316L注射料在不同孔径毛细管下的粘性行为

第46卷第 l2期 20 1 0年 6 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vlo1．46 Jun． No．12 2 0 1 O DoI： 1O．3901／JM E．2010．12．043 316L注射料在不同孑L径毛细管下的粘性行为木 成志强 QUINARD C2 BARRIERE T2 柳葆生 GELIN J C2 (1．西南交通大学力学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 成都 610031； 2．法国国立高等机械与微技术学院 贝桑松 25000 法国) 摘要：金属注射成形注射料在模腔中的流动是粉末与粘结剂的混合流动，其粘性行为与仅含粘结剂的单相流动有所不同。为 研究注射料在微模腔中注射成形的粘性行为和微注射工艺的尺度适应性，在 RH2000毛细管粘度仪依次安装直径0．3～2．0mnl 的7个毛细管，分别在 160~220℃间的 4个温度下对平均粒度为 16 lam的 316L不锈钢注射料进行一系列粘度测试；测试 显示注射料在同样的注射温度和切应变率下，应用不同管径的毛细管测试所得粘度存在差异的现象；解释壁面边界滑移速度 是导致测试粘度差异的原因， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 影响粘度测试结果的因素；基于一系列的粘度测试结果，标定出壁面边界滑移速度的大小； 提出注射料最小临界尺度的概念和标定方法，为微细金属注射成形工艺的尺度适应性研究提供有益的参考。 关键词：金属注射成形 316L注射料 粘度测试 滑移速度 临界尺度 中图分类号：TB44 Viscous Behavior of 3 1 6L Stainless Feedstock Tested by a Series of Capillary Dies CHENG Zhiqiang QUINARD C BARRIERE T LIU Baosheng GELIN J C (1．Department ofApplied Mechanics，Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031； 2．National Engineering Institute in Mechanics and Microtechnologies，Besancon 25000，France) Abstract：The mixture flow of feedstock in metal injection molding(MIM)includes flow of powder and binder,whose viscous behavior is different from the single-phase flow of polymer binder．The research on viscous behavior of MIM feedstock in the micro mold cavity and the minimum channel size proper for injection process are necessary．At four constant temperatures，the viscous behaviors of 1 6 m 3 1 6L feedstock are tested by using seven capillary dies with diameter between 0．3 mln an d 2．0 1Tun，which shows that the tested viscosities by different sizes of dies are not same even at the same temperature and the same shear rate；the difference of tested viscosity is explained and factors affecting the tested viscosity values are discussed；the boundary slip velocity on the capillary wall is calculated on the basis of a series of tested values；the concept of critical size is proposed and a method is suggested for the decision of minimum channel size injected by the 1 6 um 3 1 6L feedstock．