第5章粉末冶金及其成型5.1粉末冶金基礎(chǔ)5.2粉末冶金工藝過程5.3粉末注射成型技術(shù)5.4粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)工藝性

粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料,經(jīng)過成型和燒結(jié),制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。它可制取用普通熔煉方法難以制取的特殊材料,又可制造各種精密的機(jī)械零件,因此在機(jī)器制造業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方,故也叫金屬陶瓷法。

粉末冶金材料工藝與傳統(tǒng)材料工藝相比,具有以下特點(diǎn):

(1)粉末冶金工藝是在低于基體金屬的熔點(diǎn)下進(jìn)行的,因此可以獲得熔點(diǎn)、密度相差懸殊的多種金屬、金屬與陶瓷、金屬與塑料等多相不均質(zhì)的特殊功能復(fù)合材料和制品。

(2)提高材料性能。用特殊方法制取的細(xì)小金屬或合金粉末,凝固速度極快,晶粒細(xì)小均勻,保證了材料的組織均勻、性能穩(wěn)定,以及良好的冷、熱加工性能,且粉末顆粒中合金元素及其含量不受限制,可提高強(qiáng)化相程度,從而發(fā)展新的材料體系。

(3)利用各種成型工藝,可以將粉末原料直接成型為毛坯或零件,是一種少切削、無切削生產(chǎn)零件的工藝,大大減少了機(jī)械加工量,提高了材料利用率。

5.1粉末冶金基礎(chǔ)

5.1.1金屬粉末的性能1.化學(xué)成分金屬粉末的化學(xué)成分一般是指主要金屬或組分、雜質(zhì)以及氣體含量。其中金屬通常占98%~99%以上。金屬粉末中的雜質(zhì)主要為氧化物,氧化物的存在使金屬粉末的壓縮性變壞,使壓模的磨損增大。

金屬粉末中的主要?dú)怏w雜質(zhì)是氧、氫、一氧化碳及氮,這些氣體雜質(zhì)使金屬粉末脆性增大,壓制性能變壞,特別是使一些難熔金屬與化合物(如鈦、鉻、碳化物、硼化物、硅化

物)的塑性變壞。

2.物理性能

粉末的物理性能主要包括顆粒形狀、顆粒大小和粒度分布,此外還有顆粒的比表面積、顆粒的密度、顯微硬度等。

金屬粉末的顆粒形狀即粉末顆粒的外觀幾何形狀,通常有球狀、樹枝狀、針狀、海綿狀、粒狀、片狀、角狀和不規(guī)則狀,它主要由粉末的生產(chǎn)方法決定,同時(shí)也與制造過程的工藝參數(shù)以及物質(zhì)的分子和原子排列的結(jié)晶幾何學(xué)因素有關(guān)。粉末的顆粒形狀直接影響粉末的流動(dòng)性、松裝密度、氣體透過性,對(duì)壓制(縮)性和燒結(jié)體強(qiáng)度均有顯著影響。

粒度分布是指大小不同的顆粒級(jí)的相對(duì)含量,也稱作粒度組成,它對(duì)金屬粉末的壓制和燒結(jié)都有很大影響。

比表面積即單位質(zhì)量粉末的總表面積,可通過實(shí)際測定。比表面積大小影響著粉末的表面能、表面吸附及凝聚等表面特性,與粒度有一定的關(guān)系,粒度越細(xì),比表面積越大,但比表面積也受其他因素的影響。

3.工藝性能

粉末的工藝性能包括松裝密度、流動(dòng)性、壓縮性與成型性。工藝性能也主要取決于粉末的生產(chǎn)方法和粉末的處理工藝(球磨、退火、加潤滑劑、制粒等)。

松裝密度亦稱松裝比,是金屬粉末的一項(xiàng)主要特性,指金屬粉末在規(guī)定條件下,自由充填標(biāo)準(zhǔn)容器所測得的單位體積松裝粉末的質(zhì)量,與材料密度、顆粒大小、顆粒形狀和粒度分布有關(guān)。

粉末流動(dòng)性是50g粉末從標(biāo)準(zhǔn)的流速漏斗(又稱流速計(jì))流出所需的時(shí)間,單位為s/50g。時(shí)間愈短,流動(dòng)性愈好。

壓縮性是指金屬粉末在壓制過程中的壓縮能力。它取決于粉末的硬度、塑性變形能力與加工硬化性,并在相當(dāng)大的程度上與顆粒的大小及形狀有關(guān)。壓縮性一般用一定壓力下

壓制時(shí)獲得的壓坯密度來表示。經(jīng)退火后的粉末壓縮性較好。

成型性是指粉末壓制后,壓坯保持既定形狀的能力,用粉末得以成型的最小單位壓制力表示,或者用壓坯的強(qiáng)度來衡量。為保證壓坯品質(zhì),使其具有一定的強(qiáng)度,且便于生產(chǎn)過程中的運(yùn)輸,粉末需有良好的成型性。

5.1.2金屬粉末的制備方法

1.機(jī)械方法

機(jī)械方法制取粉末是將原材料機(jī)械地粉碎,常用的有機(jī)械粉碎法和霧化法兩種。

機(jī)械粉碎法是靠壓碎、擊碎和磨削等作用,將塊狀金屬、合金或化合物機(jī)械地粉碎成粉末,包括機(jī)械研磨、渦旋研磨和冷氣流粉碎等方法。

霧化法是目前廣泛使用的一種制取粉末的機(jī)械方法,易于制造高純度的金屬和合金粉末。

2.物理方法

常用的物理方法為蒸氣冷凝法,即將金屬蒸氣經(jīng)冷凝后形成金屬粉末,主要用于制取具有大的蒸氣壓的金屬粉末。

3.化學(xué)方法

常用的化學(xué)方法有還原法、電解法等。

還原法是使用還原劑從固態(tài)金屬氧化物或金屬化合物中還原制取金屬或合金粉末。它是最常用的金屬粉末生產(chǎn)方法之一,方法簡單,生產(chǎn)費(fèi)用較低。

電解法是從水溶液或熔鹽中電解沉積金屬粉末的方法,生產(chǎn)成本較高,電解粉末純度高,顆粒呈樹枝狀或針狀,其壓制性和燒結(jié)性很好,因此,在有特殊性能(高純度、高密度、高壓縮性)要求時(shí)使用。

5.1.3金屬粉末的預(yù)處理

為了具有一定粒度又具有一定物理、化學(xué)性能,金屬粉末在成型前要經(jīng)過一些預(yù)處理。預(yù)處理包括粉末退火、篩分、制粒、加入潤滑劑等。

退火的目的是使氧化物還原,降低碳和其他雜質(zhì)的含量,提高粉末的純度,同時(shí),還能消除粉末的加工硬化,穩(wěn)定粉末的晶體結(jié)構(gòu)等。用還原法、機(jī)械研磨法、電解法、霧化法

以及羰基離解法所制得的粉末都要經(jīng)退火處理。

篩分的目的是使粉末中的各組元均勻化。篩分是一種常用的測定粉末粒度的方法,適于40μm以上的中等和粗粉末的分級(jí)和粒度測定。

制粒是將小顆粒的粉末制成大顆?；驁F(tuán)粒的工序,常用來改善粉末的流動(dòng)性。

粉末冶金零件在壓制和脫模過程中,粉末和模具之間摩擦力很大,必須在粉末中加入潤滑劑。

5.1.4粉末冶金材料的應(yīng)用及發(fā)展

粉末冶金在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上具有一定的優(yōu)越性,粉末冶金材料及制品在不同行業(yè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用,見表5-1。

5.2粉末冶金工藝過程

粉末冶金的工藝流程如圖5-1所示,主要包括粉末混合、壓制成型、燒結(jié)和后處理。

圖5-1粉末冶金的工藝流程

5.2.1粉末混合

粉末混合是將金屬或合金粉末與潤滑劑、增塑劑等混合,以獲得各種組分均勻分布的粉末混合物。混合一般是指將兩種以上不同成分的粉末混合均勻的過程。有時(shí)候,為了需要也將成分相同而粒度不同的粉末進(jìn)行混合,這種過程稱為和批?；旌隙傻姆勰┓Q為混合粉。

