材料是一切的开始

材料是一切的开始

■耀德讲堂 / 邱耀弘 博士

(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.080)

前言

在1996年（刚好Dr. Q当时30岁整当日）取得博士学位后便投入产业界至今，如果连同在学打工已经有超过30年的机械与材料产业的工作经验，从一开始仅仅绘制图到手工钳工作业、编写专利、真空技术学习到粉末成型技术的落实，确实了解到一切产业技术源头便是材料。

材料学科是一门隐学，正如我们常看武侠小说中的内功，一般人无法看透大侠们的内功功力到底有多深厚，材料学科的组合基础第一个当然是数学，再来便是物理、化学，同时要汇编语言包含中文和英文（阅读资料、理解内化、撰写报告），如果可以，一点点的美术（画图）基础比较容易表达一些现象的描述，由于计算机科技的进步，我们已经不需要像以前收集论文、材料基本讯息那么辛苦，因此计算机上的操作技术包含Office三件套(Word, Power point, Excel)和网络的资料寻找、简易绘图与影像编修，已经是材料学科必须具备的随身工具软件。

仅仅在大学时代学习的材料学科是不够的，因为大学课程只能是基础的理解和打底，学习的范围跨度很大但深度无法很深，主要在于实际操作在材料学科上扮演重要的知识实践来源，材料学科实际操作包含各种理化实验，通常实验的条件都是较为简单而可控，到了工业生产的实际操作，显然有更多的变量不可控，不过基础仍旧源自基本学科的实验而来，比较常见的是学生毕业后已经忘记当年所学习的课程和实验结果，这就必须记得回去翻阅资料复习。

工程与科学

我在学生时代是1982年进入光武工业专科学校机械工程科制造组（台湾的五年制专科学校，前三年等同高职，后二年等于大专），当时学习制图的标示以丝（或称条）=0.01mm已经算是非常精密了，虽然分厘卡已经可测量到μm等级，但平常使用游标卡尺最多是判断到0.02mm已经很细微了。老师告诉我们工程可以忽略千分位元小数点，仅讨论到百分位即可。表1显示时代的进步使工程的尺度是不断地迈向更细微的尺寸，也就是朝量子等级迈进，包含观察与检验的仪器也都如此。

表1：随时代的进步，工程的尺度不断的矢量子等级迈进

尽管我们机械制造工程仅仅停留到微米等级，但是制造工程的材料已经到达奈米级的水平。在过去，工程和科学的差距不断的缩小有赖于检验与加工设备的进步，这是不争的事实，最明显的例子就是半导体制程的导线间距，已经从微米等级一路狂奔到3奈米(3nm)，甚至突破当时科学家认定的热力学极限，可以预见的将来会有量子级的制造业出现。其实今年最有戏剧系的常温超导体有可能要进入量子级的分析，虽然是真是伪很难说，但是制造的极限越接近量子势必会带给人类更翻天覆地的改变，这已经在半导体产业取得真实的证明。

不过，读者们别担心，本期专刊只讨论到微米级别，也就是比丝(0.01mm)更小一位的小数点的微米(0.001mm=1μm)，请勿担心看不懂。

材料的形貌──以尺度分析

一般在减法制造（切削）都是拿取大块的材料进行分割、切削和磨平获得零件或是产品，然后有部分用到最早的加法制造（焊接）把材料增加在零件上并再次的加工使其符合尺寸和外型的要求，因此，粉末成型技术无非就是把许多成万亿的细微粉末（一颗粉末等于一块材料）经过模具的限制使其堆积紧密（低温快速成型），然后高温的烧结（同步固化），或是直接以高能量的将粉末层逐层逐列按设计的要求进行熔融成为有形的物件。因此，我们要了解材料──也就是粉末的特征，包含粒径、形状和其表面状态，合称为粉末的形貌。这和传统加工过程没啥不同，我们在取用材料必须了解材料的尺寸和规格，这是不变的原则，即便是微米等级的加工也一样，最大的差异便在数量，一个是可数（mm等级），另外一个是不可数（μm等级），但是都可以使用重量来区分之。

