粉末冶金

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粉末冶金(Powder metallurgy),是一种以金属粉末为原料,经压制和烧结制成各种制品的加工方法。粉末冶金工艺包含三个主要步骤,首先,主要组成材料被分解成许许多多的细小颗粒组成的粉末;然后,将粉末装入模具型腔,施以一定的压力,形成具有所需零件形状和尺寸的压坯;最后,对压坯进行烧结。

粉末冶金零件生产工艺的本质性优势是,具有零件最终形成形能力和材料利用率很高。

金屬粉末的重要性質[编辑]

  1. 顆粒形狀:粉末顆粒的形狀與粉末的製造方法有關,越不規則的粉末在壓實時,壓胚的強度越大。
  2. 細度:指粉末顆粒的尺寸大小,係利用篩子檢查其尺寸,並以分級方法,決定顆粒尺寸的分佈,越細的粉末,燒結性越好。
  3. 粉末顆粒尺寸分佈(Particle Size Distribution):指每一級標準的顆粒數量。
  4. ‰可流動性(Flowability):指粉末可經流動而充滿模穴的情形,係以流經一固定小孔的流率來訂定之,可利用添加硬脂鹽酸於粉末中來增加流動性。
  5. 可壓縮性(Compressibility):指壓縮前粉末的容積,與壓縮後所得物件的體積比。
  6. 視密度(Apparent Density):指每單位體積的重量。
  7. 燒結性(Sintering):指利用溫度使各金屬顆粒互相結合的操作,燒結性越好者,表示其可使用的溫度範圍越大,越易於燒結。
  8. 多孔性(Porosity):指空隙體積與全部體積的比,可由顆粒大小與分佈情形調整之。

步驟[编辑]

製造金屬粉末[编辑]

雖然所有的金屬都可以製成粉末,但在實用性與經濟性考量下,常用作此項用途者有鐵與銅。其中,黃銅(銅與鋅合金)與鐵多用於各種機件的製造,青銅則常用於多孔性軸承的製造。 由於金屬的物理與化學性質不同,製造粉末的方法也不同,所得的顆粒大小、形狀也不相同,常見的製造方法有:

切削法[编辑]

用於鎂及其合金所得的顆粒大。

滾磨法[编辑]

包括使用軋碎機、旋轉滾磨機及搗碎機等,可用於粹性材料(以壓軋或撞擊方式),作成不規則顆粒;亦可用於延性材料,以製造油漆顏料的片狀顆粒。

霧化法[编辑]

用於低熔點的金屬,如鉛、錫、鋅等,將之加熱到熔融狀態,再以噴漆原理在氣流中噴射成極細的微粒。

成粒法[编辑]

將金屬加熱到熔融狀態,並於凝固成固體時,加以攪拌,成為小顆粒狀。

還原法[编辑]

使用粉狀的金屬氧化物,在熔點下與還原性的氣體接觸,直接得到金屬粉末,例如鐵粉的製造。

電解法[编辑]

用於鐵、銀、鉭及若干金屬粉末;係以鋼板置於電解液中,作為陽極,不鏽鋼作為陰極,通電後鐵粉沉積在陰極上,經剝下電積鐵粉,再予以沖洗、過篩、分成各種粗細,而後再予以退火軟化。

預製合金粉末[编辑]

所謂「預製合金粉末」係指合金粉末是用完全熔化的合金來製成,以不鏽鋼或各種高等合金為例,若以純金屬粉末來混合,將無法達到預期的效果(因純金屬混合時,燒結溫度係在熔點以下,無法使純金屬變成合金),故先製成合金後,再製成粉末。

預敷粉末[编辑]

將金屬粉末通過敷層金屬的蒸汽,使表面凝聚一層敷層金屬,這種金屬粉末即稱之為「預敷粉末」,此粉末在燒結後,可使製品具有此一敷層金屬的特性。

成形[编辑]

將粉末送入模中加壓成形前,必須慎選粉末,以使製品達成經濟性要求,並且在壓實後,可以得到所要的性質。
當僅使用一種粉末時,只要顆粒大小及分佈適當,即可送入模中加壓成形。
當為增加粉末流動性或密度,必須摻入不同尺寸的粉末顆粒時,混合粉末常加入潤滑劑(如硬脂酸、硬脂酸鋰或粉末石墨),以減少粉末間的相互粘著,並降低壓製時模壁的磨擦阻力,使成品易於脫模;可是,潤滑劑的加入,卻會使產品在燒結後,容易出現孔眼。

