Chapter7 粉末冶金
本章架構 7.1 前言 7.2 金屬粉末的特性 7.3 粉末的製造法 7.4 金屬的粉末混合 7.5 壓粉成形 7.6 燒結 7.7 燒結後的加工作業 7.8 粉末冶金材料的特性 7.9 粉末冶金的優點 7.10 粉末冶金的條件限制
7.1 前言
7.1 前言 粉末冶金（powder metallurgy; PM）如同鍛造、鑄造及塑膠射出成形等加工一樣，需要透過模具成形，其為一種使用金屬粉末製造工業產品的技術，最早的工業產品是19世紀初期所製作之燈泡鎢絲。
7.2 金屬粉末的特性
7.2 金屬粉末的特性 7.2.1 粉末顆粒大小與形狀分佈 7.2.2 流動性 7.2.3 視密度 7.2.4 壓縮性 7.2.5 燒結性 7.2.6 化學成分
粉末顆粒大小與形狀分佈 粉末的需要視需要決定，通常可分為球狀、角狀、鋸齒狀、扁平狀、樹枝狀等 以球狀粉末燒結最好
流動性 量測一定量粉末通過一小孔所需時間為測定粉末流動性的方法。
視密度 視密度低時壓粉需有較長的壓縮衝程及較深的模穴（cavity），視密度高則燒結時收縮較少。
壓縮性 壓縮性為金屬粉末在壓粉前後之密度比，粉末的顆粒大小及形狀對於壓縮性具有很大的影響。
燒結性 燒結性為粉末燒結難易程度，包括粉末燒結後變形的程度、密度的變化、成品的物性及燒結溫度的範圍。
化學成分 金屬粉末的純度和化學成分在進行壓粉燒結之前必須加以化驗，以利粉末的混合。
7.3 粉末的製造法
7.3 粉末的製造法 7.3.1 霧化法 7.3.2 還原法 7.3.3 電解法 7.3.4 研磨法 7.3.5 射擊法 7.3.6 粒化法 7.3.7 沈澱法
7.3 粉末的製造法 粉末的製造 粉末混合(blending) 壓粉作業（compaction of powders） 燒結 最後加工作業（finishing operation）
7.3.1 霧化法（1/2） 霧化法(atomization method)通常用於製造低熔點金屬粉末。 製作時係將金屬合金熔液通過噴嘴(nozzle)，然後以高速空氣、水或氮氣(nitrogen)吹出，則金屬就會形成霧狀噴出，分成個別的粉末，粉末科顆粒的粗細可由壓縮空氣或流體的大小及金屬的流動率來決定。 惰性氣體霧化法(inter-gas atomization) 、旋轉電極法(rotating electrode) 、可溶解氣體霧化法(soluble-gas atomization)。
霧化法（2/2）
7.3.2 還原法 還原法(reduction method)通常以CO2、H2等還原劑將粉末狀的金屬氧化物，在熔點下還原成海綿狀金屬粉末。
7.3.3 電解法 電解法（electrolysis method）製造粉末類似電鍍(electroplating)方法，製造時金屬板置於陽極(anodes)另一金屬板至於陰極(cathodes)，通電後高安培電流促使金屬粉末沉積(deposit)於陰極金屬板上，再由金屬板將沉積刮下，研磨成所需顆粒大小的粉末。
7.3.4 研磨法 研磨法（grinding method）可說是最古老的粉末製造法，通常使用球磨機或磨粉機將金屬磨削成粉狀。
7.3.5 射擊法 射擊法（shooting method）為將熔融金屬通過篩孔經水中凝固為較細的金屬粒，然後研磨成粉末。
7.3.6 粒化法 粒化法(granulation method)是將熔融金屬冷卻，於半熔狀態時迅速加以攪拌，使具形成粒狀，無機會結塊。
7.3.7 沈澱法 沈澱法(precipitation)為將溶有金屬的化學容易沉澱，使金屬沉澱下來而得粉末。
7.4 金屬粉末的混合
金屬粉末的混合 不同金屬粉末混合時，為了增進流動性(flow characteristics)，通常加入油脂酸(stearic acid)等潤滑劑，以減少粉末間的相互摩擦及粉末與模子(dies)間的摩擦，延長模子的使用壽命。