混合常用的方法有兩種,即機(jī)械法和化學(xué)法。其中用得最廣泛的是機(jī)械法,即用各種混合機(jī)(如球磨機(jī)、V形混合機(jī)、錐形混合器等)將粉末機(jī)械地?fù)胶途鶆蚨话l(fā)生化學(xué)反應(yīng)。機(jī)械法混合又可分為干混和濕混,干混在鐵基制品生產(chǎn)和鎢粉、碳化鎢粉末生產(chǎn)中廣泛采用;濕混在制備硬質(zhì)合金混合料時(shí)經(jīng)常采用,濕混時(shí)使用的液體介質(zhì)常為酒精、汽油、丙酮、水等。化學(xué)法混合是將金屬或化合物粉末與添加金屬的鹽溶液混合,或者是將各組元全部以某種鹽的溶液形式混合,然后經(jīng)沉淀、干燥、還原等處理而得到均勻分布的混合物。

5.2.2金屬粉末壓制成型

1.封閉鋼模壓制成型方法

粉末冶金的壓制成型方法很多,主要有封閉鋼模壓制、流體等靜壓制、粉末鍛造、三軸向壓制成型、高能成型、震動(dòng)壓制、擠壓、連續(xù)成型等。其中封閉鋼模壓制(冷壓)成型在粉末冶金成型生產(chǎn)中占有重要地位,它是指在常溫下于封閉鋼模中用規(guī)定的比壓將粉末成型為壓坯的方法。封閉鋼模壓制成型過程由稱粉、裝粉、壓制、保壓及脫模組成。

裝粉通常采用定量裝粉方法,可分為質(zhì)量法和容積法兩種。通過稱取一個(gè)壓坯所需粉料質(zhì)量來定量的方法稱為質(zhì)量法;通過量取一個(gè)壓坯所需粉料容積來定量的方法稱為容積

法。通常小批量生產(chǎn)多采用質(zhì)量法,大批量生產(chǎn)一般采用容積法。

壓制示意圖如圖5-2。圖5-2壓制示意圖

常用的壓制方法有四種,如圖5-3所示。圖5-3壓制方法

1)單向壓制

單向壓制是陰模與下模沖不動(dòng),僅在上模沖上施加壓力,如圖5-3(a)所示。這種方式適用于壓制無臺(tái)階類厚度較薄的零件。壓制過程中,單向壓模相對(duì)于陰模運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)模沖,即上模沖或是下模沖,這種壓模適用于生產(chǎn)高徑比H/D<1、形狀簡單的零件。圖5-4是有孔類壓坯的單向手動(dòng)壓模,壓模結(jié)構(gòu)由陰模、上模沖、下模沖和芯桿組成。

圖5-4有孔類壓坯的單向手動(dòng)壓模

2)雙向壓制

雙向壓制是陰模固定不動(dòng),上、下模沖從兩面同時(shí)加壓,特點(diǎn)是上、下模沖相對(duì)陰模都移動(dòng),模腔內(nèi)粉末體受到兩個(gè)方向壓縮,如圖5-3(b)所示。這種方式適用于壓制無臺(tái)階的厚度較大的零件。

3)浮動(dòng)模壓制

浮動(dòng)模壓制時(shí),陰模由彈簧支撐著,在壓制過程中,下模沖固定不動(dòng),一開始在上模沖上加壓,隨著粉末被壓縮,陰模壁與粉末間的摩擦逐漸增大,當(dāng)摩擦力大于彈簧的支撐力時(shí),陰模即與上模沖一起下降(相當(dāng)于下模沖上升),實(shí)現(xiàn)雙向壓制,如圖5-3(c)所示。圖5-5為套類壓坯浮動(dòng)式雙向手動(dòng)壓模,壓制是調(diào)節(jié)彈簧可調(diào)節(jié)陰模和芯桿的浮動(dòng)量,陰模的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)與上模沖一起向下作不等距離移動(dòng),實(shí)現(xiàn)了上、下模沖的雙向壓制,又與芯桿的浮動(dòng)一起改善了壓坯密度的均勻性。

圖5-5-套類壓坯浮動(dòng)式雙向手動(dòng)壓模

4)引下法

如圖5-3(d)所示,一開始上模沖壓下既定距離,然后和陰模一起下降,陰模的下降速度可以調(diào)整。若陰模的下降速度與上模沖相同,稱之為非同時(shí)壓制;當(dāng)陰模的下降速度小于上模沖時(shí),稱之為同時(shí)壓制。壓制終了時(shí),上模沖回升,陰模被進(jìn)一步引下,位于下模沖上的壓坯,即呈靜止?fàn)顟B(tài)脫出。零件形狀復(fù)雜時(shí),宜采用這種壓制方式。

脫模是指壓坯從模具型腔中脫出,壓坯脫出后,會(huì)產(chǎn)生彈性恢復(fù)而脹大,此現(xiàn)象為回彈或彈性后效。脫模方式主要有兩種,即拉下式和頂出式脫模。拉下式脫模是指下模沖不動(dòng),陰模通過成型設(shè)備的下壓頭向下拉,將壓坯脫出模腔的方法。頂出式脫模是指陰模不動(dòng),下模沖通過成型設(shè)備下壓頭向上頂,將壓坯脫出模腔的方法。

2.壓坯密度

在壓制成型過程中,將發(fā)生粉末顆粒與顆粒之間、粉末顆粒與模壁之間的摩擦、壓力的傳遞以及壓坯密度和強(qiáng)度的變化等復(fù)雜現(xiàn)象。得到一定的壓坯密度是壓制過程的主要目

的。壓坯密度表示壓制使粉末密實(shí)的有效程度,是在粉末冶金制品的生產(chǎn)中需要控制的最重要的性能之一,可以決定以后燒結(jié)時(shí)材料的形狀。實(shí)踐表明,壓坯密度分布不均勻是壓

制過程的主要特征。

1)壓坯密度分布

在單向壓制時(shí),壓坯沿其高度方向上的密度分布是不均勻的。對(duì)于圓柱形壓模,在任何垂直面上,上層密度比下層密度大。在水平面上,接近上模沖斷面的密度分布為兩側(cè)大中間小,而遠(yuǎn)離上模沖斷面的密度分布則為兩側(cè)小中間大。

2)影響壓坯密度分布的因素

在壓制過程中,除通過上模沖施加的壓制壓力外,還有側(cè)壓力、摩擦力、內(nèi)應(yīng)力等,各力對(duì)壓坯分別產(chǎn)生不同的作用。

一般來講,壓制壓力主要為兩部分,一部分用于使粉末顆粒產(chǎn)生位移、變形,以及克服粉末顆粒之間的摩擦力,使粉末壓緊,稱為凈壓力;另一部分用于克服粉末顆粒與模壁之間的摩擦力,稱為壓力損失。壓制總壓力為凈壓力與壓力損失之和。壓力損失是模壓中造成壓坯密度分布不均勻的主要原因。

3)壓坯密度與影響因素的關(guān)系

壓坯密度與幾個(gè)重要變量的關(guān)系如圖5-6所示。由圖可知:

(1)壓坯密度隨壓制壓力增高而增大,這是因?yàn)閴褐茐毫Υ偈诡w粒移動(dòng)、變形及斷裂。

(2)壓坯密度隨粉末的粒度或松裝密度增大而增大。

(3)粉末顆粒的硬度和強(qiáng)度降低時(shí),有利于顆粒變形,從而促進(jìn)壓坯密度增大。

(4)降低壓制速度時(shí),有利于粉末顆粒移動(dòng),從而促進(jìn)壓坯密度增大。

圖5-6壓坯密度與影響因素的關(guān)系曲線

3.脫模力

脫模力是指使壓坯從壓模中脫出所需的壓力。在壓制過程中,粉末由于受力而發(fā)生彈性變形和塑性變形,壓坯內(nèi)存在著很大的內(nèi)應(yīng)力,壓力消除后,壓坯仍緊緊箍在壓模內(nèi),要將壓坯從陰模中脫出,必須要有一定的脫模力。脫模力與壓制壓力、粉末性能、壓坯密度和尺寸、壓模及潤滑條件等因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)得到,鐵粉壓坯的脫模力約為壓制壓力的13%左右;而硬質(zhì)合金壓坯的脫模力約為壓制壓力的30%左右。

