粉末冶金生產流程：Flow chart of Powder Metallurgy

一、粉末的制造方法：

1、 氣噴霧法：

常用于制造鋁粉、合金粉等易氧化之粉末，由于采用惰性氣體，所制造的粉末之純度高、外觀為球形且堆積度高。

2、 水噴霧法：

水噴霧法所制得粉末之形狀較不規(guī)則，其缺點為其含氧量稍高。但其生產成本低。

3、 還原法：

此法最普遍之金屬粉末為鐵粉，此種鐵粉是將氧化鐵FeO以氫氣還原而得。由于氧化鐵粉之密度較低且體積大，被還原后又會留下孔洞，所以其外形不規(guī)則且內部有孔洞，俗稱海綿鐵粉。

4、 離心法：

利用水或氣體之動量將金屬熔液噴成粉末以外，亦可利用離心力之原理將金屬熔液滴滴甩出。此法所制得之粉末雖然成本較高，但污染少、適合制作活性金屬如鈦等。

5、 機械合金法：

對于有些質脆的金屬若施以撞擊可使之粉碎，所以只要經(jīng)過連續(xù)撞擊后即可得到較細且合乎規(guī)格之粉末。

6、 電解法：

最常見的是電解銅及電解鐵粉。其純度高、壓縮性佳、生胚強度好。其形狀為樹枝狀。但制造成本太高。

7、 化學分解法：

最常見之粉末為羫基鐵粉和羫基鎳粉。其粉末外形有球形、針形、鏈狀等。球形鐵粉一般使用于MIM、軟磁材料、微波吸收材料等。

二、粉末的特性和分析：

1、粒度分析：

由于制造粉末之方法有很多種，而每種方法所制造出之粉末并非均為球形，所以一般所謂的“粉末直徑”乃是指該粉末之“相當直徑”，此相當值會依不同之量測方法而有不同之值，有的是取與該粉末體積相等之球狀粉之直徑作為“相當直徑”，而有的則是取與該粉末之表面積相同之球狀粉之直徑，所以即使是同一粉末也常因量測方法之不同，而得到不同之粒徑。因此，一般常根據(jù)該粉之用途來決定應以何法來量測，例如某一粉末之用途為觸媒，則該利該粉之粒徑宜以表面積法來量測。

一般常用之金屬粉末其粒度約在1μm至1000μm之間。由于其差距甚大，并無一種理想之儀器能涵蓋此大范圍，且仍能迅速地量測出該粉末之準確粒度值。一般常用之測試方法有下列數(shù)種，而每種方法因所依據(jù)量測原理之不同而均有最佳之范圍且均有其優(yōu)缺點，茲詳述如下：

篩分法：

對傳統(tǒng)粉末冶金制程所使用之粉末而言，一般均可以此方法來評估粉之粒度大小。在此方法中粒度之大小乃是以能否通過某一孔徑之篩網(wǎng)來訂定，而篩網(wǎng)之孔徑又依網(wǎng)目之多寡而定。例如400目之篩網(wǎng)所代表之意義為該網(wǎng)每一英吋之長度上有400個孔，因為此篩網(wǎng)網(wǎng)線之直徑26μm，故由此法編織而成之網(wǎng)其開孔之孔徑為38μm。表3-2所列即為18.目到635目篩網(wǎng)之孔徑，由此表中亦可看出每個網(wǎng)目之孔徑均以1.189之比例增加，所以每隔4個篩網(wǎng)，該孔徑即加大一倍，亦即400、200、100及50目篩網(wǎng)之孔徑均以倍數(shù)增加，而分別為38μm、75μm、150μm及300μm。較簡易之記憶法為:將網(wǎng)目數(shù)與微米數(shù)相乘應等于15000。傳統(tǒng)粉末冶金業(yè)所使用之粉大多以50至400目之篩網(wǎng)篩分，故只要熟習50、100、200、400目中任一網(wǎng)目之孔徑，即可對其他網(wǎng)目之大小有基本之認識。

量測時各篩網(wǎng)之排列如圖3-2所示，首先將約1OO克之粉末放入最上面之篩網(wǎng)中，而各篩網(wǎng)之次序由上至下依次為網(wǎng)目號碼小者至網(wǎng)目號碼犬者，然后在最上面加蓋，在最底層加一承接盤。將這些組裝好之篩網(wǎng)置入振動機中，在振動過程中于水平方向上有285rpm之回轉運動，且在垂直之方向上有一錘子以每分鐘150次之頻率敲擊使粉末不致阻塞網(wǎng)孔。經(jīng)15分鐘之振動后量測各篩網(wǎng)上所盛粉末之重量即可得此粉末粒度之分布。圖3-3a即為此俗稱為Ro-Tap設備之外觀，而圖3-3b則為另一常見之篩分設備，此設備亦具有水平之圓周運動及上下振動之功能。以這些篩分設備所測得之粒度分布屬于一種重量百分比之分布。一般之表示方法以“+”代表大于某網(wǎng)目，而‘一“代表小于某網(wǎng)目，例如－230+270之粉末表示其粒徑小于230目大于270目，在230至270目之間，亦即介于53~63μm之間如圖3-2所示。此測試之標準有美國粉末冶金協(xié)會MPIF 05或美國測試與材料標準學會(American Society for Testing and Materials)之ASTM E-11。

A、簡易記憶法：網(wǎng)目數(shù)*微米數(shù)=15000

B、傳統(tǒng)粉末冶金所使用之粉大多以：

網(wǎng)目：50、 60、 70 、80、 100、120、140、170、200、230、270、325、400目

微米：300、250、212、180、150、125、106、 90、 75、 63、 53、 45、38μm

C、-230、+270代表粉末粒徑小于230目大于270目。

D、400目代表的意義是每一英吋長度上有400個孔、孔徑為38微米

2、典型地粉末粒子外形：

A：單面的空間：

B：雙度的空間：

C：三度的空間：

3、密度：

與粉末冶金制程相關的密度有：

A、真實密度 B、視密度 C、敲擊密度  D、成形后之生胚密度 E、燒結后之密度。

A、真實密度：

一般粉末之表面有一層薄薄的氧化物，而內部易可能有一些封閉之氣孔，特別是氣噴粉或還原粉中，使的粉末本身之密度低于熔煉而得的金屬。由于在粉末冶金的制程中，要計算粉末之體積比(如MIM生產過程中，需要了解金屬粉和塑料之比例)，或計算混合粉的理論密度，所以每種粉末的真實密度是重要數(shù)據(jù)。

B、視密度：

計算成形時粉末在模穴中應充填的高度。

1、粉末外觀密度又稱為視密度，是將粉末填入已知體積后所得之密度。

2、其測定是相似于當零件制造時，粉末填充到固定容積的模穴中之粉末重量。

3、粉末外觀密度測試提供粉末物理特性評定的準則。

4、粉末外觀密度高表示粉末顆粒間摩擦力小、流動性佳。使得成形時粉末容易迅速流入模具的模穴中，而使成形之生胚密度也較高。

5、當粉末太細，粉末間摩擦力太大，無法通過2.54mm之孔徑時，可改用Carney

Funnel(卡尼漏斗)，其孔徑為5.08mm。MPIF-28

6、為了類似工業(yè)界所使用成形機上填粉盒實際充填時之動作，在MPIF-48說明中有Arnold Apparent density meter(亞諾計)設備。此視密度值高于Hall之視密度值。

生胚密度ρg和外觀密度ρa與生胚厚度t mm之關系：

生胚密度ρg×生胚厚度t mm＝外觀密度ρa×機械的調整沖子上端與模面的高度。一般產業(yè)界都以2倍處理為多。

C、敲擊密度：

1、在粉末冶金制程中，將粉末振實以提高密度。尤其在冷、熱均壓時，都希望粉末的敲擊密度越高越好。

2、  因為生胚密度愈接近成品之理論密度則燒結溫度可降低，燒結時間可減少且燒結時的收縮率較小、尺寸較穩(wěn)定。

3、由于粉末粒度太小無法使用于Hall流動計時，皆以此量測。

4、工業(yè)界使用細粉如MIM和噴霧造粒常以敲擊密度作為粉末規(guī)格代替視密度及粒度。

D、成形后之生胚密度、E、燒結后之密度：

粉末冶金產品常含有孔隙且形狀復雜，不易由重量及體積直接量得其密度，由于密度直接影響了產品的特性，所以在成形后應即測量生胚之密度，以控制質量的穩(wěn)定性。燒結后也同。

