粉末冶金生产流程：Flow chart of Powder Metallurgy

一、粉末的制造方法：

1、 气喷雾法：

常用于制造铝粉、合金粉等易氧化之粉末，由于采用惰性气体，所制造的粉末之纯度高、外观为球形且堆积度高。

2、 水喷雾法：

水喷雾法所制得粉末之形状较不规则，其缺点为其含氧量稍高。但其生产成本低。

3、 还原法：

此法最普遍之金属粉末为铁粉，此种铁粉是将氧化铁FeO以氢气还原而得。由于氧化铁粉之密度较低且体积大，被还原后又会留下孔洞，所以其外形不规则且内部有孔洞，俗称海绵铁粉。

4、 离心法：

利用水或气体之动量将金属熔液喷成粉末以外，亦可利用离心力之原理将金属熔液滴滴甩出。此法所制得之粉末虽然成本较高，但污染少、适合制作活性金属如钛等。

5、 机械合金法：

对于有些质脆的金属若施以撞击可使之粉碎，所以只要经过连续撞击后即可得到较细且合乎规格之粉末。

6、 电解法：

最常见的是电解铜及电解铁粉。其纯度高、压缩性佳、生胚强度好。其形状为树枝状。但制造成本太高。

7、 化学分解法：

最常见之粉末为羫基铁粉和羫基镍粉。其粉末外形有球形、针形、链状等。球形铁粉一般使用于MIM、软磁材料、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种，而每种方法所制造出之粉末并非均为球形，所以一般所谓的“粉末直径”乃是指该粉末之“相当直径”，此相当值会依不同之量测方法而有不同之值，有的是取与该粉末体积相等之球状粉之直径作为“相当直径”，而有的则是取与该粉末之表面积相同之球状粉之直径，所以即使是同一粉末也常因量测方法之不同，而得到不同之粒径。因此，一般常根据该粉之用途来决定应以何法来量测，例如某一粉末之用途为触媒，则该利该粉之粒径宜以表面积法来量测。

一般常用之金属粉末其粒度约在1μm至1000μm之间。由于其差距甚大，并无一种理想之仪器能涵盖此大范围，且仍能迅速地量测出该粉末之准确粒度值。一般常用之测试方法有下列数种，而每种方法因所依据量测原理之不同而均有最佳之范围且均有其优缺点，兹详述如下：

筛分法：

对传统粉末冶金制程所使用之粉末而言，一般均可以此方法来评估粉之粒度大小。在此方法中粒度之大小乃是以能否通过某一孔径之筛网来订定，而筛网之孔径又依网目之多寡而定。例如400目之筛网所代表之意义为该网每一英吋之长度上有400个孔，因为此筛网网线之直径26μm，故由此法编织而成之网其开孔之孔径为38μm。表3-2所列即为18.目到635目筛网之孔径，由此表中亦可看出每个网目之孔径均以1.189之比例增加，所以每隔4个筛网，该孔径即加大一倍，亦即400、200、100及50目筛网之孔径均以倍数增加，而分别为38μm、75μm、150μm及300μm。较简易之记忆法为:将网目数与微米数相乘应等于15000。传统粉末冶金业所使用之粉大多以50至400目之筛网筛分，故只要熟习50、100、200、400目中任一网目之孔径，即可对其他网目之大小有基本之认识。

量测时各筛网之排列如图3-2所示，首先将约1OO克之粉末放入最上面之筛网中，而各筛网之次序由上至下依次为网目号码小者至网目号码犬者，然后在最上面加盖，在最底层加一承接盘。将这些组装好之筛网置入振动机中，在振动过程中于水平方向上有285rpm之回转运动，且在垂直之方向上有一锤子以每分钟150次之频率敲击使粉末不致阻塞网孔。经15分钟之振动后量测各筛网上所盛粉末之重量即可得此粉末粒度之分布。图3-3a即为此俗称为Ro-Tap设备之外观，而图3-3b则为另一常见之筛分设备，此设备亦具有水平之圆周运动及上下振动之功能。以这些筛分设备所测得之粒度分布属于一种重量百分比之分布。一般之表示方法以“+”代表大于某网目，而‘一“代表小于某网目，例如－230+270之粉末表示其粒径小于230目大于270目，在230至270目之间，亦即介于53~63μm之间如图3-2所示。此测试之标准有美国粉末冶金协会MPIF 05或美国测试与材料标准学会(American Society for Testing and Materials)之ASTM E-11。

A、简易记忆法：网目数*微米数=15000

B、传统粉末冶金所使用之粉大多以：

网目：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代表粉末粒径小于230目大于270目。

D、400目代表的意义是每一英吋长度上有400个孔、孔径为38微米

2、典型地粉末粒子外形：

A：单面的空间：

B：双度的空间：

C：三度的空间：

3、密度：

与粉末冶金制程相关的密度有：

A、真实密度 B、视密度 C、敲击密度  D、成形后之生胚密度 E、烧结后之密度。

A、真实密度：

一般粉末之表面有一层薄薄的氧化物，而内部易可能有一些封闭之气孔，特别是气喷粉或还原粉中，使的粉末本身之密度低于熔炼而得的金属。由于在粉末冶金的制程中，要计算粉末之体积比(如MIM生产过程中，需要了解金属粉和塑料之比例)，或计算混合粉的理论密度，所以每种粉末的真实密度是重要数据。

B、视密度：

计算成形时粉末在模穴中应充填的高度。

1、粉末外观密度又称为视密度，是将粉末填入已知体积后所得之密度。

2、其测定是相似于当零件制造时，粉末填充到固定容积的模穴中之粉末重量。

3、粉末外观密度测试提供粉末物理特性评定的准则。

4、粉末外观密度高表示粉末颗粒间摩擦力小、流动性佳。使得成形时粉末容易迅速流入模具的模穴中，而使成形之生胚密度也较高。

5、当粉末太细，粉末间摩擦力太大，无法通过2.54mm之孔径时，可改用Carney

Funnel(卡尼漏斗)，其孔径为5.08mm。MPIF-28

6、为了类似工业界所使用成形机上填粉盒实际充填时之动作，在MPIF-48说明中有Arnold Apparent density meter(亚诺计)设备。此视密度值高于Hall之视密度值。

