納米結晶熱澆道噴嘴的制作方法

專利名稱：納米結晶熱澆道噴嘴的制作方法
技術領域：
本發明涉及熱澆道噴嘴，以及用于制造熱澆道噴嘴的材料。更具體地說，本發明涉 及將納米結晶材料用于熱澆道噴嘴。
背景技術：
當前技術水平包含用于熱澆道注射模制系統的各種噴嘴和尖端。熱澆道噴嘴通常為 閥澆口型或熱尖端型。在閥澆口型中，單獨的桿在噴嘴和尖端內移動，充當閥以選擇性 地開始和停止樹脂穿過噴嘴的流動。在熱尖端型中，尖端的末端處的較小澆口區域凍結， 從而停止樹脂穿過噴嘴的流動。
噴嘴尖端在澆口區域提供正確量的熱量以使塑料在流經澆口時保持液態是重要的， 但允許塑料在流動己停止的合理時間凍結也是重要的。為了滿足這些功能要求，希望將 高度導熱的材料用于噴嘴尖端。尖端的第二重要功能是其應承受可能達到40,000 psi(275 MPa)或更高的高塑料壓力。
對噴嘴尖端具有高導熱性的要求是與對增加的強度的要求矛盾的，因為大多數較好 地轉移熱量的金屬是"面心立方"(FCC)金屬，例如銅或鎳。FCC金屬通常比"體心 立方"(BCC)金屬(例如鐵或鉻)脆弱得多。所述尖端還必須耐腐蝕，且在與含有填 充劑(例如玻璃或其它微粒材料)的塑料一起使用時必須耐磨損。
施密特(Schmidt)等人的第5,208,052號美國專利教示一種由具有高導熱性的鈹銅 制成的尖端插入件，以及由具有低導熱性的鈦合金制成的保持器。
對于更耐磨的尖端，蓋勒特等人的第6,302,680號美國專利揭示由例如鈹銅或碳化 鴇銅等材料(其具有適合于正被模制的材料的導熱性與耐磨損和腐蝕性的組合)制成的
尖端插入件。噴嘴密封件(其也保持尖端插入件)由合適的耐磨損和腐蝕材料(例如不 銹鋼或H-13工具鋼)制成。
莫塔扎維(Mortazavi)等人的第6,164,954號美國專利也揭示將展現出高耐磨性和 良好的導熱性的材料(例如碳化物和碳化鎢)用于尖端插入件。莫塔扎維還揭示將具有 良好的導熱性的材料(例如Ti/Zr碳化物)用于保持器。
普瑞(Puri)的第5,879,727號美國專利揭示一種優選由具有相對較高的導熱性的材 料(例如基于銅的合金)制成的噴嘴尖端。所述尖端以螺紋旋擰方式附接到噴嘴，且相
4對較高耐磨性材料(例如H-13、 4140或P-20加工金屬)制成的密封環通過由低導熱性
的材料(例如鈦)制成的絕緣體附接到尖端。

發明內容
根據本發明的第一廣泛方面，提供一種用于注射模制澆道系統的噴嘴，其包括細長 的噴嘴主體；以及噴嘴尖端和沿著噴嘴主體與噴嘴尖端之間的縱軸延伸的熔化物通道。 噴嘴主體和噴嘴尖端中的至少一者由納米結晶材料制成。
根據本發明的第二廣泛方面，提供一種用于注射模制澆道系統的噴嘴，其包括細長 的噴嘴主體；以及噴嘴尖端和沿著噴嘴主體與噴嘴尖端之間的縱軸延伸的熔化物通道。 噴嘴主體和噴嘴尖端中的至少一者涂覆有納米結晶材料或納米復合材料。
根據本發明的第三廣泛方面，提供一種供附接到用于注射模制澆道系統的噴嘴的噴 嘴尖端，其中所述噴嘴尖端由納米結晶材料制成。


所屬領域的技術人員在結合附圖閱讀本發明的非限制性實施例的以下詳細描述后 將明白本發明的目標和優點，其中已使用相同參考標號來表示相同元件，且其中
圖1是本發明的噴嘴的優選實施例的縱向橫截面圖，其中尖端保持器在外部安裝在 噴嘴外殼上；
圖2是圖1的視圖的一部分的詳圖3是本發明的噴嘴的另一優選實施例的縱向橫截面圖，其中尖端保持器在內部安 裝在噴嘴外殼中；以及
圖4是本發明的噴嘴的另一優選實施例的縱向橫截面圖，其中尖端保持器銅焊或焊 接到噴嘴外殼，且噴嘴尖端用低溫銅焊材料或通過焊接(例如電子束焊接)的形式附接 到尖端保持器。
具體實施例方式
