■耀德講堂 / 邱耀弘 博士
楔子
各位讀者大家好，接下來Dr. Q為大家帶來一些非常關鍵的基礎知識，作為粉末技術的入門秘籍，這些祕籍不光是給粉末壓製(PM)或金屬粉末注射成型(MIM)而已，也不光是金屬材料，包含金屬、陶瓷以及高分子聚合物等，甚至是食物如麵粉、奶粉等，Dr. Q將由基礎探討來讓大家理解粉末技術的物理、化學、數學。而這些內容也將分為下列章節逐期連載於本雜誌中：「Part I. 微量成分對鋼鐵金屬材料有何影響？」、「Part II. 什麼是粉末最佳的形貌？」、「Part III. 固體的特殊性」、「Part IV. 三觀製程──粉末技術的結構變化」。
Part I. 微量成分對鋼鐵金屬材料有何影響？
首先談到的是最基礎的化學元素週期表，相信大家都對元素週期表又愛又恨，沒有一個人沒背過這張表格，在初中第一個接觸到的化學課就要先過這一關，各種怪招秘訣都是為了順序的背出這張表格上的元素。然而，大部分人都沒有辦法利用這張化學元素週期表，但那可不包含我們粉末技術的從業人員，趕緊來收藏一下吧！
認識週期表
附錄1是大家耳熟能詳的化學週期表，在圖面中解釋了每一個文字代表的意義。其中橫行稱為週期，現有世界發現了七大週期元素；縱列稱為族，目前有15族；有兩個稀有元素系為鑭系和錒系。
本部分要談的是微量元素對鋼鐵金屬材料的影響，而目前鐵金屬粉末佔有75%所有粉末材料的市場應用，我們要從這瞭解起。
間隙元素
原子半徑較小的元素通常都屬間隙元素，尤其大多屬氣體元素或非金屬元素，目前粉末技術要注意的間隙元素包含：氫(H)、氧(O)、氮(N)、碳(C)、矽(Si)、硼(B)、磷(P)、硫(S)等等，容易使過渡族金屬元素與這些原子半徑較小的非金屬元素形成間隙化合物。
氫(H)
氫是元素中原子最小的元素，非常容易滲入金屬導致氫脆發生，氫化物是脆性的。在常見的金屬加工工藝中，以連續爐氫氣燒結和電鍍容易發生氫脆現象，透過真空加熱是可以排除氫脆的風險；
碳(C)
鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和衝擊性降低；當碳量超過0.23%時，鋼的焊接性能變壞，因此用於焊接的低合金結構鋼，含碳量一般不超過0.20%。碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場的高碳鋼就易鏽蝕，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。此外，所有PM和MIM的材料幾乎都要實施控碳，主要原因是添加潤滑劑和黏結劑導致脫脂不全的殘碳，碳增多導致尺寸變大且外觀色澤不佳。包含鐵、鈷、鉻、鈦、鉬、鎳、銅等等一眾金屬都要控制碳含量，材料的碳含量區分為：
- 低碳含量是製品含碳量<0.03wt%，例如316L（L代表低碳），碳含量高導致的破壞為不鏽鋼敏化現象導致晶間腐蝕(Cr2N, Cr26C3, Cr6C3)必須避免在600~900°C區間保溫；
- 中碳量為03wt%<製品含碳量<0.1wt%，例如316；
- 高碳含量是製品含碳量>0.1wt%。
矽(Si)
在煉鋼過程中加矽作為還原劑和脫氧劑，所以鎮靜鋼含有0.15-0.30%的矽。如果鋼中含矽量超過0.50-0.60%，矽就算合金元素。矽能顯著提高鋼的彈性極限、屈服點和抗拉強度，故廣泛用於作彈簧鋼。在調質結構鋼中加入1.0-1.2%的矽，強度可提高15-20%。矽和鉬、鎢、鉻等結合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可製造耐熱鋼。含矽1-4%的低碳鋼，具有極高的導磁率，用於電器工業做矽鋼片。矽量增加，會降低鋼的焊接性能。
氮(N)
這是奧氏體穩定元素，空氣中豐富的元素，形成氮化物可以增加硬度。氮也能提高鋼的強度，低溫韌性和焊接性，增加時效敏感性。氮在鐵金屬中溶解度很差，配合錳就可以大幅度提高。
氧(O)
氧化是所有金屬零件以熱製程（燒結、熱處理）最懼怕的，例如鐵氧化物體積膨脹導致蓬鬆潰敗，不斷的露出新表面再次的氧化，最終導致產品的失效發生。
磷(P)
在鋼中加入磷會降低鋼的黏度與熔點，並大幅提高鋼液的流動性，磷會與鋼形成線條狀的磷化物稱為魔線（日本三陽機車發明的史蒂田鐵，便是利用加入磷使鋼液流動性增加，然後冷卻過程控溫使磷鐵化物球化處理的技術），磷原是鋼中有害的元素，它會增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞、降低塑性，使金屬冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小於0.045%，優質鋼要求更低些。
硫(S)
硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋製時造成裂紋。硫對焊接性能也不利，降低耐腐蝕性。所以通常要求硫含量小於0.055%，優質鋼要求小於0.040%。不過，在鋼中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常稱易切削鋼。
