金属注射成形喂料的流动行为及粘度参数的测定

第26卷　第1期1997年　2月

稀有金属材料与工程

RA R E M ETAL M A T ER I AL S AND EN G I N EER I N G

V o l126,N o11

Feb ruary　1996

a金属注射成形喂料的流动行为

及粘度参数的测定

李益民 曲选辉　黄伯云　邱光汉

(中南工业大学,长沙　410083)

摘要　从材料的综合流动曲线及聚合物、粘结剂的流动性能,分析了金属注射成形喂料

的流动行为,给出了用毛细管粘度计测量金属注射成形喂料粘度并确定其流动曲线参

数的分析方法。

关键词　金属注射成形　喂料　流动　粘度

1　前　言

金属注射成形(M etal In jecti on M o lding,简称M I M)是近年来国外迅猛发展的一种粉末冶金近净成形技术,是将塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而获得的一种崭新的粉末冶金高技术。其中喂料流动性能是影响整个技术的关键性因素之一,测定并从理论上把握金属注射成形喂料的流动性能是获得高质量的注射成形生坯并控制随后的脱脂和烧结过程的前提条件。本研究从M I M喂料中聚合物、粘结剂的流动性能出发,分析M I M喂料的流动行为,并从理论上分析其粘度的精确测定方法,以便为整个金属注射成形工艺提供基本的材料性能评价参数。

2　M I M喂料流动行为分析

材料对其组分体积单元位置的不可逆变化的反抗,即对流动的反抗,以及所伴随的机械能到热能的转化,可以用一个称之为“粘度”的参数来表示。粘度为剪切应力S和剪切速率C之比。一般采用剪切应力—剪切速率曲线,即流动曲线来描述流体的流动行为。L enk[1]认为,在层流条件下,除奥斯托瓦尔德流体外,所有的流动类型都构成一个综合响应图的一部分,这些部分可加和起来,形成一条综合流动曲线,如图1所示。所有的流动类型均可以用该综合流动曲线进行分析。 金属注射成形喂料为一种粉末粘结剂分散体系。其中粘结剂一般由多组元构成,包括主要的一种低熔点、低分子量组元和一种高熔点、高分子量聚合物,其中聚合物骨架决定了粘结剂的流动粘度[2]。而聚合物熔体通常为假塑性体,在一定温度下,随着剪切速率的增加,其粘度值下降。其流动性能可用下式表示:

S=K C n(1

)

图1　L enk的综合流动曲线

F ig11　Cu rves of L enk comp rehen sive flu id

式中S为剪均应力,C

1

为剪切速率,k和n为常数,且n<1。根据L enk的综合流动曲线,假塑性体的初始牛顿区非常小,在流动曲线上基本不显现出来。而要超过假塑性本体部分进入第二牛顿区,需要近似无穷大的粘度,故其流动曲线可以表示为图2所示形式。这就是一般聚合物熔体以及M I M粘结剂在

a联系人:李益民,男,25岁,博士,中南工业大学粉末冶金研究所,长沙,410083

图2　假塑性体流动曲线

F ig 12　Cu rves of fake p lastic flu id

注射成形温度下的流动性能。

在注射成形温度下,金属注射成形喂料的流动

性能是由粘结剂提供的[3]。当粘结剂表现出一种假塑性流动时,M I M 喂料也表现为假塑性体,随着剪切速率增加,粘度下降。由于M I M 喂料含有高体积分数的粉末颗粒,粉末颗粒破坏粘结剂的流动,使得其粘度与粘结剂相比大大提高。而且,大多数M I M 喂料存在一个屈服点[4]。理想的M I M 喂料应该是粉末颗粒完全为粘结剂所包裹,且粉末与粉末之间间隙也完全为粘结剂所填充。这种理想的M I M 喂料在注射成形温度下表现出与图2完全一致的假塑性体行为。但是,因为大多数M I M 喂料中粉末颗粒经常存在直接接触。在外力作用下,由于粉末之间的相互作用,M I M 喂料在低于一定的剪切应力时不产生流动,即存在一个屈服应力。外加剪切应力必须大于屈服点,M I M 喂料才开始发生流动,并表现出一种假塑性行为。这样,在注射成形温度下的M I M 喂料可以称之为具有屈服点的假塑性流体,如图3所示。运用L enk 的综合流动曲线,可以解释为初始牛顿粘度与剪切应力坐标轴重合。在剪切应力达到一个确定的屈服应力之前,

综合流动曲线与剪切应力坐标

图3　M I M 喂料流动曲线

F ig 13　Cu rves of M I M feed flu id

一直是重合的。因此,注射成形温度下的M I M 喂料流动行为可以用下式表示:

S =S y +k C 1

n

(2)

式中S y 为屈服应力。

3　粘度参数的测定

在确定M I M 喂料流动行为后,为了有效地预测注射行为和随后的脱脂和烧结过程,需要进行粘

度参数的测定。由于M I M 喂料的粘度与工业上使用的热塑性塑料的粘度处于同一范围,测定M I M 喂料粘度参数,一般采用塑料行业中所使用的毛细管粘度计。毛细管粘度计给出的信息不仅可以用来测定粘度,还能反映出喂料的稳定性、均匀性、粉末和粘结剂两相分离程度等指标。毛细管粘度计的工作原理是在活塞上施加一定压力将流体从毛细孔中挤出。在稳定流动的条件下,测量沿毛细管的压强降$P 和流量Q 即可获得该温度条件下的剪切应力和剪切速率值,也就得到了粘度值。对于牛顿流体,其剪切应力和剪切速率如下式所示[5]:

S w =

$P 2(L R )(3)C 1

a =

4Q

P R 3(4)

上式中L 和R 分别为毛细管的长度和半径,S w 为管壁处的剪切应力。C 1

a 对于牛顿流体,即为管壁处的剪切速率;对于非牛顿流体,则为表观剪切速率。

由于M I M 为具有屈服点的假塑性流体,其粘度值的获得需要经过一些处理。在毛细管粘度计中,管壁的剪切应力与流体流动行为无关,故M I M 喂料在毛细管壁的剪切应力值仍可以采用式(3)表示。但是,对于不同L R 值的毛细管,存在一个毛细管的“入口效应”的修正问题。由于测量得的$P 实际上包括了沿毛细管的压强降和毛细管入口的压强降,为了保证粘度数值的精确性,需要对式(3)进

行修正。B agley [6]认为,要消除这种“入口效应”

,可以假定一个比实际毛细管长度大的有效毛细管长度,即毛细管长度用(L +aR )表示,这样,式(3)变为:

S w =

$P

2(L R +a )

(5)

通过在给定表观剪切速率条件下,采用几种不同L R 值的毛细管,取点作$P -L R 曲线图,可以得到线性的$P -L R 曲线,该直线在$P =0时的截距即为“入口效应”a 值。具体校正方法见文献

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