壓坯從壓模中脫出后,尺寸會(huì)脹大,一般稱之為彈性后效或回彈。

5.2.3燒結(jié)

燒結(jié)是一種高溫?zé)崽幚?將壓坯或松裝粉末體置于適當(dāng)?shù)臍夥罩?在低于其主要成熔點(diǎn)的溫度下保溫一定時(shí)間,以獲得具有所需密度、強(qiáng)度和各種物理及力學(xué)性能的材料或制品的工序。它是粉末冶金生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的、基本的工序之一,目的是使粉末顆粒間產(chǎn)生冶金結(jié)合,即使粉末顆粒之間由機(jī)械嚙合轉(zhuǎn)變成原子之間的晶界結(jié)合。用粉末燒結(jié)的方法可以制得各種純金屬、合金、化合物以及復(fù)合材料。

1.燒結(jié)基本原理

燒結(jié)過程與燒結(jié)爐、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)條件的選擇和控制等方面有關(guān),因此,燒結(jié)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,示意圖如圖5-7所示。圖5-7燒結(jié)過程示意圖

2.燒結(jié)工藝

粉末冶金零件燒結(jié)工藝根據(jù)零件的材料、密度、性能等要求,確定工藝條件及各項(xiàng)參數(shù)。燒結(jié)工藝參數(shù)包括兩個(gè)方面,一為燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、加熱和冷卻速度;二為合適的

燒結(jié)氣氛及控制氣氛中各成分的比例。

粉末冶金零件壓坯完成一次燒結(jié)需要不同的溫度和時(shí)間。通常燒結(jié)分三個(gè)階段,分別是預(yù)燒、燒結(jié)和冷卻。

3.燒結(jié)氣氛的控制

為了避免粉末冶金零件壓坯在燒結(jié)過程中的氧化、脫碳、滲碳等現(xiàn)象,燒結(jié)爐內(nèi)需要通入可控的保護(hù)氣氛。鐵基粉末冶金零件燒結(jié)時(shí),由于不同階段的燒結(jié)對(duì)氣氛的要求不同,因此,現(xiàn)代燒結(jié)爐的保護(hù)氣氛是分段輸入的。

常用粉末冶金制品的燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛見表5-2。

5.2.4后處理

很多粉末冶金制品在燒結(jié)后可以直接使用,但有些制品還需要必要的后處理。后處理的方法按其目的的不同,分為以下幾種:

(1)為提高制品的物理性能及力學(xué)性能,后處理方法有復(fù)壓、燒結(jié)、浸油、熱鍛與熱復(fù)壓、熱處理及化學(xué)熱處理。

(2)為改善制品表面的耐腐蝕性,后處理方法有水蒸氣處理、磷化處理、電鍍等。

(3)為提高制品的形狀與尺寸精度,后處理方法有精整、機(jī)械加工等。

5.2.5-硬質(zhì)合金粉末冶金成型

硬質(zhì)合金由硬質(zhì)基體和黏結(jié)金屬兩部分組成。

硬質(zhì)合金的品種很多,其制造工藝也有所不同,但基本工序大同小異,硬質(zhì)合金的生產(chǎn)工藝流程如圖5-8所示。

圖5-8硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝流程

5.3粉末注射成型技術(shù)

5.3.1粉末注射成型技術(shù)的特點(diǎn)

粉末注射成型技術(shù)是傳統(tǒng)粉末冶金、現(xiàn)代塑料注射成型工藝與陶瓷燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合而形成的一種新型成型技術(shù),工藝流程如圖5-9所示。

圖5-9粉末注射成型技術(shù)工藝流程圖

5.3.2粉末注射成型件的工藝性

1.工藝過程

金屬粉末注射成型基本工藝包括混煉、注射、脫脂、燒結(jié)、二次加工等環(huán)節(jié)。首先是選取符合粉末注射成型工藝要求的金屬粉末和黏結(jié)劑,然后在一定的溫度下采用恰當(dāng)?shù)姆椒▽⒎勰┖宛そY(jié)劑混合成均勻的具有黏塑性的流體,經(jīng)制粒后在注射成型機(jī)上注射成型,獲得的生坯經(jīng)脫脂處理后燒結(jié)致密化而得到各種復(fù)雜形狀的零部件。

粉末注射成型的設(shè)備,包括混料機(jī)、混煉制粒機(jī)、注射成型機(jī)、真空燒結(jié)爐等,采用常規(guī)的粉末注射成型工藝生產(chǎn)。

2.粉末

粉末的種類、特點(diǎn)和選用,對(duì)粉末注射成型制品的性能及其應(yīng)用范圍的拓展起著十分重要的作用。粉末注射成型要求粉末粒度為微米級(jí)以下,以保證均勻的分散度、良好的流

變性能和較大的燒結(jié)速率,粉末形狀近球形。此外對(duì)粉末的松裝密度、振實(shí)密度、粉末長徑比、自然坡度角、粒度分布也有一定的要求。目前生產(chǎn)粉末注射成型用粉末的主要方法

有羰基法、氣體霧化法、水霧化法、等離子體霧化法、層流霧化法和粉體包覆法等。

3.黏結(jié)劑和混煉

在粉末注射成型中,黏結(jié)劑直接影響著混合、注射成型、脫脂等工序,并對(duì)注射成型坯的質(zhì)量、脫脂及尺寸精度、合金成分等有很大的影響。黏結(jié)劑是粉末注射成型技術(shù)的靈魂,它的加入和脫除是粉末注射成型的關(guān)鍵技術(shù)。粉末注射成型所使用的黏結(jié)劑包括熱塑性體系、熱固性體系、水溶性體系、凝膠體系及特殊體系。其中熱塑性黏結(jié)劑體系是粉末注射成型中主要使用的黏結(jié)劑。

4.注射成型

注射成型的目的是獲得所需形狀的無缺陷成型坯,其關(guān)鍵問題是有關(guān)成型的各項(xiàng)設(shè)計(jì),其中包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)。利用塑料模具的原理將粉末注射成型的模具逐漸標(biāo)準(zhǔn)化,模具設(shè)計(jì)和制作的時(shí)間將減少,也可盡量多地使用多模腔模具以提高注射效率。

5.脫脂和燒結(jié)

粉末注射成型工藝中黏結(jié)劑的脫脂技術(shù)是最重要的環(huán)節(jié),也是粉末注射成型技術(shù)中最難實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)。一般黏結(jié)劑占成型坯體積的40%以上,在脫脂過程中成型坯極易出現(xiàn)宏觀和微觀缺陷,脫脂工藝對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量極為重要。脫脂的基本方法有熱脫脂、溶劑脫脂、催化脫脂、虹吸脫脂及超臨界流體萃取脫脂等,根據(jù)黏結(jié)劑組成和粉料的化學(xué)性質(zhì)選用不

同的脫脂方法。熱脫脂方法工藝簡單,成本低,投資少,無環(huán)境污染,但脫脂速度慢,易產(chǎn)生缺陷,只適合于小件。

溶劑脫脂方法脫脂速度增加,脫脂時(shí)間縮短,但工藝復(fù)雜,對(duì)環(huán)境和人體有害,會(huì)產(chǎn)生變形。催化脫脂方法需要專門設(shè)備,分解氣體有毒且存在酸處理問題,但由于脫脂速度快,無變形,可生產(chǎn)較厚的零件。虹吸脫脂方法脫脂時(shí)間短,但有變形和虹吸粉污染。超臨界流體萃取脫脂工藝是利用超臨界流體兼有流體和氣體的優(yōu)點(diǎn),并具有極高的溶解能力,可以深入到提取材料的基質(zhì)中進(jìn)行萃取,這種工藝克服了溶劑脫脂帶來的環(huán)保問題。

燒結(jié)是粉末注射成型工藝中的最后一道工序,可使產(chǎn)品致密和化學(xué)性質(zhì)均勻,提高其機(jī)械、物理性能。粉末注射成型的燒結(jié)方法、原理與傳統(tǒng)粉末冶金的一樣,但由于金屬粉

末注射成型中采用了大量的黏結(jié)劑,燒結(jié)時(shí)收縮非常大,線收縮率一般達(dá)到12%~18%,而且粉末注射成型產(chǎn)品大多數(shù)是形狀復(fù)雜的異形件,因此防止變形和保證尺寸成為主要的問題。尺寸精度的高低與原料、混煉、注射、脫脂、燒結(jié)等都有密切的關(guān)系,燒結(jié)條件(如溫度、氣氛、升溫速度等)將影響產(chǎn)品精度。

