■ ACMT/ 邱耀弘
摘要
許多MIM從業業務經理和工程師都有共同的經驗，就是客戶提供圖面後最常碰到的問題就是材質選項，尤其是原來的零件適用其他製程製作，例如：精密鑄造、粉末壓制、鋅合金壓鑄等，客戶本身也不了解真正的需求，這是一大工程難題。除了要妥善的溝通之外，工程資料的提供是免不了的，Dr. Q在本篇把難以讀透的MPIF35(美國粉末冶金聯盟- 35標準)中有關MIM材料特性部分摘錄後，加上一些數據給ACMT讀者一些粗淺的理解。
MIM的製程特色
MIM產品的特徵一定要多且必須具備三維度的，這樣才 可以利用塑膠模具的技術製作其他製程不容易達成的特 徵。在圖(1)左圖所表示，是根據日本粉末金協會的網 頁上所節錄的圖片。
該圖非常清楚的表達了一個MIM 件設計時所能夠達成的特徵類型，越多的特徵集合在一個零件上，就越能充份的表現MIM製成的能力，舉例來說，要在金屬零件曲面的表面要突出或是凹下結構，
如果使用傳統的CNC加工方式必須要銑削，同時還要刀具能夠做得到，但是採用模具就可以輕易複製這特徵，前提當然是產品數量夠多，能夠分攤開一套模具的成本才是。
此外圖(1)右所表示的，是將數個零件組合成一個來作為MIM產品設計的優勢顯現，原來6個零件要經過四種加工機，分別出圖、分開加工後再進行組立，
各種問題點的整合和採購、入料檢驗、庫從管控，改變以單一零件的MIM製程，許多額外的工作就不需要，這是一個很有成本優勢的現代化製程。
選擇MIM製程的決定要項
根據圖(1)右圖所示，MIM產品的可行性要項如下所列，分為：
✓適合的產品
✓小於30g 重， 產品越小， 甚至可以到達0.05g= 50mg，精密注射成形可以做到很小的範圍，
目前也有微米級粉末注射成形；
✓比30mm短；
✓肉厚介於0.5~5mm ，最小厚度0.15mm；
✓每年批量有10K至100KK件，數量越多，對於注射成形的優勢越加顯現，Dr. Q曾經有一天要出貨20萬個產品的紀錄，沒有用注射成形恐怕辦不到；
✓比重大於4.5g/cc ，通常材料是鐵係金屬，這會於本文後面提到。
✓燒結溫度在1000°C~1500°C
✓至少具有三個方向的立體特徵，否則其他製程可 以取代舊不好採用MIM製程，畢竟材料費用較高於其他製程
不適合但也可以嘗試而成功的產品
✓超過100g重，但少於5000g；
✓比100mm長，在500mm以內；
✓肉厚比大於10mm ，不超過20mm；
✓每年批量少於5,000件，但有某些產品設計就必須要用MIM技術例外，立如一些具有多孔且特殊的模具和治具，用MIM僅製作500套，但是以往採用CNC機加工成本更高；
✓比重低於4.5g/ cc ，鈦合金和鋁合金仍可以燒結，但成功率不高或是成本過高；
✓燒結溫度低於1000°C，黃銅和鋁合金，必須搭配不同氣氛；
✓等截面設計、特徵少。
一頁(圖2)中可以用提供客戶快速的判定零件是否 可以採用MIM製程。
圖１：左，取自日本粉末冶金協會的圖。該圖非常清楚的表達了一個MIM 件設計時所能夠達成的特徵類型，越多的特徵集合在一個零件上，就越能充份的表現MIM 製成的能力；右，取自德國BASF 的網頁圖片，該圖表示了MIM 制程可以將數個零件組合設計，大大的減少了管理成本和製造問題
圖２：MIM 零件可行性簡易判斷流程圖
材料介紹
⃝鋼材類-人類上千年的演進，很清楚地由歷史上可得知，鋼鐵的冶煉技術越加精進，科技就越發達，生活也得以更加幸福，善加利用這個星球所具有的最豐富資源-鐵系元素理所當然的。
除了戰爭因素以外， 鋼鐵的應用確實是廉價又方便的材料，因此在粉末冶金技術出現也圍繞著鐵系合金，以黑色金屬為主體的鐵系合金擁有豐富的應用實例，如表(1)所示。