The method is also applicable for injection process with different size of feedstock． Key words：Metal injection molding 316L feedstock Viscous test Slip velocity Critical size 0 前言 金属注射成形作为粉末冶金技术的一个重要 分支[1_2]，在近十多年来才得到迅速发展，并有着向 微细金属注射成形发展的趋势 。在试验方面， RUDOLF[ 】通过对 A12O3粉末的注射成形研究指 ·国家自然科学基金(10772154)、高等学校博士学科点专项科研基金新 教师基金(20070613021)和 中央高校 基本科研业务 费专项资金 (SWJTU09CX067)资助项目。20090715收到初稿，20100125收到修改稿 出，适合成形的最小尺寸一般为粉末粒度的 1O倍。 卢振等 J对聚丙烯和二氧化锆陶瓷微注射成形制品 质量的影响因素进行了分析。在数值模拟方面， CHENG 等【o 基于混合理论对金属注射成形的矢量 化显式算法进行了研究，庄俭等【7】指出随微流道特 征尺寸减小，壁面滑移速度增大。KWON等[8】认为 液固两相组成的注射料在壁面上具有滑移速度，在 数值模拟中处理为滑移壁面边界条件。在粘度标定 方面，LIU 等 J建议了金属注射成形两相流本构 的标定方法以及在数值模拟中的植入方式。LIANG 机 械 工 程 学 报 第 46卷第 12期 等 UJ对各类粘性本构对于金属注射成形注射料流 动行为的适用性进行了研究。 本文采用 Bohlin Instrument公司产的 RH2000 毛细管粘度仪，依次安装 0．3,-~2．0 mm的7个毛细 管，分别在 160℃、180℃、200℃和 220℃四个温 度下对美国 Advanced Metalworking Practises公司 产平均粒度为 16 txm的316L不锈钢注射料进行了 粘度测试。注射料由不锈钢粉末和粘结剂组成，不 锈钢粉末所占体积比约 60％左右。一般用双螺杆混 合器把不锈钢粉末和粘结剂充分混合而制成组分均 匀的注射料。粘结剂主要包括聚丙烯、石蜡和硬脂 酸等，一般适用于 200℃左右温度下的中高速注射。 一 系列的粘度测试显示注射料在同样的注射温度和 切应变率下，应用不同管径的毛细管所测粘度存在 差异的现象。论文解释了导致测试粘度差异的原 因，并分析了影响粘度测试结果的因素。根据不同 毛细管的粘度测试结果，确定了壁面边界滑移速度 的大小，提出了注射料最小临界尺度的概念和标定 方法。 1 粘度测试 采用美国 Advanced Metalworking Practises公 司粒度为 16 m的 316L不锈钢粉末注射料，在德 国 RH2000毛细粘度仪上分别安装直径 0．3～2．0 mm一系列 7个管径的毛细管进行粘度试验。为考 虑温度对注射料粘性行为的影响，粘度测试分别在 160℃、180℃、200℃和220℃的4个基本恒定 的温度下进行，通过逐渐增大注射料的挤出速度， 得到不同切应变率下的粘度。值得注意的是，注射 料在粘度仪预热管筒中滞留时间的长短会影响粘度 测试值。由于粘结剂中的有些成分，如石蜡、硬脂 酸，在预热管筒分解、挥发后降低了注射料的流动 性，从而注射料长时间滞留在管简中会使其粘度增 高。为了避免注射料在管筒中滞留时间差异对测试 结果的影响，在粘度仪上安装好某一管径的毛细管 后，采用未使用过的注射料依次完成在 160℃、180 ℃、200℃和 220℃温度下的粘度测试，这样对于 不同管径毛细管的测试，注射料在预热管筒中滞留 的时间基本相同。对于同一管径的毛细管测试而言， 注射料在高温下测试时滞留在加热管筒中的时间比 低温测试的长，这对测试结果有一定的影响，下文 将继续阐述其对测试结果的影响。根据以上方法， 在一个毛细管下依次完成 4个温度下的 4组测试， 用 7个不同管径的毛细管共完成 28组测试，测试所 得粘度可按照测试温度归纳为图 1～4，以便比较在 同样的温度下应用不同直径的毛细管测得粘度的 差异。 切应变率 ／S一 图 1 不同直径的毛细管在 160℃测试所得的粘度曲线 切应变率k／s- 图 2 不同直径的毛细管在 180℃测试所得的粘度曲线 言 山 蜊 粲 鼷 切应变率 量 图 3 不同直径的毛细管在 200℃测试所得的粘度曲线 越 藜 鼹 切应变率 0 图4 不同直径的毛细管在 220℃测试所得的粘度曲线 一∞ )，Q 葵曝嵌 一∞ 桨霹 2010年 6月 成志强等：316L注射料在不同孔径毛细管下的粘性行为 45 2 粘度测试结果分析 2．1 填料的粘性行为 从图 1～4可以看出，在同样的温度和切应变 率下，应用不同管径的毛细管测得的注射料粘度是 不同的， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 观粘度总体上随毛细管径的增大而增大。 为了更清楚地观察毛细管径对粘度测试的影响，对 图 1～4的数据进行整理，得到在同样的温度和切应 变率下，毛细管直径对测试所得粘度的影响，如图 5～8所示。从总整体上看，应用较大的毛细管测得 的粘度较大，特别是在较低的切应变率下。