■耀德講堂/ 邱耀弘 博士
前言
Dr.Q 應該是臺灣少數多次在疫情中隔離的人，在10月底又返回廈門進行第六次隔離，以繼續顧問工作的行程。其實給一個忙碌的現代人14 天的休息時間也不錯，只要安排得當，除每天在坊間內跑走一萬步、寫寫ASM 雜誌的文稿，以及許多專利構想（今年Dr.Q 已寫至少20 個專利），剩下就是好好補充睡眠了！
言歸正傳，本期Dr. Q 希望給ASM 讀者們介紹一支大器晚成的不鏽鋼材料，在人類的歷史上，不銹鋼的發明應該不過是100 年前的事情，可說是相當短暫的時間，不鏽鋼被公認是由第一次世界大戰時英國科學家亨利·布雷爾(Harry Brearley) 所發明的材料，並於1916 年申請了英國專利，不鏽鋼首先被拿來作為餐具之材料（如圖1），隨後眾多的研究衍生了許多新的不鏽鋼，且具有不同的強度、硬度與耐蝕性，現代的人類之所以能進步快速，不鏽鋼的貢獻應該是居功厥偉。有關不鏽鋼的發明軼事在網路上的維基、百度百科，以及流行的抖音有甚多描述，Dr. Q 就不再贅述。
APPLE 創造的機會
APPLE 是當今世上最有勇氣嘗試新材料的公司（應該說APPLE 的材料研發工程師和採購擁有全球最有勇氣提供新材料試煉的供應商團隊！），相信讀者們應該沒有反對的吧？今天Dr. Q 要提的不鏽鋼材料是2011年在臺灣的晟銘電子科技上班時第一次的遭遇。Dr.Q 早在1991 年便接觸到金屬粉末注射成型(Powder Injection Molding)，卻在20 年後才發現自己不熟悉的材料，當時APPLE 在幾個MIM 的報價圖紙上列出17-4PH，著實也不確定這支少聽過的材料，由當時到今天約10 年的時間，17-4PH 不銹鋼造就了數兆元的經濟帶動，可謂人類歷史上的當代傳奇。
17-4PH 不鏽鋼是由铜(Cu)、铌(Nb)、鉻(Cr) 構成的鐵合金，此牌號所慣稱使用係以美國傳來，重點在於此鋼材的沉澱硬化特性(Precipitation hardening)，在不鏽鋼分類屬於麻田散鐵相(Martensite Phase)，有趣的是這支不鏽鋼的硬化不倚靠碳含量來獲得麻田散鐵相，而是銅離子在低溫析出造成鐵晶格扭曲獲得此相。
當初APPLE 選中的17-4PH，其實在日本的工業界中很常被使用，主要就是不鏽鋼中便宜（套句APPLE iphone 12 的發佈會用詞──因為環保的考量）以及豐富的熱處理條件所獲的機械性能提升，更在大陸MIM 從業人員的創造與研究下，處理出全沃斯田相(Austenite) 的17-4PH 作為產品。在APPLE 的使用需求以及MIM 產業的推動下，17-4PH 不鏽鋼躍居全球用量最多的MIM 粉末，價格便宜之外，也改變了智慧手機與3C 產品設計的材料使用風格，甚至在金屬積層製造(Additive Manufacturing) 也已經列為標準材料。在眾多APPLE 的MIM 零件中以17-4PH 材料作
為代表的雷霆接頭(Lightning Connector) 自2012 年發表由iphone 5 至iphone 12 已經超過10 億個。
圖1：英國科學家亨利·布雷爾(Harry Brearley) 發明不鏽鋼，最先成功應用到不鏽鋼餐具上（圖片來源：維基百科）
沉澱硬化的特色