尤其是在不銹鋼，由於粉末與實際材質的價差沒有像鐵係金屬一般大，且因不銹鋼的加工切削有一定的困難度，改採MIM製程之後使得零件製造的簡易性提高、 複雜設計可行性增加，
表(1)黃底的三支材料已經成為MIM產業的最愛。表(2)提供了上表(1)中有關低 合金鋼和不銹鋼系列材料的MIM產品之機械性能。
熱沉合金thermal management alloys 在眾多材料中，扣除昂貴的稀有金屬以外，能夠應用在熱管理的材料適合於MIM製程的包含銅、鎢、鐵、 鎳、鈷，
但是必須要注意到材料的特性，一但產生合金化，由於熱會被合金相的晶格結構和晶界阻擋而無法外速傳送出去，合金材料並不適合作為熱沉材料之應用。
在表(3)所述的就是常用的MIM用熱沉材料的 性能，採用MIM技術的熱沉元件包含散熱器、微波 元件(散熱兼具磁阻抗)已經是有很大的市場。
表 1：金屬注射成形中部分常用的低合金鋼、不銹鋼和軟磁合金的組成（MPIF 第 35 條標準）黃色底的三支材料是當前MIM 使用最多的材料牌號
其他可能發展的幾個金屬粉末注射用餵料
⃝鎢系合金因為鎢的比重高，又能夠耐高溫，在二次大戰末期德國將鎢應用於武器上確實有很強大的效果，也就是紅熱硬性，在機加工上鎢的刀具就很能夠表現出來，鎢鋼刀具發紅仍可持續的”削鐵如泥”。
然而，要以金屬粉末注射成形(MIM)加工成產品的鎢合金應用，由於MIM先天的孔隙多難以消除，必須搭配熱等均壓(HIP)，才能作為刀具和工具使用，因此僅先列出可製作的產品與餵料。
▪W
純鎢純鎢產品使用的機會在很特殊的部分如燈絲、航天用線路，鎢粉製造的方法都是海綿鎢還原後大多很細， 燒結溫度需要大於1900℃，因此一般性用途並不高。
– 粉末規格：0.5~5μm 為常規粉，5~15μm有但產能很低而價格相對高-目前價格：常規粉每公斤約300元RMB未稅-添加粉末：無
– 適合配比：OSF 1.25~ 1.3，由於粉很細小，不能配收縮比過小，類似於陶瓷粉末的配比
-餵料黏結劑系統：蠟基料為宜，塑基料難以脫脂-燒結溫度：1700~1900℃之間，特殊爐體-燒結治具：氧化釔粉/氧化鋁板
表２：低合金鋼和不銹鋼力學性能(Table3: Typical mechanical properties for the low alloy steels and stainless steels)
▪ W-Ni-Cu
此系列鎢合金產品使用的機會在震動器的配重片居多，在APPLE的手錶和部分手機曾經使用過，比重以18.3~17.5的配合範圍，其中Ni-Cu重量比為3:1。
– 粉末規格：0.5~5μm 為常規粉，5~15μm有但產 能很低而價格相對高。 -目前價格：常規粉每公斤約300元RMB未稅
-添加粉末：
✓鎳粉 – 以羰基鎳粉為主，世界上的金屬鎳粉目前 已經都在中國，需要選擇接近鎢粉的顆粒大小，所以也是用以d50=5μm為宜。
✓銅粉 – 在石家莊一帶很多的銅粉噴製廠，純銅粉 (紅銅)很容易買到，細粉的價格也不貴。
-適合配比：OSF 1.21~1.3，由於粉很細小，不能配收 縮比過小，類似於陶瓷粉末的配比。
-餵料黏結劑系統：蠟基料為宜，塑基料難以脫脂-燒結溫度：1400~1450℃之間，餵料必須使用氫氣脫脂還原後至少預燒到800℃，然後再以真空爐燒便可以；當然，使用金屬熱場爐可通氫氣就可以一燒到底。
-燒結治具：氧化釔粉/氧化鋁板
▪W-Ni-Fe
此系列鎢合金產品使用的機會在各種器材的配重片 就用的很多，比重由10~18的配合範圍都有，其中 Ni-Fe重量比為3:1。