从图 5～ 8中还可以观察到，无论切应变率的高低，小直径 毛细管对应的表观粘度值有一定波动。这可能是小 直径毛细管对注射料的均匀性更为敏感所致。另外， 由图8中最小的三个切应变率所对应的三条曲线显 示，直径 2．0 mm毛细管所测粘度比直径 1．0 Im 的 略小，这不符合图5～8中其他的毛细管直径一表观 粘度曲线所显示出的规律。由于220℃的粘度测试 是4组测试中的最后一组，注射料在管筒中滞留时 间最长，滞留时间差异等因素可能导致了测试误差。 注射料的粘度是其固有的物理性质，测得的粘度值 不应随所用毛细管直径的大小而发生变化，即在同 样的温度和切应变率下应用任何直径的毛细管所测 得的粘度值均应该是相同的。图 5～8所示的粘度值 与毛细管径的相关性与粘度标定方法未考虑壁面边 界滑移速度有关，下面将详细阐述。 喜 篥 露 懈 毛细管直径 D／mm 图5 160℃不相同切应变率下毛细管直径对 所测粘度值的影响 毛细管直径 D／mm 图6 180℃不相同切应变率下毛细管直径 对所测粘度值的影响 山 舞 饔 图7 200℃不相同切应变率下毛细管直径对 所测粘度值的影响 舞 饔 ’ 所测粘度值的影响 2．2 边界滑移速度 早在 193 1年，MOONEY[ ]就指出壁面边界上 滑移速度的存在，并应用系列毛细管粘度测试结果 推导出滑移速度的计算方法。根据 MOONEY的假 设，滑移速度和切应力成正比 = ,0r (1) 式中 。是毛细管壁面上的滑移速度， 是滑移速度 系数，f是毛细管壁面上的切应力。 可以推导得到滑移速度 8 aI l 式中 是表观切应变率，D是毛细管的直径。 由式(2)可知，如果已知表观切应变率和毛细管 直径倒数的关系，便可求得毛细管壁面的滑移速度。 对 RH2000毛细粘度仪测试的一系列粘度值进行整 理，可得在同样温度、切应力下表观切应变率和毛 细管直径倒数的关系，如图9～12所示。与图8一 样，图 12中 1．0 irlnl和 2．0 nⅡn毛细管在 220℃下 测得的表观切应变率有些异常。由于图 5～8和图 9～12的数据均来自于原始的粘度测试数据，只是 形式不同而己，故其原因是一样的。从图9和图 10 可以看到，当毛细管直径倒数小于 1／0．35 mm- ，或 毛细管直径大于 0．35 nun时，表观切应变率随着毛 一s．EI王 越巢曝 各类金属粉雾化制作工艺 021-65147943 东建中 向你提 供雾化法制作不锈钢粉和其他金属粉末的工艺和设备，(采用五百公 斤压力的水泵时可制作注射成形粉和其它超细粉)，是粉末冶金企业 的最好伴侣，可为你节省原料费用，增加产品核心竟争力，提升技术 水平。设备投资为 25万，占地一百平方米，电力 200KW，水每天一 立方，操作工人 3 至 4 人，年产量几百吨，(可根据金属熔化能力进 行调整) 坚持用户第一,毫无保留地向用户提供全套制粉技术，是我的一 贯原则。在提供设备等硬件的同时，在软件方面，向用户传授雾化粉 末制作中各项技术诀窍，从选购原料,粉末配方，熔炼雾化，生产过 程的工艺参数的确定和调整和产品的质量监督检查，到合格产品出厂, 让用户完整地掌握制粉理论和工艺，迅速入门。同时始终以价格合理, 产品质优,品种多样,服务热情为宗旨,满足国内外广大用户的要求. 需要的设备和场地： 一中频电源和炉子，用于熔化金属用，生产的企业较多，各地都 能找到，100KVA的，就可以使用了，五万左右。 二、高压水泵，50至 60KW，压力在二百多公斤，价格在五万左 右，现在国内能生产的企业也很多，质量已经过关。 三、雾化装置，这是一套非标准化的设备，需要根据图纸自己加 工制作，总的造价约十二万(含技术服务的费用)。需要一个焊工、一 个钣金工老师傅及一个打下手的小工，材料市场上买，回来自己加工 制作，一个月左右能做好。通过自己制作，使投资者拥有设备制作的 技术，为今后改进创新打下基础，国内现在一些生产企业，之所以能 不断改进产品，自己拥有制作技术是一个很重要的原因。如果外购现 成的设备，其实是由别的企业给你按粉末生产系统配制，并制作其中 的雾化部分设备，你可以少花些力气。但你失去了全面掌握设备制作 技术的机会，还要多付出许多金钱。同时，你生产中使用的关键部件 如喷嘴，对方可能会只给你一个，让你以后需要更换新的时还得找他。 四、其它辅助设备，如水池、烘粉炉、、气瓶、风机、真空泵、测 量仪、筛分装置、称、包装等，准备三万。 五 总的设备的投入在二十五万左右. 需要投资者具备电力 200KVA、可使用的水，每天一立方以上、 车间场地 100平方，车间的高度在八米，生产工人三至四人。 机 械 工 程 学 报 第 46卷第 12期 一 2 褂 1 ， ◆ 4_4kPa ● 46kPa ~．-~-48kPa * 5OkPa — 52 kPa + 54kPa + 56kPa 一 58kPa 毛细管直径的倒数 ／mm- 图 9 160℃不相同切应力下毛细管直径的倒数和 表观切应变率的关系 褥 篌 kPa kPa kPa kPa kPa kPa kPa 毛细管直径的倒数 |／mn'／ 图 10 180℃不相同切应力下毛细管直径的倒数和 表观切应变率的关系 ． ． 