生胚密度ρg和外观密度ρa与生胚厚度t mm之关系：

生胚密度ρg×生胚厚度t mm＝外观密度ρa×机械的调整冲子上端与模面的高度。一般产业界都以2倍处理为多。

C、敲击密度：

1、在粉末冶金制程中，将粉末振实以提高密度。尤其在冷、热均压时，都希望粉末的敲击密度越高越好。

2、  因为生胚密度愈接近成品之理论密度则烧结温度可降低，烧结时间可减少且烧结时的收缩率较小、尺寸较稳定。

3、由于粉末粒度太小无法使用于Hall流动计时，皆以此量测。

4、工业界使用细粉如MIM和喷雾造粒常以敲击密度作为粉末规格代替视密度及粒度。

D、成形后之生胚密度、E、烧结后之密度：

粉末冶金产品常含有孔隙且形状复杂，不易由重量及体积直接量得其密度，由于密度直接影响了产品的特性，所以在成形后应即测量生胚之密度，以控制质量的稳定性。烧结后也同。

我们对从事品管的从业人员提出以下之建议，在测量『生胚密度』、『烧结后密度』时，

应遵循︰

1、依ASTM、MPIF、JIS、CNS、中国国家标准中所述︰吸水性粉末生胚、烧结产品密度

测试标准操作法，以润滑油渗入法做为防水处理，其演算公式为：

Db＝Wa×ρ/(Wb-Ww)。

2、可采用封蜡法、对于易崩解的磁性材料，最经济、最方便、最快速所测得之密度之

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

4、安息角：又称自由坡度角

1、粉末间摩擦力的一种表示法。

2、即为粉末开始滑落时的角度。

3、粉末从漏斗自由落下在平台上后，取水平面与堆积粉末之斜面间之夹角。

4、粉末之流动性越好、粉末形状越接近于球形、粉末间的摩擦力越小时此安息角越小。

5、流动性：MPIF-04

决定粉末流入模穴各角落之难易和速率。影响了成形压机的成形速率及压机的产能。

1、粉末流动之难易影响粉末进入模穴之快慢，因而也影响成形速率和压机的产能。

2、流动性越好、视密度较高、安息角越小。

6、生胚强度：

1、经压实之生胚若形状复杂时常因搬运、碰撞等原因造成崩角、破裂等现象。而维持原形状的能力称为成形性，由拉脱拉试验做为判定成形性之方法。

2、藉由拉脱拉试验中重量的损失多寡代表生胚强度之高低。

3、生胚密度愈高则生胚强度愈高。

7、压缩性：

1、一般使用者都希望粉末冶金机械零件具有高强度，所以对密度的要求也高。

2、在同一成形压力下，所使用的粉末能达到最高之密度，此粉末能达到最高之密度之能力称为压缩性。

3、压缩性的高低和粉末的化学组成及制造过程有关。

4、还原铁粉之形状不规则，气孔多，视密度本就偏低所以压缩性较差。水喷雾粉较好。

5、预合金粉和表面已氧化之粉，因粉末本身硬度已高所以不易压缩。

6、粉末粒度分怖过窄时，由于粉末间之空隙无细粉予以充填，所以生胚密度不理想。

7、混合元素粉因粒度分布经过控制，压缩性较佳，能达到高视密度。

三、粉末成形前之处理：

一般工厂中，在收到粉末后的第一个手续应该是粉末特性及规格的检验。为了让成形步骤更快速、更简单、或使生胚之尺寸、密度更稳定、强度更高。接着就必须做好下列的步骤：

1、分级：

原因：

一般工厂在成形前都将细粉及粗粉除去，因为细粉常夹在冲子与中模或冲子与芯棒间的缝隙，造成卡粉导致模具表面之拉伤。而粗粉太多时则会因不易烧结或充填密度不`稳定，导致成品之尺寸或密度与规格有所偏差。

对策：

工业界一般都采用具两层筛网的三层式筛网机，上层之筛网可将过粗的粉筛出，中间者为所欲得的粉末，下层为过细之粉末。

2、合批：

原因：

粉末经由长途之运送到达工厂，常因过程中之颠簸，使其细粉渐渐经由粗粉间之空隙沉到桶底，造成粒度的偏析。

对策：

为了使粉末之粒度分布均匀，一般可使用搅拌机重新搅拌一次。有时出清库存时为了使成品之性质稳定，也常将不同批号所残留之余粉(相同成分之粉)给予混合。

3、混合：

将不同成份的粉末搅拌在一起，而一般所混合之材料有润滑剂及装配合金用的石墨粉或金属粉。添加润滑剂的功能在于使粉末易于流动，提高视密度，及减少模具之磨耗。而添加石墨粉或合金粉是为了提高烧结产品之机械或物理性质。

一般的结构性零件均为合金钢，因此必须在铁粉之外添加其它合金元素，如石墨粉、铜粉、镍粉、钼粉。

也有使用预合金钢粉，特点：为烧结后显微组织及机械性质均匀。缺点：硬度高、压缩性差。为了改善此缺点，目前工厂都加入钼Mo、铬Cr等属于bcc相稳定元素之合金钢粉。

为了减少预合金粉的各个成分的库存压力，也有使用混合粉，虽然混合粉易成形且添加量之多寡由业者自己自行调配，但其缺点为成分不均，石墨粉飞扬，造成各批次间之粉末特性有所差异。

一般的混合机构有三种：a：对流b：剪断c：扩散

对流模式：粉末由容器的底部经由摩擦力被带到容器之上部，当粉末超过安息角时则自然落下，然后继续循环，形成循环流。

剪断模式：则多在接近筒壁、筒底处，此因粉末被压缩而向下滑动。

扩散模式：则为容器在水平方向的两端之粉末逐渐互相渗透之混合模式。

常见的混合机器有V型、双锥型、滚筒型。在容器内粉末之充填量一般占全部体积之20~30%，而且转速不可太快，不然粉末将因离心力大于重力，使粉末贴住筒壁而无混合之效果。

为了达到最加混合效果，应使粉末在到达高处并在落下时能被甩到最远处。

4、球磨：

粉末间有时由于湿气产生的毛细力，或由于静电、凡得瓦尔力、磁力等会使得粉末产生凝聚甚至结块的现象，若要使这些粉末达到原有粉末之粒度或表面积之规格。，必须将这些已结块或凝聚之粉打散。有时不良的生胚或造粒粉要回收时亦常需要将之打散才可再使用。

将粉末和钢珠置入滚筒内，以干式法或(加入水或庚烷等液体之湿式法)，在筒内靠钢球之撞击力将粉末打散，亦可添加一些有极性的高分子于液体中使各单一粉末间有排斥力，以防止再次凝聚。

5、造粒：

当粉末粒径微细时，由于粉末间之摩擦力大，使得其流动性相当差，不易填入模穴中，且因视密度非常低，不易压成高密度的生胚，无法用于工业界的快速成形机，所以一般常须先经造粒以改善粉末之特性。造粒的外观则以实心，球形粉为佳。

喷雾造粒首先将细粉与水及黏结剂如聚乙烯醇、阿拉伯胶、甲基纤维素等混合搅拌成泥浆状，然后由喷嘴高速喷出，此喷出的雾状液滴受到迎面来的热空气或热氮气吹袭，使得其中之水分蒸发只剩下黏结剂，此时细粉间即靠这些黏结剂结合。

 一般最常用的黏结剂是聚乙烯醇，此材料为聚合物，含有亲水性之OH基。称为完全碱化型。但也有一些聚乙烯醇中之OH基被疏水性之醋酸基取代成为部分碱化型。一般由于分子量及官能基之不同，碱化程度将对雾化粉产生很大的影响，当分子量大，碱化程度高亦即OH基多时，其泥浆黏度、粉体硬度、强度、抗吸湿性等将提高。所以可依造粒粉之粒度要求，选用不同的聚乙烯醇。此外也添加其它添加剂，以改变粉末之性质。

若雾化后之粉若硬度太高，造成模具磨耗过快或成形密度太低的话，可以在搅拌过程中加入微量的塑化剂。可使粉末稍为软化，易于成形。所以粉末中残留些微量水分是有其必要，但其含量须谨慎控制。在磁性材料方面一般水份含量约＜2％为主要的考虑。

造粒完成后，需经过粒度分析、流动性、安息角的检验之外，还需作残留水分及外观的检验。水分过多时流动性不佳，原粉易生锈，而过少时成形性较差。

6、添加润滑剂：目前常用之润滑剂有白蜡、硬脂酸锌、硬脂酸锂。其目的：

A：改善粉末之流动度，使生胚密度更为均匀，并使充填模穴之时间缩短，提高成形机之生产效率。

B：增加粉末之视密度，降低模穴之充填高度，减少模具之厚度，节省成本。

C：改善粉末之压缩性以提高生胚密度。

D：降低脱模力，减少模具之磨耗。

由于润滑剂大多为碳氢化合物，必须在烧结前给予去除，此称为脱脂。脱脂过程及润滑油

之选择对成品均有相当大之影响。

润滑剂有白蜡、硬脂酸锌、硬脂酸锂之特性：

残留物之形成是由于原润滑剂中所含的金属原子，此润滑剂再受热而挥发或分解时，其中所含的金属原子有的将以细粉之方式随气体排出、有的将直接沉积在炉口或烟囱中温度较低处，而部分之金属原子则在脱脂过程中与润滑剂中之氧原子或与气氛中的微量氧分子或水分子反应而生成氧化物。其中硬脂酸锌将产生氧化锌残留物。

硬脂酸锂有抢氧之功能，使铜及不锈钢中之其它元素不易与氧结合形成氧化物，也使氧不易溶于金属中，具有清洁的功能。

残留物造成的缺失：

1、氧化锌及锌常如钟乳石般悬挂在连续式烧结炉中脱脂区炉膛之顶部，会妨碍烧结体的进入，必须每一段时间以机械方式予以刮除，或将烧结炉降温藉其与炉膛间热膨胀系数之差异让其自行掉落。

2、镀锌钢板及锌压铸工厂常在生产过程中产生锌气体及锌的细微粉末而造成环境的污染。

使用硬脂酸锌应特别留意锌的排放所造成污染的问题。

白蜡则无残留物且其脱脂效率高，较不易在胚体内因突然产生大量分解气体而形成压力，进而造成生胚之破裂、起泡等缺陷。

白蜡的优点：

1、无残留物，烧结炉的清洁度较佳。

2、生胚强度高，也常制作结构零件。

3、又白蜡无金属原子可溶入铁基地中，所以对不绣钢等有污染顾虑的材料较适合。

若以润滑功能而言，硬脂酸锌最佳、硬脂酸锂次之、而白蜡最差。所以制作铁系结构零件常使用硬脂酸锌。

硬脂酸锂则常用于不绣钢、软磁材料、及黄铜、纯铜等需要含氧量低的材料。

加入润滑剂添加物对铁粉视密度、流动性、生胚密度的影响：

视密度及生胚密度皆先增后减，而流动性则先快后慢。当生胚密度较低时，其密度随着润滑剂之增加而上升。但在高生胚密度时，若成形压力相同，则当润滑剂增加时，生胚密度先是上升，到达一极大值后渐渐降低。此由于少量的润滑剂可减少粉末间之摩擦力，但太多时则由于胚体之理论密度降低，所需压结之相对密度也提高了。

