定义

欠注又叫短射、充填不足、制件不满，俗称欠注（如下图所示），指物料末端出现部分不完整现象或一模多腔中一部分填充不满，特别是薄壁区或流动路径的末端区域。主要是因为熔料在没有充满型腔就冷凝了，熔料进入型受腔后没有充填完全，导致产品缺料。

 

原因: 

1) 料温或模温过低，通常，在适合成型的范围内，料温与充模长度接近于正比例关系，低温熔料的流动性能下降，使得充模长度减短。

2) 加料量不足，目前常用的控制加料的办法是定体积加料法，

3) 喂料粘度过大, 一般升高喂料温度则可解决此问题；

4) 料流动性差，因此应改善模具浇注系统的滞流缺陷，如合理设置浇道位置，扩大浇口，流道和注料口尺寸，以及采用较大的喷嘴等。

5)注射压力或保压不足，注射压力与充模长度接近于正比例关系，注射压力太小，充模长度短，型腔填充不满。

6)注射速度太慢，注射速度与充模速度直接相关。如果注射速度太慢，熔料充模缓慢，而低速流动的熔体很容易冷却，使其流动性能进一步下降产生欠注。

7)浇注系统设计不合理。实际生产中往往因浇口和浇道平衡设计不合理导致塑件外观缺陷。设计浇注系统时，要注意浇口平衡，各型腔内塑件的重量要与浇口大小成正比，使各型腔能同时充满，浇口位置要选择在厚壁处，也可采用分流道平衡布置的设计方案。若浇口或流道小，薄，长，熔料的压力在流动过程中沿程损失太大，流动受阻，容易产生填充不良。对此应扩大流道截面和浇口面积，必要时可采用多点进料的方法。

 

混炼过程需严格控制, 因为这一步骤产生的缺陷, 在以后的步骤中无法弥补并且会引发许多新的缺陷.对于硬质合金在混炼时, 因硬质合金粉末不规则、颗粒细, 须延长混料时间。若是亚微米粉末, 颗粒间的作用力较大, 可能产生团聚。为获得均匀喂料, 须加入极性分子粘结剂如乙烯—醋酸乙烯共聚物等, 以减少颗粒团聚和粉末间摩擦, 从而在尽可能短时间内获得均匀喂料。若因粉末粒度分布不佳导致的粉末颗粒因粒度不同而产生的偏聚, 可采用粘度较高的粘结剂,如高密聚乙烯等。混炼时温度过低,喂料的粘度就会增大, 导致喂料和混料器之间的磨损而带入异物, 且会在喂料中间夹入空气而引发后续缺陷（下图混炼设备）。

混炼温度

混炼温度太低, 喂料粘度过大, 容易引入异物, 同时会导致搅拌挤压不充分、不均匀，喂料中夹入过多气体, 带入注射生坯中产生孔隙;混炼温度过高则会恶化粘结剂性能和导致粉末同粘结剂分离;

 

混炼机转速

混炼机转速太快而产生的高剪切力将导致磨损引入杂质, 转速太低则不能产生足够的剪切力粉碎合金粉末团粒、不能使粘结剂的粘度适当降低。上述条件若控制不当, 都不能达到混炼均匀的效果, 从而在以后的工序中引发新的缺陷。

 

制粒控制

用于注射成型的物料经混炼后一般需进行制粒。制粒有两个目的：1、得到便于储存和运输的颗粒，方便注射时的加料；2、便于回收料的循环利用。通常采用切割法制粒。制粒过程中，气孔是最主要的缺陷，挤压切割制粒时可以负压甚至是真空操作，这样就可以有效减少气孔的产生。

 

硬质合金注射成形流程包括如下几个步骤:混炼、注射成形、脱脂、烧结和后续处理，这里面的每个步骤如果没有控制到位就有可能产生产品缺陷甚至报废。硬质合金粉末一般为不规则多角状, 粒度细, 粉末间相互摩擦大, 堆积密度低，而且粉末硬度大，不容易发生挤压变形，因而适当的混合料组分比例就显得很关键，另外原料中的杂质也会对制品的最终性能有较大影响，所以对硬质粉末原料的质量控制非常重要。

 

1、组分控制

硬质合金粉末硬度大，不容易挤压变形，空隙大，为了保持适当的流动性, 以利于注射成形充填过程顺利进行，粉末的装载率要比较低（即混合料中高聚物比例较大）。较低的装载率会导致脱脂时间长，碳含量控制比较困难，另一方面也带来大的烧结收缩系数，导致烧结后制品的尺寸控制困难。这就需要对装载率的选取进行权衡。一般是采用较低粘度的粘结剂或添加适量的表面活性剂，如硬脂酸等来改善流动性和润湿性。硬质合金的注射成形一般是采用热塑性粘结剂体系，有机粘结剂由热塑性聚合物（如聚乙烯，聚丙烯、聚苯乙烯等）与石蜡、树脂和表面活性剂等组成，下图为常见硬质合金粉末组成。  