1 舌1 1 1 恩 泳 甓 -4-28 kPa -I1-30 kPa — 32kPa -x-34kPa * 36 kPa + 40kPa ．_L_42kPa ·一 44kPa 毛细管直径的倒数5／mm 图 11 200℃不相同切应力下毛细管直径的倒数和 表观切应变率的关系 一 l 1 褥 毯 恩 甓 0．5 ’ 1．5 2．5 3．5 毛细管直径的倒数 ／mm l 图 12 220℃不相同切应力下毛细管直径的倒数和 表观切应变率的关系 细管直径倒数值的增大而增大，在总体趋势上是线 性关系；同样，从图 ll可以看到，当毛细管直径大 于 O．4 lllllI时，表观切应变率随着毛细管直径倒数 值的增大而线性增大；从图 12可以看到，除图 12 中 1．0 min和 2．0 irlin毛细管的测试值，当毛细管直 径大于 0．4 mill时，表观切应变率随着毛细管直径 倒数值的增大而线性增大。根据式(2)，由毛细管直 径倒数和表观切应变率的总体线性关系便可求出各 切应力下的滑移速度，如图 13所示。可以看出， 160℃和 220℃的毛细管壁面滑移速度和切应力的 正比关系非常明显：180℃和 200℃的毛细管壁面 滑移速度和切应力总体上成正 比关系，这证实 MOONEY假设的正确性。从图 13还可以看出，滑 移速度不仅与切应力相关，而且与温度相关，但确 定温度和滑移速度的定量关系还需大量、细致的试 验研究。在证实毛细管壁面滑移速度的存在之后， 便可解释图 5～8在同样温度和切应变率下应用不 同直径的毛细管所测粘度值存在差异的原因。边界 层厚度一般非常小，可以忽略边界层对注射料整体 流动性的贡献。根据 MOONEY滑移速度和切应力 成正比的假设，在同样的切应力下，大直径毛细管 和小直径毛细管中的注射料在壁面边界有同样的滑 移速度，显然滑移速度对小直径毛细管内注射料流 动性的贡献较大直径管中的大，因此注射料在小直 径毛细管中表现出更好的流动性，这样用小直径毛 细管测得的粘度值较大直径毛细管的偏小。 ， }∞ E E 艇 图 1 3 在不同温度下滑移速度和切应力的关系 3 注射料最小临界尺寸分析 由图9～12可以看出，毛细管直径的倒数值和 表观切应变率的线性关系只在毛细管直径的倒数值 小于一定值，或毛细管直径大于一定值时适用。当 毛细管直径小于一定值时，如图9和图 l0中当直径 小于 0．35 rain时，该关系曲线会出现明显的折转。 如前文所述，注射料在壁面边界的滑移速度对小直 径毛细管内注射料流动性的贡献较大直径管内的 大，在同样的滑移速度下随着毛细管直径的减小， 其流动性应该越来越好，即在同样的切应力下，表 观切应变率增高，表观粘度降低。如图 9和图 10 所示，在 160℃和 180℃的温度条件下，316L注射 料在应用直径 O_3 min毛细管进行粘度测试时却出 a a a a a a a a 2010年 6月 成志强等：316L注射料在不同孔径毛细管下的粘性行为 47 现流动性下降的现象。这是因为 16 m的 316L注 射料通过直径 0_3 rfllTl毛细管时开始出现堵塞现象， 从而滑移速度对其流动性的贡献被堵塞现象所抵消 而使注射料的流动性降低。因此，注射料流动性达 到峰值的毛细管直径 0．35 inln可以作为粒度 16 I．tm 的 316L注射料的最小临界尺寸。由图 11和图 12 可以看到，在 200℃和 220℃时注射料通过直径 0．35 n'RTI毛细管开始出现堵塞现象，比 160℃和 180℃时出现堵塞的0_3 mlTl大些，这可能由粘结剂 的分解和气化导致其流动性降低所致。这样， 0．4 rflln可以作为粒度 16 的 316L注射料在 200℃和 220℃温度下的最小临界尺寸。需要说明 的是，最小临界尺寸是壁面边界滑移速度使注射料 的流动性达到峰值时的毛细管直径，并不等同于该 注射料应用注射成形工艺可以成形的最小零件尺 寸。最小临界尺寸可以理解为应用某一粒度的注射 料注射成形制造小尺度零件的预警值，当注射成形 零件的最小尺度小于最小临界尺寸时，注射料中的 固体颗粒通过模腔的最小尺度孔腔时便开始出现堵 塞现象，随着模腔最小尺度的减小，堵塞现象加剧， 这必定会影响到零件的成形质量。 4 结论 (1)从机理上解释了在同样的注射温度和切应 变率下，毛细管的管径差异导致测试所得注射料粘 度差异的原因，并根据一系列的粘度测试数据确定 出壁面边界滑移速度的大小。 (2)提出了注射料最小临界尺度的概念和标定 方法，为微细金属注射成形工艺的尺度适应性研究 提供了有益的参考。 参 考 文 献 [1]GERMAN R M，BOSE A．Injection molding of metals and ceramics【M]．New Jersey：Metal Powder Industries Federation in Princeton，1997． [2】宋久鹏，BARRIERE T，柳葆生，等．金属注射成形烧 结工艺的试验与数值模拟[J]．