7.5 壓粉形成
7.5 壓粉形成
7.5 壓粉形成 7.5.1 冷壓縮 7.5.2 熱壓縮 7.5.3 非加壓式壓縮 7.5.4 模具
冷壓縮（1/2） 將粉末填入特定形狀的模具內，以一組衝頭將其壓實到一定的密度，再由模具中取出，即成為生壓胚(green compact)。
冷壓縮（2/2） 另一種冷壓縮是等壓縮(isotatic pressing)的壓縮方式，此方式可以使粉末所受各方向的壓力均等，其所使用的模子為橡皮模，壓力媒質為氣體或液體，為了製作較均勻壓粉，常使用靜液壓(hydrostatic pressure)方式完成。
熱壓縮 為將粉末填充於模具內，同時加熱與加壓，如此粉末受熱後會塑性變形，受壓後即將熔結在一起。
非加壓式壓縮 一般常用滑鑄法(slip casting)與重力壓縮法。 滑鑄法是將粉末與液體攪和成漿狀，倒入燒石膏模子內，使液體滲入石膏而留下一層固體於模子表面，待取出模子後，即得到滑鑄品。 重力壓縮法大多用於過濾板之製造，此法是將粉末填注滿於模具內，加以燒結而不加壓，待燒結完成後取出加以滾壓，即得有孔隙的金屬片。
模具 可充分保證被要求之容許尺寸。 須堅固耐用，能耐較大的成形沖壓力。 需具優越的耐磨耗性，適合於大量生產。 價格低。
7.6 燒結
7.6 燒結
7.6 燒結 7.6.1 燒結爐 7.6.2 防護氣體
燒結爐(1/2) 加熱方式 周圍環境 連結式燒結爐的三個爐室(chamber) 電熱式(圖7.8) 氣體加熱方式 防護氣體周圍環境 真空周圍環境 連結式燒結爐的三個爐室(chamber) 預熱爐室 高溫爐室 冷卻爐室
燒結爐(2/2)
防護氣體 還原性周圍環境氣體 中性氣體及真空中性氣 氫氣、氨氣分解、吸熱性氣體(endothermic gas) 、發熱性氣體(thothermic gas) 中性氣體及真空中性氣 氮、氬、氦
7.7 燒結後之加工作業
7.7 燒結後之加工作業 7.7.1 再壓縮 7.7.2 切削加工 7.7.3 表面處理
再壓縮 再壓縮稱為尺寸修整(sizing)或壓模印(coining)，以提高密度、增進製品的尺寸精度。
切削加工 切削刀具應使用超硬工具始能符合需求。例如超硬鑽頭的切削速度通常為60m/min。
表面處理 去除小型產品表面瑕疵 表面電鍍 硬氧化鐵處理 金屬浸透處理 化學處理 氣體滲碳(gas caburization)
7.8 粉末冶金材料的特性
7.8 粉末冶金材料的特性 7.8.1 粉末材料的強度 7.8.2 延展性
7.8.1 粉末材料的強度
7.8.2 延展性
7.9 粉末冶金的優點
7.9 粉末冶金的優點 具經濟加值 優越的特性 獨具的功能(unique capabilities) 製程可自動化，降低生產成本。 材料製作迅速方便。 製程中能源消耗少，絕大部分成品尺寸精確，不需另行加工精修，節省工時。 不需繁雜的生產線生產，可彈性製造應用。 優越的特性 成形材料具等方性(isotropic) 結晶微細，強度、硬度及耐磨性俱佳。 微離析(micro segregation)。 獨具的功能(unique capabilities) 可作為耐火材料(refractory materials) 能控制應用孔隙特性(porosity)
7.10 粉末冶金的條件限制
粉末冶金的條件限制 初期加工設備費用昂貴。 生產量低於10000件則較不實際。 產品設計時需考慮易於粉末冶金製程，因為產品常形成較其他方法來得高。 需防腐蝕(corrosion) 自動化設備投資費用高。 粉末冶金成形鋼料的密度僅為原材料的75~90％。
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