參看圖1到圖2，以IO概括地展示根據本發明優選實施例的注射模制機的噴嘴。噴 嘴IO包括細長的噴嘴外殼12，其具有穿過其中的熔化物通道14，所述熔化物通道14 以眾所周知的方式與經加壓的熔融材料源(未圖示)形成流體連通。噴嘴尖端6安裝 在噴嘴外殼12的近端18處，使得形成于噴嘴尖端16中的熔化物通道22與形成于噴嘴 外殼12中的熔化物通道14形成流體連通。噴嘴尖端16進一步界定至少- -個出口孔20， 使得熔化物通道22中的熔融材料可離開噴嘴10。在優選實施例中，噴嘴尖端16由尖端 保持器24保持在噴嘴外殼12的近端18,尖端保持器24通過螺紋26或其功能等效物以可移除方式附著到噴嘴外殼的近端18。尖端保持器24優選經配置以在尖端保持器24被 擰到噴嘴外殼12的近端18上時，接納并保持噴嘴尖端16。在此實施例中，噴嘴外殼 12和尖端保持器24經構造、布置和旋擰，以使得尖端保持器24安裝在噴嘴外殼12上 的外部螺紋上。在所示的實施例中，噴嘴外殼12和尖端保持器24的橫截面大體上為具 有大體上相等的外徑的圓柱形，使得大體上圓柱形的外部加熱器28可安裝在噴嘴外殼 12和尖端保持器24上方。加熱器28將熱量供應到噴嘴外殼12和尖端保持器24，以使 熔化物通道14和熔化物通道22中的材料保持熔融。
在噴嘴10的操作期間，加熱器28直接加熱噴嘴外殼12和尖端保持器24，其將熱 量轉移到噴嘴尖端16以及熔化物通道14和熔化物通道22中的熔融材料。如上文所述， 必須將足夠的熱量供應到噴嘴尖端16，以在注射循環開始時打開澆口，且在注射過程中 使澆口保持打開。尖端不得過熱以致其不允許澆口在包裝完成后凍結。
如上文所論述，現有技術注射模制噴嘴通常使用由高導熱性材料(例如鈹銅)制成 的噴嘴尖端。尖端保持器和噴嘴密封件由具有較低導熱性的材料(例如各種不銹鋼和工 具鋼)制成。根據目前所說明的實施例，噴嘴尖端由納米結晶材料(例如納米結晶銅、 納米結晶鎳或納米結晶銅與納米結晶鎳的合金)制造。根據其它優選實施例，噴嘴10 的其它部分(例如尖端保持器和噴嘴外殼)也可由納米結晶材料制造。下文更詳細地論 述納米結晶材料。
在另一優選實施例中，尖端保持器可旋擰到噴嘴外殼中的內部螺紋屮。參看圖3， 其說明一個此實施例，在注射噴嘴110中，噴嘴外殼U2和尖端保持器124在噴嘴外殼 112中配置有內部螺紋126，且在尖端保持器124上有配合的外部螺紋。尖端保持器124 安裝在內部螺紋126中以保持噴嘴尖端116。
參看圖4，替代地，在又一優選實施例中，本發明可不配置有可移除的尖端保持器。 在注射噴嘴210中，尖端保持器224可為噴嘴外殼212的一體部分。當由與噴嘴外殼212 的材料不同的材料形成時，保持器部分224可焊接或用高溫銅焊材料銅焊到噴嘴外殼 212。噴嘴尖端216可通過用相對低溫銅焊材料進行銅焊來與尖端保持器224附接，所
述相對低溫銅焊材料將仍允許通過將組合件重新加熱到高得足以熔化低溫銅焊材料，但 不足以高到熔化高溫銅焊材料的溫度來從尖端保持器224移除噴嘴尖端216。或者，噴 嘴外殼212和尖端保持器224可為由同一材料制成的--個--體件。
在圖3和圖4的實施例的任一者中，加熱器28可為外部加熱器(例如所說明的加 熱器)，或由于噴嘴外殼和尖端保持器被單位化，加熱器28可與噴嘴外殼和尖端保持器 制成一體，如此項技術中眾所周知。本發明涵蓋所有那些實施例以及其中尖端被保持抵靠著噴嘴外殼或保持在噴嘴外殼中的任何其它尖端/噴嘴外殼組合。
在上文的所有實施例中，任選的噴嘴密封件30附著到尖端保持器24、 124或224 的近端，且具有接觸模具(未圖示)并抵靠著模具密封的凸緣32。應注意，所屬領域的 技術人員熟悉可包含形成于凸緣32與噴嘴尖端16之間的泡沫區域34的噴嘴密封件和 類似物的多種配置，在泡沫區域34中，允許熔融材料集合以增強噴嘴IO與模具的絕熱。 本發明不限于本文所展示和描述的一種配置，而是涵蓋噴嘴密封件和類似物的所有已知 配置。
