金屬注射成形燒結(jié)工藝的試驗與數(shù)值模擬

1、第xx卷第x期機 械 工 程 學 報CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGVol.xx No.x xxx 200x200x 年x月金屬注射成形燒結(jié)工藝的試驗與數(shù)值模擬*宋久鵬1, 2BARRIERE Thierry 柳葆生 GELIN Jean-Claude(1西南交通大學應(yīng)用力學與工程系 成都 610031； 2法國Femto-ST研究所應(yīng)用力學實驗室 貝桑松 25000)212摘要：采用粘塑性理論建立燒結(jié)過程的本構(gòu)模型，以316L不銹鋼粉末注射成形產(chǎn)品為例，設(shè)計了燒結(jié)過程中重力作用下的彎曲梁試驗和膨脹計中的自由燒結(jié)試驗，分別用于標定本構(gòu)模型中的粘

2、度模量和燒結(jié)應(yīng)力。通過用戶子程序，在有限元求解器Abaqus®上實現(xiàn)數(shù)值模擬，預(yù)測產(chǎn)品在燒結(jié)過程中的收縮和變形。考慮了重力，摩擦以及注射階段粉末與粘結(jié)劑的偏析效應(yīng)對于燒結(jié)工藝的影響，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致。 關(guān)鍵詞：金屬注射成形 燒結(jié) 粘塑性 有限元法 中圖分類號：TF124 TH1640 前言金屬注射成形（Metal injection molding，MIM）是將微細的金屬粉末與有機粘結(jié)劑均勻混合為具有流變性的喂料，采用注射機注入模腔, 形成坯件，再脫除粘結(jié)劑和燒結(jié)，使其高度致密成為制品。該工藝技術(shù)適合大批量生產(chǎn)小型、精密、形狀復(fù)雜以及具有特殊性能要求的金屬和陶瓷零部件，具有

3、廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟價值1。燒結(jié)是MIM的關(guān)鍵工藝之一，決定最終的制造精度和質(zhì)量。燒結(jié)過程中產(chǎn)品的尺寸收縮率一般在10%20%左右。為得到高精度和高質(zhì)量的產(chǎn)品，必須根據(jù)產(chǎn)品最終的特性確定燒結(jié)工藝參數(shù)以及燒結(jié)前坯件的幾何尺寸。工業(yè)界一直在尋求準確、可靠、高效的數(shù)值模擬方法，以代替目前基于經(jīng)驗的反復(fù)試驗法，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和費用。近幾年來基于連續(xù)介質(zhì)力學的宏觀模型和有限元方法的應(yīng)用，使得燒結(jié)過程的數(shù)值模擬向工業(yè)應(yīng)用邁進了一大步2。合理確定宏觀本構(gòu)關(guān)系中的材料參數(shù)是實現(xiàn)高精度數(shù)值模擬的關(guān)鍵。本項研究從宏觀角度出發(fā)，采用熱彈粘塑性本構(gòu)關(guān)系和有限元方法模擬燒結(jié)過程中產(chǎn)品的尺寸、相對密度、內(nèi)部應(yīng)力狀

4、態(tài)的變化。 模型中涉及到的參數(shù)通過在燒結(jié)爐中進行的彎曲梁試驗和在膨脹計中進行的燒結(jié)試驗進行標定。本研究小組前期針對MIM中由于粉末和粘結(jié)劑密度差異而引起的注射過程的偏析現(xiàn)象，建立了兩相流注射模型和相應(yīng)的高效顯式算法， 教育部博士點基金(20020613005)和法國政府中法聯(lián)合培養(yǎng)博士生項目(20041859)。20060516收到初稿，2006xxxx收到修改稿可以預(yù)測注射后坯件的密度分布3，該結(jié)果作為初始條件引入到后續(xù)的燒結(jié)模擬中。因此該項研究將MIM的注射和燒結(jié)兩步重要工藝的數(shù)值模擬聯(lián)系起來，從而達到對其工藝參數(shù)的整體優(yōu)化。1 燒結(jié)試驗1.1 試驗材料316L不銹鋼是奧氏體金相低碳鋼，具

