材料是一切的開(kāi)始

■耀德講堂 / 邱耀弘 博士

(轉(zhuǎn)載自繁體版ACMT電子技術(shù)月刊No.080)

前言

在1996年（剛好Dr. Q當(dāng)時(shí)30歲整當(dāng)日）取得博士學(xué)位后便投入產(chǎn)業(yè)界至今，如果連同在學(xué)打工已經(jīng)有超過(guò)30年的機(jī)械與材料產(chǎn)業(yè)的工作經(jīng)驗(yàn)，從一開(kāi)始僅僅繪制圖到手工鉗工作業(yè)、編寫(xiě)專利、真空技術(shù)學(xué)習(xí)到粉末成型技術(shù)的落實(shí)，確實(shí)了解到一切產(chǎn)業(yè)技術(shù)源頭便是材料。

材料學(xué)科是一門(mén)隱學(xué)，正如我們常看武俠小說(shuō)中的內(nèi)功，一般人無(wú)法看透大俠們的內(nèi)功功力到底有多深厚，材料學(xué)科的組合基礎(chǔ)第一個(gè)當(dāng)然是數(shù)學(xué)，再來(lái)便是物理、化學(xué)，同時(shí)要匯編語(yǔ)言包含中文和英文（閱讀資料、理解內(nèi)化、撰寫(xiě)報(bào)告），如果可以，一點(diǎn)點(diǎn)的美術(shù)（畫(huà)圖）基礎(chǔ)比較容易表達(dá)一些現(xiàn)象的描述，由于計(jì)算機(jī)科技的進(jìn)步，我們已經(jīng)不需要像以前收集論文、材料基本訊息那么辛苦，因此計(jì)算機(jī)上的操作技術(shù)包含Office三件套(Word, Power point, Excel)和網(wǎng)絡(luò)的資料尋找、簡(jiǎn)易繪圖與影像編修，已經(jīng)是材料學(xué)科必須具備的隨身工具軟件。

僅僅在大學(xué)時(shí)代學(xué)習(xí)的材料學(xué)科是不夠的，因?yàn)榇髮W(xué)課程只能是基礎(chǔ)的理解和打底，學(xué)習(xí)的范圍跨度很大但深度無(wú)法很深，主要在于實(shí)際操作在材料學(xué)科上扮演重要的知識(shí)實(shí)踐來(lái)源，材料學(xué)科實(shí)際操作包含各種理化實(shí)驗(yàn)，通常實(shí)驗(yàn)的條件都是較為簡(jiǎn)單而可控，到了工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際操作，顯然有更多的變量不可控，不過(guò)基礎(chǔ)仍舊源自基本學(xué)科的實(shí)驗(yàn)而來(lái)，比較常見(jiàn)的是學(xué)生畢業(yè)后已經(jīng)忘記當(dāng)年所學(xué)習(xí)的課程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這就必須記得回去翻閱資料復(fù)習(xí)。

工程與科學(xué)

我在學(xué)生時(shí)代是1982年進(jìn)入光武工業(yè)專科學(xué)校機(jī)械工程科制造組（臺(tái)灣的五年制專科學(xué)校，前三年等同高職，后二年等于大專），當(dāng)時(shí)學(xué)習(xí)制圖的標(biāo)示以絲（或稱條）=0.01mm已經(jīng)算是非常精密了，雖然分厘卡已經(jīng)可測(cè)量到μm等級(jí)，但平常使用游標(biāo)卡尺最多是判斷到0.02mm已經(jīng)很細(xì)微了。老師告訴我們工程可以忽略千分位元小數(shù)點(diǎn)，僅討論到百分位即可。表1顯示時(shí)代的進(jìn)步使工程的尺度是不斷地邁向更細(xì)微的尺寸，也就是朝量子等級(jí)邁進(jìn)，包含觀察與檢驗(yàn)的儀器也都如此。

表1：隨時(shí)代的進(jìn)步，工程的尺度不斷的矢量子等級(jí)邁進(jìn)