– 粉末規格：0.5~5μm 為常規粉，5~15μm有但產能很低而價格相對高
-目前價格：常規粉每公斤約300元RMB未稅-添加粉末：
✓鎳粉– 以羰基鎳粉為主，世界上的金屬鎳粉目前已經都在中國，需要選擇接近鎢粉的顆粒大小，所以也是用以d50=5μm為宜。
✓鐵粉 – 以羰基鐵粉為主，世界上的金屬鎳粉目前 已經都在中國，需要選擇接近鎢粉的顆粒大小，所以 也是用以d50=5μm為宜。
-適合配比：OSF 1.21~1.3，由於粉很細小，不能配收 縮比過小，類似於陶瓷粉末的配比
-餵料黏結劑系統：蠟基料、塑基料都可以 -燒結溫度：1400~1450℃之間，餵料脫脂後直接可 以真空燒結爐一燒到底。
-燒結治具：氧化釔粉/氧化鋁板
▪WC- Ni
此系列鎢合金產品使用碳化鎢粉加上鎳合金化，比重由10~12的配合範圍都有，大多用於耐磨使用，有一些加工的夾治具使用本種材料作為耐磨塊。
-碳化鎢粉末規格：0.5~~15μm，回收破碎粉不圓， 建議要經過球磨。
-目前價格：常規粉每公斤約280元RMB未稅 -添加粉末：鎳粉
– 以羰基鎳粉為主，世界上的金屬 鎳粉目前已經都在中國，需要選擇接近鎢粉的顆粒大小，所以也是用以d50=5μm為宜。
-適合配比：OSF 1.21~1.3，由於粉很細小，不能配收縮比過小，類似於陶瓷粉末的配比-餵料黏結劑系統：蠟基料、塑基料都可以
-燒結溫度：1400 ~1450℃之間，餵料脫脂後直接可以真空燒結爐一燒到底。
-燒結治具：氧化釔粉/氧化鋁板 ⃝
鐵系低合金
– 代表HK30/SUS310N 低合金鋼的MIM餵料與不銹鋼差異不大，但因為碳的含料控制要很低，塑基料的酸催化脫脂有很好的效果，所以比較適合
-粉末規格：d50=10~12μm最佳-目前價格：常規粉每公斤約250元RMB未稅
– 適合配比：OSF 1.15~1.25，跟目前的316L 和174PH類似就可以-餵料黏結劑系統：蠟基料、塑基料都可以
-燒結溫度：1270~1300℃之間，餵料脫脂後直接可以真空燒結爐一燒到底。
-燒結治具：氧化鋯/氧化鋁板
鈷系合金
▪F75 鈷鉻鉬合金(Co-Cr-Mo) MIM F75 在醫療行業中最為常用，適用於需要生物兼容性、耐腐蝕性、高強度、非磁性與耐磨性的應用低合金鋼，尤其是在高軟磁姓的導磁性能優異，可以用在電動機旁的一些具有支撐性的零件，當磁場移除便容易回復到無磁性而不被磁化。
-粉末規格：d50=10~12μm最佳-目前價格：常規粉每公斤約600元RMB未稅(石家莊利德粉末有賣)
– 適合配比：OSF 1.15~1.25，跟目前的316L 和174PH類似就可以-餵料黏結劑系統：蠟基料、塑基料都可以-燒結溫度：1270~1300℃之間，餵料脫脂後直接可以真空燒結爐一燒到底(保溫要過4小時以上)。
但燒結時注意到碳要控制很低，以免造成碳化鈷出現。 -燒結後熱處理：必須維持奧氏體，所以需要高溫後 急冷 -燒結治具：氧化鋯/氧化鋁板
表 3：MIM 製作的熱沉材料的性能
▪4J29 可伐合金 (KOVAR)
KOVAR為含鎳29%，鈷17%的硬玻璃鐵基封接合金。該合金在20~450℃範圍內具有與硬玻璃相近的線膨脹係數，與相應的硬玻璃能進行有效封接匹配，還具有較高的居里點以及良好的低溫組織穩定性，
合金的氧化膜緻密，容易焊接和熔接，有良好可塑性，可切削加工，廣泛用於製作電真空組件，發射管，顯像管， 開關管，晶體管以及密封插頭和繼電器外殼等。可伐 合金因為含鈷成分，產品比較耐磨。可伐易與鉬組玻 璃進行配合封接 ，一般工件表面要求鍍金。