5、有良好的強度、韌性、耐腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于機械、醫(yī)療、電子等行業(yè)，是MIM 工藝常用的原料之一。試驗中使用美國AMP公司的 ADVAMET 316L 商用喂料。316L 不銹鋼粉末采用氣霧化方法制備，顆粒呈球形，平均粒徑為16 m。喂料的密度為5.164 g/cm3。1.2 試驗方案試驗中使用BOY 22M 注射機將喂料注入到模具型腔中，注射時間為1 s，喂料溫度為175 °C，模具溫度為48 °C 4。注射成形后的試件如圖1所示，包括單澆口和雙澆口的拉伸試件、彎曲試件、主澆道以及流道。注射成形后的試件通過熱脫脂方式除去其中的粘結(jié)劑成分。首先在Servathin脫脂爐中以0

6、.625 °C/min 加熱至220 °C 并保溫2 h，該過程用于脫去粘結(jié)劑中的石蠟。然后在Eurotherm Automation 902C燒結(jié)爐以1 °C/min 加熱至500 °C并保溫2 h，該過程用于去除粘結(jié)劑中的高分子聚合物。脫脂過程中采用氬氣作為保護氣體，緩慢加熱是為了防止試件發(fā)生變形。為使試件具有一定的強度同時脫去試件中殘余的粘結(jié)劑成分，將脫脂后的316L不銹鋼試件放入燒結(jié)爐中，2 °C/min升溫至900200x年xx月 宋久鵬等：金屬注射成形燒結(jié)工藝的試驗與數(shù)值模擬°C并保溫60 min，進行預(yù)燒。預(yù)燒后的試件尺

7、寸變化很小，收縮率小于0.4%，但在粉末顆粒之間已經(jīng)形成了燒結(jié)頸。因此，試件的強度明顯提高，通過拉伸試驗測得其斷裂強度約為100 MPa。圖1 注射成形后的試件采用重力作用下的彎曲梁試驗標定粘塑性本構(gòu)關(guān)系中的粘度模量。將預(yù)燒后的彎曲試件放入真空燒結(jié)爐中，兩端采用氧化鋁板支承。試件的長度為78.70±0.19 mm，寬度為14.95±0.12 mm，厚度為3.33±0.05 mm。支承板之間的跨距為40 mm。測量彎曲試件在不同的燒結(jié)溫度下產(chǎn)生的撓度。Netzsch DIL 402C型膨脹計用于測量試件在燒結(jié)過程中的實時收縮率，其結(jié)果用于標定本構(gòu)關(guān)系中的燒結(jié)應(yīng)力。將

8、預(yù)燒后的流道加工成直徑為6 mm，長為10 mm的圓柱形試件。在膨脹計中采用不同的溫度循環(huán)，測定試件在長度方向的收縮率曲線。試驗中使用氬氣作為保護氣體。通過精密天平測量預(yù)燒后的圓柱形試件的質(zhì)量，并放入氦氣純密度儀測得試件除去孔隙部分的體積，由此計算出316L不銹鋼粉末的理論密度為7.924 g/cm3。使用游標卡尺測量并計算出圓柱形試件的表觀密度。表觀密度與理論密度的比值則作為試件的相對密度。試驗測得預(yù)燒后試件的相對密度約為0.62。為了驗證燒結(jié)模型和數(shù)值模擬方法的正確性，在真空燒結(jié)爐中燒結(jié)拉伸試件，測量其收縮率和力學性能，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行比較。2 燒結(jié)模型2.1 本構(gòu)關(guān)系采用熱彈粘塑性本

9、構(gòu)關(guān)系描述燒結(jié)過程的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系5，即&=&e+&th+&vp (1) 式中 & 總應(yīng)變速率 &e 彈性應(yīng)變速率 &th 熱應(yīng)變速率 &vp 粘塑性應(yīng)變速率 彈性應(yīng)變速率認為是線性和各向同性的，則&=De&e=De(&&th&vp) (2) 式中 & 應(yīng)力速率 De 彈性剛度矩陣由熱膨脹引起的熱應(yīng)變速率可表示為&th=T&I (3) 式中 材料的熱膨脹系數(shù)T& 溫度變化率 I 二階單位張量粘塑性應(yīng)變是指多孔材料在高溫下由于晶界擴散和晶格擴散而引起的蠕變。根據(jù)線