盡管我們機(jī)械制造工程僅僅停留到微米等級(jí)，但是制造工程的材料已經(jīng)到達(dá)奈米級(jí)的水平。在過(guò)去，工程和科學(xué)的差距不斷的縮小有賴于檢驗(yàn)與加工設(shè)備的進(jìn)步，這是不爭(zhēng)的事實(shí)，最明顯的例子就是半導(dǎo)體制程的導(dǎo)線間距，已經(jīng)從微米等級(jí)一路狂奔到3奈米(3nm)，甚至突破當(dāng)時(shí)科學(xué)家認(rèn)定的熱力學(xué)極限，可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)會(huì)有量子級(jí)的制造業(yè)出現(xiàn)。其實(shí)今年最有戲劇系的常溫超導(dǎo)體有可能要進(jìn)入量子級(jí)的分析，雖然是真是偽很難說(shuō)，但是制造的極限越接近量子勢(shì)必會(huì)帶給人類(lèi)更翻天覆地的改變，這已經(jīng)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)取得真實(shí)的證明。

不過(guò)，讀者們別擔(dān)心，本期專刊只討論到微米級(jí)別，也就是比絲(0.01mm)更小一位的小數(shù)點(diǎn)的微米(0.001mm=1μm)，請(qǐng)勿擔(dān)心看不懂。

材料的形貌──以尺度分析

一般在減法制造（切削）都是拿取大塊的材料進(jìn)行分割、切削和磨平獲得零件或是產(chǎn)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，粉末成型技術(shù)無(wú)非就是把許多成萬(wàn)億的細(xì)微粉末（一顆粉末等于一塊材料）經(jīng)過(guò)模具的限制使其堆積緊密（低溫快速成型），然后高溫的燒結(jié)（同步固化），或是直接以高能量的將粉末層逐層逐列按設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行熔融成為有形的物件。因此，我們要了解材料──也就是粉末的特征，包含粒徑、形狀和其表面狀態(tài)，合稱為粉末的形貌。這和傳統(tǒng)加工過(guò)程沒(méi)啥不同，我們?cè)谌∮貌牧媳仨毩私獠牧系某叽绾鸵?guī)格，這是不變的原則，即便是微米等級(jí)的加工也一樣，最大的差異便在數(shù)量，一個(gè)是可數(shù)（mm等級(jí)），另外一個(gè)是不可數(shù)（μm等級(jí)），但是都可以使用重量來(lái)區(qū)分之。

粒徑

那么金屬粉末的用于粉末成型技術(shù)上定義則為等效直徑在小于200μm以下，如圖1所表示。其中縮寫(xiě)和粒徑范圍為圖所附的表中顯示。其中等效直徑可以使用粒徑分析儀來(lái)檢驗(yàn)，但較粗的粉末(d>50um)仍慣用傳統(tǒng)的篩網(wǎng)以目數(shù)（Mesh，每平方英吋孔數(shù)）表示，微米與目數(shù)的換算因子是15,000，例如500目=15,000/500=30微米、75微米=15,000/75= 200目。

圖1：不同金屬粉末成型制程所需要粉末粒徑范圍

由于PM/DED的粉末較為粗大，傳統(tǒng)PM因?yàn)闆](méi)有使用太多黏結(jié)劑，僅有少量潤(rùn)滑劑，必須藉助粉末的塑性變形才能互相結(jié)合，因此可以使用較粗且不規(guī)則、硬度較低的金屬材料粉末，但也有例外，若是硬質(zhì)合金，就必須倚靠較多的黏結(jié)劑來(lái)協(xié)助粉末互相結(jié)合；DED則需要送粉順暢，因此要求粉末外型較為圓潤(rùn)的等軸狀顆粒，以便粉末的輸送到熔噴口輸出。相對(duì)的，PDF需要較為集中的圓形金屬粉末顆粒，根據(jù)能量源分為EB、LB、MLB三種不同大小的能量，粉末粗細(xì)不相同且熔融后表面粗度和層分辨率是不一樣的。PBF-MLB的技術(shù)已經(jīng)等于甚至比MIM的精確度更高，所用的粉末甚至要求更細(xì)小。