最适合的润滑剂添加量应在0.1~0.5％之间，添加润滑剂除了可减少粉末间之摩擦力、增加生胚密度外，也可降低生胚与模壁间之摩擦力。因为润滑剂在高压时会被挤向胚体表面，当胚体受摩擦力而产生局部过热之现象时，甚至会将一些低温的润滑剂熔解而挤出，并在胚体与模壁间形成一薄膜而降低摩擦力。此时之摩擦系数约0.03~0.12之间。

7、添加黏结剂：

主要功能在于改善粉末的成形性。

1、由于有些细粉粉末间之摩擦力高，成形的压力多被抵消，需使用高压力，但高压力造成颜重的脱模膨胀使胚体易产生裂痕，鱼鲢纹。

2、又有一些粉末为球形且硬度高、不易产生塑性变形，以致粉末间无法以冷焊或以机械纠结的方式结合，导致胚体较易分层、崩角、破损。

四、粉末的加压成形：

1、成形步骤：

成形模具可分为上冲、中模、下冲、芯棒四大部份。而依零件之复杂程度，其上、下冲之数目不同。

1、步骤：

粉末成形后，中模向下移动，使胚体露出中模面，此步骤称为脱模顶出。接着填粉盒向右方前进，利用其前端将胚体顶向右方的收料盘。接着中模向上移，而填粉盒则移至模穴正方，使粉末落入模穴内，再此过程中填粉盒将左右振动使粉末较易落入。当充填结束后，填粉盒向左移，上冲向下移动进入中模挤压粉末。当压结动作结束后，上冲上移而中模继续下移，直到试片露出中模。

2、充填：粉末的充填有四种方法：

A：落入法：传统之填粉法，亦即中模上升至最高点之位置后，填粉盒才到达模穴上方，将粉以自由落体的方式掉入模穴中。利用此法填粉时，充填之速度及均匀性常取决于模穴的截面积之大小及粉末的速度。

B：吸入法：由于一般所使用粉末的粒径多在40~200μm之间，若使用落入法，当模穴狭窄时，粉末进入不易，速度较慢，将影响成形机的使用效率。为改善此现象，可采用吸入法。亦即当填粉盒到达模穴上方时，中模才往上移，此动作造成真空吸粉之现象，可加快粉末进入模穴之速度，以及充填的完全性。对于形状复杂有尖角之零件，或小于1mm之薄壁轴承之充填均有很大之帮助。

C：上充填法：粉末填入模穴后，芯棒才向上移至模面之高度，此对于薄壁零件亦有相当大之帮助，因为薄壁零件成形时芯棒与中模间之空隙小，易产生架桥现象，阻碍了后续粉末之掉入，若芯棒先在下方，可增加模穴空间有利充填，待充填结束后，芯棒再往上移即可改善这些困扰。

D：下充填法：当充填结束后，下冲不动，中模和芯棒再向上移，使粉末相对下移低于模面，此可防止上冲向下移动到达中模面时粉末向外喷，且可减少因中模有推拔角或圆弧角而使一些粉末卡在上冲与中模间造成夹粉之现象。

粉末之充填量、深度以及胚体尺寸之关系：

填粉的深度H1、生胚胚体之高度H2、ρg生胚密度、ρa粉末之视密度。

公式为：(H1/H2)=( ρg/ρa)  以圆柱体为例：

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

3、成形：粉末的充填有四种方法：

A：单压成形：成形时下冲不动，由上冲施力，压结后，中模不动，由下冲向上将产品顶出。此成形方法因只有单向加压，所以胚体的密度上方较高，下方较低。只适合于生产较薄的产品以减少密度不均之现象。

B：双压成形：成形时下冲也往上压，此可使胚体的密度均匀。下冲再向上将产品顶出。

C：中模浮降法：此法在中模下方有弹簧，当中模受到上冲下压时，胚体与中模间之摩擦力会使的中模向下移。使用此方法时，下冲不动，但由于中模之下降使得上下冲对中模而言均有相对运动。而顶出则靠中模续降将胚体露出中模面。

D：强制浮降法：类似中模浮降法但中模之下降动作均由机械或油压方式独立操作，且下降之速率约为上冲之半。

4、成形基本原理：

当粉末进入模穴后，其密度相当低，需靠上、下冲之加压才能使胚体之密度提高。一般而言，为了维持传统粉末冶金零件之稳定性，希望此生胚之尺寸及密度与烧结后之尺寸及密度一样，所以常尽可能地在成形时即压至所欲达到之密度，而烧结只是加强粉末间之结合力，并使合金成分均质化。基于此提高生胚密度之前提，上下冲对于粉末以及中模所施之压力将相当大。

当上冲压力P向模穴之粉末压下时，此压力P使得模穴之粉末被挤向四周，产生一径向压力Fr传递至模壁。当胚体与模模壁产生相对移动时此径向压力Fr造成一摩擦力Ff，此摩擦力Ff将抵消部份的成形压力，使传到胚体下方之压力Pb变小。

Z为径向压力与轴向压力之比，亦即轴向压力传达至径向压力之能力。下表为各种粉末之Z值：压力越高亦即生胚密度越大时其Z值越大，且较硬之粉末其Z值较小，而较软之粉如铜粉、铅粉因其较易塑性变形故Z值较大。

由公式可知：Px/P=exp(-4μZ X/D)   μ为摩擦系数

胚体中的压力随着高度X的加大及D的变小而降低。由公式可知胚体内各处之密度将不均匀。

在单压时：上方边缘处之密度最高，下方边缘处之密度最低。

在双压时：上、下两方边缘处之密度最高，但中间边缘处

密度最低。此由于冲头本身承受之压力并不均匀。

由公式得知若要改善压力的均匀性，则必须降低μ值和Z值。

改善方法：

可藉调整润滑剂之添加量以及粉末之形状、大小而改变。一般而言，将润滑剂施于模壁时，胚体与模壁间之μ值将降低，但Z值却升高，故需视μ值和Z值而定。

一般结构件，亦即生胚密度在80％以上时，添加润滑剂将使μ值和Z值下降，因而有助于将上冲之压力传至下冲。

由公式得知当X/D值小时，密度及生胚强度将比X/D大时为佳。故一般胚体长度与直径之比值最好愈小愈好，一般多在6以下，不然胚体中间部分因密度过低而易碎裂。

5、脱模力：

当施压之步骤完成后，胚体因受到径向压力所造成之摩擦力，将撑在中模内，不易顶出。

当加压时之径向压力随轴向压力之增加而上升，当成形结束后，轴向压力Pa迅速降至为零时，其径向压力Pro也迅速下降，但却不会回归至零而有一残留径向压力。对海绵铁粉而言，此残留径向压力Pro约为最大轴向压力Pa的0.2~0.3倍。

故脱模力=径向压力×胚体的侧面积Aside×摩擦系数μ

       F =μ×(0.2~0.3)Pa×Aside

对于薄壁之小工件如自润轴承，由于侧面积大，其脱模力常超过成形所需之力量，使得顶出时胚体底部因再受度受高压而提高密度，有时下冲承受不住此顶出力将产生塑性变形甚至于断裂。为了降低脱模力，一般可在粉末中增加润滑剂之量，以降低胚体与模壁间之摩擦系数，且必须随时维护模具之表面之光滑度，不然将产生严重之模具磨损，甚至有尖锐噪音之出现。

五、成形时之考虑事项：

1、吨数：

成形所需之吨数与零件之截面积、粉末的成形性、以及所需之生胚强度有关。

举例说明：

外径为20mm内径为10mm高度为3mm生胚密度为6.8g/cm3之垫片，此垫片由上方投影之面积为235.6mm2。若使用还原铁粉(看厂商提供之生胚密度和成形压力的曲线图)其成形压力为6吨/cm2。所以成形的吨数为6吨/cm2×2.356＝14.1吨。