10、性粘塑性理論可表示為&vp=2G+tr()3sI (4) p9Kp式中 應(yīng)力偏張量tr() 應(yīng)力張量的跡s 燒結(jié)應(yīng)力Gp 多孔體的剪切粘度模量Kp 多孔體的體積粘度模量粘塑性應(yīng)變是燒結(jié)坯件總應(yīng)變的主要部分，剪切粘度模量，體積粘度模量和燒結(jié)應(yīng)力是燒結(jié)模型的主要參數(shù)。 2.2 粘度模量剪切粘度模量和體積粘度模量可以從廣義胡克定律類比分析得到6, 即Gpp=2(1+ (5)p)K=pp3(12 (6)p)式中 p 多孔體的單軸粘度p 多孔體的粘性泊松比根據(jù)多孔體連續(xù)介質(zhì)力學的分析7，多孔體的單軸粘度可以近似地表示為p=2e (7)式中 相對密度（表觀密度/理論密度） e 相應(yīng)致密材料在高溫下

11、的等效粘度晶界擴散是金屬粉末注射成形產(chǎn)品燒結(jié)致密化的主要機理8。采用Coble蠕變模型描述金屬材料在高溫下的晶界擴散行為9，即200x年xx月 宋久鵬等：金屬注射成形燒結(jié)工藝的試驗與數(shù)值模擬&=47.5bDbV式中 rp 粉末顆粒的半徑(8) 3kTG式中 & 單軸應(yīng)變速率 晶界擴散的驅(qū)動力b 晶界的厚度Db 晶界擴散系數(shù)V 原子或分子體積k Boltzmann常數(shù)T 絕對溫度G 晶粒直徑晶界擴散系數(shù)是溫度的函數(shù)，即Db=Db0exp(Qb/RT) (9) 式中 Db0 晶界擴散頻率 Qb 晶界擴散的活化能 R 氣體常數(shù)根據(jù)式(8)，致密材料高溫下的等效粘度可以表示為=kTG3

12、e&=47.5 (10) bDbV因此多孔體燒結(jié)過程中的單軸粘度為3p=ATG2exp(B/T) (11) 式中 A=k47.5bDb0VB=Qb/R多孔體的粘性泊松比是其相對密度的函數(shù)6，即p1232(12)該近似表達式與單軸燒結(jié)壓縮試驗的結(jié)果接近7。隨著燒結(jié)過程中相對密度的不斷增加，粘性泊松比也不斷增大。當燒結(jié)體中的孔隙完全去除，即=1時，p=0.5，體積粘度模量則為無窮大，與致密材料的不可壓縮特性一致。 2.3 燒結(jié)應(yīng)力燒結(jié)應(yīng)力取決于相對密度、材料的表面自由能、晶粒的形狀及尺寸、孔隙的形狀與尺寸等因素。Olevsky針對圓柱形孔隙情況，推導(dǎo)出燒結(jié)應(yīng)力與相對密度的平方成正比，而與粉

13、末顆粒尺寸成反比 10。因此燒結(jié)應(yīng)力可表達為C2s=r (13) pC 材料參數(shù)，是表面自由能的函數(shù)燒結(jié)應(yīng)力在燒結(jié)過程中隨著微觀結(jié)構(gòu)的演化而變化。在燒結(jié)的初始階段，燒結(jié)應(yīng)力與粉末顆粒尺寸以及燒結(jié)頸的尺寸有關(guān)。燒結(jié)中期，燒結(jié)體內(nèi)孔隙相互連通，孔隙呈圓柱形，燒結(jié)應(yīng)力與孔隙的曲率相關(guān)。燒結(jié)的后期，晶粒迅速長大，孔隙位于晶界的交匯處，并開始封閉和消失，此時燒結(jié)應(yīng)力取決于晶粒尺寸和孔隙的尺寸。由于燒結(jié)過程收縮主要發(fā)生在燒結(jié)的中期，此時晶粒長大并不明顯，因此本研究中采用式(13)來近似計算整個燒結(jié)過程的燒結(jié)應(yīng)力。通過對燒結(jié)的 材料參數(shù) 3個不同的階段分別標定C 來修正燒結(jié)應(yīng)力的計算值。2.4 晶粒長大在燒