如先前所論述，使用納米結晶材料來形成熱澆道噴嘴的多個部分，且尤其是噴嘴尖 端。優選的是，以納米結晶形式使用例如銅或鎳等面心立方金屬。大多數金屬由許多隨 機定向的結晶區(通常被稱為"顆粒")形成。常規的鎳和銅具有平均大小大于10,000 nm 的顆粒。通過減小材料內的顆粒的平均大小(其又致使顆粒之間的邊界構成材料的較大 部分)來形成納米結晶材料。納米結晶材料具有平均等于或小于100 nm的顆粒。優選 的是，材料的納米結晶形式的最終顆粒大小平均小于50 nm，且在一個實施例中，優選 平均小于30nm。
FCC金屬對于納米結晶來說尤其合乎需要，因為它們通常具有熱澆道噴嘴所需的高 導熱性。常規的非合金銅可具有約400 W/mK的導熱性，且常規的非合金鎳具有約55 W/mK的導熱性。鈹銅合金可實現約250 W/mK的導熱性。納米結晶材料保持大部分或 所有其導熱性。相反，BCC材料(例如H-13鋼)的合金具有25 W/mK或更小的導熱性。
如先前所論述，FCC金屬的缺點是它們相對較脆弱，具有小于500 MPa的最終強度。 FCC金屬的納米結晶增加了材料內的顆粒邊界的量，通常增加了材料強度，同時實質上 保持高導熱性。納米結晶Cu或Ni可超過當前正在使用的絕大多數高強度鋼(例如H-13 鋼)的強度。納米結晶銅已被制造有接近1500 MPa的最終強度，且納米結晶鎳已被制 造有超過2000 MPa的最終強度。預期FCC金屬的合金也可以納米結晶形式制造，使得 納米結晶銅合金或納米結晶鎳合金也可用于一些實施例。
預期納米結晶材料可包含呈不同比率的實質上不同大小的顆粒。舉例來說，根據優 選實施例，可將納米結晶銅制作成在材料中各處分散有75%的納米結晶顆粒和25%的 微結晶顆粒(即，具有大于100nm的平均大小的顆粒)。
在至少—一個優選實施例中，從塊納米結晶鎳或銅坯料加工噴嘴尖端16。為了形成塊
納米結晶坯料，首先經由若干方法中的一者使常規金屬坯料納米結晶，所述方法通常涉 及在高壓下將較大的剪應變施加到所述坯料，其通常被稱為大塑性變形(SPD)。此處理 可經由擠出、彎曲、等通道角度擠出、扭曲或滾動來實現。預期可多次將SPD處理施加到冶煉坯料，以實現納米結晶晶體的正確大小。另一可能處理涉及滾動所述坯料，且隨 后對所述坯料進行低溫退火。制造塊納米結晶材料的其它方法包含粉末壓縮和電沉積。
在另一優選實施例中，從一般金屬坯料加工噴嘴尖端16，但隨后用納米結晶涂層來 處理噴嘴尖端16。對于一些實施例，具有納米結晶涂層的噴嘴尖端可提供固體納米結晶 尖端的較便宜的替代物，同時提供更多益處。可經由涂覆來施加納米結晶FCC金屬，或 還可使用納米結晶陶瓷。假如納米結晶材料的供應是有限的話，涂層還可證明是有吸引 力的。通常經由電沉積、熱噴涂、等離子體噴涂、脈沖激光沉積或化學氣相沉積(CVD) 的變體來施加納米結晶涂層。
雖然以上論述內容預期將納米結晶材料用于噴嘴尖端，但還預期納米結晶材料可用 于噴嘴組合件的其它部分，其中導熱性與強度的組合是所要的。舉例來說，尖端保持器 也可由納米結晶材料(通常與噴嘴尖端的材料具有不同的導熱性)制造。對于具有單一 外殼和尖端主體的噴嘴來說，整個外殼和尖端結構可由納米結晶材料制造。
所屬領域的技術人員將認識到，本發明不限于使用熱尖端型澆口的噴嘴，而是本發 明還涵蓋使用閥澆口 (包含針閥澆口和滑動閥澆口)的噴嘴。
本發明的非限制性實施例可提供用于注射模制澆道組合件的噴嘴，其使用由納米結 晶材料制成的部分以實現高度的導熱性，同時還受益于高材料強度。明確地說，噴嘴尖 端可由納米結晶材料加工。
示范性實施例的描述內容提供本發明的實例，且這些實例不限制本發明的范圍。應 理解，本發明的范圍受權利要求書限制。上文所描述的概念可適合于具體條件和/或功能， 且可進一步延伸到在本發明的范圍內的多種其它應用。在己這樣描述示范性實施例的情 況下，將明白，在不脫離如所描述的概念的情況下，修改和增強是可能的。因此，借助 于專利許可證保護的內容僅受所附權利要求書的范圍限制。
