喷射成形在模具注塑和压铸中的应用

摘要

快速凝固工艺（RSP）加工是一种适合生产塑型和模具的喷射成形技术。是在一个步骤中把快速凝固处理和net-shape材料加工相结合的方法。喷洒存放捕捉功能工具模式的能力消除了昂贵的加工工序常规模具制造，并减少了周转时间。此外，快速凝固抑制碳化物析出和增长，让许多铁素体工具钢人工老化，替代传统的热处理，提供了独特的好处。材料性能和微观结构的转变在热处理的喷射成形工具钢H13中有描述。

导言

塑型，模具，以及相关的工具是用来塑造许多我们在家里或在工作上每天使用的塑料和金属部件。一个理想的加工的过程中一部分形状（核心和腔）由伪造工具钢或粗金属铸件铸造，且增加冷却渠道，孔，和其他机械的功能，其次是粉碎。许多模具经过热处理（ austenitization /淬火/回火）来改善钢的性能，其次是最后的研磨和抛光，以达到理想的效果。常规制作模具是非常昂贵，费时的，因为：

⒈ 顾客定制，这反映了形状和质地要接近理想效果。

⒉ 使用的材料难以用机器进行加工和工作。工具钢行业需要员工长期的生产经营。加工工具钢需要加强设备资本，因为专门的设备往往需要个别加工步骤。

⒊ 加工机械必须准确。往往由许多单独部分组成，必须制造准确使得产品最终能正常工作。注塑模具的费用，随规模和复杂性的不同，从10000美元到30000美元左右不等（美国） ，定货到交货的为3至6个月。工具检查和部分资格可能需要额外的3个月。大型压铸模的传输和钣金冲压模具制造汽车车身面板可能耗资超过100万美元（美国） 。交货时间通常大于40周。大型汽车公司（美国）每年要投资约10亿美元来生产新的元件，用于他们的新系列轿车和卡车中。喷射成形具有巨大的潜力，它能降低成本和交货时间，它省略了研磨和抛光等步骤。此外，喷雾形成具有强有力的手段来控制隔离期间的合金元素凝固和碳化物的形成，并能创造有利的亚稳相在许多常用工具钢的铁素体中。其结果是，热处理可以用相对较低的温度沉淀硬化来定制属性，如硬度，韧性，热疲劳阻力和力量。本文介绍了应用喷射成形技术生产H13的注塑模具和压铸应用，以及低温热处理的好处。

快速凝固工艺加工

快速凝固工艺（RPS）加工，是一种适合生产模具的喷射成形技术。是把快速凝固处理和net-shape材料加工结合为一个步骤的加工方法。转换模具为图形的一般概念是根据设计说明来用CAD文件勾画出蓝图，使用合适的快速原型（反相）技术来确定主要的加工步骤，如光固化。根据图形使用氧化铝或石英来浇注一个陶瓷，（图1 ） 。随后再喷射一层工具钢 （或其他合金）来获取所需的形状，表面纹理和细节。再将由此产生的金属块冷却到室温，之后将其分离。通常情况下，那层的外围被作为一个泥框架来注入材料 。整个模具的制作周转时间约3天。模具生产的这种方式已被用于原型和生产运行在注塑和压铸。

Figure 1. RSP Tooling? processing steps.

快速凝固工艺加工一个重要的好处是它允许在注塑前提早为一个部件作出设计流程。真正的做到配合零件评估的形式，使用相同的生产工艺计划来进行原型制造。如果这部分是合格的，可在加工运行中将其作为常规的生产加工来使用。作为一个容易被修改的数字化数据库和RP技术设计保存使用。

实验程序

氧化铝基陶瓷（ Cotronics 780  ）标准模具是用硅橡胶或主要用冻结铸造。建立之后，陶瓷模型被演示，在窑中用火烧，并冷却到室温。 H13的工具钢在氮保护气的影响下，过热约100 ℃后会熔化 ，压力被送入到收敛/发散型喷雾嘴中。在惰性气体中喷雾装置飞行有最小的氧化雾化液滴，它们以200公斤/小时的速度沉积着。天然气金属质量流率大约为0.5 。

对于拉伸性能和硬度评价，喷射成形材料切片使用线切割机并形成一个0.05毫米厚的热影响区。每个样本涂上BN且放置在一个密封的金属箔包作为一项预防措施，以防止脱碳。人工样本在温度400至700 ℃中放置1小时，然后气冷。常规热处理H13的方法是将其放置于1010℃的austenitized中30分钟。然后气冷，最后以538℃双重锻炼（分别2小时）。