14、結(jié)的后期，晶粒的迅速長大不利于零件的致密化。文獻5總結(jié)燒結(jié)過程中晶粒長大的幾種模型。316L不銹鋼粉末燒結(jié)過程中的晶粒長大行為可描述為 dGDexp(QG/RT)dt=G(14) 式中 QG 晶粒長大的活化能D 材料參數(shù)對 316L 不銹鋼粉末， 當溫度低于1 200 °C， QG= 315.8 kJ/mol，否則QG = 50 kJ/mol。Koseski測量了 316L 不銹鋼 MIM 零件在燒結(jié)過程中的平均晶粒尺寸的變化11，該數(shù)據(jù)可用于確定參數(shù)D。 2.5 相對密度燒結(jié)過程中相對密度的變化符合質(zhì)量守恒定律，即&=tr(&) (15) 式中 tr(&)

15、總應(yīng)變速率的跡 3 模型參數(shù)的標定3.1 燒結(jié)階段的劃分316L不銹鋼粉末坯件的致密化對于燒結(jié)溫度、升溫速率和燒結(jié)氣氛都很敏感。圖2顯示出一典型的燒結(jié)溫度循環(huán)，包括升溫、保溫和冷卻3步，其升溫速率為8 °C/min，最高溫度為1 360 °C，保溫60 min。圖2顯示了膨脹計測得的軸向收縮率曲線。燒結(jié)體在溫度升高到1 050 °C左右后開始產(chǎn)生明顯的收縮。燒結(jié)致密化過程主要發(fā)生在升溫階段。根據(jù)收縮速率的大小可以將燒結(jié)過程分為圖1所示的3 個階段。在燒結(jié)的初始階段，燒結(jié)頸開始形成，燒結(jié)體收縮緩慢。在中間階段，粉末顆粒間的孔隙200x年xx月 宋久鵬等：金屬注射成形

16、燒結(jié)工藝的試驗與數(shù)值模擬相互連通，燒結(jié)體迅速收縮。在燒結(jié)的最后階段，隨著相對密度的上升和晶粒的迅速長大，燒結(jié)體收縮速率很小。在1 050 °C以前和冷卻過程中主要是由溫度變化而引起的膨脹和收縮。圖2 316L不銹鋼粉末典型的燒結(jié)溫度循環(huán)及收縮率曲線3.2 粘度模量參數(shù)的標定采用燒結(jié)過程中的彎曲梁試驗來確定粘度模量中的參數(shù)A和B。彎曲試件在燒結(jié)過程中，由于自身重力的作用，將產(chǎn)生彎曲，如圖3所示。1200 °C1300 °C1250 °C 1350 °C圖3 彎曲試件在10 °C/min升溫至不同溫度并迅速冷卻的燒結(jié)過程中發(fā)生的彎曲燒結(jié)體

17、的單軸粘度可表示為彎曲試件撓度速率的函數(shù)12，即54 agLsp=32'2 (16) m式中a 彎曲試件的表觀密度g 重力加速度Ls 氧化鋁支承板間的跨距&m 彎曲試件中間位置的撓度速率 彎曲試件的厚度試驗測得的不同燒結(jié)溫度下彎曲試件中間位置的撓度并計算出的撓度速率如圖4所示。如圖3所示，在1 300 °C 至1 350 °C 之間，試件不但產(chǎn)生彎曲，而且向中間流動，發(fā)生很大的變形，因此撓度測量值的誤差較大。根據(jù)圖4所示的數(shù)據(jù)和式(16)計算出不同燒結(jié)溫度時的單軸粘度。式(11)計算出的單軸粘度應(yīng)該與彎曲梁試驗計算出的結(jié)果一致。根據(jù)式(11)，單軸粘度取決于

18、參數(shù)A和B的組合。取Qb=167 kJ/mol13，即B=2.01×104 K。通過優(yōu)化算法，確定參數(shù)A的合適值，使得式(11)計算得到的單軸粘度接近試驗數(shù)據(jù)。表1顯示了標定的粘度模量的參數(shù)值。采用優(yōu)化后參數(shù)計算得到的單軸粘度和試驗計算得到的單軸粘度如圖5所示。圖4 彎曲試件中間位置的撓度及撓度速率 表1 根據(jù)彎曲梁試驗標定的粘度模量參數(shù).燒結(jié)階段 A/(10Pa·s/(m·K) B/(10K)0.00<0.64 5.19 2.01 0.64<0.92 1.97 2.01 0.92<1.0016.1 2.01圖5 采用優(yōu)化后參數(shù)和試驗分別計算得到