常見的成形法有:

壓製法 Pressing[编辑]

壓製是將混合妥當的定量粉末置於鋼模內,用每平方吋數千磅到二十萬磅的壓力,在模中壓製成形的方法。
其中,壓力的大小則依粉末的性質而異,對於軟質(可塑性高)的粉末而言,不需要太高的壓力,則可使其互鎖而得到頗為密實,且具有適當強度的壓製件;對於脆性、高硬度的粉末而言,則需要較高的壓力。
壓製法所使用的壓力機,可分成:

  1. ‰機械式:動作快,操作簡易。
  2. 液壓式:適用於大件或需要大壓力者。

模子與衝頭間的配置方式,則可分為:

  1. ‰單動作模:僅有一個衝模。
  2. 雙動作模:具有上下兩個衝頭(下圖所示),其中,下衝頭除了具有加壓的作用外,亦具有在壓製完成後,將壓製件自模中挺射出模的任務;而模子的設計,必須具有適當的拔模角,以利脫模。

至於衝頭的行程,全視粉末的壓縮比而定。

離心壓製法 Centrifugal Compacting[编辑]

離心壓製法在操作上,係將金屬粉末置於模內,在高速旋轉下,產生離心力,並作用在每一個金屬顆粒上,以壓製重金屬粉末(如碳化鎢等工具材料)。此法僅適用於形狀簡單,斷面均勻的小製品。

粘鑄法 Slip Casting[编辑]

將金屬粉末與一種漿質材料混合後,注入石膏模中,利用石膏的多孔性,吸收多餘的液體,使漿中的粘性物質及金屬粉末留在石膏模內,成為類似普通鑄造法的鑄件。此法類似陶瓷的造形法,當用於中空件時,可在混合漿質於靠近石膏模面粘結到適當厚度時,將多餘的漿液傾出,留下一層殼式的粘結件。

擠製法 Extruding[编辑]

用於以金屬粉末製造長條形的製品或型材時,如核能固體燃料棒及其他高溫金屬。可依材料性質分成:

  1. 冷擠法
  2. 熱擠法(先加熱至適當溫度):在熱擠法中,通常先將粉末壓製成塊,然後加熱或燒結於非氧化氣體中,或置於密封金屬容器中,以防止氧化。


重力燒結法 Gravity Sintering[编辑]

用於化學工業中的過濾用多孔性金屬板的製造,其方法為:將金屬粉末均勻分佈在陶瓷盤上(厚度依需要而定),然後在分解的阿姆尼亞氣體中,以高溫燒結之;其過程中未加上其他壓力,僅是靠高溫可塑狀態下的重力結合之。燒結後的金屬板,可再施行滾軋,以控制厚度,並增加表面光平度。

等壓模造形法 Isostatic Molding[编辑]

將金屬粉末置於模中,以液壓或氣體直接加壓在金屬粉粒上;由於各處所受的壓力均相同,因此,製品的密度甚為均勻,且各方強度均一。右圖所示為一中空筒形壓製胚等壓模造形裝置的切面圖。

滾軋法 Rolling[编辑]

將金屬粉末自漏斗中漏落於兩個輥子之間,藉由滾軋的壓力,使粉末互相鎖成板片狀,然後再送到燒結爐中燒結。燒結後,可再送到滾軋機滾軋,以控制其厚度,增加表面光平度,必要時,亦可進一步作熱處理。此法可作連續性操作,宜於大量製造。

爆炸力壓製法 Explosive Compacting[编辑]

以爆炸的爆炸力來壓製粉末的生壓件(壓胚),由於爆炸的壓力非常高,可使可塑性低的金屬產生極高的密度及互鎖強度,縮短燒結時間,降低因燒結而產生的收縮率。其中,爆炸的壓力可藉由推動柱塞來推動,以壓縮粉末,亦可經由防水袋的設計,傳遞壓力給粉末。

金屬纖維法 Fiber Metal Process[编辑]