由于厚件因模壁所生之摩擦力较大，所以厚件的成形的吨数稍大。

2、段差：

在段差小的零件时，可使用上下冲直接成形，亦可藉模具段差之上冲成形，以减少冲子的成本。若零件的段差明显时，若采用具有段差之上冲成形，将造成较薄的部分密度太高，而该冲子承受的应力太大，甚至于折断或破裂。而较厚部分之密度太低，易在较薄不过交接处产生裂痕。

改善方法：段差明显时，将此零件反过来成形改用两支下冲方式成形。

3、零件设计：

胚体受压时将产生弹性及塑性变形，当上冲退回模穴后，由于胚体已不受上下冲之压力故其弹性变形将回复，因而高度将呈现增长之现象。而径向的部分则在胚体离开模穴后才回胀，此回胀量约在0.1至0.2％之间，当压力大、添加之润滑剂多时此弹回量将增加。

举例说明：为ㄇ形且具内孔之铁粉胚铁，其外径为D0内孔为D1、D2之直径在脱模后均变大，但对内孔D2而言，当肉厚为内孔直径两倍以上亦即D0>5D2时，此内孔有时不但不膨胀反而会收缩，故在设计模具时须将此弹回量列入考虑。

由于胚体成形及脱模时均是上下移动，所以前进路线上下不能有阻碍物。所以零件设计时应避免有清角(应将其转90度)、横向角(二次加工达成)、中模有尖角、上下冲有过薄或过尖之设计(因应力集中而破裂)。

有时虽然零件之设计并无不当，但因模具之设计或制作不当，亦会造成零件成形不易或模具之破损、磨耗。如模具未抛光至镜面使得磨耗严重、间隙加大，甚至造成粉末卡入表面凹处，造成零件和模具表面的拉伤。

4、成形时常遇见之困难：

A、鱼鲢纹及断痕：

常发生在下列情形：

1、长度/直径之比值太大时，试片中间部份之密度低、强度弱，当成形结束上冲升起时，胚体所受轴向压力消失，产生向上之回弹因而产生裂痕。

2、试片在被顶出离开模穴之剎那，因应力瞬间消失，使得胚体产生弹回膨胀，每顶出一小部份，该部份就因脱模膨胀而产生横向裂痕。此现像在胚体中段特别明显，此因双压成形时该处之密度最低，且测向压力最大。

3、关于铁粉的脱模膨胀量：

造成原因：

当成形压力越大时生胚密度增加，但脱模弹回量也上升，特别是还原铁粉因内部孔隙较多，压缩时孔隙体积收缩，使得一些封闭孔内之气压变大，造成顶出后孔内压力回胀，产生大量的脱模膨胀。此弹回量在模具设计时应纳入考虑。

对策：

1、为了减少脱模膨胀造成的这些缺陷，可使用具较高生胚强度但无内孔之粉，使用较少的润滑剂添加量或使用压缩性好的粉，使在低压成形即可，以减少脱模膨胀量。

2、在顶出的模口处加大推拔角或R角，使胚体顶出时之弹回膨胀成为渐进式可减少鱼鲢纹的产生。

3、若裂痕是由于上冲升起时胚体产生轴向之弹回所造成时，可藉调整上，下冲之动作使在顶出时上冲还压住胚体，以减少轴向的回弹，此动作亦可增加胚体向测面弹回时的磨擦阻力，因而减少鱼鲢纹的产生。

4、加速顶出之速度使胚体在模口之弹回速度相对降低。

5、添加黏结剂亦可减少鱼鲢纹的产生。

B、裂痕原因：

除了上述因脱模膨胀所产生之横向鱼鲢纹之缺陷外。

A、在制作T形、ㄇ形胚体也常出现缺陷，特别是轴向及横向之裂痕。因制作此T形、ㄇ形零件时必须使用两支下冲，在成形结束上冲上移后，由于两支下冲之长度不同，其回弹之膨胀量不同，使得这两支下冲将对胚体造成应力而导致裂痕的产生。但这些裂痕不易察觉，经烧结也无法愈合。(故在成形后应使用30倍之实体显微镜观察，加以改善。)

对策：

1、在顶出时上冲还对胚体保持一定的压力直到胚体的一部份或全部脱离模穴为止。

2、亦可调整工件密度之分布以改善之。

B、在制作不同厚度之零件时，在厚度不同的部分之相接处产生裂缝，此由于因左右部分之中性区亦即密度最低处相距过大所造成，一般之中性区之位置由下式决定：

N=F*X/(X＋Y) 

F：填粉深度  N：中性区距模穴上缘之位置  X、Y：分别为上、下冲之相对移动距离

举例说明：

如零件尺寸左侧是20mm的厚度，右侧是10mm的厚度

假如ρg生胚密度和ρa粉末之视密度之比值为2.4 (公式为：(H1/H2)=( ρg/ρa))

则左侧的充填深度为48mm，右侧的充填深度为24mm。采用上下冲加压方式成形时，

上冲下移14mm而左测下一冲上移14mm，右侧之下二冲上移2mm。

对左测而言，其中性区(密度最低处)位置N1为48mm×(14/28)=24mm

对右测而言，其中性区(密度最低处)位置N2为24mm×(12/14)=20.6mm

由于中性区N1和N2之位置相差太多使得左右测之密度不连续，故有时会在左右部分

相接处产生裂缝。且当左侧或右测有芯棒时，此芯棒会因左右密度不一致而受到侧压

力，导致孔不直或芯棒弯曲等问题。

对策：

调整充填深度及两支上下冲上压的时间，或改用两支上冲以解决之。

C、崩角：

常发生于复杂零件的尖角，肉薄处。

产生的原因：

1、粉末间的摩擦力、结合力不够。

2、粉的流动性不佳时，也会造成工件之某些部位充填不足，造成此处密度、强度偏低之现象。

改善之方法：

1、可选用还原粉或其它较不规则形状的粉，利用其机械锁合力来提高生胚强度。

2、若在粉末之选择方面无法调整时，有时可使用上充填法或在填粉盒中加装机械搅拌装置或喷气装置，这些有助于粉末之充填，可改善粉末之均匀性。此外亦可添加黏结剂。

六、烧结：

简单的说就是两颗粉末在高温时由于原子的移动，使得粉末间的距离改变、表面积减少、形状产生变化的一种现象。

A：固态烧结：

烧结是藉原子或分子的吸引力在固体状态下，透过热的应用将粉末质量的粒子结合。粉末有大的表面面积比率不同于实心的金属。因而表面能量更大的。

在烧结过程中将造成：1、改变气孔的形状。2、缩小体积。3、表面能量减少。

烧结被分为三个步骤进行：

第一步骤，粉末粒子还保持分离情形下，颈部生长过程迅速。

第二步骤，大部份的致密化存在结构再结晶而且粒子间互相扩散。

第三步骤，隔离的气孔倾向于变为圆形而且在比较低的比率下持续致密化。

液相烧结：

在液相里，两个或更多粉末的混合烧结，被烧结的温度是介于高溶化组成的低的溶点温度和高于低溶化组成的溶点温度。液相烧结适用于铜-锡和铁-铜预拌粉，例如，假如成分是正确的混合，烧结的变化依据两个合金湿润度的物性。液相烧结的过程能考虑由三项部份重迭作用给予说明：

1、在液相允许固体材料重新排列和快速的收缩。

2、分解和再冲击伴随致密化的发生。

3、当液相消失时一起发生。

烧结气氛：

几乎所有金属，即使将其放置于室内温度中冷却，金属只要和周围的气体接触将起反应。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属粉末，实时经过了压实过程也无法消除。这些氧化薄膜不能从金属粉末抛出去，其结果将妨碍烧结的过程。所以为了从金属粉末抛出去这些氧化膜，烧结中的气体气氛变为非常的重要。

例如：置放在空气中的铁粉末压实零件，将其烧结的话。因为铁粉粒子将不断的放出的氧化物，会在烧结过程中发生过度氧化现象。使得压实零件的铁全部被氧化。如处于相反性质的气体场合，如周围是氢气、氨分解气体、一氧化碳等气体时。则铁粉粒子所吸收的气体将慢慢地被排出、将使烧结温度变成十分的高，分解氧化薄膜，而放出了氧化物。烧结气氛必须要具有还元性气体。

烧结制程：

成形后之胚体由于内部含有润滑剂，必须先经脱脂步骤以去除润滑剂，然后再于高温烧结使粉末结合在一起，此脱脂及烧结制程所牵涉到的制程参数及在设备上之考虑相当多，例如应使用何种气氛？何种温度?何种设备?如何控制碳势?若使用不同之材料时以上之参数又要如何改变?这些均有说明之必要。