19、的單軸粘度3.3 燒結(jié)應(yīng)力參數(shù)的標定通過膨脹計中的燒結(jié)試驗可以測出圓柱形試件在軸向的實時收縮率，即=(LL0)/L0 (17) 式中 試件的軸向收縮率 L 試件的瞬時長度L0 試件的初始長度圓柱形試件在膨脹計中水平放置在氧化鋁支承槽上，一端與限位板接觸，另一端與位移傳感器的頂桿接觸。頂桿的推力很小，約為15 cN。因此，忽略接觸摩擦和重力的作用以及彈性應(yīng)變，將燒結(jié)過程視為自由燒結(jié)。本構(gòu)方程(1)-(4)可簡化為200x年xx月 宋久鵬等：金屬注射成形燒結(jié)工藝的試驗與數(shù)值模擬1dLLdt=T&13Ks (18) p式中的右端項中的體積粘度模量可通過上述的粘度模量公式和已標定的粘度模量參數(shù)

20、計算得到。因此，結(jié)合式(13)，求解微分方程式(18)，得到試件的瞬時長度L，從而由式(17)確定試件的收縮率。通過優(yōu)化算法，標定燒結(jié)應(yīng)力參數(shù)C的值，使數(shù)值模型計算出的收縮率接近試驗值。表2顯示了針對圖2所示的燒結(jié)溫度循環(huán)標定的參數(shù)C的值。試驗和數(shù)值模擬得到的收縮率曲線如圖6所示。表2 針對圖2所示的溫度循環(huán)標定的燒結(jié)應(yīng)力參數(shù)燒結(jié)階段 C /(N/m) 0.64<0.92 2.12 0.92<1.000.19圖6 試驗和數(shù)值模擬得到的圓柱形試件的軸向收縮率曲線3.4 討論粘度模量和燒結(jié)應(yīng)力是燒結(jié)模擬的重要參數(shù)。對于多孔材料在高溫燒結(jié)過程中的粘度，很難從資料中找到準確的數(shù)據(jù)。根據(jù)不同

21、資料計算出來的粘度往往存在幾個數(shù)量級別的差異。上述標定方法計算出的單軸粘度為0.1942.55 GPa·s。如圖5所示，在燒結(jié)的初始階段，溫度升高引起的熱軟化效應(yīng)使得單軸粘度降低。當進入燒結(jié)的中間階段時，燒結(jié)體的相對密度迅速上升，單軸粘度也隨之上升。在燒結(jié)的最后階段，燒結(jié)體的密度變化很小，溫度的繼續(xù)升高將會使單軸粘度迅速下降，導(dǎo)致彎曲試件產(chǎn)生大的變形，如圖3所示。Blaine等測定的加入硼粉末的316L不銹鋼粉末模壓件在燒結(jié)過程中的單軸粘度為0.20.6 GPa·s12。Vagnon等測得的316L不銹鋼粉末模壓件在燒結(jié)過程中的單軸粘度為0.40.6 GPa·s1

22、4。由于燒結(jié)過程在高溫下進行，所以很難用準確的試驗方法測得燒結(jié)體的單軸粘度。試驗結(jié)果受到材料、坯件的成形方法、燒結(jié)溫度、測量方法等因素的影響。不同的計算公式表明燒結(jié)應(yīng)力一般為1/33 MPa，取決于計算公式中的各種假設(shè)15。上述標定方法計算出的燒結(jié)應(yīng)力為0.020.23 MPa。在彎曲梁試驗中當溫度大于1 250 °C時，試驗和模型計算得到的單軸粘度存在較大的差異，如圖5所示。彎曲梁試驗的溫度點較少是造成優(yōu)化結(jié)果誤差的主要原因。在1 250 °C 到1 300 °C之間，燒結(jié)致密化迅速進行，此階段應(yīng)取多個溫度點進行彎曲試驗。在1 300 °C以后試件開始

23、流動，出現(xiàn)大的變形，此時測量得到的撓度和式(16)的計算誤差較大。此外，確定更加合適的彎曲試件尺寸和兩端支承間的跨距，使得試件在燒結(jié)過程中產(chǎn)生合理的彎曲而無流動，可以使測量結(jié)果更加準確。本研究中利用彎曲梁試驗確定了單軸粘度的量級并在此基礎(chǔ)上用膨脹計試驗標定了燒結(jié)應(yīng)力。由式(4)可知，燒結(jié)過程中的收縮量取決于燒結(jié)應(yīng)力和體積粘度模量的比值，而燒結(jié)變形則取決于剪切粘度模量。因此，利用上述標定參數(shù)進行數(shù)值模擬，對于預(yù)測燒結(jié)件的收縮量是準確的。對于燒結(jié)件的變形預(yù)測則可能存在較大的誤差。在MIM工業(yè)中，主要是預(yù)測試件的非均勻收縮率，從而確定注射成形模具的設(shè)計。4 數(shù)值模擬上述模型通過用戶子程序UMAT在有