我們對從事品管的從業(yè)人員提出以下之建議，在測量『生胚密度』、『燒結后密度』時，

應遵循︰

1、依ASTM、MPIF、JIS、CNS、中國國家標準中所述︰吸水性粉末生胚、燒結產品密度

測試標準操作法，以潤滑油滲入法做為防水處理，其演算公式為：

Db＝Wa×ρ/(Wb-Ww)。

2、可采用封蠟法、對于易崩解的磁性材料，最經(jīng)濟、最方便、最快速所測得之密度之

演算公式為：Db=Wa÷{[(Wb-Ww)÷ρ]-[(Wb-Wa)÷Dp]}。

4、安息角：又稱自由坡度角

1、粉末間摩擦力的一種表示法。

2、即為粉末開始滑落時的角度。

3、粉末從漏斗自由落下在平臺上后，取水平面與堆積粉末之斜面間之夾角。

4、粉末之流動性越好、粉末形狀越接近于球形、粉末間的摩擦力越小時此安息角越小。

5、流動性：MPIF-04

決定粉末流入模穴各角落之難易和速率。影響了成形壓機的成形速率及壓機的產能。

1、粉末流動之難易影響粉末進入模穴之快慢，因而也影響成形速率和壓機的產能。

2、流動性越好、視密度較高、安息角越小。

6、生胚強度：

1、經(jīng)壓實之生胚若形狀復雜時常因搬運、碰撞等原因造成崩角、破裂等現(xiàn)象。而維持原形狀的能力稱為成形性，由拉脫拉試驗做為判定成形性之方法。

2、藉由拉脫拉試驗中重量的損失多寡代表生胚強度之高低。

3、生胚密度愈高則生胚強度愈高。

7、壓縮性：

1、一般使用者都希望粉末冶金機械零件具有高強度，所以對密度的要求也高。

2、在同一成形壓力下，所使用的粉末能達到最高之密度，此粉末能達到最高之密度之能力稱為壓縮性。

3、壓縮性的高低和粉末的化學組成及制造過程有關。

4、還原鐵粉之形狀不規(guī)則，氣孔多，視密度本就偏低所以壓縮性較差。水噴霧粉較好。

5、預合金粉和表面已氧化之粉，因粉末本身硬度已高所以不易壓縮。

6、粉末粒度分怖過窄時，由于粉末間之空隙無細粉予以充填，所以生胚密度不理想。

7、混合元素粉因粒度分布經(jīng)過控制，壓縮性較佳，能達到高視密度。

三、粉末成形前之處理：

一般工廠中，在收到粉末后的第一個手續(xù)應該是粉末特性及規(guī)格的檢驗。為了讓成形步驟更快速、更簡單、或使生胚之尺寸、密度更穩(wěn)定、強度更高。接著就必須做好下列的步驟：

1、分級：

原因：

一般工廠在成形前都將細粉及粗粉除去，因為細粉常夾在沖子與中模或沖子與芯棒間的縫隙，造成卡粉導致模具表面之拉傷。而粗粉太多時則會因不易燒結或充填密度不`穩(wěn)定，導致成品之尺寸或密度與規(guī)格有所偏差。

對策：

工業(yè)界一般都采用具兩層篩網(wǎng)的三層式篩網(wǎng)機，上層之篩網(wǎng)可將過粗的粉篩出，中間者為所欲得的粉末，下層為過細之粉末。

2、合批：

原因：

粉末經(jīng)由長途之運送到達工廠，常因過程中之顛簸，使其細粉漸漸經(jīng)由粗粉間之空隙沉到桶底，造成粒度的偏析。

對策：

為了使粉末之粒度分布均勻，一般可使用攪拌機重新攪拌一次。有時出清庫存時為了使成品之性質穩(wěn)定，也常將不同批號所殘留之余粉(相同成分之粉)給予混合。

3、混合：

將不同成份的粉末攪拌在一起，而一般所混合之材料有潤滑劑及裝配合金用的石墨粉或金屬粉。添加潤滑劑的功能在于使粉末易于流動，提高視密度，及減少模具之磨耗。而添加石墨粉或合金粉是為了提高燒結產品之機械或物理性質。

一般的結構性零件均為合金鋼，因此必須在鐵粉之外添加其它合金元素，如石墨粉、銅粉、鎳粉、鉬粉。

也有使用預合金鋼粉，特點：為燒結后顯微組織及機械性質均勻。缺點：硬度高、壓縮性差。為了改善此缺點，目前工廠都加入鉬Mo、鉻Cr等屬于bcc相穩(wěn)定元素之合金鋼粉。

為了減少預合金粉的各個成分的庫存壓力，也有使用混合粉，雖然混合粉易成形且添加量之多寡由業(yè)者自己自行調配，但其缺點為成分不均，石墨粉飛揚，造成各批次間之粉末特性有所差異。

一般的混合機構有三種：a：對流b：剪斷c：擴散

對流模式：粉末由容器的底部經(jīng)由摩擦力被帶到容器之上部，當粉末超過安息角時則自然落下，然后繼續(xù)循環(huán)，形成循環(huán)流。

剪斷模式：則多在接近筒壁、筒底處，此因粉末被壓縮而向下滑動。

擴散模式：則為容器在水平方向的兩端之粉末逐漸互相滲透之混合模式。

常見的混合機器有V型、雙錐型、滾筒型。在容器內粉末之充填量一般占全部體積之20~30%，而且轉速不可太快，不然粉末將因離心力大于重力，使粉末貼住筒壁而無混合之效果。

為了達到最加混合效果，應使粉末在到達高處并在落下時能被甩到最遠處。

4、球磨：

粉末間有時由于濕氣產生的毛細力，或由于靜電、凡得瓦爾力、磁力等會使得粉末產生凝聚甚至結塊的現(xiàn)象，若要使這些粉末達到原有粉末之粒度或表面積之規(guī)格。，必須將這些已結塊或凝聚之粉打散。有時不良的生胚或造粒粉要回收時亦常需要將之打散才可再使用。

將粉末和鋼珠置入滾筒內，以干式法或(加入水或庚烷等液體之濕式法)，在筒內靠鋼球之撞擊力將粉末打散，亦可添加一些有極性的高分子于液體中使各單一粉末間有排斥力，以防止再次凝聚。

5、造粒：

當粉末粒徑微細時，由于粉末間之摩擦力大，使得其流動性相當差，不易填入模穴中，且因視密度非常低，不易壓成高密度的生胚，無法用于工業(yè)界的快速成形機，所以一般常須先經(jīng)造粒以改善粉末之特性。造粒的外觀則以實心，球形粉為佳。

噴霧造粒首先將細粉與水及黏結劑如聚乙烯醇、阿拉伯膠、甲基纖維素等混合攪拌成泥漿狀，然后由噴嘴高速噴出，此噴出的霧狀液滴受到迎面來的熱空氣或熱氮氣吹襲，使得其中之水分蒸發(fā)只剩下黏結劑，此時細粉間即靠這些黏結劑結合。

 一般最常用的黏結劑是聚乙烯醇，此材料為聚合物，含有親水性之OH基。稱為完全堿化型。但也有一些聚乙烯醇中之OH基被疏水性之醋酸基取代成為部分堿化型。一般由于分子量及官能基之不同，堿化程度將對霧化粉產生很大的影響，當分子量大，堿化程度高亦即OH基多時，其泥漿黏度、粉體硬度、強度、抗吸濕性等將提高。所以可依造粒粉之粒度要求，選用不同的聚乙烯醇。此外也添加其它添加劑，以改變粉末之性質。

若霧化后之粉若硬度太高，造成模具磨耗過快或成形密度太低的話，可以在攪拌過程中加入微量的塑化劑。可使粉末稍為軟化，易于成形。所以粉末中殘留些微量水分是有其必要，但其含量須謹慎控制。在磁性材料方面一般水份含量約＜2％為主要的考慮。

造粒完成后，需經(jīng)過粒度分析、流動性、安息角的檢驗之外，還需作殘留水分及外觀的檢驗。水分過多時流動性不佳，原粉易生銹，而過少時成形性較差。

6、添加潤滑劑：目前常用之潤滑劑有白蠟、硬脂酸鋅、硬脂酸鋰。其目的：

A：改善粉末之流動度，使生胚密度更為均勻，并使充填模穴之時間縮短，提高成形機之生產效率。

B：增加粉末之視密度，降低模穴之充填高度，減少模具之厚度，節(jié)省成本。

C：改善粉末之壓縮性以提高生胚密度。

D：降低脫模力，減少模具之磨耗。

由于潤滑劑大多為碳氫化合物，必須在燒結前給予去除，此稱為脫脂。脫脂過程及潤滑油

之選擇對成品均有相當大之影響。

潤滑劑有白蠟、硬脂酸鋅、硬脂酸鋰之特性：

殘留物之形成是由于原潤滑劑中所含的金屬原子，此潤滑劑再受熱而揮發(fā)或分解時，其中所含的金屬原子有的將以細粉之方式隨氣體排出、有的將直接沉積在爐口或煙囪中溫度較低處，而部分之金屬原子則在脫脂過程中與潤滑劑中之氧原子或與氣氛中的微量氧分子或水分子反應而生成氧化物。其中硬脂酸鋅將產生氧化鋅殘留物。

硬脂酸鋰有搶氧之功能，使銅及不銹鋼中之其它元素不易與氧結合形成氧化物，也使氧不易溶于金屬中，具有清潔的功能。

殘留物造成的缺失：

1、氧化鋅及鋅常如鐘乳石般懸掛在連續(xù)式燒結爐中脫脂區(qū)爐膛之頂部，會妨礙燒結體的進入，必須每一段時間以機械方式予以刮除，或將燒結爐降溫藉其與爐膛間熱膨脹系數(shù)之差異讓其自行掉落。