2、纯度控制

粉末不纯, 如夹杂有硫、磷、硅等元素, 烧结过程中这些物质就会形成孔隙, 成为缺陷。另外合金粉末含氧量不能过高, 否则脱脂和烧结过程中制品会发生脱碳现象, 产生η相而降低制品力学性能。另外由于经脱脂后残留的高聚物粘结剂在烧结时会引入碳，所以在选用粘结剂时，要选择灰分少、能充分脱脂的粘结剂。

 

注射螺杆主要有三种：渐变性螺杆、突变型螺杆、通用型螺杆，它们之间主要的区别在压缩比的不同，这三种螺杆塑化物料时的能量转化激励程度不同，它们之间使用的物料也有所不同。

 

渐变型螺杆：压缩段较长，占螺杆总长的50%，塑化时能量转换缓和，多用于PVC等热稳定性差的塑料。

突变型螺杆：压缩段较短，占螺杆总长的5%~15%左右，塑化时能量转换较剧烈，多用于聚烯烃、PA等结晶型塑料。

通用型螺杆：适应性比较强的通用型螺杆，可适应多种塑料的加工

 

螺杆参数（如下图所示）

D—螺杆直径，螺杆直径的大小直接影响塑化能力的大小，影响理论注射容积的大小。

L/D—螺杆长径比，L是螺杆螺纹部分的有效长度直接影响到物料在螺杆中的热历程，也影响吸收能量的能力；如果L/D太小，直接影响到物料的熔化效果和熔体质量；如果L/D太大，则传递扭矩加大，能量消耗增加。

L 1—加料段长度，L1的长度应保证物料有足够的输送空间，因为过短的L1会导致物料过早的熔融，从而难以保证稳定压力的输送条件，也就难以保证螺杆以后各段的塑化质量和塑化能力。

h1—输送段螺槽深度。h1深，则容纳物料多，提高了供料量和塑化能力，但会影响物料塑化效果及螺杆根部的剪切强度，一般h1≈（0.12～0.16）D

L3—计量段长度。L3长度有助于熔体在螺槽中的波动，有稳定压力的作用，使物料以均匀的料量从螺杆头部排出，一般L3=（4～5）D。

h3—计量段螺槽深度，h3小，螺槽浅，提高了塑料熔体的塑化效果，有利于熔体的均化，但h3过小会导致剪切速率过高，以及剪切热过大，引起分子链的降解，影响熔体质量；如果h3过大，由于预塑时，螺杆背压产生的回流作用增强，会降低塑化能力。

S— 螺距，其大小影响螺旋升角，从而影响螺槽的输送效率，螺距S，螺旋升角φ=πDtgφ，一般D=S，则φ=17°40′。

ε— 压缩比,ε=h1/h3，即加料段螺槽深度h1与熔融段螺槽深度h3之比。ε大，会增强剪切效果，但会减弱塑化能力。

 

注塑制品的塑化质量及产量主要受两方面的影响: 一是注塑工艺条件的影响; 二是螺杆结构参数的影响。注射螺杆是注塑机的核心部件，注射螺杆的结构设计对制品的塑化质量有着非常重要的影响。它的作用是对塑料进行输送、压实、熔化、搅拌和施压。注塑机螺杆一般情况下可分为输送段（也称加料段）、压缩段、计量段（也称为均化段），如下图所示。

（1）输送段

此段螺沟深度固定，其功能为负责物料的预热、输送和推挤。必须保证物料在输送段结束时开始熔融。理论上螺槽深度越深，输送量越大，但实际设计时，还要考虑螺杆强度和压力损失等问题。

(2)压缩段

压缩段的功能为物料熔融、混炼、剪切压缩与加压排气。钨料在此段会几乎完全溶解，物料体积会缩小，对于经过此段的物料，其压缩比的设计很重要。螺杆压缩比为输送段最后一个螺槽的深度与计量段第一个螺槽深度的比值，其值反应了物料经过压缩段的压缩程度。压缩段长度一定时，压缩比越大，物料压缩越厉害，产生的剪切热也越多；反之越小。因此压缩段是决定物料剪切热的部位。一般低剪切的螺杆压缩比选择1.8-2.2。

 

（3）计量段

计量段为螺杆螺沟固定沟深，其主要功能为混炼均匀、熔胶输送、计量，还必须提供足够的压力，确保保持熔胶均匀温度及稳定熔融塑料的流量。计量段长则塑料混炼效果好，太长容易使塑料停留太久发生热分解，太短则物料温度不均匀。

 