沉澱硬化不鏽鋼的特色在於以非碳原子滲透的方式，藉由低溫長時間的保溫使得銅離子以緩慢析出的方式，主要沒有高溫急冷來獲得穩定的高溫相，這是材料科學中有趣的低溫、不變形且能獲得硬度的怪招，列於表1 的熱處理方式是由Dr. Q 所整理完成，請大家收藏參考，但請注意以下條件：
• 本表適用於17-4PH 標準板、塊、棒材料（密度大於7.85g/cm3）。如ASM 讀者使用於MIM 製程，必須注意到燒結後產品的相對密度要高於95% 以上。當MIM 燒結件的密度如果不足，硬度數據皆會跳動不準確，尤其是表面一直到芯部都不一樣；
• 要進行熱處理的產品是指17-4PH 經過各種加工後，確定好尺寸以及各個特徵，包含MIM 件必須在燒結後冷卻回到常溫(32℃ )，才可以得到最好的效果；
• 傳統的固溶處理為條件A。當您的17-4PH 經過熱處理錯誤、加工品異常時，請以條件A 處理後恢復到常態。通常，希望硬度低於HV300 時，則必須採用A+H1150；
• 使用MIM 燒結爐型不同也會有不同結果，正壓氫氣爐燒結出爐後硬度約在HV270-300，變化較為小；真空燒結爐出爐後硬度約在HV270-350 之間，變化較大，燒結過程必須注意控制碳含量，以及真空帶來銅的揮發，銅是低蒸氣壓的金屬，長期蒸發後會累積在爐體內較冷的位置導致設備故障可能；
• 硬度測試如採用維克氏硬度(Vickers’, HV)，必須採用該硬度測試儀的適當荷重，主要在於維克氏硬度的尖錐壓痕器較為適合於顯微硬度以及局部硬度的偵測，最好使用幾組荷重進行交叉比對，太輕或太重都不恰當；
• 注意到本熱處理條件是以正壓爐(P~110KPa=0.11MPa) 條件下進行，在使用真空熱處理爐要注意請採用分壓燒結模式，壓力值請開到負壓壓力最高（P>30KPa，氣體流量以氬氣>30。注意該描述是以恒普真空脫脂燒結爐的參數）；溫度可設置不變或略低於本表5℃；
表1：17-4PH 熱處理條件表，其中H 為華氏( ℉ ) 溫度標示，H900 即華氏900 ℉（PS：攝氏溫度=( 華氏溫度-32)*5/9）
• 表中H1150 是以華氏1150 ℉ 對照620 ℃。但注意到在H1150+H1150 時， 使用的溫度是以760℃（4 小時）+ 冷卻低於32℃ +760℃（4 小時）；H1150M 則是以760 ℃（2 小時）+ 冷卻低於32℃ +620℃（4 小時）；
• 採用MIM 製程以真空爐分壓燒結以全程氮氣分壓，或正壓氣氛爐採用全氮氣燒結，可以獲得完全沃斯田相結構，這個結果使17-4PH 沒有任何磁性，強度接近316L 的水準。處理的方式為脫脂至600℃之後，即填充氮氣使得17-4PH 保持在全氮氣環境，氮氣是穩定沃斯田相的關鍵元素，固溶過度的氮使17-4PH 維持高溫的沃斯田相結構保持到室溫。
結論
不鏽鋼發明的原意是供應戰爭的需求，幸好首批試驗失敗而轉化成民生用品，最後卻因為鋼鐵強大的剛性和低廉的價格帶來醫療、科技產業大量使用，甚至APPLE 的iphone 4 以及重現經典的iphone 12 作為外框結構，將人類的智慧轉化用於造福自己，才是真正的美好。17-4HP 是不鏽鋼中最為經典的應用案例，雖然還是很多人對304 和316 不鏽鋼較為熟悉，但是這隻醜小鴨牌號的不鏽鋼並沒有展現華麗的大變身，而是以更低廉的價格和堅強的身軀在服務人類。
在接下來的數期專欄中，Dr. Q 會為各位ASM 讀者介紹一些常用的材料，談談它們如何被發現，以及其有趣的應用，請大家不要錯過。■