脱脂：

一般之粉末需先添加润滑剂或黏结剂以利成形，但这些润滑剂多为有机物，必须在高温烧结前予以去除。常用之润滑剂有硬脂竣锌、硬脂酸锂及白蜡(ethylene bis-stearamide, EBS，俗称之Acrawax即此成分)三种。

一般之脱脂多在烧结炉之前段进行，温度在500-600℃之间，所需之时间大约为15-30分钟。不过有些零件在脱脂时会产生起泡(俗称爆米花)、爆点、破裂或积碳之现象。

A：一般认为起泡及破裂是因工件中之润滑剂在400。C至500。C间之分解速率过快而造成。

B：积碳是因脱脂区之气氛流速太慢，使得润滑剂分解时所产生之一氧化碳在试片中停留过久，此CO超过18%时易反应成碳及二氧化碳，使胚体及孔之表面产生积碳之现象，由外观看常有粗糙、隆起之现象。此积碳反应在500℃至600℃之间最明显，加上工件中之铁、钴、镍、锌有催化作用，而使用之气氛为受热型气氛时因其中之CO已有15至20%，所以在此气氛下此积碳现象将更明显。

解决此问题：

A：可以让工件在500。C以下有足够之时间脱脂，使所有润滑剂脱除，并快速跳过500。C至600。C之范围且加大气氛之流量，以减少积碳、起泡、破裂之现象。

B：可在脱脂区单独使用放热型气氛，此乃将天然气或丙烷与空气之比例调低，使较接近完全燃烧之比例，燃烧后之气体含CO较少，产生此气氛之装置俗称快速脱脂设备(rapid burn off, RBO)。此外，由于此燃烧为放热反应，可藉气体将零件加热，使胚体之温度较均匀。放热型气氛之露点较高亦有助于将积碳反应成氧化碳。

C：可将脱脂区使用之气氛通过一水箱，使其离开水箱时含有水蒸气，再将此气体通入脱脂区，亦可减少碳黑。

D：在胚体中减少镍之含量或添加硫或硫化锰，并改用硬脂酸锌以外之目润滑剂，有助于爆点、碳黑之减少。

E：加长脱脂区之长度，使胚体有足够之时间脱脂，并调整炉膛之截面积，使烧结区之截面积较大而脱脂区之截面积较小，如此可使气氛通过脱脂区时之速度加快而有助于将脏气氛带出。

烧结气氛：

烧结时所用之气氛可影响产品之机械性质、外观、抗腐蚀性、成本等。在粉未冶金制程中相当重要，气氛之主要功能有下列数项：

a)      防止外界之空气进入炉内造成工件之氧化。

b)      帮助烧除胚体内之润滑剂和黏结剂。

c)      将粉末表面之氧化层还原

d) 控制胚体之含碳量

一般较常使用之气氛有氢气、氮氢混合气、裂解氨、吸热型气氛、放热型气氛及真空等。

气氛之控制：

上述各气氛多由气体产生器生产而得，这些方法需注意下列事项以免生产出来之气氛成分不稳，影响粉末冶金产品之质量。例如产生器内之触媒是否已老旧，是否有过多之碳黑产生，空气中水分及温度之变化，原料如液氨或烷类等所含水气量以及气体产生器本身之操作温度是否不稳定等。在烧结时气氛中之水分及一氧化碳、二氧化碳皆能对碳钢中之碳含量产生影响，所以有必要对这些气体之角色作进一步之说明。

水分：

在各型气氛中一般多残留沼水气，这些水气在某一温度以下将凝结成水珠，此最早凝结之温度俗称露点(dew point)，图7-4为水气含量与露点之对照图。比对之方法为将中心点与露点之温度相联接，而其延长线即可指出相对应之水气含量。例如水气含量为1%时其露点为7。C。

各种气氛中其水气含量一般均太高，不适宜于直接用于烧结，必须先除水，常见之方法有三种:

(1)冷水冲洗法:

在高温所生成之气体其含水量相当高，若经过管外之冷水冲洗后其露点可降至该水温，例如以15。C至30。C之水冲洗时其气氛之露点即为15。C至30。C，亦即其含水量为1.7至4.1%。

(2)冷冻除湿法:

以冷冻机使气氛之温度降低，则过饱和之水气将碍结，以此法一般可得到之露点为5。C至15。C之间。

(3)化学除湿法:

以活性氧化铝吸收气氛中之水分，其露点可降至－40。C，若再以分子筛过滤则可降至一60。C。

水气含量之测试方法有多种，常见之两种如下: 露点计

(1)热电型式:如图所示，抛光材料之下方附着一热电材料(thermoelectric material)，当通电并调整此热电材料之温度时可使抛光材料冷却，此时，气氛中之水分可凝结在抛光面上，成为雾状，此时入射之光线经折射后之强度将不同，此强度可由感光敏晶体管(photo transistor)测得，这些数据可解读成气氛中水分之多寡或露点之之高低。

(2)另一常用之方法乃利用电容之原理，当气氛通过一含干燥粒之容器时，水气将改变此容器之电容，故可藉以判断气氛中水分之多寡。

烧结炉：

连续式烧结炉大致上可分为脱脂区、烧结区、冷却区三部部份。

脱脂区：生胚内之润滑剂将被分解而逸出，并由流向炉口之气氛带出。

烧结区：在于加强粉体间之结合，:将各合金元素均质化，甚而提高密度。

冷却区：有调整显微组织、冷却胚体以便取出之功能。

一般炉体所需之气氛大多由烧结区之尾端进入，当气氛进入高温烧结区时，由于温度升高、气体急速膨胀，因而欲向炉口及炉尾流动，但因一般之炉尾常有外接之氮气向下吹，形成气帘(gas curtain)以阻隔烧结气氛与外面之空气接触，此外，在炉尾亦常加上玻璃纤维帘布或钢片以增加气流之阻力，所以气氛只能朝炉口方向流动。气氛由烧结区尾部进入的好处在于烧结趋近结束时之胚体其所处周围之气氛较新鲜、干净(气氛愈接近炉口时，因其中已累积了不少润滑剂所分解之气体分子及水气，所以较脏)，因此由高温烧结区尾端进气之设计可确保产品之干净度。

不锈钢之烧结：

由于不锈钢中大多含有铬(而铬容易与气氛中之水气或氮气产生反应生成Cr2O3或Cr2N，当这些化合物生成时，其外围之铬含量将减少，使得这些区域之抗腐蚀性大幅降低。因此不锈钢之烧结不应在含氮之气氛中进行。苦必须使用裂解氨时，则在800。C左右之冷却速度需加快，每分钟应在40。C以上，以避免Cr2N之生成。此外不锈钢之脱脂必须非常完全，使其润滑剂完全分解逸出，使其中之碳及氧无法与铬结合，所以不锈钢烧结炉之脱脂区最好要比一般之烧结炉长些。此外不锈钢之烧结气氛须特别严谨，其露点一般需在一40。C至一60。C之间。且尽量使用氢气或真空，但真空度太好时，铬易挥发，例如烧结温度为1205。C时，铬之蒸气压为10-2 torr，若此时炉内之真空度优于此，则工件中之铬将逐渐挥发造成铬含量不足导致抗腐蚀性变差。故一般最好好利用氩气之回填使真空度维持在1 torr左右，以降低铬之挥发。

黄铜之烧结：

黄铜乃铜锌合金，由于锌之蒸气压高， 所以烧结时常因锌之蒸发使得成分改变。

为了解决此问题：

一般烧结黄铜时常将工件置入不锈钢、石墨或陶瓷盒内，然后加盖，此盖不需密封，其功能只是使锌之蒸气保留于盒中，使工件中之锌不再持续挥发。黄铜粉所用之润滑剂多为硬脂酸锂，此乃因锂较易活化粉末并攫取粉末之氧之故。由于黄铜色泽佳，.般常用于锁件等重视外观之工件。

烧结黄铜之气氛多为裂解氨，温度在760。C至925.℃之间，视锌含量而定，时间约30分钟，由于黄铜相当软，生胚密度可压至90~95% ，所以其中之润滑剂不易逸出，在脱脂区之升温速率应放慢，不然易有起泡、鼓胀且呈粉红色之情形。

