1、透气钢及其在注塑模具的应用摘要：塑料模具中的气体对注塑件的性能，外观和寿命有很大的影响。一般来说应该用排气通道及其附件系统排气。但是若依赖于通风系统，模具设计将变得复杂。此外，在某些情况下很难使排气系统与模具很好的结合在一起。目前在国外已经具有一种透气性的模具材料，但此模具材料的应用因其成本较高而且尺寸较小而受到限制。在本项研究中，一种采用粉末冶金技术制成的多孔材料，将代替塑料模具中的排气系统。这种用不同的二次处理所得到的钢的透气性，用特定的装置进行测试和对比。由不同的二次加工所得到的钢的金相样品将用于制备与研究，最终建成用于检测透气钢应用的实际注塑器。这种透气性表明钢中的微孔是相互贯通的。透
2、气钢制成的模具在注塑生产中具有良好的透气性，能够顺利排出模腔中产生的气体。融化的塑料不会渗透到模具中阻塞微孔，使经过数次注塑生产的模具，仍然保持良好的透气性。这种透气钢的强度是200250兆帕，适合工业应用，利用透气刚简化的排气系统在注塑中结构简单，可以应用到任何需要排气的地方。关键字：粉末冶金，透气钢，注塑模，排气系统1 简介 注塑加工是生产聚合物的重要方法之一，它制造的产品尺寸稳定性高，生产周期和成本较低。充模阶产生的气体是影响最终产品质量的原因之一。一般来说，模具中的残余气体通过排气系统排出，但是若依赖于排气系统，模具设计将变得复杂。此外，在某些情况下很难使排气系统与模具很好的结合在一起
3、。现在，这个问题可以通过使用透气钢制造的模具或模具插件来解决。利用透气刚，模具型腔中产生的气体可直接通过微孔排出，就不需要排气系统了。此外，在保留排气和吸气功能的前提下模具结构和设计也得到简化。透气金属的形成，测量及应用吸引了众多研究者。张，等人研究了温压对制备多孔铁的影响和采用高分子聚合物来生成多孔铁中的气孔。normitus，等人，研究了部分合金、不同合金元素成分的预合金粉和压制压力对烧结低合金钢的杨氏模量和泊松比的影响。张，等人，他们选用碳酸氢铵来产生镍钛形状记忆合金中的孔，通过改变碳酸氢铵的添加量调整孔隙率。林，等人，分析了烧结工艺参数和压实压力对多孔不锈钢透气性能的影响。周，等人，研
4、究了多孔金属材料中孔隙产生的原因、压力对孔隙度和孔隙连通性的影响。然而，虽然透气钢对注塑模的制造非常重要，但是如何获得适当的透气刚，把它应用到注塑工艺中，并在二次加工后保留透气性，目前仍没有得到很好的研究。在这项研究中，通过控制压缩和烧结工艺得到了一种透气钢，这些工艺的细节将在第二节中介绍。第3节通过宏观实验介绍了这种材料的透气性、微观金相和电子扫描显微镜（电镜扫描）图像。大多数注塑模具都需要二次加工，不同加工方法对多孔材料透气性的影响也在第三节中介绍。在4节，透气模具和注塑装置将结合在一起实际生产注塑件。高质量的注塑件，进一步验证了这种透气刚的良好透气性和排气功能。2 压制和烧结工艺 这项研
5、究采用了304L不锈钢粉末。在压制前要对不锈钢粉的粒度进行分级，通过控制压实压力来获得具有一定孔隙度的压制品。表1显示了这种粉末的化学成分，表2显示了不同大小颗粒的组成。表一 304L不锈钢粉末的化学组成 表二 不同大小颗粒的组成 在这项研究中，每次都用250克的（含1%硬脂酸锌）304 L不锈钢粉末进行压制。在100兆帕的压实压力下获得圆柱样品，再将样品在RSJ-13氨气氛烧结炉中烧结。烧结温度为11001300，持续时间为1小时。样品的平均孔隙率约为17%，拉伸强度在200兆帕到300兆帕之间。3 透气性的检测3.1 透气性的宏观实验 图1显示了不同二次加工工艺获得的钢的透气性。图1（a）
6、显示的是线切割件的压制试样。试样表面的微孔太小，肉眼观察不到。图1（b）显示的是一个磨削加工件。在透气性实验之前，要对这二个试件进行油渗透。在大气环境中，由于压制件微孔中气体表面张力的存在，无法进行油渗透。所以，这个过程要在真空环境中进行。在真空下，微孔中的空气被驱散，降低了表面压力，所以，油渗透要在一定的压力下才能进行。油渗透后，将清洗后的样品被放置在仪器上实验，如图（2）所示。这种仪器（见图2）是专门用来检测压制件的透气性的。它由两腔组成，分别命名为腔A和腔B。试件放置在二腔之间。腔A由坚硬的致密材料制成，它与一个空气泵连在一起。腔B是一个变体积的密封容器，它的内部一直保持着恒定的大气压力