然后，我們便要理解粒徑分析報(bào)告的重要性，利用細(xì)小的粉末在液體中進(jìn)行的布朗運(yùn)動(dòng)（Brownian motion，1827年英國(guó)植物學(xué)家觀察到花粉在水中的運(yùn)動(dòng)）以雷射光穿透并收集到數(shù)據(jù)來(lái)分析粉末粒徑分布圖，如圖2所表示，能夠非常的形象的把難以計(jì)數(shù)的粉末進(jìn)行定性的分析，因此得到一個(gè)平均粒徑的累進(jìn)值，在均勻材料密度的前提下，在分析總量下進(jìn)行平均粒徑的百分比(DXXX, XXX=1~100%)，其中最重要討論在d10/d50/d90以及d91-d100的總量占比值。一定要注意不能只看平均粒徑而不去觀察區(qū)段的體積占比，d1-d10的比例很少可是數(shù)量會(huì)很大，細(xì)小粉末過(guò)多有好有壞，這要根據(jù)制程而定，例如MIM的細(xì)小粉末可以幫助表面形成致密層；但d91-d100比例過(guò)高，在燒結(jié)產(chǎn)品上會(huì)留下孔洞，不適合做為表面要求拋光的零件。

圖2：典型的金屬粉末粒徑分布分析圖（圖片由廣東潮藝金屬提供）

粉末的形狀

粉末的形狀在有了計(jì)算機(jī)數(shù)值分析之后便不再如以前使用類(lèi)比對(duì)比方式，透過(guò)數(shù)學(xué)模形如圖3可以定義成多面體來(lái)描述其形狀因子，而且是跟一個(gè)圓球體來(lái)做比較，這樣可以由定性分析走向定量分析來(lái)幫助數(shù)學(xué)模擬真實(shí)的粉末情況。當(dāng)然，還有其他的分析方法，例如以二維影像數(shù)張來(lái)判別，使用的是早期的影像分析軟件以投影法分析；更精準(zhǔn)還有使用工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed Tomography, CT)，搭配有限元素分析進(jìn)行分割計(jì)算，獲得更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與檢驗(yàn)探頭的技術(shù)越趨進(jìn)步，粉末的分析結(jié)果由定性已經(jīng)逐漸邁向定量分析結(jié)果，對(duì)于制造的精密度就會(huì)更準(zhǔn)確，那么質(zhì)量檢驗(yàn)過(guò)程的效率包含取樣、檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)收集以及分析自然就要被要求更有效率。

圖3：相對(duì)圓球度使用標(biāo)準(zhǔn)多面體來(lái)模擬

表面狀況

圖4是實(shí)際以掃描式電子顯微(Scanning Electronic Microscopy, SEM)進(jìn)行影像拍攝，目前還是處理人為主觀判斷，不同粉末制程可以容許使用的粉末表面狀況也有所不同。

圖4：幾種粉末的特征。1.是多角狀如硬質(zhì)合金，采用破碎研磨后有銳利的邊角，必須利用較多的潤(rùn)滑劑和黏結(jié)劑包覆粉末，才能進(jìn)行成型；2.是水霧化的鐵粉用于傳統(tǒng)粉末冶金壓制上；3.是水氣聯(lián)合霧化法制作的不銹鋼粉末，已經(jīng)是有略為圓球狀并混合有長(zhǎng)條米粒狀的粉末，以及一部分的細(xì)粉，這非常適合給MIM使用；4.是氣霧化法不銹鋼粉末多用在金屬增材制造上的粉床熔融法上

材料的化學(xué)成分

在三大金屬粉末成型技術(shù)所使用的金屬材料是有區(qū)分的，如表2所表示。詳細(xì)的牌號(hào)會(huì)在后面介紹三大制程時(shí)詳細(xì)說(shuō)明。

表2：三大金屬成型技術(shù)能夠制作的金屬材料

小結(jié)

經(jīng)過(guò)將近半世紀(jì)的努力，粉末成型技術(shù)已經(jīng)榮登金屬零件制造技術(shù)的近凈成型(Near Net-shape)殿堂之首，在全球華人努力下中國(guó)制造的金屬粉末（包含三大技術(shù)所用）已經(jīng)位居全球產(chǎn)量之冠且性價(jià)比最高的地位，市場(chǎng)需求和應(yīng)用亦同于金屬粉末原材料的情況，我們恰逢其盛況，歡迎更多讀者的閱讀并加入粉末成型的行業(yè)。

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