青铜之烧结：

青铜乃铜锡合金，含锡量多在10至20%之间，常用之粉末有两种，一为混合元素粉，一为预合金粉。元素粉烧结时，常在锡粉原来之位置留下孔洞，适于作含油轴承，此外由于元素粉易成形故使用者多。相对地，合金粉不易成形，烧结多为固相烧结，但强度高为其优点。青铜之烧结多在750。C至850。C左右，视锡含量而定，烧结时闲杓30分钟，使用气氛大多为氮氢混合气。

七、烧结体之后处理：

由于烧结时零件会产生收缩或膨胀现象，使得烧结后胚体之尺寸有时需要再藉加工、研磨、精整。才能达到所需之尺寸。

有时为了达到所需之特性，还做了喷砂、热处理、渗铜、渗油、黑化、树脂含浸等后处理工作。

1、精整：Sizing俗称校正

将烧结完之胚体再放入模具中加压以使某些尺寸更为精确之步骤。

以ISO之IT基本公差表示：

烧结后径向为 25mm之尺寸，其公差应为0.05％(12.5μm)~0.08％(20μm)在IT6~IT7之间。但一般生产品皆为0.13％~0.20％，也即在ISO之IT8~IT9之间。无法达到客户的需求故需要精整。

1、余量精整：烧结后的尺寸偏大时，藉压力将胚体挤入模具内把多余之材料挤入孔隙或肉厚变薄、高度增高。

2、无余量精整：胚体的尺寸偏小、精整时将工件从高度方向加压，使胚体曹朝径向之空间挤压以达到最后尺寸。

精整的限制：零件硬度 >HRB85不适合，零件的长度最好小于精整机冲程的20％。

2、再压再烧：

一般传统粉末冶金成品只能达到约90％的密度，以铁系而言，即7.1g/cm3左右，为了提高零件的密度和机械性质，可采双压双烧结法。首先以4~6吨压力(400~600Mpa)/每平方公分压出生胚，然后将生胚在一般之烧结炉先进行预烧以烧除润滑油并将已加工硬化之粉末予以退火，由于烧结温度约780℃~850℃之间，并不高，合金之均质化还未完成，产品的强度及硬度均低，所以能重新再烧结一次使密度再提高。一般二次加压之压力约为4~8吨压力(400~800Mpa)/每平方公分，并需添加如四弗乙烯之润滑油。而所压高度变化量应为径向变化量的两倍以上才有实值的效果。二次加压后的工件须在1120℃作二次烧结，烧结后可达95％约7.47g/cm3之密度。

3、热处理：

铁系粉末冶金零件之热处理方法有渗碳、氮化、渗碳氮化处理等。因粉末冶金零件有孔，热处理所用之气氛能通过这些孔隙使心部也达到与表面一样的硬化性质。如渗碳处理时，粉末冶金零件则几乎表面和心部全体皆硬化。所以心部的韧性较差。若要避免此现象，可以提高密度至7.1g/cm3以上，如此可避免心部也硬化。所以热处理时需视产品的需求，如硬度，耐磨性而改变热处理条件、如降低温度、缩短时间等。

热处理分为：A、全硬化，B、渗碳 ，C、氮化，D、渗碳氮化  加以说明：

A、全硬化：

当工件含碳时可利用淬火再回火之热处理方式提高其硬度及强度，其主要的步骤：

a：奥斯田铁化：其温度视含碳量而定，在含碳0.2％时，其温度920℃，在含碳0.6％时，其温度850℃。

b：淬火：一般都以50℃之油淬为主，此因粉碎冶金工件内部有孔隙。若使用水或盐水淬时容易造成淬裂，且水或盐水易残留在孔隙中产生生锈的问题。 

c：回火：由于淬火后之麻田散铁相硬又脆，且由于麻田散铁之比容积较奥斯田铁、肥粒铁大，所以淬火时产生相当大之内应力，此缺点可藉在150℃~200℃之间的回火来改善，使成为韧性较佳之回火麻田散铁并消除淬火时所生之内应力。

4、渗碳：

渗碳处理是以吸热型气氛为主，但由于其中含有大量之氢气，有碍渗碳，所以必须加入甲烷CH4。 CH4ßà【C】＋2H2  此反应所生之【C】之活性很高，可渗入工件的表面，然后向内部扩散。此渗碳的深度随温度之增加而增加，一般渗碳温度约850~900℃。

理想的渗碳组织是工件内部为亚共析钢使具韧性，而外层则为共析钢。若表面为过共析钢时，因在晶界会形成脆性之网雪明碳铁，在淬火或加工时易龟裂。

渗碳后的深度以MHV量测。

一般所施荷重5g，用此低荷重MHV5g量测时硬度不受密度和孔隙之影响。

若荷重高，如HV500g时因金字塔型之钻石会穿入或挤压孔隙，使得压痕变大，而显示出来的硬度将偏软，且密度愈低时此偏软的现象将更明显。

故要决定渗透之深度由MHV5g开始à到550MHV之硬度为止。

渗碳层的深度随渗碳时间之平方根成正比，且随温度之升高而增加。

一般850℃约1~4小时，900℃约15~30分钟。但不认渗碳温度为何，回火温度约850℃。

渗碳层的厚度和密度有关，密度低时由于渗碳气氛可沿着孔隙深入胚体，所以密度低的胚体内部之微硬度反而较高于密度高的。

5、氮化：

原理是使铁或中之合金元素与氮反应成坚硬之氮化物，但由于氮分子惰性高，氮化反应不易发生，一般采用裂解氨。2NH3à2N＋6HàN2＋3H2

所生之N之活性高，但纯铁和碳钢还是不易硬化，必须含有Al、Cr、Mo、V、Mn、Ni等时硬化才会显著。

一般氮化时间约数十小时、温度500℃~550℃，由于温度低故不需淬火。所以工件尺寸稳定。一般可在淬火后于 530℃~580℃回火，然后再进行氮化处理。

6、渗碳氮化：

此为在渗碳气氛中加入一些氨气，此氨气在铁的摧化下可分解出初生态之氮而渗入钢中，此硬化之深度比纯渗碳佳。

7、渗油：

粉末冶金之轴承，当转动时，其功能如同帮浦，在轴与轴承间某部份造成真空现象，再加上油受热膨胀，所以可将油由孔隙带出。而在轴与轴承间之另外一些区间则又产生加压现象，将油打回孔隙，如此循环并在轴与轴承间形成一连续之油膜，而达到润滑之功效。当轴停止运转时，温度下降，因毛细孔之现象，油将回流至轴承之孔隙中。

8、渗铜处理：

为提高铁基零件之密度达7.2g/cm3以上，且机械性质亦需加强时，渗铜是常见之方法。

基本原理是将铜熔解后，利用烧结体内孔隙之毛细力把铜液吸入胚体，此方法可将密度提高到7.5g/cm3，由于孔隙是应力的集中处，而此渗铜法正可将铜填入孔隙，所以能提高胚体的机械性质，且由于渗铜处理时可于非常短之时间内分布于胚体中，并扩散入周围之铁基地而产生固溶强化，所以也是提高强度的原因之一。又孔隙已被铜填满，改进加工性。

9、接合：

10、振动研磨：

在加压成形之过程中，由于上下冲和中模或与心棒之间的间隙，使的细粉可进入，造成胚体产生毛边。此毛边经烧结后附着于胚体上，当客户使用零件时易与配合件产生干涉现象，所以一般烧结体均需经过去毛边之处理，主要的处理方法就是振动研磨及喷沙。

振动研磨可去毛边之外也可将表面的粗度降低，提高外观之质量。在此过程中有时加入亮光剂，使胚体表面能排斥研磨时所产生之细粉，使细粉不致于因被冲击而镶在工作表面造成表面偏黑之现象。

经振动研磨后之表面粗度约从Ra2.0μm改善到Ra1.2μm。

振动研磨亦可提升不锈钢之抗腐蚀性，此因烧结后之不锈钢还有孔隙存在，而振动研磨将部分的孔隙封住且使表面平滑，减少曲面应力造成腐败。

11、喷沙：

由于振动研磨存在以下之缺点：

1、振动研磨时，若切削力不足则工件之毛边将无法完全去除，此时毛边仅产生塑性变形，此将使得表面不平整，与配合件间产生干涉之情形。

2、振动研磨必须采用水及研磨剂，常造成生锈的问题。

为了改善以上之缺点，可采用喷沙。此法将工件置入密闭室内，将碳化硅或玻璃砂以高压空气喷向工件，将毛边去除，但此类工件之表面不如振动研磨工件光滑。但亦可先喷沙再振动研磨，以得到无毛边且光滑之工件。