5.4粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)工藝性

5.4.1粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)工藝性特點(diǎn)粉末冶金制品的結(jié)構(gòu)工藝性有其自己的特點(diǎn)。

1.避免模具出現(xiàn)脆弱的尖角因?yàn)閴褐颇＞吖ぷ鲿r(shí)要承受較高的壓力,它的各個(gè)零件都具有很高的硬度,若壓坯形狀不合理,則極易折斷。所以,應(yīng)避免在壓模結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)脆弱的尖角(見表5-3),延長模具的使用壽命。

2.避免模具和壓坯出現(xiàn)局部薄壁

壓制時(shí),粉末基本不發(fā)生橫向流動(dòng)。為了保證壓坯厚度、密度均勻,粉末應(yīng)均勻填充型腔的各個(gè)部位,避免模具和壓坯局部出現(xiàn)薄壁(壁厚應(yīng)不小于1.5mm),避免發(fā)生密度不均勻、掉角、變形和開裂的現(xiàn)象,見表5-4。

3.錐面和斜面需有一小段平直帶

為避免損壞模具,并避免在沖模和凹?；蛐緱U之間陷入粉末,改進(jìn)后的壓坯形狀在錐面或斜面上加平臺(tái),增加一小段平直帶,見表5-5。

4.需要有脫模錐角或圓角

為方便脫模,應(yīng)使與壓制方向一致的內(nèi)孔、外凸臺(tái)等有一定斜度或圓角,見表5-6。

5.適應(yīng)壓制方向的需要

制品中的徑向孔、徑向槽、螺紋和倒圓錐等,一般很難壓制成型,需要在燒結(jié)后切削加工,因此,壓坯的形狀設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)壓制方向的需要,見表5-7。

6.壓制工藝

壓制工藝對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求,見表5-8。

5.4.2粉末冶金成型件的缺陷分析

如果粉末冶金制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,或成型工藝不當(dāng)?shù)?成型件將產(chǎn)生各種缺陷,見表5-9。

第6章高分子材料及其成型6.1工程塑料簡介6.2工程塑料成型工藝6.3塑料制品的結(jié)構(gòu)工藝性

6.1工程塑料簡介

6.1.1高分子化合物

1.高分子化合物的基本概念高分子化合物(簡稱高分子,又稱高聚物或聚合物)是由一種或多種簡單低分子化合物聚合而成的分子量特別大的有機(jī)化合物的總稱。高分子化合物分為天然化合物和人工合成化合物(合成材料)兩種。天然化合物包括天然橡膠、松香、纖維素、蛋白質(zhì)等;人工合成化合物包括塑料、合成橡膠、合成纖維等。

雖然高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量很大,但其化學(xué)組成一般卻比較簡單,它們的分子往往都是由特定的結(jié)構(gòu)單元通過共價(jià)鍵多次重復(fù)結(jié)合形成高分子鏈。例如聚氯乙烯的分子

是由許多聚乙烯結(jié)合而成的,即

像聚乙烯這樣能聚合成高分子化合物的低分子化合物,稱為單體,組成高分子鏈的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元

稱為鏈節(jié),n為高分子鏈所含鏈節(jié)的數(shù)目,稱為聚合度。

因此,高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量=聚合度×鏈節(jié)數(shù)量。

表6-1列舉了幾種常見高分子化合物的單體和鏈節(jié)。

2.高分子化合物的結(jié)構(gòu)

高分子化合物的結(jié)構(gòu)可分為兩種基本類型,即均聚物和共聚物。均聚物只含有一種單體鏈節(jié),若干個(gè)鏈節(jié)用共價(jià)鍵按一定方式重復(fù)連接起來形成均聚物;共聚物是由兩種以上

不同的單體鏈節(jié)聚合而成的高聚物。

均聚物的結(jié)構(gòu)有四種形式:線型(伸直)、線型(蜷曲)、支鏈型和網(wǎng)型,如圖6-1所示。圖6-1均聚物結(jié)構(gòu)示意圖

線型均聚物的特點(diǎn)是可溶、可熔,即它可以溶解于一些有機(jī)溶劑,加熱可以熔化。基于這一特點(diǎn),線型均聚物易于加工,可反復(fù)使用,如聚氯乙烯、聚苯乙烯等。

支鏈型均聚物的性能與線型基本相同。

網(wǎng)型均聚物是在兩根長鏈之間由若干個(gè)支鏈把它們交聯(lián)起來,構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)似的形狀。如果這種網(wǎng)狀的支鏈向空間發(fā)展的話,便得到體型高聚物結(jié)構(gòu)。這種高聚物的特點(diǎn)是在任何情況下都不熔化,也不溶解。成型加工只能在形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之前進(jìn)行,一經(jīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),就不能再改變其形狀。這種高聚物具有形狀穩(wěn)定、耐熱和耐溶劑作用的優(yōu)點(diǎn),如熱固性塑料酚醛、脲醛等。

共聚物的高分子排列形式可分為無規(guī)則型、交替型、嵌段型和接枝型,如圖6-2所示(圖中將兩種不同結(jié)構(gòu)的單體分別以有斜線和空白的圓圈表示)。共聚物能把兩種或多種不同特性的單體綜合到一種聚合物中來,使共聚物在實(shí)際應(yīng)用上具有十分重要的意義。人們常把共聚物稱為非金屬的合金,例如汽車用的有機(jī)玻璃——聚甲苯丙烯酸甲酯,使用溫度為100℃左右,同10%~15%的甲基丙酸共聚后,使用溫度可提高到160℃。又如ABS塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚物,它具有強(qiáng)度高、耐熱、耐沖擊、耐油、耐腐蝕及易加工的綜合性能。

圖6-2共聚物結(jié)構(gòu)示意圖

3.高分子化合物的聚集態(tài)

高分子化合物的性能不僅與高分子的相對(duì)分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)有關(guān),也和分子鏈在空間的堆砌狀態(tài)即聚集態(tài)有關(guān)。高分子化合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指高分子材料本身內(nèi)部高分子

鏈之間的幾何排列和堆砌結(jié)構(gòu),也稱為超分子結(jié)構(gòu)。按照大分子排列是否有序,高分子化合物的聚集態(tài)分為結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)兩類。結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列規(guī)則有序,非結(jié)晶態(tài)聚

合物分子排列雜亂不規(guī)則。

4.高分子化合物的力學(xué)性能

1)線型非結(jié)晶態(tài)高分子化合物的力學(xué)性能

線型非結(jié)晶態(tài)高分子化合物沒有一定的熔點(diǎn),隨溫度的變化,會(huì)呈現(xiàn)出三種物理形態(tài):玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài),其中,Tx為脆化溫度,Td

為分解溫度,如圖6-3所示。

圖6-3線性非結(jié)晶態(tài)高分子化合物的溫度形變關(guān)系曲線

(1)玻璃態(tài)。當(dāng)溫度較低時(shí),由于分子熱運(yùn)動(dòng)的能量很低,尚不足以使分子鏈節(jié)或整個(gè)分子鏈產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),此時(shí)高聚物呈現(xiàn)如玻璃體狀的固態(tài),稱為玻璃態(tài)。

(2)高彈態(tài)。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí),鏈節(jié)可以較自由地旋轉(zhuǎn),但高聚物的整個(gè)分子鏈還是不能移動(dòng)。此時(shí)在不大的外力作用下,可產(chǎn)生相當(dāng)大的可逆性形變,當(dāng)外力除去后,通過鏈節(jié)的旋轉(zhuǎn)又恢復(fù)原狀。這種受力能產(chǎn)生很大的形變,除去外力后能恢復(fù)原狀的性能稱為高彈性。這種高聚物的形態(tài)稱為高彈態(tài)。

(3)黏流態(tài)。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí),高聚物得到的能量足夠使整個(gè)分子鏈都可以自由運(yùn)動(dòng),從而成為能流動(dòng)的黏液,其黏度比液態(tài)低分子化合物的黏度要大得多,因而稱為黏流態(tài)。