7、。当空气泵开启时，腔A内的压力将减少。若放置在俩腔之间的压制件具有一定的透气性，气体就会从腔B通过试件进入腔A，导致腔B收缩。 (a)线切割件的压制试样（b）磨削加工件的压制试样图2.用于透气试验的装置的图解示图 图1（a）和1（b）中的二个压制件就是用这种仪器进行检测的，腔B在俩次试验中都收缩了，这表明俩个试件都有一定的透气性。但是试件I比试件收缩的速度快，在透气性实验的过程中，如图1（c）和（d）所示，试件内部的油渗出到了试件的表面。试件I的渗出现象比试件的明显，通过收缩性和渗出现象的比较表明试件I比试件的透气性好。 （c）试件的渗透现象 （d）试件的渗透现象3.2透气性的微观证明 透气刚
8、中微孔的连通性可通过金相图和电子扫描显微镜图得到进一步证实。 图3（a）显示的是未蚀刻的烧结样品的金相图。图中不规则的黑色区域是试件表面的坑洞。图3（b）是蚀刻的金相组织，它揭示了试件表面的孔隙和基质材料的颗粒边界。原材料的平均颗粒大小可通过分析这张照片中的数据来确定。压实及后续烧结后，粉体的边界结合在一起，形成了一个三维的连接网络，网络中的空洞就起到了气体通道的作用。 （a） 未蚀刻的烧结样品的金相图（b）蚀刻的金相组织图3.透气刚样品的金相组织 透气钢的电镜扫描照片如图4所示。图4（a）是预加工生坯的表面形貌，不规则的黑色区域表示表面的气孔。图4（b）显示的是压制件的断面图。电镜照片表明，
9、孔隙不仅存在于表面，而且也存在于材料内部。孔隙使这种材料具有良好的透气性和表现出的宏观现象如图2所示的试验。（a） 表面外貌（b）断面图图4.试样的电镜扫描图3.3 加工连通孔的作用在塑料模具行业中，模具制造需要各种各样的加工工艺。但对透气钢用于注塑模具，该加工过程可能会造成一些问题。虽然透气钢可以维持加工，但很难留住高质量的表面空隙。加工后，试件表面的多孔结构可能被破坏或微孔被阻塞，透气性降低。在这项研究中，分析了线切割和研磨工艺对表面孔隙的影响。图5显示了图1（a）中线切割试件的剖面图，这张剖面图与图3（a）有显着的不同。在这种情况下，多孔结构变差，一些微孔被阻塞，微孔的大小和数量也减小了
10、。此外，在这张图中能看到许多球形颗粒。这些颗粒可能是材料在线切割过程中发生熔化和凝固而形成的。一些微型颗粒堆积在孔洞中，这样试件的部分微孔就被被阻塞了。但试件中仍保留许多连通微孔，仍具有透气性。至于试件，高速磨削导致表面发生塑性变形，所以很多微孔都被阻塞，透气性几乎完全消失。图5.线切割试样的电镜扫描金相图 通常情况下，模具型腔在线切割和其他加工工艺后都需要抛光。图6显示的是试件在水下环境中用细砂纸打磨处理后的显微图像，图上不规则的黑色区域表示材料的孔隙。在水下环境中进行打磨，可以防止试件表面的微孔被阻塞。试件表面水的冷却作用可以阻止基质材料的融化，而且用细砂纸进行缓慢的打磨，也避免了摩擦效应
11、。虽然效率较低，但这一过程能有效的保证试件获得连通的多孔结构。图6试件在水下环境中用细砂纸打磨处理后的显微图像4 注塑实验为了检测注塑模具中透气刚的实用性，专门发明了一台机器（见图7）。这台机器没有额外的排气和吸气系统，它完全是依靠透气钢的透气性实现排气的。 压力图7.注塑模的示意图1. 底板 2.螺栓 3.放电腔4.模具5.顶杆 6.密封橡胶7.模具型腔8.连接螺栓9.注塑腔10.注射杆这项研究采用由304 L不锈钢粉末（包括1质量%的硬脂酸锌）制成的透气材料。所用的生坯是在400兆帕压实压力下获得的压制件。压实后，将压制件置于RSJ-13氨气氛烧结炉中烧结。烧结温度约为1300，烧结过程持
12、续了13小时。这种透气钢的平均孔隙率约为25%，并通过油淬改善其力学性能。模具型腔采用电气放电加工，型腔表面采用抛光研磨，如图8所示。图8.电气放电加工的模具型腔 注塑实验证明了透气刚模具的透气性，模腔中的气体被顺利排出，从而使塑料填满整个透气模，并且零件的表面也十分光滑（参见图9）。这些塑料也不会渗透到模具材料的微孔中阻塞气体通道。经过十几次的注塑实验，模具仍然保持良好的透气性。本实验再次验证了这种多孔钢的良好透气和排气功能。图9.注塑件5 结论(1)用不锈钢粉末制成的生坯，在对其进行粒度分级后再通过控制压实压力，使生坯获得一定的孔隙率。(2)烧结过的压制件内部有很多连通孔，它的强度约为200250兆帕。实验表明，该透气钢具有很好的透气性。(3)采用这种透气刚制成的注塑模，经过多次的注塑实验后，它生产的注塑件仍具有较好的表面质量。由此可以得出结论，这种透气刚始终具有较好的透气性，满足工业应用。