2、鍍鋅鋼板及鋅壓鑄工廠常在生產過程中產生鋅氣體及鋅的細微粉末而造成環(huán)境的污染。

使用硬脂酸鋅應特別留意鋅的排放所造成污染的問題。

白蠟則無殘留物且其脫脂效率高，較不易在胚體內因突然產生大量分解氣體而形成壓力，進而造成生胚之破裂、起泡等缺陷。

白蠟的優(yōu)點：

1、無殘留物，燒結爐的清潔度較佳。

2、生胚強度高，也常制作結構零件。

3、又白蠟無金屬原子可溶入鐵基地中，所以對不繡鋼等有污染顧慮的材料較適合。

若以潤滑功能而言，硬脂酸鋅最佳、硬脂酸鋰次之、而白蠟最差。所以制作鐵系結構零件常使用硬脂酸鋅。

硬脂酸鋰則常用于不繡鋼、軟磁材料、及黃銅、純銅等需要含氧量低的材料。

加入潤滑劑添加物對鐵粉視密度、流動性、生胚密度的影響：

視密度及生胚密度皆先增后減，而流動性則先快后慢。當生胚密度較低時，其密度隨著潤滑劑之增加而上升。但在高生胚密度時，若成形壓力相同，則當潤滑劑增加時，生胚密度先是上升，到達一極大值后漸漸降低。此由于少量的潤滑劑可減少粉末間之摩擦力，但太多時則由于胚體之理論密度降低，所需壓結之相對密度也提高了。

最適合的潤滑劑添加量應在0.1~0.5％之間，添加潤滑劑除了可減少粉末間之摩擦力、增加生胚密度外，也可降低生胚與模壁間之摩擦力。因為潤滑劑在高壓時會被擠向胚體表面，當胚體受摩擦力而產生局部過熱之現(xiàn)象時，甚至會將一些低溫的潤滑劑熔解而擠出，并在胚體與模壁間形成一薄膜而降低摩擦力。此時之摩擦系數(shù)約0.03~0.12之間。

7、添加黏結劑：

主要功能在于改善粉末的成形性。

1、由于有些細粉粉末間之摩擦力高，成形的壓力多被抵消，需使用高壓力，但高壓力造成顏重的脫模膨脹使胚體易產生裂痕，魚鰱紋。

2、又有一些粉末為球形且硬度高、不易產生塑性變形，以致粉末間無法以冷焊或以機械糾結的方式結合，導致胚體較易分層、崩角、破損。

四、粉末的加壓成形：

1、成形步驟：

成形模具可分為上沖、中模、下沖、芯棒四大部份。而依零件之復雜程度，其上、下沖之數(shù)目不同。

1、步驟：

粉末成形后，中模向下移動，使胚體露出中模面，此步驟稱為脫模頂出。接著填粉盒向右方前進，利用其前端將胚體頂向右方的收料盤。接著中模向上移，而填粉盒則移至模穴正方，使粉末落入模穴內，再此過程中填粉盒將左右振動使粉末較易落入。當充填結束后，填粉盒向左移，上沖向下移動進入中模擠壓粉末。當壓結動作結束后，上沖上移而中模繼續(xù)下移，直到試片露出中模。

2、充填：粉末的充填有四種方法：

A：落入法：傳統(tǒng)之填粉法，亦即中模上升至最高點之位置后，填粉盒才到達模穴上方，將粉以自由落體的方式掉入模穴中。利用此法填粉時，充填之速度及均勻性常取決于模穴的截面積之大小及粉末的速度。

B：吸入法：由于一般所使用粉末的粒徑多在40~200μm之間，若使用落入法，當模穴狹窄時，粉末進入不易，速度較慢，將影響成形機的使用效率。為改善此現(xiàn)象，可采用吸入法。亦即當填粉盒到達模穴上方時，中模才往上移，此動作造成真空吸粉之現(xiàn)象，可加快粉末進入模穴之速度，以及充填的完全性。對于形狀復雜有尖角之零件，或小于1mm之薄壁軸承之充填均有很大之幫助。

C：上充填法：粉末填入模穴后，芯棒才向上移至模面之高度，此對于薄壁零件亦有相當大之幫助，因為薄壁零件成形時芯棒與中模間之空隙小，易產生架橋現(xiàn)象，阻礙了后續(xù)粉末之掉入，若芯棒先在下方，可增加模穴空間有利充填，待充填結束后，芯棒再往上移即可改善這些困擾。

D：下充填法：當充填結束后，下沖不動，中模和芯棒再向上移，使粉末相對下移低于模面，此可防止上沖向下移動到達中模面時粉末向外噴，且可減少因中模有推拔角或圓弧角而使一些粉末卡在上沖與中模間造成夾粉之現(xiàn)象。

粉末之充填量、深度以及胚體尺寸之關系：

填粉的深度H1、生胚胚體之高度H2、ρg生胚密度、ρa粉末之視密度。

公式為：(H1/H2)=( ρg/ρa)  以圓柱體為例：

若H2=3mm、ρg=6.8g/cm3、ρa=2.8g/cm3 則H1=7.28mm

3、成形：粉末的充填有四種方法：

A：單壓成形：成形時下沖不動，由上沖施力，壓結后，中模不動，由下沖向上將產品頂出。此成形方法因只有單向加壓，所以胚體的密度上方較高，下方較低。只適合于生產較薄的產品以減少密度不均之現(xiàn)象。

B：雙壓成形：成形時下沖也往上壓，此可使胚體的密度均勻。下沖再向上將產品頂出。

C：中模浮降法：此法在中模下方有彈簧，當中模受到上沖下壓時，胚體與中模間之摩擦力會使的中模向下移。使用此方法時，下沖不動，但由于中模之下降使得上下沖對中模而言均有相對運動。而頂出則靠中模續(xù)降將胚體露出中模面。

D：強制浮降法：類似中模浮降法但中模之下降動作均由機械或油壓方式獨立操作，且下降之速率約為上沖之半。

4、成形基本原理：

當粉末進入模穴后，其密度相當?shù)停杩可稀⑾聸_之加壓才能使胚體之密度提高。一般而言，為了維持傳統(tǒng)粉末冶金零件之穩(wěn)定性，希望此生胚之尺寸及密度與燒結后之尺寸及密度一樣，所以常盡可能地在成形時即壓至所欲達到之密度，而燒結只是加強粉末間之結合力，并使合金成分均質化。基于此提高生胚密度之前提，上下沖對于粉末以及中模所施之壓力將相當大。

當上沖壓力P向模穴之粉末壓下時，此壓力P使得模穴之粉末被擠向四周，產生一徑向壓力Fr傳遞至模壁。當胚體與模模壁產生相對移動時此徑向壓力Fr造成一摩擦力Ff，此摩擦力Ff將抵消部份的成形壓力，使傳到胚體下方之壓力Pb變小。

Z為徑向壓力與軸向壓力之比，亦即軸向壓力傳達至徑向壓力之能力。下表為各種粉末之Z值：壓力越高亦即生胚密度越大時其Z值越大，且較硬之粉末其Z值較小，而較軟之粉如銅粉、鉛粉因其較易塑性變形故Z值較大。

由公式可知：Px/P=exp(-4μZ X/D)   μ為摩擦系數(shù)

胚體中的壓力隨著高度X的加大及D的變小而降低。由公式可知胚體內各處之密度將不均勻。

在單壓時：上方邊緣處之密度最高，下方邊緣處之密度最低。

在雙壓時：上、下兩方邊緣處之密度最高，但中間邊緣處

密度最低。此由于沖頭本身承受之壓力并不均勻。

由公式得知若要改善壓力的均勻性，則必須降低μ值和Z值。

改善方法：

可藉調整潤滑劑之添加量以及粉末之形狀、大小而改變。一般而言，將潤滑劑施于模壁時，胚體與模壁間之μ值將降低，但Z值卻升高，故需視μ值和Z值而定。

一般結構件，亦即生胚密度在80％以上時，添加潤滑劑將使μ值和Z值下降，因而有助于將上沖之壓力傳至下沖。

由公式得知當X/D值小時，密度及生胚強度將比X/D大時為佳。故一般胚體長度與直徑之比值最好愈小愈好，一般多在6以下，不然胚體中間部分因密度過低而易碎裂。

5、脫模力：

當施壓之步驟完成后，胚體因受到徑向壓力所造成之摩擦力，將撐在中模內，不易頂出。

當加壓時之徑向壓力隨軸向壓力之增加而上升，當成形結束后，軸向壓力Pa迅速降至為零時，其徑向壓力Pro也迅速下降，但卻不會回歸至零而有一殘留徑向壓力。對海綿鐵粉而言，此殘留徑向壓力Pro約為最大軸向壓力Pa的0.2~0.3倍。

故脫模力=徑向壓力×胚體的側面積Aside×摩擦系數(shù)μ

       F =μ×(0.2~0.3)Pa×Aside

對于薄壁之小工件如自潤軸承，由于側面積大，其脫模力常超過成形所需之力量，使得頂出時胚體底部因再受度受高壓而提高密度，有時下沖承受不住此頂出力將產生塑性變形甚至于斷裂。為了降低脫模力，一般可在粉末中增加潤滑劑之量，以降低胚體與模壁間之摩擦系數(shù)，且必須隨時維護模具之表面之光滑度，不然將產生嚴重之模具磨損，甚至有尖銳噪音之出現(xiàn)。

