■耀德講堂/ 邱耀弘 博士
前言
在上一期第43 期雜誌中，經過Dr.Q 的說明，讀者們應該可以了解到粉末的尺寸，以及一些其因為微米級尺寸所帶有的特徵，那麼本期將討論一些金屬粉末的製造法。
粉末的製造方式
各種粉末的製造方式如圖1 中所示，包含金屬與合金、陶瓷與硬質合金以及塑膠與聚合物，圖內已經表示了大部分材質所適合使用的製作粉末方式，由於材料特性使然，某些粉末必須要使用到特殊的製造設備和程序，因此也會導致粉末的幾何形狀差異，這是讀者們要清楚了解的部分。
由於金屬材料在強度與環境耐受度高，使用範圍較廣泛，相對的其製造技術也較為成熟且價格實惠，因此本文著重在於金屬材料的粉末部分，尤其在金屬粉末射出成型(Metal powder Injection Molding, MIM) 和金屬積層製造(Metal Additive Manufacturing, MAM)是被美國麥肯錫顧問公司強力票選為未來製造的頂尖技術，Dr.Q 將針對MIM 與AM 所使用的金屬粉末製程，為各位讀者進行說明。
圖1：各種粉末的製造方式
MIM 與AM 常用的粉末製造法
融湯霧化法
MIM 與AM 兩種基於燒結法的金屬零件製造程序，必須使用粉末較為細小且顆粒度分佈均勻的種類，因此採用融湯霧化法粉末是較為成熟的技術。融湯霧化法的方式顧名思義就是利用加熱把金屬融化，並以流體壓力或是借助重力，使金屬融湯留下，再藉由惰性氣體或是強力加壓水破碎融湯，形成微米級的細小粉末，圖2 中所表示的即為融湯霧化法的原理圖，原料可以是元素金屬塊、預合金塊、市售標準鋼材以及粉末等。
初始材料收集後，進行初級的熔解以紅外線光譜儀測定成份的準確度，和傳統煉鋼的第一步驟相同，但是規模可能較小（坩鍋容量大約是小於1 噸的鐵金屬重量）；初級熔解除氧級測定成份準確後，便倒入主熔池保溫並且進行重力噴射，導入惰性氣體使得通過噴嘴的金屬熔湯被高速破碎，以獲得細小顆粒的粉末。最終粉末將被分篩分級，以符合客戶要求的粉末粒度規格。利用融湯霧化法製作的粉末，可分為「氣體霧化法」、「水氣聯合霧化法」、「水霧化法」等三類，介紹如下。
• 氣體霧化法：氣體霧化通常使用惰性氣體以避免氧化，又必須考慮氣體不可與金屬粉末反應，因此氬氣成為唯一的選擇，但是氣體可壓縮性導致氣體壓力不能加大，破碎粉末的力量小、導熱度又不高，所以氣體霧化粉末通常較為粗大(10~70um)且圓球度高，剛好是AM 適用的粉末粒徑範圍；此外， 圓球的氣霧化粗粉(35~55um) 的保形性(Confirmation) 不好，必須調配一定的細粉或是其他形狀的粉體來改善這個現象。因為出粉效率較低，比同樣材質的氣體霧化粉末價格要高出30~80%，如果再經過特定的篩選，恐怕價格還要往上抬去，使用者必須理解。
• 水氣聯合霧化法：在霧化過程氣體破碎的末端增加經過高壓的水霧協助破碎，這可以使粉末更為細小，也可增加出粉率，要注意的是因為水帶走熱量的速度很快且壓力很高，所以細小和多角狀的粉末會出現。液體可以加壓且導熱度高，這使得水氣聯合霧化法製粉在MIM 的使用上更具有成本上的優勢，形狀的保持也因為有粗細級配（將粗細粉末按需求的比例進行調整，並進行分級分配），在表面粗糙度和尺寸的控制仍有不錯的表現。
• 水霧化法：單純以高壓的水霧破碎粉末，可以使粉末更為細小並得到更高的出粉率，但是粗糙和非對稱的幾何形狀對於MIM 與AM 來說都不適合單獨使用水霧化粉末，必須精密控制粉末至少是等軸形狀以利成型作業。不過水氣霧化粉末具有很高的表面積，可以提升燒結的速率和作為觸媒等功能，也佔有一定比例的應用。
羰基法
純元素金屬在融化時黏度很高，並不適合用霧化法。因此採用羰基法，羰基鐵粉經退火防氧化處理即可出貨。如圖4 的化學反應式，羰基法的基本過程會採用NH3 作爲保護氣體來抑制該反應。這樣一來羰基鐵粉中就不可避免的會有N 元素的存在。從旋風收集器中收集到的產品，其一般鐵含量約在97% 左右，其中C和N 的含量均小於1%。
羰基鐵粉活性很大，正常情况放置一段時間後，因爲熵的增加，會發生自動糰聚。發生團聚的鐵粉顆粒度增加，顆粒粘粘，對於注射成型有比較大的影響。目前市場上質量最好的羰基鐵粉爲德國BASF 公司生產，但是中國境內的陝西金川、江蘇天一和江西悅安三家公司的產量也很驚人，除了鐵之外，還有鎳也可採用羰基法來製作。羰基粉很細小，適合注射成型的應用，小於1um 的羰基鐵粉還可以用在食品/ 醫療的添加劑或是發熱的禦寒材料，另外在一體式電感也用到大量的羰基鐵粉。
旋轉電極法
另一種較為常用的製粉方式為旋轉電極法，主要針對貴重金屬，以及容易氧化如鈦、鎂等粉末，旋轉的電極在恆定轉速下產生離心力，把被鎢電極加熱融化的金屬融湯甩出成為球狀粉末體，材料棒的外徑、長度、比重等都有關於進給率與旋轉速度。由於在無氧環境下的惰性氣體環境進行製粉，除了球狀度很高之外，含氧量也非常的低。作為雷射3D 打印用的粉體床材料，選用旋轉電極法式最好的，但同時也是最昂貴的方式。圖5 中所呈現的即為旋轉電極法製作粉末的原理與過程。
圖2：使用氣體霧化製粉的原理與設備說明
結語
當然，除上面介紹的方法外，還有許多製粉的方法，讀者要注意到粉末的價格比起原材料塊的價格高出許多，價格的差異主要與製粉的過程控制，以及成為粉末後進行篩分分級的損失和收成率息息相關，千萬不要被「材料比較節省」、「不需要模具」等所迷惑，粉末製程的材料利用率較高是沒有爭議的，但能否比塊材加工便宜是取材於性能、密度和應用，並非絕對的。
粉末製程是眾志成城的工作，一公克的粉末可能多達數十億顆粉末，但也有可能只有數百顆，對於粉末科學的基本理論，Dr. Q 希望讀者能花點時間了解，畢竟，現在粉末冶金產品的應用範圍越來越廣泛，甚至已經進入您手上那部手機或是筆記型電腦中了！■
圖3：金屬粉末霧化法的三種電子顯微鏡照片
圖4. 羰基鐵的獲得方式來自化學反應法，最終獲得的粉末是很有趣的殼層結構
圖5：旋轉電極法製作高圓球度的粉末
