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前言
含有鈷（Cobalt，之後簡稱Co）的麻時效鋼(Maraing Steel/ 18Ni 300) 材料，目前已被廣泛地運用在產業用模具、機械、汽車、航空、航太等領域，經過熱處理後，因兼具高強度和高韌性的特性，在3D 金屬列印中，也被廣泛使用於模具及零件等用途上。
由於3D 金屬列印所使用的粉末粒徑為10~100um 範圍的細微粉末，在處理含有特定化學物質鈷(Co) 成份的麻時效鋼粉末時，必須要在作業環境中設置健康防護措施。含有鈷(Co) 之麻時效鋼，在金屬3D 列印時硬度約為HRC38，列印後不容易產生裂痕等缺陷，而熱處理後硬度約為HRC53，變形性小，因具備高硬度及高強度之鋼種關係。
在金屬3D 列印中，麻時效鋼也以異型水路的射出模具為主，拓展到其他需要高強度、高韌性的零件等，非常適用於金屬3D 列印。
圖1：無鈷(Cobalt-Free) 的3D 列印成品及粉末照片
鈷(Co) 對人體的影響性及企業責任
國際癌症研究中心(IARC) 已將鈷以及含有鈷的化合物認定為是可能使人體致癌的物質。倘若與人體皮膚接觸時，除可能會造成過敏性接觸皮膚炎外，經呼吸道吸入時，也可能導致如肺炎、氣喘、間質性肺病、肺功能異常，甚至是肺癌*1。因此，日本厚生勞動省已認定鈷以及含有鈷的化合物為特殊化學物質*2，並明文規定含有（鈷重量超過1% 以上）之作業環境中，其容許的濃度為0.02mg/m3。而台灣勞動部所公佈的勞工作業環境空氣中有害物容許濃度標準裡*3，也已明文規定鈷、金屬燻煙及粉塵（以鈷計）的容許濃度為0.05mg/m3。
因此在使用含有8.5-9.5% 的特定化學物質鈷(Co) 的麻時效鋼3D 金屬列印及加工工程中，勢必需要在作業環境中設置如除塵設備、通風排氣設備、使用呼吸過濾面罩等的健康防護措施，並且標示有害物質的防護說明。
此外，鈷(Co) 元素的礦產資源多集中在爭議礦產，除了在開採上已成為國際問題外，供給的風險也非常地高。目前全球也有非常多的企業和公司關注爭議礦產的問題，並聲明其製造的原料中，不使用爭議礦礦區所開採鈷(Co)、錫(Sn)、鈀(Pd)、鉭(Ta)、鎢(W)、金(Au) 等金屬礦產，來善盡企業的社會責任和提升自我的企業形象。
無鈷(Cobalt-Free) 麻時效鋼的開發背景
山陽特殊製鋼針對以上的問題，著手進行開發不使用鈷(Co) 成份，但卻能擁有麻時效鋼高強度、高韌性……等特性的3D 金屬列印用粉末。其獨家開發出的金屬3D 列印用麻時效鋼粉末不添加鈷成份(Cobalt-Free)，且韌性和強度能與既有的麻時效鋼相匹敵。同時，因不需特殊的作業環境防護措施，使用麻時效鋼粉末列印高強度、高韌性模具或零件也變得相當容易。
開發挑戰
含有鈷(Co) 之麻時效鋼，透過固溶化和時效處理此2種熱處理，在金屬組織內，使金屬間的化合物析出而讓其強度提升。麻時效鋼若含有鈷(Co) 成份，能促進金屬組織內的金屬化合物析出，因為鈷成份在時效處理時，能有效抑制金屬組織中脆性相的生成，倘若麻時效的鈷(Co) 含量減少，甚至不使用鈷(Co)，其列印後的強度也會因此降低，也導致金屬3D 列印成型工件在熱處理後，有韌性下降的問題。
圖2：無鈷(Cobalt-Free) 及含有鈷的麻時效鋼機械性質比較表
圖3：無鈷(Cobalt-Free) 的麻時效鋼之斷面組織
獨有的合金設計
最初無鈷(Cobalt-Free) 的麻時效鋼，其強度及韌性一直無法達到與原本麻時效鋼相同的表現，兩者落差很大。然而日本山陽一直專注於合金成分上之研發，從成份上進行調整，也同時開發出在時效處理時，能抑制脆性相生成的熱處理條件，最終成功開發出和含有鈷(Co) 的麻時效鋼同等，擁有高強度、高硬度的3D列印用專利鋼種之金屬粉末。
機械性質
從圖2 的機械性質比較表中，我們可以看到無鈷(Cobalt-Free) 麻時效鋼與原本麻時效鋼在拉伸強度與衝擊試驗中的比較數據。圖3 則為Cobalt-Free 的麻時效鋼進行3D 列印與熱處理後之斷面組織。下方將針對Cobalt-Free 麻時效鋼的機械性質進行詳細介紹。
硬度
Cobalt-Free 的麻時效鋼粉末，3D 列印熱處理後之硬度約為HRC53 左右，日本山陽以「獨有的合金設計」、「金屬組織的控制技術」，藉由列印後之熱處理，強化列印品之組織，讓Cobalt-Free 的麻時效鋼粉末與原本含有鈷(Co) 之麻時效鋼粉末列印後的硬度接近。
拉伸強度
日本山陽，除了對於粉末的球形度、流動性、含氧量的控制，對於3D 列印後成型品的機械性質也非常重視，Cobalt-Free 的麻時效鋼列印品，其拉伸強度約為1850(Mpa)，相較於含有鈷(Co) 之麻時效鋼列印品的拉伸強度更佳。
衝擊試驗
由於此材料熱處理後的硬度高，因此擔心列印品會太脆，因此日本山陽也針對其列印品進行衝擊試驗，在反覆的衝擊試驗下，其韌性非常好。
結語
除了上面所提到的Cobalt-Free 麻時效鋼粉末外，山陽特殊製鋼也針對純銅粉末在3D 金屬列印中之應用進行研究，因銅的雷射反射率高且熱傳導快，使雷射熱源不易集中難以熔融粉末，導致列印高密度純銅工件的難度極高。對此，山陽特殊製鋼也找出最適合3D列印的銅合金元素和其比率，並開發出具高雷射吸收率、擁有純銅以上強度，且列印後仍保有接近純銅的導電性、熱傳導性等特性之銅合金粉末。
做為專業特殊鋼的製造者，山陽特殊製鋼能開發出最適合用於3D 金屬列印的金屬粉末，並找出最能提升材料特性的熱處理條件，透過對材料的專長和技術來協助3D 金屬列印的使用者，使客戶的競爭力能更有所提升。■
參考文獻
[1].國家環境毒物研究中心- 鈷:http://nehrc.nhri.org.tw/toxic/toxfaq_detail_en.php?id=50
[2].日本厚生勞働省- 特定化學物質障害預防規則:https://www.mhlw.go.jp/bunya/roudoukijun/anzeneisei48/dl/pamphlet.pdf
[3].勞動部- 勞工作業場所容許暴露標準：https://law.moj.gov.tw/LawClass/LawAll.aspx?pcode=N0060004