由高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度Tg稱為玻璃化溫度,它是高分子材料的最高使用溫度,它的高低不僅可確定該高聚物是適合做橡膠還是適合做塑料,而且能顯示材料的耐熱、耐寒性能。

由高彈態(tài)向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度Tf

稱為黏流化溫度,它決定了高分子材料加工成型的難易程度,通常成型溫度選擇在黏流化溫度以上。表6-2列舉了幾種非晶態(tài)高分子化合物的Tg和Tf值。

2)線型結(jié)晶態(tài)高分子化合物的力學(xué)性能

如圖6-4是線型結(jié)晶態(tài)高分子化合物的溫度形變關(guān)系曲線。圖6-4線型結(jié)晶態(tài)高分子化合物的溫度形變關(guān)系曲線

3)體型高分子化合物的力學(xué)性能

由于體型高分子化合物的大分子鏈交聯(lián)束縛著,大分子鏈不能產(chǎn)生相互滑動(dòng),因此沒有黏流態(tài),只有玻璃態(tài)和高彈態(tài)。體型高分子化合物受熱后仍保持堅(jiān)硬狀態(tài),當(dāng)加熱到很高溫度時(shí)才發(fā)生分解而導(dǎo)致高分子化合物的破壞。這種高分子化合物呈現(xiàn)不溶不熔的特性,機(jī)械強(qiáng)度較線型高分子化合物高,且耐熱性很好。工業(yè)上常用作結(jié)構(gòu)材料使用,如酚醛塑料。

5.高分子化合物的主要特點(diǎn)

相對(duì)分子質(zhì)量大是高分子化合物的基本特性之一,也是同低分子化合物的根本區(qū)別。正是由于高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量大,因而高分子化合物表現(xiàn)出某些特殊性能,如較好的強(qiáng)度和彈性、密度小、比重輕、耐腐蝕、絕緣性好、易于加工成型等特性,但也存在不耐高溫、易燃燒和易老化等弱點(diǎn)。

1)彈性和塑性

從表6-2可以看出,高分子化合物的玻璃化溫度Tg低于室溫而黏流化溫度Tf高于室溫時(shí),它處于高彈態(tài),用作材料時(shí)可以有彈性;當(dāng)Tg高于室溫時(shí),高分子化合物處于玻璃態(tài),用作材料時(shí)可做塑料。

2)機(jī)械性能

高分子化合物的機(jī)械性能指標(biāo)主要有機(jī)械強(qiáng)度、剛性以及沖擊強(qiáng)度等。高分子化合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量的增大,有利于增加分子鏈間的作用力,可使拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度等

有所提高。

3)電絕緣性和抗靜電性

組成高分子化合物的化學(xué)鍵絕大多數(shù)是共價(jià)鍵,高分子一般不存在自由電子和離子,因此高分子材料通常是很好的絕緣體,可用作絕緣材料。

兩種電性不同的物體相互接觸或摩擦?xí)r,會(huì)產(chǎn)生靜電現(xiàn)象。高分子材料一般是不導(dǎo)電的絕緣體,電荷不易漏導(dǎo),靜電現(xiàn)象極普遍,可被應(yīng)用于靜電印刷、油漆噴涂和靜電分離等。當(dāng)靜電妨礙了人們的生產(chǎn)和生活時(shí),常用抗靜電劑來消除靜電。

6.1.2工程塑料的組成

塑料是以合成樹脂為主要成分的有機(jī)高分子材料。一般塑料可分為簡單組分和多組分兩類。簡單組分的塑料由一種樹脂組成,如聚四氟乙烯等;也可加入少量著色劑、潤滑劑等,如聚苯乙烯、有機(jī)玻璃等。多組分的塑料由多種組分組成,除樹脂外,還要加入其他添加劑,如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。

1.工程塑料的定義

(1)廣義:凡可作為工程材料即結(jié)構(gòu)材料的塑料,稱為工程塑料。

(2)狹義:具有某些金屬性能,能承受一定的外力作用,并有良好的機(jī)械性能、電性能和尺寸穩(wěn)定性,在高、低溫下仍能保持其優(yōu)良性能的塑料,稱為工程塑料。

2.工程塑料的組成及主要作用

1)合成樹脂

合成樹脂即人工合成線型高聚物,是塑料的主要成分(約40%~100%),主要起黏結(jié)作用,能將其他組分膠結(jié)在一起組成一個(gè)整體,使塑料具有成型性能。合成樹脂對(duì)塑料的類型、性能和應(yīng)用起決定作用。

2)添加劑

添加劑是為了改善塑料的使用性能或成型工藝性能而加入的其他輔助成分,各種添加劑使塑料的應(yīng)用更廣泛。

(1)填充劑(填料)。填充劑主要起增強(qiáng)作用,可以提高塑料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能,降低成本。

(2)增塑劑。增塑劑用于提高塑料的可塑性和柔軟性,主要是液態(tài)或低熔點(diǎn)的固體有機(jī)化合物,如甲酸酯類、磷酸酯類、氧化石蠟等。

(3)固化劑。固化劑的作用是與樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在聚合物中生成橫跨鏈,形成不溶的三維交叉聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu),使樹脂在成型時(shí),由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu),形成堅(jiān)硬的塑料。

(4)穩(wěn)定劑。穩(wěn)定劑是為了防止塑料制品老化,提高樹脂在受熱、光、氧化等作用時(shí)的穩(wěn)定性,延長其壽命而加入的少量物質(zhì)。

(5)著色劑。著色劑使塑料制品具有各種美麗的色澤以滿足使用要求。

(6)潤滑劑。潤滑劑是使塑料在加工成型時(shí)易于脫模和表面光亮美觀而加入的少量物

(7)抗靜電劑。塑料在加工和使用過程中由于摩擦而容易帶靜電,尤其在高速加工時(shí),這種靜電嚴(yán)重時(shí)會(huì)妨礙正常的生產(chǎn)和安全,有時(shí)會(huì)因靜電集塵而導(dǎo)致塑料中混入塵埃而降

低塑料制品的性能和價(jià)值。因此,加入抗靜電劑可以提高塑料表面的電導(dǎo)率,使塑料能迅速放電,防止靜電積聚。

(8)其他添加劑。為了保證塑料的使用性能和良好的加工性能,往往加入一些其他成分,如防老化劑、發(fā)泡劑、阻燃劑等。

6.1.3塑料的分類和性能

1.塑料的分類

塑料的種類很多,分類方法也很多,主要的分類方法如下:

(1)按塑料的應(yīng)用范圍來分,可以分為通用塑料、工程塑料和功能塑料。

①通用塑料。通用塑料主要指產(chǎn)量大、用途廣、價(jià)格低的聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料等幾大品種,它們約占塑料總產(chǎn)量的75%以上,主要用于制作一般普通的機(jī)械零件和日常用品。

②工程塑料。工程塑料指在工程技術(shù)中用作機(jī)械構(gòu)件或結(jié)構(gòu)材料的塑料。這種塑料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度,或具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射等特殊性能。常用的工程塑料有聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、ABS塑料等。

工程塑料又可分為通用工程塑料和特種工程塑料。

?通用工程塑料包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、聚苯醚(PPO)、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBTP)及其改性產(chǎn)品。

?特種工程塑料(高性能工程塑料)為耐高溫的結(jié)構(gòu)材料,包括聚砜(PSF)、聚酰亞胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、聚芳酯(PAR)、聚酰胺酰亞胺(PAI)、聚苯酯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚酮類、離子交換樹脂、耐熱環(huán)氧樹脂。

③功能塑料。功能塑料指具有耐輻射、超導(dǎo)電、導(dǎo)磁和感光等特殊功能,能滿足特殊使用要求的塑料,如醫(yī)用塑料、導(dǎo)電塑料、氟塑料、有機(jī)硅塑料等。

(2)按塑料的受熱行為來分,可以分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

①熱塑性塑料。這類塑料的合成樹脂為線型結(jié)構(gòu)分子鏈,是聚合反應(yīng)的結(jié)果。

②熱固性塑料。這類塑料的合成樹脂為密網(wǎng)型結(jié)構(gòu)分子鏈,是縮聚反應(yīng)的結(jié)果。

(3)按塑料的化學(xué)成分分類,可分為聚氯乙烯類塑料,如聚乙烯、聚苯乙烯、ABS樹脂等;乙烯基塑料,如聚氯乙烯樹脂、聚乙酸乙烯酯等;氟塑料,如聚四氟乙烯樹脂、聚全氟代異丙烯等;有機(jī)硅;酚醛樹脂;環(huán)氧樹脂;聚氨酯等。