粒径

那么金属粉末的用于粉末成型技术上定义则为等效直径在小于200μm以下，如图1所表示。其中缩写和粒径范围为图所附的表中显示。其中等效直径可以使用粒径分析仪来检验，但较粗的粉末(d>50um)仍惯用传统的筛网以目数（Mesh，每平方英吋孔数）表示，微米与目数的换算因子是15,000，例如500目=15,000/500=30微米、75微米=15,000/75= 200目。

图1：不同金属粉末成型制程所需要粉末粒径范围

由于PM/DED的粉末较为粗大，传统PM因为没有使用太多黏结剂，仅有少量润滑剂，必须藉助粉末的塑性变形才能互相结合，因此可以使用较粗且不规则、硬度较低的金属材料粉末，但也有例外，若是硬质合金，就必须倚靠较多的黏结剂来协助粉末互相结合；DED则需要送粉顺畅，因此要求粉末外型较为圆润的等轴状颗粒，以便粉末的输送到熔喷口输出。相对的，PDF需要较为集中的圆形金属粉末颗粒，根据能量源分为EB、LB、MLB三种不同大小的能量，粉末粗细不相同且熔融后表面粗度和层分辨率是不一样的。PBF-MLB的技术已经等于甚至比MIM的精确度更高，所用的粉末甚至要求更细小。

然后，我们便要理解粒径分析报告的重要性，利用细小的粉末在液体中进行的布朗运动（Brownian motion，1827年英国植物学家观察到花粉在水中的运动）以雷射光穿透并收集到数据来分析粉末粒径分布图，如图2所表示，能够非常的形象的把难以计数的粉末进行定性的分析，因此得到一个平均粒径的累进值，在均匀材料密度的前提下，在分析总量下进行平均粒径的百分比(DXXX, XXX=1~100%)，其中最重要讨论在d10/d50/d90以及d91-d100的总量占比值。一定要注意不能只看平均粒径而不去观察区段的体积占比，d1-d10的比例很少可是数量会很大，细小粉末过多有好有坏，这要根据制程而定，例如MIM的细小粉末可以帮助表面形成致密层；但d91-d100比例过高，在烧结产品上会留下孔洞，不适合做为表面要求抛光的零件。

图2：典型的金属粉末粒径分布分析图（图片由广东潮艺金属提供）

粉末的形状

粉末的形状在有了计算机数值分析之后便不再如以前使用类比对比方式，透过数学模形如图3可以定义成多面体来描述其形状因子，而且是跟一个圆球体来做比较，这样可以由定性分析走向定量分析来帮助数学模拟真实的粉末情况。当然，还有其他的分析方法，例如以二维影像数张来判别，使用的是早期的影像分析软件以投影法分析；更精准还有使用工业计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)，搭配有限元素分析进行分割计算，获得更为精准的数据。随着计算机科学与检验探头的技术越趋进步，粉末的分析结果由定性已经逐渐迈向定量分析结果，对于制造的精密度就会更准确，那么质量检验过程的效率包含取样、检验、数据收集以及分析自然就要被要求更有效率。

图3：相对圆球度使用标准多面体来模拟

表面状况

图4是实际以扫描式电子显微(Scanning Electronic Microscopy, SEM)进行影像拍摄，目前还是处理人为主观判断，不同粉末制程可以容许使用的粉末表面状况也有所不同。

图4：几种粉末的特征。1.是多角状如硬质合金，采用破碎研磨后有锐利的边角，必须利用较多的润滑剂和黏结剂包覆粉末，才能进行成型；2.是水雾化的铁粉用于传统粉末冶金压制上；3.是水气联合雾化法制作的不锈钢粉末，已经是有略为圆球状并混合有长条米粒状的粉末，以及一部分的细粉，这非常适合给MIM使用；4.是气雾化法不锈钢粉末多用在金属增材制造上的粉床熔融法上

材料的化学成分

在三大金属粉末成型技术所使用的金属材料是有区分的，如表2所表示。详细的牌号会在后面介绍三大制程时详细说明。

表2：三大金属成型技术能够制作的金属材料

小结

经过将近半世纪的努力，粉末成型技术已经荣登金属零件制造技术的近净成型(Near Net-shape)殿堂之首，在全球华人努力下中国制造的金属粉末（包含三大技术所用）已经位居全球产量之冠且性价比最高的地位，市场需求和应用亦同于金属粉末原材料的情况，我们恰逢其盛况，欢迎更多读者的阅读并加入粉末成型的行业。

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