解密製造程序裡的煉金術! 簡介粉末冶金
目錄
⭕什麼是粉末冶金 (Powder Metallurgy)
⭕粉末冶金哪裡夯?
⭕粉末冶金步驟
⊙生產粉末
⊙磨碎法
⊙霧化法
⊙拌合 (Blending)
⊙壓實 (Compaction)
⊙冷均壓壓製 (Cold isostatic pressing, CIP)
⊙熱均壓壓製 (Hot isostatic pressing, HIP)
⊙燒結 (Sintering)
⊙精加工 (Finishing)
⊙打印 (Coining)
⊙塗膠 (Sizing)
⊙浸滲 (Impregnation)與 滲金屬處理 (Infiltration)
⭕總結什麼是粉末冶金 (Powder Metallurgy)
粉末冶金，從字面上理解的話就是從將粉末煉製成黃金(是煉金術耶🤩)
然而實際上，它並不能讓隨便一撮粉末變成黃金(噢…)，不過它可以更有效率地製造幫助人們生活的各種用品。像是家家戶戶廚房濾水器的濾心，就是粉末冶金製作而成的! 讓我們先透過不到一分鐘的短片認識這個充滿神秘感的製造程序¹:
嗯? 你說有點複雜? 其實你可以把粉末冶金的流程想像成製作巧克力餅乾。有以下步驟：
1. 取得麵粉
2. 將麵粉與其他食材混合做成麵糰
3. 將麵糰壓進玩具模
4. 放入烤箱讓它硬化
5. 在餅乾上放一些巧克力醬調味
這樣看起來是不是簡單多了?
繼續閱讀|回目錄粉末冶金哪裡夯?
1. 可以產生淨型加工 (Net-Shape Process)的零件
粉末冶金製程可以直接將粉末壓製成想要的形狀，減少了材料的浪費和能源的消耗。對於一些耐熱或耐磨的金屬而言，粉末冶金會是較為經濟實惠的加工方法
2. 奇形怪狀也難不倒
粉末冶金製程也可以製造出一些傳統加工方法難以或無法製造的複雜形狀或特殊性能的產品。例如: 製造出具有高過濾效率和低壓力損失的濾心²。這些濾心可以用於化學、石油、食品、醫療等領域，過濾液體或氣體中的雜質³。因為成品是由粉末結合而成，這些相黏的粉末之間會留有非常細小的孔隙，正好可以提供良好的過濾效果
繼續閱讀|回目錄當然，以上這些都只是比較大略的介紹。接下來讓我們針對一個個步驟進行更細部的探討:
生產粉末
為了進行粉末冶金，首先，我們需要取得粉末。這就好像要製作巧克力餅乾時，我們要先取麵粉。我們可以經由磨碎 (Comminution)或是霧化 (Atomization)等方式取得粉末
用磨碎法取得粉末
如同字面上的意思，磨碎法就是把材料磨成粉的方式，藉此取得粉末。這方法常常被用於生產陶瓷粉末。業界不太使用此方法產出金屬粉末，因為金屬具有延展性，很容易到最後不但沒有讓金屬塊變成粉末，還讓它們變得更難加工
用霧化法取得粉末
霧化法也如同字面上的意思，就是把材料變成霧。待這些材料霧冷卻後，就會形成粉末了。為了能夠把材料變成霧，你需要把材料熔融成液態，待會它們會成為製造霧的素材。接下來我們終於可以正式進行霧化，業界有兩種常見的霧化方式，一是利用氣體或液體，二是利用離心力
用氣體或液體來霧化
首先，將熔融的材料由空中倒下，透過兩旁的噴射裝置將氣體(可能是空氣或是不會與材料起反應的惰性氣體)或水滴射出，並將材料打散(如圖二)。接著，這些被打散的材料便會形成霧。最後，它們會冷卻而形成一顆顆細小顆粒。當然，這過程會在工廠的霧化器裡面進行，以免造成危險
用離心力來霧化(Centrifugal atomization)
離心霧化常見的方式是將熔融的材料倒在轉盤上(如圖三)。隨著轉盤高速轉動，這些材料會被旋轉產生的離心力甩出去，噴灑在轉盤四周，最後冷卻而形成小顆粒
繼續閱讀|回目錄拌合 (Blending)
當我們取得粉末後，接下來就是要為它加一些添加物。像是添加潤滑劑、結合劑等化學物質來幫助之後的製造過程更順暢。如果成品需要由多種材質組成，也會在這步驟與不同材質的粉末混合。這步驟就好像在我們取得麵粉後，將它與蛋、砂糖等食材混合，製作成麵糰
壓實 (Compaction)
接下來，我們要把這些經過處理的粉末放入模具。這就好像我們要將麵糰塞進玩具模裡面，賦予它特殊造型。而常見的方式區分成兩種:
冷均壓壓製 (Cold Isostatic Pressing, CIP)
這種方式會將粉末倒入有彈性的橡膠模具，接著放入加壓室施加液靜壓(hydrostatic pressure)。通常是在室溫或是低於室溫的環境下以水進行施壓。等待施壓完畢後再將模具打開，這時我們就可以得到特定造型的工件
在這個過程中，因為所有方向所受壓力一致(簡稱均壓)且沒有承受摩擦力，所以生產時不用考慮形狀對品質的影響
熱均壓壓製 (Hot Isostatic Pressing, HIP)
這種方式一樣會先將粉末倒入耐高溫高壓的模具接著放入熱均壓對沖床，利用線圈加熱內部氣體，進行烘烤。加壓的媒介通常為高溫的惰性氣體，用它的好處是不易與金屬粉末發生氧化反應。
如同冷均壓壓製，因為所有方向所受壓力一致(簡稱均壓)且沒有承受摩擦力，所以生產時不用考慮形狀對品質的影響。此外，生產出的工件可以擁有均勻的結構與近乎100%的密度。這使得工件可以承受非常大的外力而不變形。
但是熱均壓也比其他壓製製程擁有較大的公差、設備成本及生產時間。所以目前僅用於少量生產(每年產出不到10000個零件)。目前常用於高熔點的板金類金屬容器、超合金元件。這些產品被用於航太、軍事及醫療等領域
繼續閱讀|回目錄燒結 (Sintering)
壓製完成後，接下來就是把工件送入燒結器裡面。這好比將擁有特殊造型的麵糰放入烤箱烘烤一樣
所謂的燒結，其實就是把工件加熱而不溶解(機器內部的溫度不超過熔點)，這可以使工件內部各顆粒能夠相互結合，形成更堅固的結構
燒結的成效由溫度、時間及爐氣環境決定。通常燒結溫度為金屬熔點的70%~90%，在這範圍內的燒結效果最好，因為在這範圍內可以不讓工件太熱而融化，也不會因為溫度太低導致顆粒融合太慢。
精加工 (Finishing)
當我們把燒結完的成品取出，我們要為它做一點表面處理，就好比我們將變為餅乾的麵糰從烤箱取出，淋上巧克力醬調味，讓巧克力餅乾的製作大功告成。常見的精加工有以下幾種方式:
打印 (Coining)
打印就是在工件表面蓋上一個印記。如同打印的英文是coin(錢幣的意思)加上ing，打印常被用於製造錢幣或是紀念幣。讓我們透過幾秒鐘的短片看看這道程序實際上是如何運作的⁵:
繼續閱讀|回目錄塗膠 (Sizing)
這道程序常用於紙張或是鞋子、衣服等紡織品。我們會在材料上塗抹一些膠，賦予成品一些性質，像是防水性或讓它變得更有光澤等等。
浸滲 (Impregnation) 與 滲金屬處理 (Infiltration)
在燒結過後，工件的顆粒雖彼此結合，但它們之間仍然保有一定的孔隙。我們可以在這孔隙內加入一些液體，賦予工件更多特性。這過程就叫做浸滲。
像是我們可以在這些孔隙加入一些潤滑油，產生自潤性。這可以製造出不需要注油的軸承。當我們使讓潤滑油占軸承整體體積的30%以上⁶，這些軸承在運轉期間便不需要從外部添加潤滑油。
當然，我們也可以選擇用金屬材料封閉這些孔隙，增加工件的密度，進而增強工件的性能。這過程就叫做滲金屬處理。我們會把較低熔點的金屬塊擺放在燒結完的工件上，加熱到該熔點使金屬塊融化。這樣一來，金屬就會滲入工件的孔隙之中
繼續閱讀|回目錄總結
在這篇文章，我們簡介了粉末冶金的概念與它的流程。不論你是正在學習機械製造/製造程序的大學生或高中生，還是對製造程序有興趣的其他人，都希望這篇文章能夠增進你對粉末冶金的理解。
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參考資料
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1. 听过不一定见过，用金属粉末能压出齿轮，这就是粉末冶金工艺
2. 粉末冶金製程 — 虹銘股份有限公司
3. 粉末冶金 — 維基百科，自由的百科全書
4. 專業麵粉工廠直擊！小麥怎麼變麵粉?
5. Coining operation
6. 機械製造(SI制)
7. 封面照片：Made with Bing AI & Leonardo AI