2.工程塑料的性能

工程塑料的基本性能主要包括物理、化學(xué)、力學(xué)性能和熱電性能等。

1)密度

2)耐腐蝕性能

3)比強(qiáng)度單位質(zhì)量計(jì)算的強(qiáng)度稱為比強(qiáng)度。

4)彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度是指材料抗彎曲斷裂的能力。

5)沖擊

6)剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度是指材料抵抗剪切應(yīng)力的能力或被剪斷時(shí)的應(yīng)力。強(qiáng)度

7)電絕緣性能

在常溫及一定溫度范圍內(nèi)塑料具有良好的絕緣性能。

8)擊穿強(qiáng)度

任何介質(zhì)在電場作用下,當(dāng)電場電壓超過某一臨界值時(shí),通過介質(zhì)的電流會(huì)急劇增大,即介質(zhì)由絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài)而失去絕緣性能,這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)的擊穿。

9)耐熱性

塑料的耐熱性常用馬丁耐熱溫度表示。

10)導(dǎo)熱性

塑料的導(dǎo)熱性很差,導(dǎo)熱系數(shù)只有0.23~0.70W/(m·K),而鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為52W/(m·K),可見差別很大。

11)耐磨性

塑料的摩擦系數(shù)小,有的塑料可以在完全無潤滑的條件下工作。

12)線膨脹系數(shù)

塑料的線膨脹系數(shù)較大,一般為金屬的3~10倍。

塑料具有很多優(yōu)良性能,但塑料也存在缺點(diǎn)和不足。如機(jī)械強(qiáng)度、剛度、硬度不如金屬材料,導(dǎo)熱性能差,高溫性能差,還易燃和易熔,在受到紫外線長期照射會(huì)發(fā)生變色和老化現(xiàn)象,有的塑料不耐某些有機(jī)溶劑等。因此,在塑料的選用中,要充分考慮塑料的特性,做到合理選材。

6.1.4常用的工程塑料

工程塑料相對(duì)于金屬來說,具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、電絕緣性能好、透光、隔熱、消音、吸震等優(yōu)點(diǎn),也有強(qiáng)度低、耐熱性差、容易蠕變和老化等缺點(diǎn)。不同類型的工程塑料有著各自不同的性能特點(diǎn)。表6-3列出了工業(yè)上常用的工程塑料的性能、特點(diǎn)和用途。

6.2工程塑料成型工藝

塑料制品性能的優(yōu)劣,既與選用的塑料品種、組成、結(jié)構(gòu)和性能有關(guān),也與成型方法和具體工藝條件等因素有關(guān)。在選擇塑料的成型方法時(shí),首先應(yīng)考慮塑料的成型工藝性能以及各種塑料對(duì)成型方法的適應(yīng)性(表6-4列出了常用工程塑料對(duì)成型方法的適應(yīng)性);同時(shí)也應(yīng)考慮各種成型方法的特點(diǎn)和工藝條件,以生產(chǎn)出使用性能優(yōu)良的塑料制品。

6.2.1塑料成型的工藝性能

1.流動(dòng)性及影響因素

塑料在一定的溫度與壓力下填充模腔的能力稱為流動(dòng)性,它與鑄造合金流動(dòng)性的概念相似。塑料的流動(dòng)性是影響塑料填充模具型腔獲得完整制品的主要因素。在塑料成型過程中,塑料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性。

1)聚合物分子量和結(jié)構(gòu)的影響

聚合物的分子量作為塑料的固有特性而影響流動(dòng)性。聚合物的分子量越大,纏結(jié)程度越嚴(yán)重,流動(dòng)時(shí)所受的阻力越大,則聚合物的黏度大、流動(dòng)性越差。不同的成型方法對(duì)聚合物的流動(dòng)性要求不同,因此對(duì)聚合物的分子量要求也會(huì)不同。注射成型要求塑料的流動(dòng)性好,可采用分子量低的聚合物;擠壓成型用于流動(dòng)性較差的塑料生產(chǎn),可采用分子量較高的聚合物;中空吹塑成型可采用中等分子量的聚合物。

2)各種添加劑的影響

塑料中的各種添加劑對(duì)流動(dòng)性的影響有著不同的作用。有的添加劑的加入會(huì)使流動(dòng)性增加,而有的添加劑會(huì)使流動(dòng)性降低。因此根據(jù)不同成型方法對(duì)流動(dòng)性要求的不同,可以

通過加入不同的添加劑來調(diào)整流動(dòng)性。

3)溫度的影響

升高溫度可使塑料的樹脂黏度降低,流動(dòng)性增加。但是在塑料成型中不能僅靠提高溫度來提高其流動(dòng)性,還必須將塑料加熱到合適的溫度范圍來成型,這是因?yàn)椴煌芰系牧?/p>

動(dòng)性有不同的溫度敏感性。

熱塑性塑料的流動(dòng)性用熔融指數(shù)(也稱熔融流動(dòng)率)表示,熔融指數(shù)越大,流動(dòng)性就越好。熔融指數(shù)與塑料的黏度有關(guān),黏度愈小,熔融指數(shù)愈大,塑料的流動(dòng)性也愈好。

常用塑料的流動(dòng)性大致可分為以下三類:

(1)流動(dòng)性好:尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纖維素等。

(2)流動(dòng)性中:改性聚苯乙烯、ABS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、氯化聚醚等。

(3)流動(dòng)性差:聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料等。

4)剪切速率(剪切應(yīng)力)及壓力的影響

剪切速率對(duì)聚合物的黏度有較大影響,一般聚合物的黏度隨著剪切應(yīng)力的增加而降低,從而其流動(dòng)性提高。但不同的聚合物熔體對(duì)剪切作用的敏感程度不同。壓力對(duì)聚合物

熔體的黏度也有明顯的影響,隨著壓力的增大,聚合物熔體的黏度升高,有時(shí)黏度竟能增加一個(gè)數(shù)量級(jí),因而在塑料的成型過程中不能單純靠提高壓力來提高塑料的流量。因此,在使用螺桿式注塑機(jī)成型塑料時(shí),通過選擇一定螺距的螺桿并控制螺桿的轉(zhuǎn)速來達(dá)到控制剪切速率和壓力的效果,使塑料具有合適的流動(dòng)性。

2.收縮性

塑料在成型和冷卻過程中發(fā)生體積縮小的特性(發(fā)泡制品除外)稱為收縮性。這種收縮性可用收縮率k來表示:

式中:k表示塑料收縮率;Lm表示模具在室溫時(shí)的尺寸,單位為mm;L1表示塑件在室溫時(shí)的尺寸,單位為mm。

3.吸濕性

有的塑料樹脂因含有極性基團(tuán),極易吸濕或黏附水分,如ABS、有機(jī)玻璃、聚酰胺、尼龍等;有的塑料樹脂含非極性基團(tuán),幾乎不吸水也不黏附水分,如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。我們把塑料樹脂及其添加劑對(duì)水分的敏感程度稱為吸濕性。吸濕性大的塑料在成型過程中往往會(huì)產(chǎn)生如外觀水跡、表面粗糙、制品內(nèi)有水泡、強(qiáng)度下降和黏度下降等缺陷。因此,在塑料成型前,必須對(duì)塑料樹脂及其添加劑進(jìn)行干燥處理。

4.結(jié)晶性

對(duì)于結(jié)晶塑料在成型過程中發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象的性質(zhì)稱為結(jié)晶性。成型工藝條件對(duì)結(jié)晶塑料制品的性能具有很大的影響。如成型時(shí)料筒、模具的溫度高且熔融物料的冷卻速度慢,則結(jié)晶條件好,制品的結(jié)晶度大,其密度、硬度和剛度高,拉伸、彎曲、耐腐蝕性、耐磨性和導(dǎo)電性能好;反之,結(jié)晶度小,其柔軟性、透明性、耐折性好,沖擊強(qiáng)度提高,伸長率提高。因此,控制塑料的結(jié)晶度,可以獲得不同性能的塑料。