五、成形時之考慮事項：

1、噸數(shù)：

成形所需之噸數(shù)與零件之截面積、粉末的成形性、以及所需之生胚強度有關。

舉例說明：

外徑為20mm內徑為10mm高度為3mm生胚密度為6.8g/cm3之墊片，此墊片由上方投影之面積為235.6mm2。若使用還原鐵粉(看廠商提供之生胚密度和成形壓力的曲線圖)其成形壓力為6噸/cm2。所以成形的噸數(shù)為6噸/cm2×2.356＝14.1噸。

由于厚件因模壁所生之摩擦力較大，所以厚件的成形的噸數(shù)稍大。

2、段差：

在段差小的零件時，可使用上下沖直接成形，亦可藉模具段差之上沖成形，以減少沖子的成本。若零件的段差明顯時，若采用具有段差之上沖成形，將造成較薄的部分密度太高，而該沖子承受的應力太大，甚至于折斷或破裂。而較厚部分之密度太低，易在較薄不過交接處產生裂痕。

改善方法：段差明顯時，將此零件反過來成形改用兩支下沖方式成形。

3、零件設計：

胚體受壓時將產生彈性及塑性變形，當上沖退回模穴后，由于胚體已不受上下沖之壓力故其彈性變形將回復，因而高度將呈現(xiàn)增長之現(xiàn)象。而徑向的部分則在胚體離開模穴后才回脹，此回脹量約在0.1至0.2％之間，當壓力大、添加之潤滑劑多時此彈回量將增加。

舉例說明：為ㄇ形且具內孔之鐵粉胚鐵，其外徑為D0內孔為D1、D2之直徑在脫模后均變大，但對內孔D2而言，當肉厚為內孔直徑兩倍以上亦即D0>5D2時，此內孔有時不但不膨脹反而會收縮，故在設計模具時須將此彈回量列入考慮。

由于胚體成形及脫模時均是上下移動，所以前進路線上下不能有阻礙物。所以零件設計時應避免有清角(應將其轉90度)、橫向角(二次加工達成)、中模有尖角、上下沖有過薄或過尖之設計(因應力集中而破裂)。

有時雖然零件之設計并無不當，但因模具之設計或制作不當，亦會造成零件成形不易或模具之破損、磨耗。如模具未拋光至鏡面使得磨耗嚴重、間隙加大，甚至造成粉末卡入表面凹處，造成零件和模具表面的拉傷。

4、成形時常遇見之困難：

A、魚鰱紋及斷痕：

常發(fā)生在下列情形：

1、長度/直徑之比值太大時，試片中間部份之密度低、強度弱，當成形結束上沖升起時，胚體所受軸向壓力消失，產生向上之回彈因而產生裂痕。

2、試片在被頂出離開模穴之剎那，因應力瞬間消失，使得胚體產生彈回膨脹，每頂出一小部份，該部份就因脫模膨脹而產生橫向裂痕。此現(xiàn)像在胚體中段特別明顯，此因雙壓成形時該處之密度最低，且測向壓力最大。

3、關于鐵粉的脫模膨脹量：

造成原因：

當成形壓力越大時生胚密度增加，但脫模彈回量也上升，特別是還原鐵粉因內部孔隙較多，壓縮時孔隙體積收縮，使得一些封閉孔內之氣壓變大，造成頂出后孔內壓力回脹，產生大量的脫模膨脹。此彈回量在模具設計時應納入考慮。

對策：

1、為了減少脫模膨脹造成的這些缺陷，可使用具較高生胚強度但無內孔之粉，使用較少的潤滑劑添加量或使用壓縮性好的粉，使在低壓成形即可，以減少脫模膨脹量。

2、在頂出的模口處加大推拔角或R角，使胚體頂出時之彈回膨脹成為漸進式可減少魚鰱紋的產生。

3、若裂痕是由于上沖升起時胚體產生軸向之彈回所造成時，可藉調整上，下沖之動作使在頂出時上沖還壓住胚體，以減少軸向的回彈，此動作亦可增加胚體向測面彈回時的磨擦阻力，因而減少魚鰱紋的產生。

4、加速頂出之速度使胚體在模口之彈回速度相對降低。

5、添加黏結劑亦可減少魚鰱紋的產生。

B、裂痕原因：

除了上述因脫模膨脹所產生之橫向魚鰱紋之缺陷外。

A、在制作T形、ㄇ形胚體也常出現(xiàn)缺陷，特別是軸向及橫向之裂痕。因制作此T形、ㄇ形零件時必須使用兩支下沖，在成形結束上沖上移后，由于兩支下沖之長度不同，其回彈之膨脹量不同，使得這兩支下沖將對胚體造成應力而導致裂痕的產生。但這些裂痕不易察覺，經(jīng)燒結也無法愈合。(故在成形后應使用30倍之實體顯微鏡觀察，加以改善。)

對策：

1、在頂出時上沖還對胚體保持一定的壓力直到胚體的一部份或全部脫離模穴為止。

2、亦可調整工件密度之分布以改善之。

B、在制作不同厚度之零件時，在厚度不同的部分之相接處產生裂縫，此由于因左右部分之中性區(qū)亦即密度最低處相距過大所造成，一般之中性區(qū)之位置由下式?jīng)Q定：

N=F*X/(X＋Y) 

F：填粉深度  N：中性區(qū)距模穴上緣之位置  X、Y：分別為上、下沖之相對移動距離

舉例說明：

如零件尺寸左側是20mm的厚度，右側是10mm的厚度

假如ρg生胚密度和ρa粉末之視密度之比值為2.4 (公式為：(H1/H2)=( ρg/ρa))

則左側的充填深度為48mm，右側的充填深度為24mm。采用上下沖加壓方式成形時，

上沖下移14mm而左測下一沖上移14mm，右側之下二沖上移2mm。

對左測而言，其中性區(qū)(密度最低處)位置N1為48mm×(14/28)=24mm

對右測而言，其中性區(qū)(密度最低處)位置N2為24mm×(12/14)=20.6mm

由于中性區(qū)N1和N2之位置相差太多使得左右測之密度不連續(xù)，故有時會在左右部分

相接處產生裂縫。且當左側或右測有芯棒時，此芯棒會因左右密度不一致而受到側壓

力，導致孔不直或芯棒彎曲等問題。

對策：

調整充填深度及兩支上下沖上壓的時間，或改用兩支上沖以解決之。

C、崩角：

常發(fā)生于復雜零件的尖角，肉薄處。

產生的原因：

1、粉末間的摩擦力、結合力不夠。

2、粉的流動性不佳時，也會造成工件之某些部位充填不足，造成此處密度、強度偏低之現(xiàn)象。

改善之方法：

1、可選用還原粉或其它較不規(guī)則形狀的粉，利用其機械鎖合力來提高生胚強度。

2、若在粉末之選擇方面無法調整時，有時可使用上充填法或在填粉盒中加裝機械攪拌裝置或噴氣裝置，這些有助于粉末之充填，可改善粉末之均勻性。此外亦可添加黏結劑。

六、燒結：

簡單的說就是兩顆粉末在高溫時由于原子的移動，使得粉末間的距離改變、表面積減少、形狀產生變化的一種現(xiàn)象。

A：固態(tài)燒結：

燒結是藉原子或分子的吸引力在固體狀態(tài)下，透過熱的應用將粉末質量的粒子結合。粉末有大的表面面積比率不同于實心的金屬。因而表面能量更大的。

在燒結過程中將造成：1、改變氣孔的形狀。2、縮小體積。3、表面能量減少。

燒結被分為三個步驟進行：

第一步驟，粉末粒子還保持分離情形下，頸部生長過程迅速。

第二步驟，大部份的致密化存在結構再結晶而且粒子間互相擴散。

第三步驟，隔離的氣孔傾向于變?yōu)閳A形而且在比較低的比率下持續(xù)致密化。

液相燒結：

在液相里，兩個或更多粉末的混合燒結，被燒結的溫度是介于高溶化組成的低的溶點溫度和高于低溶化組成的溶點溫度。液相燒結適用于銅-錫和鐵-銅預拌粉，例如，假如成分是正確的混合，燒結的變化依據(jù)兩個合金濕潤度的物性。液相燒結的過程能考慮由三項部份重迭作用給予說明：

1、在液相允許固體材料重新排列和快速的收縮。

2、分解和再沖擊伴隨致密化的發(fā)生。

3、當液相消失時一起發(fā)生。

燒結氣氛：

幾乎所有金屬，即使將其放置于室內溫度中冷卻，金屬只要和周圍的氣體接觸將起反應。而在表面蒙上稀薄的氧化物薄膜。此在表面上蒙上氧化薄膜的金屬粉末，實時經(jīng)過了壓實過程也無法消除。這些氧化薄膜不能從金屬粉末拋出去，其結果將妨礙燒結的過程。所以為了從金屬粉末拋出去這些氧化膜，燒結中的氣體氣氛變?yōu)榉浅５闹匾?/span>

例如：置放在空氣中的鐵粉末壓實零件，將其燒結的話。因為鐵粉粒子將不斷的放出的氧化物，會在燒結過程中發(fā)生過度氧化現(xiàn)象。使得壓實零件的鐵全部被氧化。如處于相反性質的氣體場合，如周圍是氫氣、氨分解氣體、一氧化碳等氣體時。則鐵粉粒子所吸收的氣體將慢慢地被排出、將使燒結溫度變成十分的高，分解氧化薄膜，而放出了氧化物。燒結氣氛必須要具有還元性氣體。