钨粉与碳粉混合：碳化钨粉末质量决定于钨粉与炭黑混合的均匀程度，如果物料混合不均匀，碳化 钨粉末将出现黑心和分层现象。在硬质合金生产工艺中，一般将钨粉与炭黑在球磨机内进行混合（球料比为1：1，钢球直径为35~50mm），球磨时间为2~4h，用肉眼观察物料无分层现象即算混合均匀。

 

碳化钨粉末球磨：球磨在球磨机中进行。球料比为1：1，钢球直径为10~45mm，球磨时间根据工艺要 求而定，一般为2h。为了防止粉末飞扬，过筛应在封闭情况下进行，细颗粒碳化钨过200目筛，中颗粒碳化钨过250目筛，粗颗粒碳化钨过60目筛。下表为碳化钨球磨、过筛工艺表：

 

球磨机的合理转速应该处于最低转速和临界转速之间。所谓临界转速，就是合金球在此转速下不再脱离磨筒内壁，此时合金球所受的离心力大于重力在径向的分力。球磨机在运行时由于转速的不同会导致物料会在磨筒内呈现不同的状态

1、转速过低：研磨强度低，且物料没有上升研磨过程，部分料会堆积在底部，无法充分研磨

2、转速过高：研磨作用不充分，类似于搅拌效果

3、转速合理：物料沿球面方向与研磨球充分接触，研磨效果好

如下图所示

临界转速由下面公式给出：

n临界=42.4/D0.5

n临界-球磨机的转速（r/min）；

D-球磨机内径（m）。

 

生产过程中证明，球磨机转速在60%-75%之间时，球磨效率最高。

球磨工艺参数

填充系数：球磨筒的内容积与所装物料、合金球的体积之比，一般选择0.45-0.5。

球料比：研磨球（硬质合金生产中常用硬质合金球）与粉末原料的质量比。

固液比：原料粉末的质量与液体介质的质量比，WC粉末破损过程中没有添加液。

 

物料通过料筒的压力损失主要体现在物料内摩擦和与筒壁、模腔的外摩擦上和压紧料粒两种方面上。影响压力损失的因素主要有：注射速率、料筒（喷嘴）内径，料筒（或喷嘴）长度，料温等。

 

一、压力损失

1.料筒内压力损失-摩擦力损失（如上图所示） 

对于柱塞式注射系统，压紧粒料的压力降损失值Δp可以用下式近似得出：

ΔPg=p0（1-e-4fL/R）（1）

式中，p0...注射压力；

      R....筒壁内直径；

      L....物料区长度；

      f....料粒与筒壁的摩擦系数；

 

2.料筒内压力损失-压紧压力损失

当螺杆或柱塞将物料推向喷嘴，熔料经过料筒时的压力降可由牛顿流体的体积流率的公式进行估算：

qv=πΔpR4/8ηL （2）

ΔPl=8ηLqv/πR4（3）

式中，qv...熔料通过料筒的体积流率；

       R...料筒内壁半径；

      η...牛顿流体剪切粘度；

       L...熔料在料筒的长度。

物料在料筒中的压力损失：ΔP=ΔPg+ΔPl，熔料在喷嘴中的压力损失机理与在料筒中类似，计算过程也一样。

3、喷嘴中的压力损失

熔料在喷嘴中的压力损失机理与在料筒中类似，计算过程也一样。

 

二、影响压力损失的因素

1、注射速率，由公式（2）可知，注射速率升高，qv升高，ΔPl增大；

2、料筒（或喷嘴）内径，由公式（1）（3）可知，R增大，ΔPg和ΔPl也随之增大；

3、其它条件一定时，喷嘴长度增加，ΔPg和ΔPl也随之增大；

4、温度对压力损失的影响主要是通过改变熔料的剪切粘度；当然从另外一个角度看，注射压力的变化也会导致熔料温度的变化。

 

注射成形的塑化过程其实对物料的混合分散（针对多组分物料）和加热的过程，混合分散过程主要是由螺杆的旋转搅拌实现的。而加热过程的热量来源有两种，料筒通过电热元件从外部加热,料筒内的物料能通过横截面方向及长度方向上产生很大的温度梯度；2.物料靠螺杆旋转作用,通过剪切机理和摩擦机理生热（柱塞注射系统无此过程）。

 

对于多组分物料，螺杆对物料的剪切作用主要体现在三个方面：

1、进一步混合分散

2、挤压充实，排出气体

3、对物料进行加热

 

剪切热效应来源

螺杆的剪切热效应是螺杆最为重要的作用之一（上图为剪切数学模型），它直接影响了物料的塑化质量。从产生机理上讲，螺杆旋转，带动熔体运动，熔体与螺杆表层摩擦生热，同时不同流层分子链内摩擦发热。对于常见的粉末注射聚合物体系，其高聚物体系通常为非牛顿流体，其剪切应力与切变速率不成正比，计算较为复杂，通常简化为牛顿流体计算。剪切热推理公式如下：