5.熱敏性和水敏性

熱敏性是指塑料對(duì)熱較為敏感,在高溫下受熱時(shí)間較長或進(jìn)料口截面過小,剪切作用大時(shí),料溫增高而易發(fā)生變色、解聚、分解的傾向,具有這種特性的塑料稱之為熱敏性塑

料,如聚甲醛、聚氯乙烯塑料。因此,對(duì)這類塑料在成型加工時(shí),必須嚴(yán)格控制成型溫度和周期,在塑料中加入穩(wěn)定劑以保證成型加工條件,使制品具有要求的特性。

水敏性是指塑料對(duì)水降解的敏感性,也稱吸濕性。水敏性高的塑料,在成型過程中高溫高壓使塑料產(chǎn)生水解或使塑件產(chǎn)生氣泡、銀絲等缺陷。因此塑料在成型前要干燥除濕,并嚴(yán)格控制水分。

6.毒性、刺激性和腐蝕性

有些塑料在加工時(shí)會(huì)分解出有毒性、刺激性和腐蝕性的氣體。例如,聚甲醛會(huì)分解產(chǎn)生刺激性氣體甲醛,聚氯乙烯及其衍生物或共聚物會(huì)分解出既有刺激性又有腐蝕性的氯化氫氣體。成型加工上述塑料時(shí),必須嚴(yán)格掌握工藝規(guī)程,防止有害氣體危害人體和腐蝕模具及加工設(shè)備。

6.2.2注射成型及其工藝條件

1.注射成型的原理和特點(diǎn)

注射成型又稱注塑成型,是塑料成型的主要方法之一,主要適用于熱塑性塑料和部分流動(dòng)性好的熱固性塑料。

注射成型原理如圖6-5所示。

圖6-5注射成型原理

注射成型過程可分為加料、熔融塑化、施壓注射、沖模冷卻、制品脫模等五個(gè)步驟。

注射設(shè)備有螺桿式和柱塞式兩種形式。它們的共同特點(diǎn)為:

①加熱塑料至黏流狀態(tài);

②對(duì)黏流態(tài)的塑料熔體施加壓力,使其射出并充滿模具型腔。螺桿式注塑機(jī)具有加熱均勻、原料混合和塑化均勻、溫度和壓力易控制、注射量大等優(yōu)點(diǎn)。因此,螺桿式注塑機(jī)是注射成型的首選設(shè)備。而柱塞式注塑機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,注射量小,適用于小型塑料制品的生產(chǎn)。

注射成型過程所需的成型工具就叫注射模,注塑模的設(shè)計(jì)與制造是保證塑料制品形狀、尺寸及塑料制品質(zhì)量的關(guān)鍵。由于塑料制品的形狀和尺寸、適用場合千差萬別,使注塑模的大小、結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度差別很大。但典型的注塑模由澆注系統(tǒng)、成型零件、導(dǎo)向零件、脫模頂出機(jī)構(gòu)、抽芯機(jī)構(gòu)、加熱冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和其他結(jié)構(gòu)零件等幾部分組成。圖6-6為注塑模的結(jié)構(gòu)簡圖,其澆注系統(tǒng)由主流道、分流道、澆口等組成;導(dǎo)向零件由導(dǎo)合釘和承壓柱組成;脫模頂出機(jī)構(gòu)由脫模板、脫模桿和回頂桿等組成;冷卻系統(tǒng)由冷卻劑通道組成。

圖6-6-注塑模的結(jié)構(gòu)簡圖

2.注射成型的工藝條件

1)溫度的控制

在注射成型過程中,溫度的控制是非常重要的,主要是控制料筒、噴嘴和模具三個(gè)部分的溫度。

(1)料筒溫度。應(yīng)使物料從室溫加熱到黏流態(tài),使物料充分塑化,獲得一定的流動(dòng)性,且物料不分解。

(2)噴嘴溫度。噴嘴溫度一般比料筒溫度稍低,但不能過低。這樣既可減少熔融物料在噴嘴處流散,又可防止冷凝料進(jìn)入模腔或堵塞噴嘴。

(3)模具溫度。對(duì)于結(jié)晶性塑料,必須嚴(yán)格控制模具溫度。

2)壓力的控制

注射成型的壓力分為塑化壓力和注射壓力,它們是對(duì)物料的塑化和充模成型質(zhì)量影響非常大的因素之一。

塑化壓力是指注射機(jī)工作時(shí)物料塑化過程中所需要的壓力。

注射壓力是指在注射成型時(shí),螺桿或柱塞的頭部對(duì)物料所施加的壓力。

3)成型周期

成型周期是指完成一次注射成型過程所需要的時(shí)間。它包括注射時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間和起模時(shí)間等。

制品成型過程中,在保證質(zhì)量的前提下,應(yīng)盡量縮短成型周期,以降低生產(chǎn)成本,提高設(shè)備的利用率和生產(chǎn)率。

常用塑料的注射成型工藝條件列于表6-5中。

6.2.3擠出成型及其工藝條件

1.擠出成型的原理及特點(diǎn)

擠出成型是塑料制品加工中最常用的成型方法之一,它具有生產(chǎn)效率高、可加工的產(chǎn)品范圍廣等特點(diǎn)。它可將大多數(shù)熱塑性塑料加工成各種斷面形狀的連續(xù)狀制品,如塑料

管、棒、板材、薄膜、單絲、異型材以及金屬涂層、電纜包層、中空制品、半成品加工(如造粒工藝)得到的顆粒等。用于擠出成型的設(shè)備叫作擠出機(jī),如圖6-7所示。

圖6-7擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)

擠出成型過程大致可分為三個(gè)階段:

第一階段是原料的塑化,即通過擠出機(jī)的加熱和混煉,使固態(tài)原料變成均勻的黏性流體。

第二階段是成型,即在擠出機(jī)擠壓部件(機(jī)筒和螺桿)的作用下,使熔融的物料以一定的壓力和速度連續(xù)地通過成型機(jī)頭,從而獲得一定的斷面形狀。

第三階段是定型,通過冷卻等方法使熔體已獲得的形狀固定下來,并變成固體狀態(tài)。

擠出成型的主要優(yōu)點(diǎn):能連續(xù)生產(chǎn)等截面的長件制品;容易與同類材料或異型材料復(fù)合成型(如塑料電線);可進(jìn)行自動(dòng)化大批量生產(chǎn);工藝過程容易控制;產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,致密;無澆口、澆道和毛邊等廢料;設(shè)備簡單,投資小,占地面積小;口模簡單等。

擠出成型的主要缺點(diǎn):難以成型生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的截面形狀。

2.擠出成型的工藝條件

1)溫度控制

溫度控制是影響塑料塑化和產(chǎn)品特性的關(guān)鍵。擠出機(jī)從加料口到機(jī)頭口模的溫度是逐步升高的,從而保證塑料在料筒內(nèi)充分混合和熔融。生產(chǎn)中機(jī)頭口模的溫度應(yīng)控制在物料

的流動(dòng)溫度和分解溫度之間。在保證物料不分解的前提下,提高溫度有利于生產(chǎn)率的提高。在成型過程中,應(yīng)根據(jù)不同的物料和具體的操作工藝來確定最佳的溫度。

2)螺桿的轉(zhuǎn)速和機(jī)頭壓力

螺桿的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了擠出機(jī)的產(chǎn)量并影響熔融物料通過機(jī)頭口模的壓力和產(chǎn)品質(zhì)量,該速度取決于螺桿和擠出制品的幾何形狀及尺寸。增加螺桿轉(zhuǎn)速可提高擠出機(jī)的產(chǎn)量;同時(shí),由于螺桿對(duì)物料的剪切作用增強(qiáng),可提高物料的塑化效果,改善制品的質(zhì)量。但螺桿轉(zhuǎn)速不是越高越好,如果轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不當(dāng),會(huì)使制品表面粗糙,產(chǎn)生表面缺陷,影響外觀質(zhì)量。應(yīng)根據(jù)具體情況,調(diào)整螺桿的轉(zhuǎn)速,使螺桿的轉(zhuǎn)速和機(jī)頭口模壓力達(dá)到最佳值,從而既保證制品的質(zhì)量,又獲得較高的產(chǎn)量。