燒結制程：

成形后之胚體由于內部含有潤滑劑，必須先經(jīng)脫脂步驟以去除潤滑劑，然后再于高溫燒結使粉末結合在一起，此脫脂及燒結制程所牽涉到的制程參數(shù)及在設備上之考慮相當多，例如應使用何種氣氛？何種溫度?何種設備?如何控制碳勢?若使用不同之材料時以上之參數(shù)又要如何改變?這些均有說明之必要。

脫脂：

一般之粉末需先添加潤滑劑或黏結劑以利成形，但這些潤滑劑多為有機物，必須在高溫燒結前予以去除。常用之潤滑劑有硬脂竣鋅、硬脂酸鋰及白蠟(ethylene bis-stearamide, EBS，俗稱之Acrawax即此成分)三種。

一般之脫脂多在燒結爐之前段進行，溫度在500-600℃之間，所需之時間大約為15-30分鐘。不過有些零件在脫脂時會產生起泡(俗稱爆米花)、爆點、破裂或積碳之現(xiàn)象。

A：一般認為起泡及破裂是因工件中之潤滑劑在400。C至500。C間之分解速率過快而造成。

B：積碳是因脫脂區(qū)之氣氛流速太慢，使得潤滑劑分解時所產生之一氧化碳在試片中停留過久，此CO超過18%時易反應成碳及二氧化碳，使胚體及孔之表面產生積碳之現(xiàn)象，由外觀看常有粗糙、隆起之現(xiàn)象。此積碳反應在500℃至600℃之間最明顯，加上工件中之鐵、鈷、鎳、鋅有催化作用，而使用之氣氛為受熱型氣氛時因其中之CO已有15至20%，所以在此氣氛下此積碳現(xiàn)象將更明顯。

解決此問題：

A：可以讓工件在500。C以下有足夠之時間脫脂，使所有潤滑劑脫除，并快速跳過500。C至600。C之范圍且加大氣氛之流量，以減少積碳、起泡、破裂之現(xiàn)象。

B：可在脫脂區(qū)單獨使用放熱型氣氛，此乃將天然氣或丙烷與空氣之比例調低，使較接近完全燃燒之比例，燃燒后之氣體含CO較少，產生此氣氛之裝置俗稱快速脫脂設備(rapid burn off, RBO)。此外，由于此燃燒為放熱反應，可藉氣體將零件加熱，使胚體之溫度較均勻。放熱型氣氛之露點較高亦有助于將積碳反應成氧化碳。

C：可將脫脂區(qū)使用之氣氛通過一水箱，使其離開水箱時含有水蒸氣，再將此氣體通入脫脂區(qū)，亦可減少碳黑。

D：在胚體中減少鎳之含量或添加硫或硫化錳，并改用硬脂酸鋅以外之目潤滑劑，有助于爆點、碳黑之減少。

E：加長脫脂區(qū)之長度，使胚體有足夠之時間脫脂，并調整爐膛之截面積，使燒結區(qū)之截面積較大而脫脂區(qū)之截面積較小，如此可使氣氛通過脫脂區(qū)時之速度加快而有助于將臟氣氛帶出。

燒結氣氛：

燒結時所用之氣氛可影響產品之機械性質、外觀、抗腐蝕性、成本等。在粉未冶金制程中相當重要，氣氛之主要功能有下列數(shù)項：

a)      防止外界之空氣進入爐內造成工件之氧化。

b)      幫助燒除胚體內之潤滑劑和黏結劑。

c)      將粉末表面之氧化層還原

d) 控制胚體之含碳量

一般較常使用之氣氛有氫氣、氮氫混合氣、裂解氨、吸熱型氣氛、放熱型氣氛及真空等。

氣氛之控制：

上述各氣氛多由氣體產生器生產而得，這些方法需注意下列事項以免生產出來之氣氛成分不穩(wěn)，影響粉末冶金產品之質量。例如產生器內之觸媒是否已老舊，是否有過多之碳黑產生，空氣中水分及溫度之變化，原料如液氨或烷類等所含水氣量以及氣體產生器本身之操作溫度是否不穩(wěn)定等。在燒結時氣氛中之水分及一氧化碳、二氧化碳皆能對碳鋼中之碳含量產生影響，所以有必要對這些氣體之角色作進一步之說明。

水分：

在各型氣氛中一般多殘留沼水氣，這些水氣在某一溫度以下將凝結成水珠，此最早凝結之溫度俗稱露點(dew point)，圖7-4為水氣含量與露點之對照圖。比對之方法為將中心點與露點之溫度相聯(lián)接，而其延長線即可指出相對應之水氣含量。例如水氣含量為1%時其露點為7。C。

各種氣氛中其水氣含量一般均太高，不適宜于直接用于燒結，必須先除水，常見之方法有三種:

(1)冷水沖洗法:

在高溫所生成之氣體其含水量相當高，若經(jīng)過管外之冷水沖洗后其露點可降至該水溫，例如以15。C至30。C之水沖洗時其氣氛之露點即為15。C至30。C，亦即其含水量為1.7至4.1%。

(2)冷凍除濕法:

以冷凍機使氣氛之溫度降低，則過飽和之水氣將礙結，以此法一般可得到之露點為5。C至15。C之間。

(3)化學除濕法:

以活性氧化鋁吸收氣氛中之水分，其露點可降至－40。C，若再以分子篩過濾則可降至一60。C。

水氣含量之測試方法有多種，常見之兩種如下: 露點計

(1)熱電型式:如圖所示，拋光材料之下方附著一熱電材料(thermoelectric material)，當通電并調整此熱電材料之溫度時可使拋光材料冷卻，此時，氣氛中之水分可凝結在拋光面上，成為霧狀，此時入射之光線經(jīng)折射后之強度將不同，此強度可由感光敏晶體管(photo transistor)測得，這些數(shù)據(jù)可解讀成氣氛中水分之多寡或露點之之高低。

(2)另一常用之方法乃利用電容之原理，當氣氛通過一含干燥粒之容器時，水氣將改變此容器之電容，故可藉以判斷氣氛中水分之多寡。

燒結爐：

連續(xù)式燒結爐大致上可分為脫脂區(qū)、燒結區(qū)、冷卻區(qū)三部部份。

脫脂區(qū)：生胚內之潤滑劑將被分解而逸出，并由流向爐口之氣氛帶出。

燒結區(qū)：在于加強粉體間之結合，:將各合金元素均質化，甚而提高密度。

冷卻區(qū)：有調整顯微組織、冷卻胚體以便取出之功能。

一般爐體所需之氣氛大多由燒結區(qū)之尾端進入，當氣氛進入高溫燒結區(qū)時，由于溫度升高、氣體急速膨脹，因而欲向爐口及爐尾流動，但因一般之爐尾常有外接之氮氣向下吹，形成氣簾(gas curtain)以阻隔燒結氣氛與外面之空氣接觸，此外，在爐尾亦常加上玻璃纖維簾布或鋼片以增加氣流之阻力，所以氣氛只能朝爐口方向流動。氣氛由燒結區(qū)尾部進入的好處在于燒結趨近結束時之胚體其所處周圍之氣氛較新鮮、干凈(氣氛愈接近爐口時，因其中已累積了不少潤滑劑所分解之氣體分子及水氣，所以較臟)，因此由高溫燒結區(qū)尾端進氣之設計可確保產品之干凈度。

不銹鋼之燒結：

由于不銹鋼中大多含有鉻(而鉻容易與氣氛中之水氣或氮氣產生反應生成Cr2O3或Cr2N，當這些化合物生成時，其外圍之鉻含量將減少，使得這些區(qū)域之抗腐蝕性大幅降低。因此不銹鋼之燒結不應在含氮之氣氛中進行。苦必須使用裂解氨時，則在800。C左右之冷卻速度需加快，每分鐘應在40。C以上，以避免Cr2N之生成。此外不銹鋼之脫脂必須非常完全，使其潤滑劑完全分解逸出，使其中之碳及氧無法與鉻結合，所以不銹鋼燒結爐之脫脂區(qū)最好要比一般之燒結爐長些。此外不銹鋼之燒結氣氛須特別嚴謹，其露點一般需在一40。C至一60。C之間。且盡量使用氫氣或真空，但真空度太好時，鉻易揮發(fā)，例如燒結溫度為1205。C時，鉻之蒸氣壓為10-2 torr，若此時爐內之真空度優(yōu)于此，則工件中之鉻將逐漸揮發(fā)造成鉻含量不足導致抗腐蝕性變差。故一般最好好利用氬氣之回填使真空度維持在1 torr左右，以降低鉻之揮發(fā)。

黃銅之燒結：

黃銅乃銅鋅合金，由于鋅之蒸氣壓高， 所以燒結時常因鋅之蒸發(fā)使得成分改變。

為了解決此問題：

一般燒結黃銅時常將工件置入不銹鋼、石墨或陶瓷盒內，然后加蓋，此蓋不需密封，其功能只是使鋅之蒸氣保留于盒中，使工件中之鋅不再持續(xù)揮發(fā)。黃銅粉所用之潤滑劑多為硬脂酸鋰，此乃因鋰較易活化粉末并攫取粉末之氧之故。由于黃銅色澤佳，.般常用于鎖件等重視外觀之工件。

