射量不足；材料会因在料筒中滞留时间过长而产生热分解，计量行程太大，料筒前部每次注射后余料太多，使熔体温度不均或过热分解。一般注射量最好设定在注塑机最大注射量的30-80之间。,101,模具温度,模具温度是和成型作业效率有关的成型条件之一。模温越低，模腔内物料冷却速度越快，可大大缩短制品取出时间，提高成型效率，但模温过低易引起制品外观不良，产生流痕、熔接痕或缩痕等。模温较高使制品表面转印性较好，特别是成型表面有花纹等制
41、品时，应注意适当提高模温。,注射模具,控制模具温度的模温机,102,料筒温度,根据聚合物在料筒内的塑化机理，分三段加热：第一段固体输送段靠近料口处，温度要低些，用冷却水防止物料架桥，保证较高的固体输送效率；第二段压缩段是物料处于压缩态并逐渐地熔融，温度比第一段要高出20-25，第三段计量段是物料完全熔融，在预塑终止后形成计量室储存塑化好的物料，温度比第二段高出20-25以保证物料处于熔融态。,103,第三段熔体的实际温度有时还要高于料筒的温度，这是由于预塑时，熔体吸收一部分切变热使内能增加，温度升高。料筒温度是控制熔体温度和制品质量的主要工艺手段，对塑化量、充模压力、料流长、收缩率、密度、热变
42、形温度、弯曲和拉伸强度，制品定向等有重要影响。,104,喷嘴温度,喷嘴温度对保证注塑工艺同样重要，因为喷嘴有加速熔体和提高温度的作用。喷嘴本身热惯性很小，但却与模具和前模板接触，热交换会很快地带走热量，为防止熔体在喷嘴处凝固，需提高喷嘴加热圈的温度，一般比料筒的第三段温度高出20-30，具体设定由工艺试验确定。,加热圈,注塑机常用射嘴,105,金属粉末注射成型的应用,PIM克服了传统粉末冶金制品密度低、材质不均匀、机械性能低、不易成型薄壁复杂件的缺点，特别适合大批量、小型、复杂以及具有特殊要求的金属零部件；既可制造铁铜基零件，也可制造钨制品、不锈钢及陶瓷零件，具有广阔应用前景。,金属钨制品,陶
43、瓷制品,106,PIM是现今粉末冶金领域中发展最迅速的新工艺之一，也是材料成形加工技术的新工艺。产品应用已经涉及到军工、机械、医疗料械、钟表、汽车、IT电子、通讯、航天航空、体育器材、日常生活用品等多个方面，被誉为“当今最热门的零部件成形技术”、“21世纪的成形技术”。,金属粉末注射成型产品,107,在通讯领域，包括有线、无线及光通讯领域应用PIM产品最多，达到26.9%；其次是机械产品，占16.1%；接下来是办公设备，占到14.2%；汽车领域占据13.1%。,金属粉末注射成型产品的应用领域示意图,108,医疗器械,微创手术用手术刀、剪、取样钳等，以及齿科矫形托槽、颊面管系列零件等，该类零件小
44、巧精致、形状复杂，是典型的PIM产品。颊面管为不锈钢粉末注射而成，重量为0.1-1g，具有槽沟、球头、弯杆、通孔及多个曲面。采用注射成形能提高尺寸精度，生产效率高，质量稳定，密度可达到7.8g/cm3。,取样钳,颊面管,109,军工行业,轻武器中，如枪管套、拉机柄、扳机、枪机框、保险等，此类部件具有槽沟、横沟、斜孔、齿纹或多个曲面，形状复杂，尺寸精度要求高，适合金属粉末注射成形，加工后零件其密度达到7.65 g/cm3，强度可超过1500MPa以上。军工行业中集束弹、动能弹也可采用该工艺制备。,扳机,弹头,集束弹,110,汽车、摩托车行业,在汽车行业中应用有安全气囊撞针、传动器、曲柄、点火控制
45、锁部件、汽车方向系统U形匙、滑轨和滑块为代表，产品最终密度大于7.6 g/cm3，抗拉强度达到500MPa。,汽车点火锁,安全气囊撞针,汽车曲柄,111,IT电子、通讯行业,该行业中主要应用有计算机硬盘驱动器零件、手机外壳、光纤通讯用陶瓷插针体等。手机振子用高比重材料注射成型，零件通孔直径为0.7mm，密度达99.5%以上，远高于压制烧结产品。氧化锆陶瓷插针体零件内部孔径要求1250.5m，如此高的精度要求通过陶瓷注射成型得到1185m粗坯，然后精磨加工得到保证。,手机振子,光纤插针体,112,钟表零件,传统钟表零件采用冲压、精铸、粉末冶金压制/烧结等方法制备。日本从产品性能、工艺成本、表面光
46、洁度、尺寸精度等方面比较各种不同制造方法，发现粉末注射成型最具有综合优势。手表各种零件表壳、表链、平衡摆锤、按钮等均可用注射成型方法生产。,复杂的钟表零件,113,采用注射成型制造手表可轻松实现新型款式设计，制造出整体式、流线型、形状奇特的多种款式。注射成型已成为高档手表换代制备技术，产品烧结密度可达99.5%，满足配合尺寸公差要求，抛光后可达到镜面光度。当今较流行的永不磨损手表，采用硬质合金、陶瓷材质，该类材料的难加工性更需要注射成型技术。,陶瓷机壳手表,硬质合金机壳手表,114,其他行业,体育用品中高尔夫球头和球座；日常生活用品中的锁芯、纸张打孔器；橡胶行业的模芯；高精度小型阀；理发推刀片；泵体及带孔盘等产品都可采用PIM工艺生产。,高尔夫球头,锁芯,理发推刀片,115,谢谢大家！,
