■耀德講堂 / 邱耀弘 博士
鈦不平凡
MIM 產業經過半個世紀的努力，開始進入新的時代，主編認為「鈦」這個元素扮演著新時代起承轉合的角色，鈦與鈦合金會逐漸的進入原本都是不鏽鋼為主力的金屬粉末注射成型工業，替代一些不鏽鋼無法勝任的任務。一定不能輕忽鈦這個元素，它剛好是金屬中最親和人體且具理想比重的金屬材料，在常溫狀態下，鈦是很安定的，然而一旦處於高溫狀態(>150° C)，鈦的危險性就陡增。
鈦與鈦合金具有不平凡的時代任務，在上世紀中的美蘇太空競賽已經獲得實質的證明，把人類殺戮和軍事競賽的目的去除，鈦與鈦合金在能源節約和耐久度使用上是極為有貢獻的金屬，但因高溫的不穩定性使得加工過程成本很高是不爭的事實，因此粉末成型技術可以使鈦與鈦合金實現更好的加工效率，終將顯現鈦與鈦合金的不平凡。
安全的操作
對於鈦與鈦合金的操作免不了要先討論安全性的問題，為符合工業產品的複雜性和設計自由度的考量，強度高且韌性好的鈦與鈦合金必須要改用傳統金屬加工的方式，尤其是鑄造成型，在地球上沒有一種材料可以完美承接鈦金屬高溫熔化的金屬熔湯，因為鈦的高溫活潑性太高了，比起鎂、鋁、鋅等輕金屬熔化溫度都非常低。因此，粉末成型的技術便是最合適的加工選擇。
近代粉末成型分為三大類形：粉末壓製(Pressure Molding, PM)、粉末注射成型(Powder Injection Molding, MIM)以及積層製造(Additive Manufacturing,AM)。
表1 所示為三種粉末製程使用的粉末粒徑大小，特別注意到MIM 與AM 使用的粉末比較小，眾所周知較小的粉末體有較大的比表面積，因此接觸空氣時容易產生氧化，尤其是高溫的閃火點會導致瞬間高速氧化，也就形成爆炸的可能，尤其是低比重的金屬粉末比較容易揚塵，所以對於鈦與鈦合金的粉末製程必須要謹慎的處理。
由於鈦與鈦合金中比較有硬度和強度的特性仍以鈦合金居多，因此如果要獲得低含氧量就必須採用等離子體高的溫度來快速熔解鈦合金，並藉由離心力由氣體吹出的做法，因此大多都是接近球體的粉末，經過篩選便可以供給MIM 和AM 使用，如圖1 所示。
正因如此，以高剪切力的MIM 和以雷射高能熔解的AM都會遭遇到高溫導致鈦與鈦合金劇烈氧化的機會，說明如下的安全法則：
• 自行調配鈦與鈦合金喂料時，烘烤溫度不建議超過120° C，當混煉機溫度到達時，應先加入黏結劑使其微微融化，再行放入鈦與鈦合金粉末。由於粉末細小，在倒粉末時要小心緩慢傾倒；另一個方法是在低溫(<60° C) 的時候進行低溫預拌，避免鈦與鈦金屬在150° C 以上高溫接觸空氣；
• 注射成型在注射機炮筒內的材料因摩擦升溫過高，注射到模穴內的瞬間會接觸殘留空氣，因而發生鈦與鈦合金的爆炸，或許因注射的高壓鎖模力相互抵消，故不會危害操作人，但模具卻會因而燒毀。有數家公司都曾有類似經驗，主要還是沒觀察炮筒內的溫度變化，當喂料溫度超過設定溫度太多(>220° C) 就應立刻停止加溫，等降溫到設定溫度才可繼續注射。鈦與鈦合金喂料的使用紀律一定要有規律的執行，回收料的次數要記錄清楚以免黏結劑蒸發老化，導致粉末可能接觸空氣造成劇烈燃燒；
• 使用保護氣氛進行混煉以及AM 製造，氬氣是最佳的氣體；不過建議保護氣體的壓力最好能大於1.5大氣壓力(>150KPa)；
• 由於AM 的處理通常在有氣體保護的粉體床內進行，當列印完成後，請靜置至整體列印件和粉體槽冷卻到低於60° C 以下才可以進行除粉並取出工件。若在過於高溫時進行除粉，會導致殘餘粉末氧化而發生危險，也造成回收粉末的品質降低。
圖1：左為水霧化不鏽鋼粉由於形狀不佳，必須特別調整才可給MIM 使用；右則為球形鈦粉，很適合給MIM 及AM 使用（左圖為廣州有研粉體提供的不鏽鋼水霧化粉照片；右圖為江蘇金物新材料提供的球形鈦粉）
鈦與鈦的製品後加工
鈦與鈦合金產品不論是以熔鑄、鍛造、板金彎折、焊接、粉末壓製、金屬注射成型或是積層製造，當您完成以上製程而仍舊保持很好的低氧含量，那接下來的處理就比較安全，如下請參考：
• 切削與拋光作業需採濕法散熱，以免見到紅火的高溫並防止切屑起火；通常不建議使用乾式的做法去進行機加工或拋光，因為拋光產生的細粉混雜堆積在一起，就像路邊攤和大排檔的排風扇堆滿油漬，若長時間不清理便容易在高溫環境下著火，管理工作環境是重要的，不乾淨和陳年堆積導致任何材料都一樣具有危險，別把鈦和鈦合金污名化（大陸江蘇的昆山就曾有鋁合金和鎂合金工廠大爆炸）；
• 高溫熱處理反倒是安全，通常設備都具有良好的保護；熱處理獲得機械性能的提升是可能的，前提是前一製程的氧、碳或氮、氫含量要夠低，否則硬脆性是無法挽回的；
• 化學處理也相對安全，唯獨要注意的是對排放酸液之環保要求；
• 鈦與鈦合金都不容易電鍍，所以常被用作電解化學槽的支架和治具。變顔色必須以陽極法或是真空鍍膜，前提是要先進行拋光整平、拉髮絲、噴砂和蝕刻等，最終以物理方式著色改變其色彩。在低溫處理狀態下，鈦與鈦合金都類似不鏽鋼一樣。當然，產品設計師不要強調鈦與鈦合金的鏡面效果，那些鏡面都要鍍膜保護，鈦與鈦合金拋光後約一周就會黯淡失去光澤，這是表面氧化的必然結果。
低價的鈦與鈦合金打開應用市場
什麽是低價的鈦與鈦合金，就精細的鈦合金球形粉末的每公斤單價應該落在250 美金以內，純鈦甚至更低，若有氫化鈦粉的調配技術和細化能力，甚至可能得以將成本控制在100 美元以內。這些在這20 年以來是非常難以想像的，但隨設備和技術的創新，以及客戶端應用的打開，這將是大家共同的期待。非常態的鈦與鈦合金有著不平凡的時代任務，關於鈦與鈦合金的安全性，只要大家遵循使用與作業的安全紀律法則，便不會造成任何問題，期待我們一起見證並迎接非常鈦的時代來臨！■