12、树脂含浸：

粉末冶金零件在气动工具或冷气机方面的应用非常广泛，这些产品常位于高压气之环境中，所以其特殊的要求是零件中不可有与外界相通之孔洞。然而粉末冶金均有孔洞，所以要如何填满这些孔隙。可用渗铜法，但成本太高。所以可改用树脂含浸法来填满所有的孔隙。

树脂含浸除了可以将粉末冶金零件予以封孔之外，另一优点为含浸后之零件较容易电镀。此因为未经含浸处理时电镀液易残留于孔隙中造成腐蚀，此残留的电镀液在数天之后产生化学变化而长出结晶，俗称长白毛。因而影响外观。

树脂含浸制程最适于密度在80％~90％之工件。对铁系而言即6.2g/cm3~7.0g/cm3。若密度太低，有些树脂会在含浸时流出，若密度太高则因孔隙太小且量少，树脂不易进入。

由于工件表面清洁度会影响含浸的效率，所以最好在烧结后马上处理。

13、黑化处理；

其目的在于使工件与高温水蒸气反应使其表面生成篮黑色之氧化铁Fe3O4，此氧化铁可增加烧结体的硬度，但将降低延性，此外黑化处理亦有填塞孔隙防止生锈，增加气密性等效果。但因为氧化铁之厚度无法完全填满孔隙只能让孔隙变狭窄，故气密性效果比树脂含浸差。

14、电镀：

15、皮膜处理：

16、超音波洗净：

八、粉末及成品之测试方法：

思考和比较：

在生产设备昂贵和原物料上涨趋势下，使得生产成本往上增加。又产品同构型太高造成

同业间的价格竞争，也使得产品所获得的利润降低。以上的因素，促使产业界必需正视产品在生产过程的质量量测方面的问题。但反观目前产业界，在生产过程中往往忽视量测的每一步骤。而造成不良率的增加。故我们诚心的建议，利用以下设备希望有助于降低产品的不良率，以达到营利双收的效益。

假如公司的营业额是RMB20,000,000，而产品的不良率是6%。

将造成公司RMB 1,200,000的浪费。

假如公司的营业额是RMB20,000,000，而产品的不良率是2%。

将造成公司RMB 400,000的浪费。

1、降低不良率的实施步骤：

第一步、粉末流动度的量测：

Hall金属粉末流动度 Flow Rate of Metal Powder

根据ASTM B213、JISZ 2502、GB/T 1482、ISO4490为标准。

理论基础：

1、粉末流动度的量测方式和粉末于充填模穴之流动之特性相似，它影响生产速率和压缩零件的均一性。

2、当内部颗粒摩擦增加时，其流动度将降低。

3、粉末的湿度和水分含量将影响流动度。

4、此测试使用于粉末制造工厂和零件生产工厂。

5、微细粉末、潮湿的粉末不可量测。

所需配备：

1、秒表：0.1秒

2、中国金钢砂粒度<106μm  50g x 5次----校正用-----每六个月校正一次

3、天平：50g / 0.1g

4、烘箱：102℃~107℃

5、连续做5 次 (每次不可超过0.4秒)

6、漏斗角度：60° ; 漏斗小孔：ψ2.63mm

7、粉收集容器

8、补正系数：40.0 / 标准试料的流速平均值

9、流动度 = 连续测三次所得之平均值 × 补正系数 (以S/50g表示)

10、若流动度增加到37.0秒时，表示漏斗孔太大需更换

Hall量测为何需要补正系数?

由于流动度计器表面的粗度将造成流速改变的因素，所以根据经验而家以补正中国金钢

砂标准试料的流速为(40±0.5)/50g。

金属粉末外观密度和流动度测定参考表：

举例说明：日本制的Hall流动度测定器：

第二步、粉末外观密度的量测：

分为A：自由流动的金属粉末     B：非自由流动的金属粉末

1、粉末外观密度又称为视密度，是将粉末填入已知体积后所得之密度。                                 

2、外观密度的测定是相似于当零件制造时，粉末填充到固定容积的模穴中之粉末重量。

3、粉末外观密度测试提供粉末物理特性评定的准则。

4、粉末外观密度高表示粉末颗粒间摩擦力小、流动性好。使得成形时粉末容易迅速流入模具的模穴中，而使成形之生胚密度也较高。

A、金属粉末外观密度(自由流动的金属粉末)

根据ASTM B212、B329 、JISZ 2504、GB/T 1479、ISO3921为标准。

在已知容器内填充粉末外观密度 = 粉末重量 / 已知容积    ρ= m / v

所需配备：

1、密度杯：外径28mm  容积πd2h / 4 = 25 ±0.03 cm³

2、漏斗底部到密度杯上缘距离25mm

3、天平：200g / 0.01g

4、漏斗角度：60° ; 漏斗小孔：ψ2.5 ±0.08mm

5、外观密度：M / V = g/cm³

6、没有磁性的刮刀，抹平溢出的粉末

7、密度取到0.01g/cm³的精度

B、金属粉末外观密度(非自由流动的金属粉末)

根据ASTM B212、 B329 、JISZ 2504、GB/T 1479、 ISO3921为标准。

当粉末太细，粉末间摩擦力太大，无法通过2.54mm之孔径时，可改用Carney funnel，

其孔径为5.08mm。

在已知容器内填充粉末外观密度 = 粉末重量 / 已知容积   ρ= m / v

所需配备：

1、密度杯：外径28mm  容积πd2h / 4 = 25 cm³

2、漏斗底部到密度杯上缘距离25mm

3、天平：200g / 0.01g

4、一条直径2.5mm长150mm的线

5、漏斗角度：60° ; 漏斗小孔：ψ5± 0.08mm

6、外观密度：M / V=g/cm³

7、没有磁性的刮刀，抹平溢出的粉末

8、密度取到0.01g/cm³的精度

※注意：测试样品会受到温度、水分、油、硬脂酸、硬脂酸盐、蜡、漏斗表面粗度等而改变其粉末的特性。

第三步、利用实体显微镜观察生胚的均匀度与密度线

成形试模时一定要用显微镜 (最好使用30倍率) 观察您所打出来的生胚的均匀度、密度线、毛边、鱼鳞纹、断痕、裂缝、崩角等，再适时调整机台。

三眼实体显微镜专用系统MOTICAM 2000

n          USB系统专用CCD摄影机系统

n          MOTICAM 2000软件

备注：在计算机上可截取影像，影像画素为：1600*1200画素，专用的软件同时也可以测量尺寸大小。

三眼实体显微镜

n          WF10X广角清晰目镜，大观察范围(21mm)

n          物镜为0.7 ~ 4.5倍无段变焦

测量范围：7 ~ 45倍

       实体图样

   金相图样

MOTICAM 2000影像系统

第四步、测量生胚密度

优点：

1、现场技术人员可借着所测量生胚密度的值来调整粉末于模具内之填充量是否充足。

2、可避免成形之生胚经过烧结炉烧结，体积产生之收缩、膨胀和变形及裂痕现象。

3、可降低成本上之浪费。

4、提供下游厂家进料的检验参考数据。

5、可提高制造厂质量的一个重要保证。

提出下列几项意见，让 您深思：

1、计算一下，金属粉末在产品成形时，不管在试模、或再次确认密度。使机器处于停机的时间是时复一时、日复一日、年复一年。此无形的损失和浪费有多少?

2、购买粉末成形机的成本相当的高。经营者必然会想要寻找能快速测量生胚密度的仪器。让操作者能在设定压机成形条件之后的几分钟内，快速的核对密度。来增加机器本身的运转率，提高生产量。

3、当你的生产容量已经到达极限，想要添购下一台粉末成形机器时，你可以考虑去投资些微的成本在一个能快速的核对密度的密度仪，来提升机器本身的运转效率。

4、您是否可以很有信心的告诉 您自己和您的客户。目前贵公司所量测的比重资料是绝对正

确的?