燒結黃銅之氣氛多為裂解氨，溫度在760。C至925.℃之間，視鋅含量而定，時間約30分鐘，由于黃銅相當軟，生胚密度可壓至90~95% ，所以其中之潤滑劑不易逸出，在脫脂區(qū)之升溫速率應放慢，不然易有起泡、鼓脹且呈粉紅色之情形。

青銅之燒結：

青銅乃銅錫合金，含錫量多在10至20%之間，常用之粉末有兩種，一為混合元素粉，一為預合金粉。元素粉燒結時，常在錫粉原來之位置留下孔洞，適于作含油軸承，此外由于元素粉易成形故使用者多。相對地，合金粉不易成形，燒結多為固相燒結，但強度高為其優(yōu)點。青銅之燒結多在750。C至850。C左右，視錫含量而定，燒結時閑杓30分鐘，使用氣氛大多為氮氫混合氣。

七、燒結體之后處理：

由于燒結時零件會產生收縮或膨脹現(xiàn)象，使得燒結后胚體之尺寸有時需要再藉加工、研磨、精整。才能達到所需之尺寸。

有時為了達到所需之特性，還做了噴砂、熱處理、滲銅、滲油、黑化、樹脂含浸等后處理工作。

1、精整：Sizing俗稱校正

將燒結完之胚體再放入模具中加壓以使某些尺寸更為精確之步驟。

以ISO之IT基本公差表示：

燒結后徑向為 25mm之尺寸，其公差應為0.05％(12.5μm)~0.08％(20μm)在IT6~IT7之間。但一般生產品皆為0.13％~0.20％，也即在ISO之IT8~IT9之間。無法達到客戶的需求故需要精整。

1、余量精整：燒結后的尺寸偏大時，藉壓力將胚體擠入模具內把多余之材料擠入孔隙或肉厚變薄、高度增高。

2、無余量精整：胚體的尺寸偏小、精整時將工件從高度方向加壓，使胚體曹朝徑向之空間擠壓以達到最后尺寸。

精整的限制：零件硬度 >HRB85不適合，零件的長度最好小于精整機沖程的20％。

2、再壓再燒：

一般傳統(tǒng)粉末冶金成品只能達到約90％的密度，以鐵系而言，即7.1g/cm3左右，為了提高零件的密度和機械性質，可采雙壓雙燒結法。首先以4~6噸壓力(400~600Mpa)/每平方公分壓出生胚，然后將生胚在一般之燒結爐先進行預燒以燒除潤滑油并將已加工硬化之粉末予以退火，由于燒結溫度約780℃~850℃之間，并不高，合金之均質化還未完成，產品的強度及硬度均低，所以能重新再燒結一次使密度再提高。一般二次加壓之壓力約為4~8噸壓力(400~800Mpa)/每平方公分，并需添加如四弗乙烯之潤滑油。而所壓高度變化量應為徑向變化量的兩倍以上才有實值的效果。二次加壓后的工件須在1120℃作二次燒結，燒結后可達95％約7.47g/cm3之密度。

3、熱處理：

鐵系粉末冶金零件之熱處理方法有滲碳、氮化、滲碳氮化處理等。因粉末冶金零件有孔，熱處理所用之氣氛能通過這些孔隙使心部也達到與表面一樣的硬化性質。如滲碳處理時，粉末冶金零件則幾乎表面和心部全體皆硬化。所以心部的韌性較差。若要避免此現(xiàn)象，可以提高密度至7.1g/cm3以上，如此可避免心部也硬化。所以熱處理時需視產品的需求，如硬度，耐磨性而改變熱處理條件、如降低溫度、縮短時間等。

熱處理分為：A、全硬化，B、滲碳 ，C、氮化，D、滲碳氮化  加以說明：

A、全硬化：

當工件含碳時可利用淬火再回火之熱處理方式提高其硬度及強度，其主要的步驟：

a：奧斯田鐵化：其溫度視含碳量而定，在含碳0.2％時，其溫度920℃，在含碳0.6％時，其溫度850℃。

b：淬火：一般都以50℃之油淬為主，此因粉碎冶金工件內部有孔隙。若使用水或鹽水淬時容易造成淬裂，且水或鹽水易殘留在孔隙中產生生銹的問題。 

c：回火：由于淬火后之麻田散鐵相硬又脆，且由于麻田散鐵之比容積較奧斯田鐵、肥粒鐵大，所以淬火時產生相當大之內應力，此缺點可藉在150℃~200℃之間的回火來改善，使成為韌性較佳之回火麻田散鐵并消除淬火時所生之內應力。

4、滲碳：

滲碳處理是以吸熱型氣氛為主，但由于其中含有大量之氫氣，有礙滲碳，所以必須加入甲烷CH4。 CH4?à【C】＋2H2  此反應所生之【C】之活性很高，可滲入工件的表面，然后向內部擴散。此滲碳的深度隨溫度之增加而增加，一般滲碳溫度約850~900℃。

理想的滲碳組織是工件內部為亞共析鋼使具韌性，而外層則為共析鋼。若表面為過共析鋼時，因在晶界會形成脆性之網(wǎng)雪明碳鐵，在淬火或加工時易龜裂。

滲碳后的深度以MHV量測。

一般所施荷重5g，用此低荷重MHV5g量測時硬度不受密度和孔隙之影響。

若荷重高，如HV500g時因金字塔型之鉆石會穿入或擠壓孔隙，使得壓痕變大，而顯示出來的硬度將偏軟，且密度愈低時此偏軟的現(xiàn)象將更明顯。

故要決定滲透之深度由MHV5g開始à到550MHV之硬度為止。

滲碳層的深度隨滲碳時間之平方根成正比，且隨溫度之升高而增加。

一般850℃約1~4小時，900℃約15~30分鐘。但不認滲碳溫度為何，回火溫度約850℃。

滲碳層的厚度和密度有關，密度低時由于滲碳氣氛可沿著孔隙深入胚體，所以密度低的胚體內部之微硬度反而較高于密度高的。

5、氮化：

原理是使鐵或中之合金元素與氮反應成堅硬之氮化物，但由于氮分子惰性高，氮化反應不易發(fā)生，一般采用裂解氨。2NH3à2N＋6HàN2＋3H2

所生之N之活性高，但純鐵和碳鋼還是不易硬化，必須含有Al、Cr、Mo、V、Mn、Ni等時硬化才會顯著。

一般氮化時間約數(shù)十小時、溫度500℃~550℃，由于溫度低故不需淬火。所以工件尺寸穩(wěn)定。一般可在淬火后于 530℃~580℃回火，然后再進行氮化處理。

6、滲碳氮化：

此為在滲碳氣氛中加入一些氨氣，此氨氣在鐵的摧化下可分解出初生態(tài)之氮而滲入鋼中，此硬化之深度比純滲碳佳。

7、滲油：

粉末冶金之軸承，當轉動時，其功能如同幫浦，在軸與軸承間某部份造成真空現(xiàn)象，再加上油受熱膨脹，所以可將油由孔隙帶出。而在軸與軸承間之另外一些區(qū)間則又產生加壓現(xiàn)象，將油打回孔隙，如此循環(huán)并在軸與軸承間形成一連續(xù)之油膜，而達到潤滑之功效。當軸停止運轉時，溫度下降，因毛細孔之現(xiàn)象，油將回流至軸承之孔隙中。

8、滲銅處理：

為提高鐵基零件之密度達7.2g/cm3以上，且機械性質亦需加強時，滲銅是常見之方法。

基本原理是將銅熔解后，利用燒結體內孔隙之毛細力把銅液吸入胚體，此方法可將密度提高到7.5g/cm3，由于孔隙是應力的集中處，而此滲銅法正可將銅填入孔隙，所以能提高胚體的機械性質，且由于滲銅處理時可于非常短之時間內分布于胚體中，并擴散入周圍之鐵基地而產生固溶強化，所以也是提高強度的原因之一。又孔隙已被銅填滿，改進加工性。

9、接合：

10、振動研磨：

在加壓成形之過程中，由于上下沖和中模或與心棒之間的間隙，使的細粉可進入，造成胚體產生毛邊。此毛邊經(jīng)燒結后附著于胚體上，當客戶使用零件時易與配合件產生干涉現(xiàn)象，所以一般燒結體均需經(jīng)過去毛邊之處理，主要的處理方法就是振動研磨及噴沙。

振動研磨可去毛邊之外也可將表面的粗度降低，提高外觀之質量。在此過程中有時加入亮光劑，使胚體表面能排斥研磨時所產生之細粉，使細粉不致于因被沖擊而鑲在工作表面造成表面偏黑之現(xiàn)象。

經(jīng)振動研磨后之表面粗度約從Ra2.0μm改善到Ra1.2μm。

振動研磨亦可提升不銹鋼之抗腐蝕性，此因燒結后之不銹鋼還有孔隙存在，而振動研磨將部分的孔隙封住且使表面平滑，減少曲面應力造成腐敗。

11、噴沙：

由于振動研磨存在以下之缺點：

1、振動研磨時，若切削力不足則工件之毛邊將無法完全去除，此時毛邊僅產生塑性變形，此將使得表面不平整，與配合件間產生干涉之情形。

2、振動研磨必須采用水及研磨劑，常造成生銹的問題。

為了改善以上之缺點，可采用噴沙。此法將工件置入密閉室內，將碳化硅或玻璃砂以高壓空氣噴向工件，將毛邊去除，但此類工件之表面不如振動研磨工件光滑。但亦可先噴沙再振動研磨，以得到無毛邊且光滑之工件。