先將極細的金屬棉或線,切成一定的長度,成為金屬纖維,各纖維予以彎曲,互相嵌扭作成亂線狀,並與一種液體糊狀物混合,澆注多孔性的底盤上,待液體漏盡,即形成亂線一樣的金屬纖維所組成的『蓆子』,然後加壓並燒結之;或再施以滾軋或以對壓模壓緊,以增加密度。

燒結(sintering)[编辑]

將生壓件加熱到適當的溫度,以增加其機械強度及硬度的操作,稱之為燒結。
燒結的過程中,晶粒界面首先成形,進而造成晶粒的再結晶,而高溫使金屬的表面的可塑性提高,並建立一層液體的網組織,可改進相互間的機械互鎖性質;另外,金屬中溶解的氣體,亦可在高溫下被驅除淨盡。至於燒結的溫度,則通常都在主要組成金屬的熔點之下,而燒結時間,則約在 20-40 分鐘之間,此外,燒結的過程中,為避免粉末與大氣接觸而氧化,可使用還原性蒙氣或氮氣,以阻止高熱時形成有害的氧化層。
此外,生壓件燒結後,因製品形狀、顆粒大小與分配、化學組成、燒結操作情形、壓力大小等因素,使尺寸或有增長或縮短的稍微差異。

熱壓法 Hot Pressing[编辑]

熱壓法是將粉末的加壓與燒結同時在一個模子內完成的加工法,常用於碳化鎢工具材料的製造。
此法具有提高製品強度、硬度、精密度等優點、但因加熱是在加壓的同時進行,因此,所使用的模子必須是耐熱材質,且加熱蒙氣及時間長短不易控制;另外,在處理高溫合金時,必須使用石墨模,但由於石墨模的強度甚低,僅能使用一次,消耗量頗大。

火花燒結法 Spark Sintering[编辑]

火花燒結法也是加熱與加壓同時在一個模子內完成的燒結法,只不過加熱方式與熱壓法不同,且所需的時間也甚為短暫,頗似照相用閃光燈一般,通常約為 12-15 秒,而所得的製品頗為密實。
其中,加熱的過程係先將直流電能儲存在電容器內,於燒結時放電,產生高能量的火花(約 1-2秒),先將粉末表面的不純物去除,火花之後,可產生新的結晶,然後在壓力之下,使顆粒間更為密實。
此法除可用於碳化物等高溫金屬的燒結外,亦可用於鋁、銅、青銅、鐵及不鏽鋼等。

完成加工法[编辑]

滲油處理(Oil Impregnation)[编辑]

滲油處理係將燒結的軸承,浸入潤滑油中加熱,並且維持相當的時間,或真空處理(時間可以縮短);此時,軸承藉由多孔性的毛細管作用,吸存潤滑油,並於轉動時釋出。

金屬滲入(Infiltration)[编辑]

係指將低熔點的熔融金屬滲入多孔性的燒結製品中,以減少孔隙體積,增加機械強度。金屬在滲入之前,可先作化學處理,以增加滲入範圍。

尺寸矯正(Sizing)及壓印(Coining)[编辑]

係將燒結物放置在與壓模相似的模內,再壓一次,以得到正確尺寸或面層花紋。此方法屬於冷加工,具有增加表面層硬度、光平度、尺寸精度與密度等特點。

熱處理(Heat Treatment)[编辑]

由於粉末冶金製品的密實程度不及實體合金,因此,熱處理的效果較差(因多孔性有礙熱傳遞),但實施熱處理有助於改進其機械性質。

電鍍(Plating)[编辑]

高密度的模壓件,可直接實施普通標準方式的電鍍,但中低密度的模壓件,必須以珠擊法(Peening)、擦光法(Burnishing)或塑膠樹脂滲入法以封閉面層的孔隙,再能實施普通標準方式的電鍍。 注意:不可使用鹽類滲入,以免在電鍍時起泡。

切削加工(Machining)[编辑]

對於螺孔、溝槽、挖切或側孔等無法在模中壓製出來者,仍須以傳統的機器切削之,而所使用的切削工具,以碳化鎢材質為宜,所使用的冷卻劑,則必須避免使製品銹蝕。

資料來源[编辑]

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  1. ^ 921&88數位典藏,PDF檔案