24、限元軟件Abaqus®的熱力耦合求解器上的實現(xiàn)數(shù)值模擬。下面以圖1所示的單澆口拉伸試件為例，通過數(shù)值模擬分析其燒結(jié)前后的尺寸變化。根據(jù)對稱性，取試件的一半進行分析。通過兩相流注射模擬計算得到的初始相對密度場作為初始條件引入到燒結(jié)模擬中。采用C3D8RT單元劃分網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)量為1 896個，單元數(shù)量為1 170個，如圖7所示。圖7 拉伸試件的有限元網(wǎng)格以及初始相對密度場分布對于 316L 不銹鋼，數(shù)值模擬中采用的楊氏模量為 196 GPa，彈性泊松比為0.28。 熱傳導(dǎo)系數(shù)為14.6 W/(m°C) 5。根據(jù)膨脹計燒結(jié)試驗測得的熱膨脹系數(shù)為1.12×10-5 /&#

25、176;C。拉伸試件平放在氧化鋁平板上進行燒結(jié)。數(shù)值模擬中試件與支承板間的摩擦通過庫侖摩擦定律描述，摩擦系數(shù)選0.216。采用200x年xx月 宋久鵬等：金屬注射成形燒結(jié)工藝的試驗與數(shù)值模擬圖2所示的溫度循環(huán)和表1及表2標定的模型參數(shù)進行數(shù)值模擬。燒結(jié)后拉伸試件的相對密度分布如圖8所示?？梢?，燒結(jié)過程使得試件的相對密度分布趨向一致，只是在初始相對密度場梯度較大的極少部分區(qū)域，燒結(jié)后相對密度偏高或偏低。然而，初始密度的不均勻分布則導(dǎo)致了燒結(jié)后試件在各個方向的收縮率不同。圖9顯示了數(shù)值模擬計算出的燒結(jié)后拉伸試件在不同方向的收縮率。圖8 燒結(jié)后拉伸試件的相對密度場分布圖9 燒結(jié)后拉伸試件的在不同方向

26、的收縮率在真空燒結(jié)爐中對預(yù)燒后的單澆口拉伸試件采用圖2所示的溫度循環(huán)進行燒結(jié)，燒結(jié)后的拉伸試件較注射成形后的坯件發(fā)生大的收縮，如圖10所示。試驗測得拉伸試件在長度、寬度和厚度方向的平均收縮率分別為13.11%，14.09和14.55。造成試件在長度和寬度方向的收縮率小于厚度方向的主要原因是燒結(jié)過程中試件與氧化鋁支承板之間存在摩擦。在數(shù)值模擬中使用的模型參數(shù)是以膨脹計中進行的燒結(jié)試驗的收縮率為基準的，采用的圓柱形試件很小，與氧化鋁支承槽的接觸面積也很小，因此摩擦力對于燒結(jié)收縮率的影響不及拉伸試件明顯。重力對于燒結(jié)產(chǎn)品的收縮和變形的影響與零件的大小以及燒結(jié)中采用的支承方式相關(guān)。對于圖10所示的拉伸

27、試件，當采用整個底面作為支承面時，如圖7所示，重力對于收縮率的影響是很小的。燒結(jié)后注射成形后圖10 注射成形后的坯件和燒結(jié)后拉伸試件MIM工藝主要用來制造小型的精密零件，其尺寸精度有時要求達到±0.2%。此時，根據(jù)圖9的計算結(jié)果可知，控制由于燒結(jié)前坯件的不均勻初始相對密度分布而引起的燒結(jié)后零件的各向不均勻收縮是必須的。因此在MIM的混料階段，需合理增加喂料的粘度，減少粉末和粘結(jié)劑在注射階段的高速運動中的分離。同時，采用數(shù)值模擬方法優(yōu)化注射模具和注射工藝參數(shù)的設(shè)計，以減少注射偏析。5 結(jié)論基于熱彈粘塑性本構(gòu)關(guān)系的連續(xù)力學模型可用于描述MIM坯件在燒結(jié)過程中的宏觀收縮和變形。將彎曲梁試驗