權利要求
1.一種用于注射模制澆道系統的噴嘴，其包括噴嘴主體；以及噴嘴尖端；以及熔化物通道，其沿所述噴嘴主體與所述噴嘴尖端之間的縱軸延伸；其中所述噴嘴主體和所述噴嘴尖端中的至少一者由納米結晶材料制成。
2. 根據權利要求1所述的噴嘴，其中所述納米結晶材料由顆粒形成，且所述顆粒中的絕大多數的大小小于100 nm。
3. 根據權利要求2所述的噴嘴，其中所述顆粒中的至少75%的大小小于100nm。
4. 根據權利要求3所述的噴嘴，其中所述顆粒中的至少75%的大小小于50 nm。
5. 根據權利要求4所述的噴嘴，所述顆粒中的至少75%的大小小于30nm。
6. 根據權利要求5所述的噴嘴，其中所述納米結晶材料的剩余百分比具有至少100 nm 的顆粒大小。
7. 根據權利要求2所述的噴嘴，其中所述納米結晶材料為面心立方金屬的納米結晶形 式。
8. 根據權利要求7所述的噴嘴，其中所述納米結晶材料為納米結晶銅、納米結晶銅合 金、納米結晶鎳和納米結晶鎳合金中的一者。
9. 根據權利要求7所述的噴嘴，其中所述納米結晶材料使用大塑性變形、粉末壓縮或 電沉積中的 一 者由非納米結晶材料形成。
10. 根據權利要求2所述的噴嘴，其中所述噴嘴尖端由尖端保持器保持抵靠著所述噴嘴 主體。
11. 一種供附接到用于注射模制澆道系統的噴嘴的噴嘴尖端，其中所述噴嘴尖端由納米 結晶材料制成。
12. 根據權利要求11所述的噴嘴尖端，其中所述納米結晶材料由顆粒形成，且所述顆 粒中的絕大多數的大小小于100 nm。
13. 根據權利要求12所述的噴嘴尖端，其中所述顆粒中的至少75%的大小小于100 nm。
14. 根據權利要求13所述的噴嘴尖端，所述顆粒中的至少75%的大小小于50 nm。
15. 根據權利要求14所述的噴嘴尖端，其中所述顆粒中的至少75%的大小小于30nm。
16. 根據權利要求15所述的噴嘴尖端，其中所述納米結晶材料中的剩余百分比具有至 少100 nm的顆粒大小。
17. 根據權利要求12所述的噴嘴，其中所述納米結晶材料為面心立方金屬的納米結晶 形式。
18. 根據權利要求17所述的噴嘴尖端，其中所述納米結晶材料為納米結晶銅、納米結 晶銅合金、納米結晶鎳和納米結晶鎳合金中的一者。
19. 根據權利要求17所述的噴嘴尖端，其中所述噴嘴尖端由尖端保持器保持抵靠在噴 嘴主體上。
20. —種用于注射模制澆道系統的噴嘴，其包括噴嘴主體； 噴嘴尖端；以及熔化物通道，其沿著所述噴嘴主體與所述噴嘴尖端之間的縱軸延伸； 其中所述噴嘴主體和所述噴嘴尖端中的至少一者涂覆有納米結晶材料和納米復 合材料中的一者。
21. 根據權利要求20所述的噴嘴，其中所述噴嘴主體和所述噴嘴尖端屮的所述至少一 者使用電沉積、熱噴涂、等離子體噴涂、脈沖激光沉積或化學氣相沉積中的一者而 涂覆有納米結晶材料。
22. —種供附接到用于注射模制澆道系統的噴嘴的噴嘴尖端，其中所述噴嘴尖端涂覆有 納米結晶材料和納米復合材料中的一者。
全文摘要
本發明是一種用于注射模制澆道系統的噴嘴，其中所述噴嘴的零件，且尤其是噴嘴尖端由納米結晶材料制成。所使用的納米結晶材料包含納米結晶銅和納米結晶鎳，其具有高導熱性和增加的材料強度。冶煉金屬的常規形式，直到所述金屬的顆粒的大小減小到小于100nm以實現所要性質。
文檔編號B29C45/20GK101678583SQ200880014428
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月14日 優先權日2007年5月3日
發明者丹尼爾·韋恩·巴尼特 申請人:赫斯基注射器成型系統有限公司