3)牽引速度

牽引速度和擠出速度的配合是保證連續(xù)進(jìn)行的擠出過程的必要條件。在擠出成型過程中,物料從機(jī)頭口模擠出時(shí)會(huì)發(fā)生出模膨脹現(xiàn)象,如圖6-8所示。圖6-8物料出模膨脹示意圖

6.2.4壓制成型及其工藝條件

1.壓制成型的原理及特點(diǎn)

壓制成型又稱壓塑成型、模壓成型,是塑料成型加工中較傳統(tǒng)的工藝方法,主要用于熱固性塑料的加工。壓制成型主要分為模壓法和層壓法兩種,如圖6-9所示。

模壓法是將樹脂和其他添加劑混合料放置于金屬模具中加熱加壓,塑料在熱和壓力的作用下熔融、流動(dòng)并充滿模膛,樹脂與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),經(jīng)一定時(shí)間固化成為一定形狀的制品。

圖6-9壓制成型原理示意圖

層壓法是將紙張、棉布、玻璃布等片狀材料在塑料樹脂中浸泡,涂掛樹脂后一張一張疊放成需要的厚度,放在層壓機(jī)上加熱加壓,經(jīng)一定時(shí)間后,樹脂固化,相互黏結(jié)成型的工藝。該方法主要適用于增強(qiáng)塑料板材、棒、管材等。

壓制成型的主要特點(diǎn):設(shè)備和模具結(jié)構(gòu)簡單,投資少,可生產(chǎn)大型制品,尤其是生產(chǎn)具有較大平面的平板類制品;工藝條件容易控制;制品收縮量小,變形小,性能均勻;但成型周期長,生產(chǎn)效率低,較難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

壓塑成型模具如圖6-10所示,與注射模不同的是,壓塑模沒有澆注系統(tǒng),只有一段加料室,這是型腔的延伸和擴(kuò)展。注射成型時(shí)模具處于閉合狀態(tài);而壓塑模成型是靠凸模對(duì)凹模中的原料施加壓力,使塑料在型腔內(nèi)成型。因此,壓塑模的成型零件的強(qiáng)度要比注射模的高。

圖6-10壓塑模結(jié)構(gòu)

2.壓制成型的工藝條件

1)壓制溫度控制

壓制溫度是指壓制成型過程中模具的溫度。壓制溫度越高,物料在模具中的流動(dòng)性越好,易于物料充滿模型。同時(shí)有利于樹脂化學(xué)交聯(lián)固化成型,縮短壓制成型時(shí)間。但溫度不能過高,過高的溫度會(huì)使樹脂固化過快,力學(xué)性能下降,可能引起燒焦、起泡、裂縫等缺陷;過低的溫度則使物料的流動(dòng)性變差,難以充滿模腔,也難以使樹脂固化。

2)壓制壓力

由壓力機(jī)對(duì)塑料所施加的迫使物料充滿型腔并固化的壓力稱為壓制壓力。壓力使物料加速在模腔中的流動(dòng)充型,同時(shí)排出物料化學(xué)反應(yīng)中生成的水分及揮發(fā)物等,提高塑料的

密實(shí)度,使制品不發(fā)生氣泡、膨脹和裂紋等缺陷。加壓過程使制品的形狀固定,可防止冷卻時(shí)制品的變形。壓力的大小、加壓速度與塑料的種類及其流動(dòng)性、成型溫度、制品的形

狀、厚薄等有關(guān),一般通過試驗(yàn)確定其數(shù)值范圍。

3)壓制時(shí)間

壓制時(shí)間是指模具閉合、加熱加壓到開啟模具的時(shí)間。加壓時(shí)間的長短與壓制溫度、壓制壓力、塑料的品種及其固化速度有關(guān)。壓制溫度一定,壓制壓力增加,壓制時(shí)間可縮

短。壓力一定,溫度提高,壓制時(shí)間也可縮短?？筛鶕?jù)實(shí)際情況經(jīng)試驗(yàn)在保證質(zhì)量的前提下來確定最佳時(shí)間。表6-6給出了幾種常用的熱固性塑料的壓制工藝參數(shù)。

6.2.5真空成型及其工藝條件

1.真空成型的原理及特點(diǎn)

真空成型也稱吸塑成型,它是將熱塑性塑料板材、片材固定在模具上,用輻射加熱器加熱到軟化溫度,用真空泵(或空壓機(jī))抽取板材與模具之間的空氣,借助大氣壓力使坯材吸附在模具表面,冷卻后再用壓縮空氣脫模,形成所需塑件的加工方法。

真空成型的特點(diǎn)是生產(chǎn)設(shè)備簡單,效率高,模具結(jié)構(gòu)簡單,能加工大尺寸的薄壁塑件,生產(chǎn)成本低。

2.真空成型方法的種類及其工藝條件

真空成型包括凹模真空成型、凸模真空成型、凹凸模真空成型等。

凹模真空成型方法如圖6-11所示,一般用于要求外表精度較高、成型深度不高的塑件。真空成型產(chǎn)品有塑料包裝盒、餐具盒、罩殼類塑件、冰箱內(nèi)膽、浴室鏡盒等。其常用材料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚碳酸酯等。

圖6-11凹模真空成型

6.2.6-其他成型方法

1.吹塑成型

吹塑成型是先用注射法或擠壓法將處于高彈態(tài)或黏流態(tài)的塑料擠成管狀塑料,擠出的中空管狀塑料不經(jīng)冷卻,將熱塑料管坯移入中空吹塑模具中并向管內(nèi)吹入壓縮空氣,在壓縮空氣作用下,管坯膨脹并貼附在型腔壁上成型,經(jīng)過冷卻后即可獲得薄壁中空制品。圖6-12是吹塑成型的工藝過程。

圖6-12吹塑成型的工藝過程

吹塑成型的工藝過程如下:

配制塑料→塑化塑料→注射(或擠壓)成管坯→從芯模中通入壓縮空氣→管坯吹脹→吹塑模內(nèi)成型→脫出制品

吹塑成型的特點(diǎn):制品的壁厚均勻,尺寸精度高,成型速度快,生產(chǎn)率高。該方法主要適用于熱塑性塑料的中空型塑料制品的生產(chǎn)。

2.壓延成型

壓延成型是用熱軋輥將已加熱塑化的熱塑性塑料壓延成片材、薄膜等的工藝方法。該方法主要適用于聚氯乙烯塑料板材、薄膜制品的生產(chǎn),也適用于人造革或塑料墻紙涂層的

壓延成型。

壓延成型的工藝過程如下:

壓延成型的特點(diǎn):具有加工能力大、生產(chǎn)速度快、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)過程連續(xù)、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn);其主要缺點(diǎn)是設(shè)備龐大,前期投資高,維修復(fù)雜,制品寬度受壓延機(jī)輥筒長度的限制。

3.發(fā)泡成型

發(fā)泡成型是結(jié)構(gòu)泡沫塑料生產(chǎn)的主要方法。結(jié)構(gòu)泡沫是一種具有整體皮層和泡沫內(nèi)芯的泡沫塑料,由于具有較高的比強(qiáng)度和比剛度,可以作為結(jié)構(gòu)材料使用,故稱為結(jié)構(gòu)泡沫。結(jié)構(gòu)泡沫產(chǎn)品在工業(yè)零件、汽車零件、包裝、無線電、精細(xì)家具、環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

4.微發(fā)泡注塑成型

微發(fā)泡注塑成型工藝是一種革新的精密注塑技術(shù),是靠氣孔的膨脹來填充制品,并在較低且平均的壓力下完成制件的成型。首先將超臨界流體(二氧化碳或氮?dú)?溶解到熱融膠

中形成單相溶體;然后通過開關(guān)式噴嘴射入溫度和壓力較低的模具型腔,由于溫度和壓力降低引發(fā)分子的不穩(wěn)定性,從而在制品中形成了大量的氣泡核,這些氣泡核逐漸長大生成微小的孔洞。

微發(fā)泡注塑成型的工藝特點(diǎn):突破了傳統(tǒng)注塑的諸多局限,顯著地減輕了制件的重量,縮短了成型周期;極大地改善了制件的翹曲變形和尺寸穩(wěn)定性。該工藝主要應(yīng)用于汽車