1.热量计算，单位时间，单位体积熔料的热量由应力作用产生，

Q=τγ（1）

2.剪切应变计算，为简化计算，按牛顿流体处理

γ=τ/η（2）

3.综合（1）（2）两式，可得出剪切热的计算公式

Q=ηγ2（3）

4.对于螺杆注射机，

γ=πDn/60h（4）

 

式中 τ...剪切应力；

     γ...剪切应变；

     η...流体的剪切粘度；

      D...螺杆直径；

      n...螺杆转速；

      h...螺槽深度。

实际生产中由于是非牛顿流体，其计算要更为复杂，但规律基本一致。

从（3）（4）熔料吸收的热量与螺杆直径和螺杆转速的平方成正比，与螺杆深度成反比，而且熔体的粘度越大，其吸收的热量越多。螺杆转速越高，塑化能力越强。塑料的熔融，大体是因螺杆旋转所产生的热量，因此螺杆转速太快，则有下列影响：1.塑料的热裂解；2.使螺杆或螺缸磨损加速

 

粉末冶金注射成形过程包括：加料、塑化、注射、保压、制件冷却、制件脱模、制件修整等几个步骤，所谓塑化是指聚合物-粉末混合物在料筒内经加热（外加热、剪切发热）转化为聚合物粘流态，称为具有一定流动性和可塑性熔料的过程。塑化过程是成形前期的准备过程，也称为预塑过程，塑化质量和效率对后续的注射成形过程和制品质量起着及其重要的影响。

 

要求

MIM(粉末注射成形）对塑化过程的控制其实是对熔料的性能的要求。熔料必须具备以下特点：

1、物料完全熔融，即有机聚合物要达到粘流态温度以上，成为具有流动性的粘流态熔料；

2、熔料不发生热分解现象，即温度不能高于组分的热分解温度；

3、物料得到充分的混合，温度分布均匀，不存在偏聚情况。

 

衡量指标

1.料温均匀性，熔料温度的均匀性程度直接影响制品质量优劣，是衡量塑化过程的重要指标。料筒的外加热会在物料的径向方向产生较大的温度梯度，通过螺杆的搅拌剪切使温度得以均匀化。

2.加热系数，是指料筒加热的有效利用率，用以衡量外加热效率。塑化过程的热量来源有两种（针对螺杆注射系统），料筒通过电热元件从外部加热,料筒内的物料能通过横截面方向及长度方向上产生很大的温度梯度，上图为常见注射料筒；2.物料靠螺杆旋转作用,通过剪切机理和摩擦机理生热。可以用下式进行量化：

 

 E=Tt-To/(Tl-To)

 

式中，E...加热系数，不应小于0.8；

      Tt..物料经塑化后的温度；

      To..物料的初始温度；

      Tl..料筒的温度

 

注射成形的塑化过程其实对物料的混合分散（针对多组分物料）和加热的过程，混合分散过程主要是由螺杆的旋转搅拌实现的。而加热过程的热量来源有两种，料筒通过电热元件从外部加热,料筒内的物料能通过横截面方向及长度方向上产生很大的温度梯度；2.物料靠螺杆旋转作用,通过剪切机理和摩擦机理生热（柱塞注射系统无此过程）。

 

料筒加热机理

料筒对物料的加热主要是通过物料与料筒的接触热传导实现的。由于热传导的前提是有温度差，故通常加热时，料筒温度要高于熔料的粘流态转化温度。此过程的量化计算可以根据传导传热的基本方程式----傅立叶定律，进行计算，如下式：

 

dQ=-λdA•dt/dn……(1)

式中 Q-----导热速率，w；

     A------导热面积，m2；

     dt/dn-----温度梯度，K/m；

     λ------比例系数，称为导热系数，w/m•K。

 

加热控制因素

由上式可知，影响单位时间内物料吸收的热量主要有三个因素：

1、导热面积，即接触面积。其实对于圆柱形料筒中的物料而言，更准确的说法是物料的比表面积。物料的比表面积越大（与料筒接触部分），加热速度越快。故在设计料筒时，应充分考虑到料筒的直径对加热过程的影响。

2、温度梯度，主要取决于初末温差和料筒直径。初末温差大，加热速度快，所以在合理的温度区间适当提高料筒温度，有利于加热效率的提升，但会增加耗能。直径越大，内外层温差越大，加热不均匀性越大，这种不均匀可通过螺杆的机械旋转搅拌予以消除。

3、导热系数。导热系数λ的值越大，表示其导热性能越好。对于多组分熔料，液相（或者流动态）比例越高，其导热系数越大。所以在设计聚合物体系时，要充分考虑高低熔点组分的比例。