机械工程学报，2008， 44(8)：157—163． SONG Jiupeng，BARRIERE L LIU Baosheng，et a1． Experiments and numerical simulations on sintering process of metal injection molded components[J]． Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，44(8)： l57—163． [3】KUKLA G．Micro injection moulding[J]．International Journal ofForming Processes，2001，4：253-267． [4]RUDOLF Z．Micro powder injection moulding[J]． Microelectronic Engineering，2006，83： 1 442-1 444． [5】卢振，张凯峰．微注射成形制品质量影响因素分析[J]． 机械工程学报，2009，45(12)：295-299． LU Zhen，ZHANG Kaifeng．Analysis ofthe effects on the quality of micro injection molded products[J]．Journal of Mechanical Engineering，2009，45(12)：295—299． [6]CHENG Z，BARR／ERE T，LIU B，et a1．An efficient vectorized approach for the simulation of 3D processes in metal injection molding[J]．J．of Steel and Grid Materials， 2004，9： 687-692． [7]庄俭 ，于同敏，王敏杰．微注塑成形中熔体充模流动分 析及其数值模拟[J]．机械工程学报，2008，44(9)：43-48． ZHUANG Jian，YU Tongmin，WANG Minjie．Analysis and simulation of polymer melt filling in micro injection molding[J]．Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2008，44(9)：43—48． [8]KWON T H，AHN S Y Slip characterization of powder／binder mixtures and its significance in the filling process analysis of powder injection molding[J]．Powder Technology,1995，85：45·55． [9]LIU B，FAN X，CHENG Z．Phase behaviors in bi—phase simulation of powder segregation in metal injection molding[J]．Journal of Southwest Jiaotong Univeristy (English edition)，2006，14：363-371． [10]LIANG S Q，TANG HUANG B Rheology in metal powder injection molding[J]．Joumal of Central South University of Technology(English edition)， 2007， 14(Supp1．)：372—377． [11】MOONEY M．Explicit formulas for slip and fluidity[J】． Journal ofRheology,1931．2： 209—222． 作者简介：成志强，男，1969年出生，副教授。主要研究方向为材料成 形。主持国家自然科学基金 1项，教育部高等学校博士学科点专项科研 基金新教师基金 1项，发表论文20余篇。 E-mail：zqcheng@netease．corn QuinardC，男，1982年出生，博士研究生。主要研究方向为材料成形。 E-mail：cquinard@gmail．corn BARRIERE T，男，1972年出生，副教授，博士研究生导师。主要研究 方向为材料成形。在国际刊物发表数十篇相关领域的文章。 E-mail：thierry．barriere@univ一~omte．fr 柳葆生，男，1955年出生，教授 ，博士研究生导师。主要研究方向为材 料成形。主持包括国家自然科学基金重点项目的多项研究课题，在相关 领域发表文章近百篇。 E—mail：bsliu@home．swjtu．edu．ca GELIN J C，男，1954年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向 为材料成形。在国际刊物发表近百篇相关领域的文章。 E—mail：jean-claude．gelin@univ一~omte．fi-