12、樹脂含浸：

粉末冶金零件在氣動工具或冷氣機方面的應用非常廣泛，這些產品常位于高壓氣之環(huán)境中，所以其特殊的要求是零件中不可有與外界相通之孔洞。然而粉末冶金均有孔洞，所以要如何填滿這些孔隙。可用滲銅法，但成本太高。所以可改用樹脂含浸法來填滿所有的孔隙。

樹脂含浸除了可以將粉末冶金零件予以封孔之外，另一優(yōu)點為含浸后之零件較容易電鍍。此因為未經(jīng)含浸處理時電鍍液易殘留于孔隙中造成腐蝕，此殘留的電鍍液在數(shù)天之后產生化學變化而長出結晶，俗稱長白毛。因而影響外觀。

樹脂含浸制程最適于密度在80％~90％之工件。對鐵系而言即6.2g/cm3~7.0g/cm3。若密度太低，有些樹脂會在含浸時流出，若密度太高則因孔隙太小且量少，樹脂不易進入。

由于工件表面清潔度會影響含浸的效率，所以最好在燒結后馬上處理。

13、黑化處理；

其目的在于使工件與高溫水蒸氣反應使其表面生成籃黑色之氧化鐵Fe3O4，此氧化鐵可增加燒結體的硬度，但將降低延性，此外黑化處理亦有填塞孔隙防止生銹，增加氣密性等效果。但因為氧化鐵之厚度無法完全填滿孔隙只能讓孔隙變狹窄，故氣密性效果比樹脂含浸差。

14、電鍍：

15、皮膜處理：

16、超音波洗凈：

八、粉末及成品之測試方法：

思考和比較：

在生產設備昂貴和原物料上漲趨勢下，使得生產成本往上增加。又產品同構型太高造成

同業(yè)間的價格競爭，也使得產品所獲得的利潤降低。以上的因素，促使產業(yè)界必需正視產品在生產過程的質量量測方面的問題。但反觀目前產業(yè)界，在生產過程中往往忽視量測的每一步驟。而造成不良率的增加。故我們誠心的建議，利用以下設備希望有助于降低產品的不良率，以達到營利雙收的效益。

假如公司的營業(yè)額是RMB20,000,000，而產品的不良率是6%。

將造成公司RMB 1,200,000的浪費。

假如公司的營業(yè)額是RMB20,000,000，而產品的不良率是2%。

將造成公司RMB 400,000的浪費。

1、降低不良率的實施步驟：

第一步、粉末流動度的量測：

Hall金屬粉末流動度 Flow Rate of Metal Powder

根據(jù)ASTM B213、JISZ 2502、GB/T 1482、ISO4490為標準。

理論基礎：

1、粉末流動度的量測方式和粉末于充填模穴之流動之特性相似，它影響生產速率和壓縮零件的均一性。

2、當內部顆粒摩擦增加時，其流動度將降低。

3、粉末的濕度和水分含量將影響流動度。

4、此測試使用于粉末制造工廠和零件生產工廠。

5、微細粉末、潮濕的粉末不可量測。

所需配備：

1、秒表：0.1秒

2、中國金鋼砂粒度<106μm  50g x 5次----校正用-----每六個月校正一次

3、天平：50g / 0.1g

4、烘箱：102℃~107℃

5、連續(xù)做5 次 (每次不可超過0.4秒)

6、漏斗角度：60° ; 漏斗小孔：ψ2.63mm

7、粉收集容器

8、補正系數(shù)：40.0 / 標準試料的流速平均值

9、流動度 = 連續(xù)測三次所得之平均值 × 補正系數(shù) (以S/50g表示)

10、若流動度增加到37.0秒時，表示漏斗孔太大需更換

Hall量測為何需要補正系數(shù)?

由于流動度計器表面的粗度將造成流速改變的因素，所以根據(jù)經(jīng)驗而家以補正中國金鋼

砂標準試料的流速為(40±0.5)/50g。

金屬粉末外觀密度和流動度測定參考表：

舉例說明：日本制的Hall流動度測定器：

第二步、粉末外觀密度的量測：

分為A：自由流動的金屬粉末     B：非自由流動的金屬粉末

1、粉末外觀密度又稱為視密度，是將粉末填入已知體積后所得之密度。                                 

2、外觀密度的測定是相似于當零件制造時，粉末填充到固定容積的模穴中之粉末重量。

3、粉末外觀密度測試提供粉末物理特性評定的準則。

4、粉末外觀密度高表示粉末顆粒間摩擦力小、流動性好。使得成形時粉末容易迅速流入模具的模穴中，而使成形之生胚密度也較高。

A、金屬粉末外觀密度(自由流動的金屬粉末)

根據(jù)ASTM B212、B329 、JISZ 2504、GB/T 1479、ISO3921為標準。

在已知容器內填充粉末外觀密度 = 粉末重量 / 已知容積    ρ= m / v

所需配備：

1、密度杯：外徑28mm  容積πd2h / 4 = 25 ±0.03 cm³

2、漏斗底部到密度杯上緣距離25mm

3、天平：200g / 0.01g

4、漏斗角度：60° ; 漏斗小孔：ψ2.5 ±0.08mm

5、外觀密度：M / V = g/cm³

6、沒有磁性的刮刀，抹平溢出的粉末

7、密度取到0.01g/cm³的精度

B、金屬粉末外觀密度(非自由流動的金屬粉末)

根據(jù)ASTM B212、 B329 、JISZ 2504、GB/T 1479、 ISO3921為標準。

當粉末太細，粉末間摩擦力太大，無法通過2.54mm之孔徑時，可改用Carney funnel，

其孔徑為5.08mm。

在已知容器內填充粉末外觀密度 = 粉末重量 / 已知容積   ρ= m / v

所需配備：

1、密度杯：外徑28mm  容積πd2h / 4 = 25 cm³

2、漏斗底部到密度杯上緣距離25mm

3、天平：200g / 0.01g

4、一條直徑2.5mm長150mm的線

5、漏斗角度：60° ; 漏斗小孔：ψ5± 0.08mm

6、外觀密度：M / V=g/cm³

7、沒有磁性的刮刀，抹平溢出的粉末

8、密度取到0.01g/cm³的精度

※注意：測試樣品會受到溫度、水分、油、硬脂酸、硬脂酸鹽、蠟、漏斗表面粗度等而改變其粉末的特性。

第三步、利用實體顯微鏡觀察生胚的均勻度與密度線

成形試模時一定要用顯微鏡 (最好使用30倍率) 觀察您所打出來的生胚的均勻度、密度線、毛邊、魚鱗紋、斷痕、裂縫、崩角等，再適時調整機臺。

三眼實體顯微鏡專用系統(tǒng)MOTICAM 2000

n          USB系統(tǒng)專用CCD攝影機系統(tǒng)

n          MOTICAM 2000軟件

備注：在計算機上可截取影像，影像畫素為：1600*1200畫素，專用的軟件同時也可以測量尺寸大小。

三眼實體顯微鏡

n          WF10X廣角清晰目鏡，大觀察范圍(21mm)

n          物鏡為0.7 ~ 4.5倍無段變焦

測量范圍：7 ~ 45倍

       實體圖樣

   金相圖樣

MOTICAM 2000影像系統(tǒng)

第四步、測量生胚密度

優(yōu)點：

1、現(xiàn)場技術人員可借著所測量生胚密度的值來調整粉末于模具內之填充量是否充足。

2、可避免成形之生胚經(jīng)過燒結爐燒結，體積產生之收縮、膨脹和變形及裂痕現(xiàn)象。

3、可降低成本上之浪費。

4、提供下游廠家進料的檢驗參考數(shù)據(jù)。

5、可提高制造廠質量的一個重要保證。

提出下列幾項意見，讓 您深思：

1、計算一下，金屬粉末在產品成形時，不管在試模、或再次確認密度。使機器處于停機的時間是時復一時、日復一日、年復一年。此無形的損失和浪費有多少?

2、購買粉末成形機的成本相當?shù)母摺＝?jīng)營者必然會想要尋找能快速測量生胚密度的儀器。讓操作者能在設定壓機成形條件之后的幾分鐘內，快速的核對密度。來增加機器本身的運轉率，提高生產量。

3、當你的生產容量已經(jīng)到達極限，想要添購下一臺粉末成形機器時，你可以考慮去投資些微的成本在一個能快速的核對密度的密度儀，來提升機器本身的運轉效率。

4、您是否可以很有信心的告訴 您自己和您的客戶。目前貴公司所量測的比重資料是絕對正

確的?