在室温下使用岛津M型维氏硬度测试法对显微硬度进行测量时读数缓慢的上升平均10小格。再使用奥林巴斯光学模型酯酶-3金相和Amray模型1830扫描电子显微镜观测工具钢的微观结构的蚀刻（ 3 ％ 尼特）。之后通过energydispersive能谱（EDS公司）对相组成进行分析 。使用Microtrac对overspray样本的粒度分布进行全范围分析，再用粉末粒子分析仪对200微米筛删除粗片后，利用阿基米德定律和梅特勒余额对采样密度进行评价（示范AE100）。

一种类似1-D计算机代码开发的INEEL是用来评测多相流行为内喷管和自由射流地区的。守则的基本数值解决了稳态气体流场通过自适应网格的问题，保守的变量的方法和治疗液滴相在拉格朗日的方式充分的空气动力学和精力充沛的耦合关系飞沫和运输天然气。液态金属喷射系统天然气动态，影响传热和墙摩擦也包括在内。该代码还包含一个非平衡凝固模型，允许滴过冷和复辉。这个代码使得地图的温度和流速剖面的天然气好平衡，且雾化液滴在喷嘴和自由射流地区中。

结果与讨论

喷射成形是一个强大的快速模具制造技术，该技术使得工具钢模具成为了一个简单的生产方式。实例插入模具中给出了图2 。喷射成形使用陶瓷部分格局产生反相。

Figure 2. Spray-formed mold inserts. (a) Ceramic pattern and H13 tool steel insert. (b) P20 tool steel insert.

粒子和气体的运动

图3是H13的工具钢喷剂大规模的粒子质量和累积频率分布图。许多通过中心点的直径的插值被确定为56微米，大小相当于50 ％的累积量。意思是该地区平均直径和数量的直径计算分别为53微米和139微米。其几何标准偏差为ód=(d84/d16)½， 图3 表示在d84和d16的粒径相应的84％和16％累积量为1.8。

Figure 3. Cumulative mass and mass frequency plots of particles in H13 tool step sprays.

图4给出的计算结果为多相流场速度（图4a）和H13工具钢固体部分的内部的自由射流喷嘴和地区（图4b）。气体的速度增加直到电击前位置，之后它急剧下降，最终达到喷嘴腐烂指数以外。小水滴极可能用不规则速度运动，之后加快喷嘴内部和外面减速。最终达到最后的速度。

众所周知，喷射成形中的高颗粒冷却速度在喷雾射流（103-106的K/s）和大量储存粒子的复辉（1-100开/分）。大部分粒子造成坚实的部分约为0.75 。比计算固体分数概况小（~30微米）且存在大型飞沫（~150微米）进入喷嘴中，如图4b。喷射成形储蓄

这种高热量提取率降低侵蚀影响表面的工具模式。它可以配合适当的工艺条件将不大令人满意的传统的金属铸造工艺用于相对较软的陶瓷材料浇注。

Figure 4. Calculated particle and gas behavior in nozzle and free jet regions. (a) Velocity profile.(b) Solid fraction.

精细表面细节可以成功地转移到模式喷射成形模具。表面粗糙度依赖于成型表面的格局。泥浆铸造商业生产的陶瓷表面粗糙度约为1微米，适用于许多成型。沉积工具在玻璃钢板材的镜面表面约为0.076微米。在如今的国家的发展中，三维重复性喷射成形模具有着共同的重要性。

化学

H13工具钢的化学目的是使材料承受的温度，压力，磨损和热循环能达到苛刻的要求，如模具铸造。它是最流行的压铸合金和全球第二受欢迎的工具钢的注塑。该钢具有较低的碳含量(0.4 wt.%)，以促进韧性，和中等铬含量(5 wt%) ，以提供良好的抗高温软化，1％的硅含量，以改善抗高温氧化，小量的钼，并且钒也有所增加（约1 ％），因此能形成稳定的碳化物，增加抗冲蚀磨损。根据成分的分析，对H13的工具钢前后喷射成形的结果总结在表1中，表明无显着变化和合金补充。

微观结构

H13工具钢的大小，形状，类型和分布的碳化物发现是取决于处理方法和热处理。通常的商业钢加工是在轧机退火条件和热处理（austenitized /淬火/回火）之前使用的。典型的方法是在高达1010℃的austenitized中处理，后在空气中或油中进行淬火，并以540至650℃进行认真锻炼两次或三次，直到获得所需的结合硬度，热疲劳抗力，和韧性。