多孔不锈钢模具的近净成形制备及关键机理研究

Porous stainless steel mould has some excellent performance such as heat dissipation, specific strength and gas permeability, which can simplify the cooling and venting structure, improve the mould filling and reduce the production cycle. In this project, a new near-net–shape manufacturing method of porous stainless steel mould will be developed via combing two technologies of gelcasting and microwave sintering. This method possesses some apparent advantages over other technologies: environmental preservation, energy conservation, excellent homogeneity of heating, rapid manufacture, high efficiency and low cost. In addition, by changing the gradation of stainless steel powder, gel reagent and designing the manufacture process, the pore microstructure and porosity will be controlled. This project devote to figure out two key scientific issues: the coupling mechanism of microwave, stainless steel powders and pore structure, and the mechanism that powder characteristics impact on the pores structure of the porous mould. Thus, the influence and impact mechanism among the powder characteristic, processing parameters, pores structure and gas permeability of the mould will be demonstrated. The optimal pores structure and porosity, key process parameters and control methods of the porous stainless steel mould will be revealed by deliberating on these results. Through this research, a novel near-net-shape manufacturing method of porous stainless steel mould with excellent gas permeability and practical value will be proposed. These results will provide an important scientific value in the coupling theory of porous metal and microwave, promoting a wild prospect of microwave sintering application in preparing porous metal.

多孔不锈钢模具拥有良好的散热性、比强度和透气性，能够简化模具冷却和排气结构、改善充模质量、缩短生产周期，是一种很有前途的模具材料。本项目拟结合凝胶注模与微波烧结两种工艺方法环保节能、加热均匀性好、快速成形、效率高、成本低的优势，建立一套多孔不锈钢模具近净成形工艺。通过不锈钢粉末、凝胶配方和工艺控制，实现模具多孔结构、孔隙率的可控性。本项目拟解决两个关键科学问题——微波与不锈钢粉末、孔隙的耦合作用机理，粉末特性对多孔模具孔隙结构的影响机理。通过研究多孔不锈钢模具的“粉末特性—工艺—孔隙结构—模具透气性能”之间关键的影响因素及影响机理，掌握孔隙结构的关键工艺参数和控制方法，制备出具有良好透气性能和实用价值的注塑模具。本项目将为多孔不锈钢模具的近净成形提供一种新方法，在多孔金属微波耦合作用的理论研究领域，多孔金属微波烧结制备的应用基础研究领域，具有重要的科学价值和广阔的应用前景。

多孔不锈钢模具拥有良好的散热性、比强度和透气性，能够简化模具冷却和排气结构、改善充模质量、缩短生产周期，是一种很有前途的模具材料。本项目结合凝胶注模与微波烧结两种工艺方法环保节能、加热均匀性好、快速成形、效率高、成本低的优势，建立一套多孔不锈钢模具近净成形工艺。项目首先研究了凝胶注模与微波烧结关键工艺参数对孔隙结构与多孔不锈钢性能的影响，分析了粉末特性对多孔模具孔隙结构的影响机理。研究结果表明，影响多孔不锈钢孔隙结构的关键工艺参数主要是胶体中的固相相对含量、微波烧结温度、粉末形状、粉末粒径以及颗粒级配配比。粉末固相含量应控制在52%~60%之间，最佳的烧结温度在1150℃~1250℃，粉末形状可以采取雾化法制得的球形颗粒，并与颗粒级配方法结合起来，控制多孔不锈钢的孔隙率与平均孔径，从而获得优良的透气性能与力学性能。项目从粉末粒径、颗粒间距、堆积方式、微波磁场与烧结颈夹角、电磁聚焦现象、烧结颈演变以及孔隙结构变化等角度入手，通过软件模拟与实验验证的方法，重点研究了多孔不锈钢烧结过程中的关键科学问题——微波与不锈钢粉末、孔隙的耦合作用机理。研究发现，粉末特性、颗粒堆积方式、微波磁场与烧结颈夹角位向关系对烧结颈生长、电磁聚焦现象有很大影响，也是孔隙结构变化的关键因素。项目研究分析了孔隙结构与性能之间的关系，最终明确了多孔不锈钢模具的“粉末特性—工艺—孔隙结构—模具透气性能”之间关键的影响因素及影响机理。本项目在上述研究基础上，通过颗粒级配方法实现了模具多孔结构的可控性，孔隙率控制在20%~50%，制备出具有良好透气性能和实用价值的注塑模具，同等条件下注塑效果优于传统模具。本项目的研究成果将为多孔不锈钢模具的近净成形提供一种新方法，在多孔金属微波耦合作用的理论研究领域，以及多孔金属微波烧结制备的应用基础研究领域，具有重要的科学价值和广阔的应用前景。