研究心得：

基于对粉末冶金技术提升的使命感，和科学求真的精神。我们必须告诉 您我们的研究。

由上表得知：若使用石蜡覆盖法则时间约1分钟。

使用传统的粉末冶金零件在使用真空含浸防水处理则时间约30分钟以上。

又石蜡和润滑油都是石油提炼下的产物。由于石蜡的溶点比润滑油低，因此对样品覆盖石蜡后，其凝固的时间缩点，如此易于封闭样品的气孔。

建议：

A：由于磁性材料的成形密度较低，包括陶瓷和铁氧磁铁，比较容易崩解。考虑使用石蜡覆盖

防水处理为最佳办法。

B：至于传统的粉末冶金零件在使用真空含浸防水处理时，若觉得所花费的时间太长。考虑使

用石蜡覆盖防水处理法，则可节省密度量测时间。

测量生胚密度的设备如下：

生胚密度的测量方法是利用封蜡法，如图四、图五、图六A、B的设备测量生胚密度，若东西大可以分割测量局部密度。图六A、B还可直接测烧结后密度。

图四：蜡炉          图五：蜡粒

图六A：专业电子比重计 200g、600g二种

图六B：高精度电子比重计200g  0.0001g    

可直接读出生胚密度值和柏拉图。生胚密度直接显示和柏拉图

生胚在石蜡覆盖防水处理标准操作法

步骤：

1、将颗粒状的精密石蜡放入温控的蜡炉中，设定温度在150℃加热。

2、石蜡溶解为液体时，拿200℃之温度计测试蜡温。注意温度计的温度指示蜡温不可超过150℃。

3、防水处理之蜡形成液体之后，首先测试防水处理剂的情况，必须达到速浸速干此要求。

(可拿夹子浸入速拿起，看看是否达到速浸速干之状况，而且覆盖层要向糖衣一样薄薄的一层。)

4、使用夹子夹住样品先浸泡一半，在使用夹子夹住已防水浸泡之部份，再浸泡另一半。

5、由于液体石蜡在150℃时，遇上常温的样品将达到速浸速干的效果。

6、把冷却后覆盖过石蜡的样品放在酒精中浸泡，防止样品放入水中产生气泡。

7、如以上所示，即可完成防水处理之效果。

第五步骤：生胚强度的测试：

金属粉末经压制成形后必须经过烧结才具足够之机械性质，但在未烧结前须具备一相当之强度，以应付搬运过程中工件彼此间以及外物碰撞所遭受之应力。以MPIF 41、ASTM B528、ISO 3325为规范的有三点弯曲强度法：生胚强度的公式S为：

S＝(3×P×L)/(2×W×t2)

P：破坏时之应力 N    W：试片之宽度mm    t：试片之厚度mm

L：试片下方两点之距离 mm

第六步骤：金相显微镜设备主要之目的可分为：

壹、部品显微结构影像分析：其处理流程可分下列步骤：

1.          镶埋：将样品热埋在180℃且承受30KN荷重于直径25.4mm的树脂模型中达  10分钟。

2.          研磨：在完成第一步骤后，首先将样品使用80粒度的MD-Piano磁盘上研磨2分钟，接着使用120粒度的磁盘上研磨3分钟。在研磨期间每一样品之荷重将选择在25N和50N之间且转速设定在300rpm之情况下。

3.          抛光：随后三个步骤处理之后将得到满足的结果。首先使用9μm钻石悬浮物在MD-Largo磁盘上研磨10分钟、接着使用3μm钻石悬浮物在MD-Dac布磁盘上研磨8分钟、最后使用1μm钻石悬浮物在MD-Nap布磁盘上研磨4分钟。

在研磨期间每一样品之荷重将选择在25N和50N之间且转速设定在150rpm之情况下。在完成以上步骤之后将样品使用超音波清洁之。

4.          腐蚀步骤一般由腐蚀液给予完成。腐蚀液的种类、腐蚀的时间依粉末冶金材料之不同而有所差异，请洽本公司人员。

貳、气孔数量影像分析：

1.          含浸：在镶埋之前，内部的气孔隙必须加以真空树脂含浸处理。

2.          镶埋：将样品热埋在玻璃纤维或分子强化树脂为了增加边缘保持力。

3.          研磨：密度小于7g/cm³之样品使用80粒度的MD-Piano磁盘上研磨2分钟，接着使用120粒度的磁盘上研磨3分钟。在研磨期间每一样品之荷重将选择在25N和50N之间且转速设定在300rpm之情况下。

密度大于7g/cm³之样品使用1200粒度的磁盘上研磨2~3分钟。在研磨期间每一样品之荷重将选择在15N且转速设定在300rpm之情况下。

4.          抛光：密度小于7g/cm³之样品，首先使用9μm钻石悬浮物在MD-Largo磁盘上研磨10分钟、接着使用3μm钻石悬浮物在MD-Dac布磁盘上研磨8分钟、最后使用1μm钻石悬浮物在MD-Nap布磁盘上研磨4分钟。

在研磨期间每一样品之荷重将选择在25N和50N之间且转速设定在150rpm之情况下。在完成以上步骤之后将样品使用超音波清洁之。

密度大于7g/cm³之样品是不同之处理方式，首先三个步骤使用30、15、9μm 钻石膏在附有自黏性穿孔布的铁盘上研磨、在15、9μm钻石膏抛光之间加入含有0.05%硝酸腐蚀液的酒精冷液体是被推荐的。剩下的步骤使用6、3和1μm钻石悬浮物在丝绒布磁盘上研磨，全部过程约25分钟。这酒精冷液体必须不含硝酸腐蚀液。在研磨期间每一样品之荷重将选择在20N且转速设定在150rpm之情况下。假如需要则在最后步骤再使用氧化硅抛光悬浮物研磨10sec，在完成以上步骤之后将样品使用超音波清洁之。

Ｂ：高合金钢，不锈钢，高速钢，耐热钢

Ｃ：铜及铜合金用腐蚀液

Ｄ：铝及铝合金用腐蚀液

显微组织的金相测定：根据 ASTM B657、GB/T 3488、ISO4499为准则

α 相   碳化钨

β 相   粘结相

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

η 相   钨和至少含有一种粘结相金属的复合碳化物

第七步骤：烧结成品的硬度量测：

粉末冶金零件因含有孔隙，所测得之硬度常依所测位置之不同而异。最常用之硬度测试法为洛式硬度HRA、HRB、HRC及勃氏硬度。这些硬度均各有其最适用的范围。

A：整体之硬度值：如硬度为HRB100以上时即必须改用HRC。但这些测试方法所用的荷重大，测头覆盖之面积大，只能代表整体之硬度值。

B：金属基地本身之硬度值，为了解基地本身之硬度，可以维克氏硬度(HV)硬度表示。此法所使用荷重为500g，以HV5或HV500表示。

C：表面硬化值：工件经表面硬化处理时，都使用显围硬度机处理测量，荷重只有5g或10g，以避免测试头穿过硬化层，而产生测量上误差。以MHV0.05或MHV0.1表示。

D：硬化层的深度：一般所施荷重5g，用此低荷重MHV5g量测时硬度不受密度和孔隙之影响。若荷重高，如HV500g时因金字塔型之钻石会穿入或挤压孔隙，使得压痕变大，而显示出来的硬度将偏软，且密度愈低时此偏软的现象将更明显。

故要决定硬化层之深度由MHV5g开始à到550MHV之硬度为止。

第八步骤：烧结成品的强度量测：

与生胚的强度量测相同，以MPIF 41、ASTM B528、ISO 3325为规范的有三点弯曲强度法：生胚强度的公式S为：

S＝(3×P×L)/(2×W×t2)

P：破坏时之应力 N    W：试片之宽度mm    t：试片之厚度mm

L：试片下方两点之距离 mm

但轴承类之工件，工厂都以径向压缩之方式取其压缩强度：MPIF 35

P＝KLT2/(D－T)     

P：径向之施力值 N    D：轴承的外径mm    T：轴承的壁厚mm

L：轴承的长度 mm    K：强度常数 MPa

轴承的强度K＝P×(D-T)/LT2

九、品管的CPK值：

对制造业而言，其成品除了成本要低之外，其质量也必须符合客户之要求。一般大多要求±3σ(σ为标准差)之质量，亦即所有产品符合规格者必须大于99.73％。

除了以良品比例作为质量好坏标准外，目前许多客户已要求粉末冶金零件制造厂提出制程能力之证明。

所谓制程能力：一个制程在固定的生产及品管程序下所得到的成品之质量能力，一般以制程精密度或制程潜力Cp以及制程能力指数值Cpk表示。

Cpk值则以下列二式取其小者：

上Cp值Cpu＝(规格上限(UCL)－实际平均值(X))/ 3σ

下Cp值Cpl＝(实际平均值(X) －规格下限(LCL))/ 3σ

当Cp值愈大时其制程之稳定性佳。

一般Cp值至少大于1(B级)，而A级则须大于1.33，而A＋级须大于1.67。

Cpk值之要求较Cp值为高，因为Cpk值＝(Cpu，Cpl)之最小值。

Cpk值愈大时质量愈好，一般要求之Cpk值均大于1。