研究心得：

基于對粉末冶金技術提升的使命感，和科學求真的精神。我們必須告訴 您我們的研究。

由上表得知：若使用石蠟覆蓋法則時間約1分鐘。

使用傳統(tǒng)的粉末冶金零件在使用真空含浸防水處理則時間約30分鐘以上。

又石蠟和潤滑油都是石油提煉下的產物。由于石蠟的溶點比潤滑油低，因此對樣品覆蓋石蠟后，其凝固的時間縮點，如此易于封閉樣品的氣孔。

建議：

A：由于磁性材料的成形密度較低，包括陶瓷和鐵氧磁鐵，比較容易崩解。考慮使用石蠟覆蓋

防水處理為最佳辦法。

B：至于傳統(tǒng)的粉末冶金零件在使用真空含浸防水處理時，若覺得所花費的時間太長。考慮使

用石蠟覆蓋防水處理法，則可節(jié)省密度量測時間。

測量生胚密度的設備如下：

生胚密度的測量方法是利用封蠟法，如圖四、圖五、圖六A、B的設備測量生胚密度，若東西大可以分割測量局部密度。圖六A、B還可直接測燒結后密度。

圖四：蠟爐          圖五：蠟粒

圖六A：專業(yè)電子比重計 200g、600g二種

圖六B：高精度電子比重計200g  0.0001g    

可直接讀出生胚密度值和柏拉圖。生胚密度直接顯示和柏拉圖

生胚在石蠟覆蓋防水處理標準操作法

步驟：

1、將顆粒狀的精密石蠟放入溫控的蠟爐中，設定溫度在150℃加熱。

2、石蠟溶解為液體時，拿200℃之溫度計測試蠟溫。注意溫度計的溫度指示蠟溫不可超過150℃。

3、防水處理之蠟形成液體之后，首先測試防水處理劑的情況，必須達到速浸速干此要求。

(可拿夾子浸入速拿起，看看是否達到速浸速干之狀況，而且覆蓋層要向糖衣一樣薄薄的一層。)

4、使用夾子夾住樣品先浸泡一半，在使用夾子夾住已防水浸泡之部份，再浸泡另一半。

5、由于液體石蠟在150℃時，遇上常溫的樣品將達到速浸速干的效果。

6、把冷卻后覆蓋過石蠟的樣品放在酒精中浸泡，防止樣品放入水中產生氣泡。

7、如以上所示，即可完成防水處理之效果。

第五步驟：生胚強度的測試：

金屬粉末經(jīng)壓制成形后必須經(jīng)過燒結才具足夠之機械性質，但在未燒結前須具備一相當之強度，以應付搬運過程中工件彼此間以及外物碰撞所遭受之應力。以MPIF 41、ASTM B528、ISO 3325為規(guī)范的有三點彎曲強度法：生胚強度的公式S為：

S＝(3×P×L)/(2×W×t2)

P：破壞時之應力 N    W：試片之寬度mm    t：試片之厚度mm

L：試片下方兩點之距離 mm

第六步驟：金相顯微鏡設備主要之目的可分為：

壹、部品顯微結構影像分析：其處理流程可分下列步驟：

1.          鑲埋：將樣品熱埋在180℃且承受30KN荷重于直徑25.4mm的樹脂模型中達  10分鐘。

2.          研磨：在完成第一步驟后，首先將樣品使用80粒度的MD-Piano磁盤上研磨2分鐘，接著使用120粒度的磁盤上研磨3分鐘。在研磨期間每一樣品之荷重將選擇在25N和50N之間且轉速設定在300rpm之情況下。

3.          拋光：隨后三個步驟處理之后將得到滿足的結果。首先使用9μm鉆石懸浮物在MD-Largo磁盤上研磨10分鐘、接著使用3μm鉆石懸浮物在MD-Dac布磁盤上研磨8分鐘、最后使用1μm鉆石懸浮物在MD-Nap布磁盤上研磨4分鐘。

在研磨期間每一樣品之荷重將選擇在25N和50N之間且轉速設定在150rpm之情況下。在完成以上步驟之后將樣品使用超音波清潔之。

4.          腐蝕步驟一般由腐蝕液給予完成。腐蝕液的種類、腐蝕的時間依粉末冶金材料之不同而有所差異，請洽本公司人員。

貳、氣孔數(shù)量影像分析：

1.          含浸：在鑲埋之前，內部的氣孔隙必須加以真空樹脂含浸處理。

2.          鑲埋：將樣品熱埋在玻璃纖維或分子強化樹脂為了增加邊緣保持力。

3.          研磨：密度小于7g/cm³之樣品使用80粒度的MD-Piano磁盤上研磨2分鐘，接著使用120粒度的磁盤上研磨3分鐘。在研磨期間每一樣品之荷重將選擇在25N和50N之間且轉速設定在300rpm之情況下。

密度大于7g/cm³之樣品使用1200粒度的磁盤上研磨2~3分鐘。在研磨期間每一樣品之荷重將選擇在15N且轉速設定在300rpm之情況下。

4.          拋光：密度小于7g/cm³之樣品，首先使用9μm鉆石懸浮物在MD-Largo磁盤上研磨10分鐘、接著使用3μm鉆石懸浮物在MD-Dac布磁盤上研磨8分鐘、最后使用1μm鉆石懸浮物在MD-Nap布磁盤上研磨4分鐘。

在研磨期間每一樣品之荷重將選擇在25N和50N之間且轉速設定在150rpm之情況下。在完成以上步驟之后將樣品使用超音波清潔之。

密度大于7g/cm³之樣品是不同之處理方式，首先三個步驟使用30、15、9μm 鉆石膏在附有自黏性穿孔布的鐵盤上研磨、在15、9μm鉆石膏拋光之間加入含有0.05%硝酸腐蝕液的酒精冷液體是被推薦的。剩下的步驟使用6、3和1μm鉆石懸浮物在絲絨布磁盤上研磨，全部過程約25分鐘。這酒精冷液體必須不含硝酸腐蝕液。在研磨期間每一樣品之荷重將選擇在20N且轉速設定在150rpm之情況下。假如需要則在最后步驟再使用氧化硅拋光懸浮物研磨10sec，在完成以上步驟之后將樣品使用超音波清潔之。

Ｂ：高合金鋼，不銹鋼，高速鋼，耐熱鋼

Ｃ：銅及銅合金用腐蝕液

Ｄ：鋁及鋁合金用腐蝕液

顯微組織的金相測定：根據(jù) ASTM B657、GB/T 3488、ISO4499為準則

α 相   碳化鎢

β 相   粘結相

γ 相   具有立方晶格的碳化物(如TiC、TaC)，此碳化物可以以固溶體形式包含其它碳化物(如WC)

η 相   鎢和至少含有一種粘結相金屬的復合碳化物

第七步驟：燒結成品的硬度量測：

粉末冶金零件因含有孔隙，所測得之硬度常依所測位置之不同而異。最常用之硬度測試法為洛式硬度HRA、HRB、HRC及勃氏硬度。這些硬度均各有其最適用的范圍。

A：整體之硬度值：如硬度為HRB100以上時即必須改用HRC。但這些測試方法所用的荷重大，測頭覆蓋之面積大，只能代表整體之硬度值。

B：金屬基地本身之硬度值，為了解基地本身之硬度，可以維克氏硬度(HV)硬度表示。此法所使用荷重為500g，以HV5或HV500表示。

C：表面硬化值：工件經(jīng)表面硬化處理時，都使用顯圍硬度機處理測量，荷重只有5g或10g，以避免測試頭穿過硬化層，而產生測量上誤差。以MHV0.05或MHV0.1表示。

D：硬化層的深度：一般所施荷重5g，用此低荷重MHV5g量測時硬度不受密度和孔隙之影響。若荷重高，如HV500g時因金字塔型之鉆石會穿入或擠壓孔隙，使得壓痕變大，而顯示出來的硬度將偏軟，且密度愈低時此偏軟的現(xiàn)象將更明顯。

故要決定硬化層之深度由MHV5g開始à到550MHV之硬度為止。

第八步驟：燒結成品的強度量測：

與生胚的強度量測相同，以MPIF 41、ASTM B528、ISO 3325為規(guī)范的有三點彎曲強度法：生胚強度的公式S為：

S＝(3×P×L)/(2×W×t2)

P：破壞時之應力 N    W：試片之寬度mm    t：試片之厚度mm

L：試片下方兩點之距離 mm

但軸承類之工件，工廠都以徑向壓縮之方式取其壓縮強度：MPIF 35

P＝KLT2/(D－T)     

P：徑向之施力值 N    D：軸承的外徑mm    T：軸承的壁厚mm

L：軸承的長度 mm    K：強度常數(shù) MPa

軸承的強度K＝P×(D-T)/LT2

九、品管的CPK值：

對制造業(yè)而言，其成品除了成本要低之外，其質量也必須符合客戶之要求。一般大多要求±3σ(σ為標準差)之質量，亦即所有產品符合規(guī)格者必須大于99.73％。

除了以良品比例作為質量好壞標準外，目前許多客戶已要求粉末冶金零件制造廠提出制程能力之證明。

所謂制程能力：一個制程在固定的生產及品管程序下所得到的成品之質量能力，一般以制程精密度或制程潛力Cp以及制程能力指數(shù)值Cpk表示。

Cpk值則以下列二式取其小者：

上Cp值Cpu＝(規(guī)格上限(UCL)－實際平均值(X))/ 3σ

下Cp值Cpl＝(實際平均值(X) －規(guī)格下限(LCL))/ 3σ

當Cp值愈大時其制程之穩(wěn)定性佳。

一般Cp值至少大于1(B級)，而A級則須大于1.33，而A＋級須大于1.67。

Cpk值之要求較Cp值為高，因為Cpk值＝(Cpu，Cpl)之最小值。

Cpk值愈大時質量愈好，一般要求之Cpk值均大于1。