28、和膨脹計中的燒結(jié)試驗結(jié)合，標定本構(gòu)模型中的粘度模量和燒結(jié)應(yīng)力，可使數(shù)值模擬結(jié)果更加準確。對于形狀復(fù)雜的零件，采用有限元方法實現(xiàn)燒結(jié)過程的數(shù)值模擬，并分析重力、摩擦以及注射階段由于粉末與粘結(jié)劑的偏析而產(chǎn)生的非均勻初始密度分布等因素對于燒結(jié)產(chǎn)品最終尺寸精度的影響。 因此燒結(jié)數(shù)值模擬的結(jié)果不但可以為燒結(jié)工藝的優(yōu)化，而且可以為注射工藝參數(shù)和模具設(shè)計提供依據(jù)。參 考 文 獻1 GERMAN R MPowder injection molding - design andapplicationsMPennsylvania：IMS Inc.,2003 2 GERMAN R MComputer modelli

29、ng of sinteringprocessesJ.Int. J. Powder Metall.,2001,38(2)：48-66.3 柳葆生，BARRIERE T，GELIN J C金屬注射成形的數(shù)值模擬和高效算法J.中國機械工程,2002,13(22)： 1 907-1 9104 BARRIERE T，LIU B，GELIN J CDetermination ofoptimal process parameters in metal injection molding from experiments and numerical modelingJJ. Mater. Process. Te

30、chnol.，2003，143-144：636-6445 ZHANG R，ENGEL R S，SALAMON J，et alFiniteelement analysis on sintering of stainless steel 316L200x年xx月 宋久鵬等：金屬注射成形燒結(jié)工藝的試驗與數(shù)值模擬powder compactsC/ Metal Powder Industries SIMULATIONS ON SINTERINGFederation2002 Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials，June 16-21

31、，2002，Orlando，F(xiàn)loridaPrinceton，New Jersey：MPIF，2002：Part 9, 60-686 BORDIA R K，SCHERER G WOn constrained sintering-I.Constitutive model for a sintering bodyJActa Metall.，1988，36(9)：2 393-2 3977 PETERSON A，AGREN JConstitutive behavior ofWC-Co materials with different grain size sintered under loadJAct

32、a Mater.，2004，52：1 847-1 858 8 GERMAN R M，BOSE AInjection molding of metals andceramicsMPrinceton，New Jersey：MPIF,1997 9 COBLE R LA model for boundary diffusion controlledcreep in polycrystalline materialsJJ. Appl. Phys.，1963，34 (6)：1 679-1 68210 OLEVSKY E ATheory of sintering: from discrete toconti

33、nuumJMater. Sci. Eng. R，1998，23：41-100 11 KOSESKI R P，SURI P，EARHARDT N B，etalMicrostructural evolution of injection molded gas- and water-atomized 316L stainless steel powder during sinteringJ. Mater. Sci. Eng. A，2005，390：171-177 12 BLAINE D C，BOLLINA R，PARK J，et alCritical use ofvideo-imaging to r

34、ationalize computer sintering simulation modelsJ. Compu. Ind.，2005，56：867-87513 GERMAN R MSintering theory and practicesMNewYork：John Wiley,199614 VAGNON A，BOUVARD D，KAPELSKI GAnanisotropic constitutive model for simulating the sintering of stainless steel powder compactsC/CD/BOUVARD DProceedings of

35、 the 4th International Conference on the Science, Technology & Applications of Sintering，August 29-September 1，2005，Grenoble，F(xiàn)rance：232-235 15 GERMAN R MStrength Evolution in Debinding andSinteringC/OL/Penn State UniversityProceedings of the 3rd International Conference on the Science, Technolog

36、y & Applications of Sintering，September 15-17，2003，State College，Pennsylvania： /conferences/sint03/16 OLEVSKY E A，GERMAN R M，UPADHYAYA AEffectsof gravity on dimensional change during sintering-II. Shape distortionJActa Mater.，2000，48：1 167-1 180EXPERIMENTS AND NUMERICALPROCESS OF METAL INJECTIONMOLDED