壓制與燒結(PM - Press and Sinter)

■ 耀德講堂 / 邱耀弘 博士

(轉載自繁體版ACMT電子技術月刊No.080)

前言

粉末壓制與燒結法是一個非常古老的技術，最早在古埃及就發現氧化鐵燒制的金屬制品（紀元前3000年），但是要談到大量制造還是在19世紀初的50年代開始，美國的愛迪生發明電燈促使了粉末冶金應用到現代工業上──鎢燈絲的制作，已經是20世紀之初（1909年），隨后鐵與銅金屬的粉末壓制與燒結便隨工業革命的帶動迅速取代傳統金屬加工的方法，尤其是在鑄造和鍛造的齒輪件。粉末壓制與燒結法的工藝流程如圖1所表示。

圖1：傳統粉末冶金制與燒結法的工藝流程圖

其中，主力成形設備是僅能進行上下閉合運動的壓機。這是一個近乎標準程序的流程，已經有超過百年的歷史，更進步模具的設計和模架機構使PM制品越來越精密且復雜，為了加工更加復雜的粉末冶金制品已經開發的模架系統目前已經到達三上（模）、五下（模）的系統，甚至有橫向同步氣缸協助部分特殊特征的成形，制品被廣泛地用在動力傳動系統上，包含各種交通工具與機械上。

工藝步驟

圖2是一個基本的粉末壓制模具與粉末材料、生坯相互的關系圖，這是坊間較為簡易的設備和外型簡單的產品，粉末材料藉由重力落到送粉器上，然后填充到模具的模穴中（模具是固定在模架上），然后上下模頭同時壓縮獲得生坯，并藉由下模頭繼續上抵把生坯頂出，并在下一循環的送粉器送粉同時推走生坯。

圖2：一個最基本的粉末壓制模具與粉末材料、生坯相互的關系圖

隨著生坯的復雜度增加（有不同階梯、孔位、造型特征等），模具與模架更趨于復雜，設備的噸位和高度也逐漸增加，這可不是一層樓（3米）可以解決的，必須挖出地下坑洞并建立工作的平臺，如圖3復雜的粉末冶金壓制用模架，大噸位的壓機。對于粉末壓制技術而言，最重要莫過于壓制后生坯的粉末密度分布之均勻性，而且金屬粉末必須是相互有機械冶金鍵結的結合，特征清晰且不發生裂痕，這便要在材料粉末、產品外型、模具、模架和壓機五個重要因素的設計調和，并非容易的事，目前全球頂尖的設備與產品制造商仍屬歐美日公司，我們華人仍舊需要更努力。

圖3：(a)極為復雜的粉末冶金壓制用模架，以提供更多的產品特征（圖片來自華南理工大學專利說明書CN1238139C）；(b)寧波東木工廠內一部大型的粉末冶金壓機，地下高度和地面高度是一樣的，可以制作非常大的粉末冶金制品（圖片由寧波東睦提供）

壓制后的粉末生坯僅需要很低的燒結溫度，便可以固化并具有一定強度，壓制后處理包含：

• 不需燒結，直接應用，如一體電感的軟磁粉外層；
• 不需燒結，先二次加工，包含鉆孔與外型修正，或是預燒結到0.7Tm（材料熔點），再予以加工后燒結；
• 使用網帶爐燒制820-980℃的銅基產品、1120℃的鐵基產品；推舟爐或稱推桿爐可以燒到1300℃的不銹鋼制品；批次爐是可以根據材料料需求燒結到不同溫度，例如石墨真空批次爐對硬質碳化物合金的燒制高達1480℃；
• 燒結后還需要很多的各式金屬表面處理、硬化處理甚至包含封孔與裝飾，以及自潤軸承的浸潤油處理等。

工廠所在地分布

兩岸的粉末冶金制品最大的公司都與日本公司有合作的淵源，其中寧波東睦新材料有限公司擁有兩岸最大的粉末冶金制品工廠，合作的日本公司是睦特殊金屬；臺灣最大的粉末冶金制品工廠是保來得股份有限公司，合作的日本公司也就是日本保來得，加上大陸揚州保來得工廠的規模緊跟在寧波東睦之后，兩大公司都算是國際上知名的粉末冶金制品公司。表1列出兩岸在國際上知名的粉末冶金制品廠，提供讀者參考，實際上中國國內的粉末冶金制品廠相當的多，許多工廠甚至只有數臺壓機與一部燒結爐也加入生產粉末冶金制品的行列，難以全面統計。有個有趣的現象，大部分PM公司都有MIM制品的制造能力和產線。

表1：兩岸粉末冶金知名大廠（規模較大，至少5條爐子）

在大中華地區粉末冶金工廠的集中效應很明顯，幾個特別的區塊分別是：

• 浙江省寧波市及其周邊城市如義烏市、金華市和武義縣、永康市與橫店市等；
• 江蘇省的南通市、揚州市與無錫市，沿著長江一路到南京市與安徽省；
• 廣東省珠三角的廣州市、中山市、江門市，大多與小型家電有關；
• 四川省與重慶市，西部的軍工與汽車重鎮；
• 臺灣省的桃園市、新竹縣市與苗栗縣。

產品應用

粉末冶金的產品應用實在是不勝枚舉，這些可以在網絡上輕易地查到，如圖4，Dr. Q僅舉一些常見的例子加以說明：

• 齒輪與傳動元件──具有重復性的特征并大多是等軸輪狀元件，包含各種正齒輪與部分斜齒輪、鍊輪與棘輪等等，齒輪模數大于1mm且外徑大于5mm的特征。這是粉末冶金制品最大宗；
• 各種機械臂、連桿、聯軸器──廣泛用在工具與機械的各種小零件，尤其油驅動汽車在發動機和變速箱內的機構零件；
• 家電用磁性與軟磁元件、配件──在冰箱、空調壓縮機上的磁性環件、廚房用的絞肉刀、廚具配件等等；
• 各種電動工具與木工機械配件和刀具──用于手持工具上最多，包含電工、木工、泥水工等等的各種工具；
• 傳統與智能鎖具──復雜的多孔重復特征的鎖芯、連動機構；
• 磁性材料也是利用粉末冶金工藝制作如電感器、磁鐵等；
• 陶瓷材料和石墨等等，也能夠使用這樣的工作原理，來制作陶瓷元器件。

圖4：粉末冶金工藝制作的各種零配件

小結

粉末冶金技術起源于人類最早以手工泥塑制品的概念，并在發現金屬能夠制作成粉末后并可再以凈形加工的方式，集合了三大概念之大成，凡是能夠粉末化的金屬材料皆能應用粉末冶金的技術來成形出制品，廣泛的應用造福人類，同時新的工廠管理觀念和設備日新月異的改進，現代化的粉末冶金制品都開始自動化的制造制品，全球最大的制品號銷售額都在咱家附近，各位讀者有機會要多多了解喔！

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