-粉末規格：d50=10~12μm最佳-目前價格：常規粉每公斤約600元RMB未稅(石家莊利德粉末有賣)
– 適合配比：OSF 1.15~1.25，跟目前的316L 和174PH類似就可以-餵料黏結劑系統：蠟基料、塑基料都可以-燒結溫度：1270~1300℃之間，餵料脫脂後直接可以真空燒結爐一燒到底(保溫要過4小時以上)。但燒結時注意到碳要控制很低，以免造成碳化鈷出現。
-燒結後熱處理：必須維持奧氏體，所以需要高溫後 急冷 -燒結治具：氧化鋯/氧化鋁板
▪1J22 HiperCo合金
1J22是高飽和磁感應強度鐵鈷釩軟磁合金，在現有軟磁材料中該合金的飽和磁感應強度最高(2.4T)，居里點也很高(980℃)，飽和磁致伸縮係數最大(60～ 100×10-6)。由於飽和磁感應強度高，在製作同等功 率的電機時，
可大大縮小體積，在作電磁鐵時，在同 樣截面積下能產生大的吸合力。由於居里點高，可使 該合金能在其他軟磁材料已經完全退磁的較高溫度下 工作，並保持良好的磁穩定性。由於有大的磁致伸縮 係數，極適於作磁致伸縮換能器，輸出能量高，工作效率也高。
該合金電阻率低(0.27μΩ·m)，不宜在高 頻下使用。價格較貴、易氧化、加工性能差，添加適 量鎳或其他元素，可改善其加工性。
-粉末規格：d50=10~12μm最佳-目前價格：常規粉每公斤約600元RMB未稅(石家莊利德粉末有賣)
– 適合配比：OSF 1.15~1.25，跟目前的316L 和174PH類似就可以-餵料黏結劑系統：蠟基料、塑基料都可以-燒結溫度：1270~1300℃之間，餵料脫脂後直接可以真空燒結爐一燒到底(保溫要過4小時以上)。但燒結時注意到碳要控制很低，以免造成碳化鈷出現。
-燒結後熱處理：必須維持奧氏體，所以需要高溫後 急冷
-燒結治具：氧化鋯/氧化鋁板
鈦系合金
▪純鈦 鈦的化學活性大，易受氣體和坩堝材料等的污染，因 此高質量鈦粉末主要是在真空或高純惰性氣體保護下 採用離心霧化製粉工藝來生產。製品的成形一般不加 粘結劑，坯料必須在真空中燒結。純鈦粉極度危險是活性高，不建議用來作為MIM。
▪Ti6Al4V Ti-6Al-4V鈦合金牌號TC4的名義化學成分錶示方法， 鈦合金 TC4 材料的組成為 Ti-6Al-4V，屬於 (α+β) 型 鈦合金，具有良好的綜合力學機械性能。比強度大。 TC4 的強度 sb=1.012GPa，密度 g=4.4*103，比強 度 sb/g=23.5，
而合金鋼的比強度 sb/g 小於 18。鈦 合金熱導率低。鈦合金的熱導率為鐵的1/5、鋁的1/10，TC4的熱導率l=7.955W/m·K。 – 粉末規格：d50=8~10μm最佳，市面上有標準牌 號的材料以ASTM B265 Grade 5、grade23來區分。 (Grade等級代表氧含量控制，數字越高等級氧含量越低) -目前價格：常規粉每公斤約3000元RMB未稅(美國卡本特最多) -適合配比：OSF 1.19~1.25，粉細-餵料黏結劑系統：蠟基料、塑基料都可以-為了控制氧含量，建議用氫氣脫脂至少到達800℃ 預燒結坯體，再改用真空爐或金屬熱場爐燒結-燒結溫度： 1200~1250℃之間，餵料脫脂後知預燒結坯直接可以真空燒結爐或金屬熱場爐一燒到底(保溫要過4小時以上)。但燒結時注意到碳要控制很低， 以免造成碳化鈦出現。 -燒結治具：氧化鋯/氧化鋁板
鋁系合金
鋁系合金僅有以高矽鋁(AlSi12, Al-12wt%Si)比較有可能，這是3D打印常用的金屬粉體，另外則是添加超過6wt%以上鎂的鋁合金，由於粉末價格較高，所以比較難以推行(高出鋁合金至少10倍以上)。 ■