硼(B)
鋼中加入微量的硼就可改善鋼的緻密性和熱軋性能，提高強度。硼與磷都會導致金屬鋼材燒結溫度急速降低，硬度升高。但必須謹慎的使用。硼的控制性遠比磷好控制，在美國有許多汽車（例如福特汽車的嘉年華系列轎車），便使用硼鋼減少鋼材的用量（強度高因而減少使用量）。
合金元素
合金元素通常具有較大於鐵元素的原子半徑，且有著金屬鍵的自由電子海，這些元素大部分可以和鐵金屬充分的合金化。分別說明如下：
鎳(Ni)
這是奧氏體穩定元素，鎳能提高鋼的強度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸鹼有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防鏽和耐熱能力。但由於鎳是較稀缺的資源，故應儘量採用其他合金元素代替鎳在鋼的地位。
錳(Mn)
這是奧氏體穩定元素，因為加入錳會提高氮的固溶量，從而穩定奧氏體。在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳0.30-0.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時就算「錳鋼」，相較於一般鋼量的鋼，其不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，如16Mn鋼比A3屈服點高40%。含錳11-14%的鋼有極高的耐磨性，用於挖土機鏟斗，球磨機襯板等。錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。
鉻(Cr)
在結構鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不鏽鋼，耐熱鋼的重要的加硬合金元素。
鉬(Mo)
鉬能使鋼的晶粒細化，提高淬透性（均勻使奧氏體形成馬氏體）和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力（長期在高溫下受到應力，發生變形，稱蠕變）。結構鋼中加入鉬，能提高機械性能。還可以抑制合金鋼由於火而引起的脆性。在工具鋼中可提高紅硬性。在不鏽鋼中加入鉬可以有效使碳化物出現於其周圍，減少碳在晶界出現避免孔蝕和點蝕。
釩(V)
釩是鋼的優良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細化組織晶粒，提高強度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。類似於鉬的功能。在工具不鏽鋼(420/440)以及高速鋼加入鉬和釩提高脆火硬度。
鈮(Nb)
鈮能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不鏽鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現象，加鈮後不鏽工具鋼如440/420可形成穩定更穩定碳化物，使燒結溫度範圍變大。
鈦(Ti)
鈦是鋼中強脫氧劑。它能使鋼的內部組織緻密，細化晶粒力；降低時效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在鉻18鎳9奧氏體不鏽鋼中加入適當的鈦，可避免晶間腐蝕。（Ti+C =TiC其動力大於Cr+C所以可以防止晶間腐蝕）
鎢(W)
鎢熔點高，比重大，是貴的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢，可顯著提高紅硬性和熱強性，作切削工具及鍛模具用。
鈷(Co)
鈷是稀有的貴重金屬，多用於特殊鋼和合金中，如熱強鋼和磁性材料。Fe-50Co(1J22)、ASTM-F75（Co-Cr-Mo合金）、4J49（低膨脹鋼）都已經屬鈷系合金，燒結時不要太高溫(1250-1350°C)，以避免鈷的嚴重汽化揮發。
銅(Cu)
武鋼用大冶礦石所煉的鋼，往往含有銅。銅能提高強度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。缺點是在熱加工時容易產生熱脆，銅含量超過0.5%塑性顯著降低。當銅含量小於0.50%對焊接性無影響。加入銅可以使316/304行程比較後的表面緻密層（在1350°C可得到30~35um）；沉澱硬化不鏽鋼17-4就是利用銅來做為低溫析出的典型範例，銅原子可以在固相鋼體中移動並聚集析出，使得鋼鐵的晶格發生變異而增加強度。
鋁(Al)
鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高衝擊韌性，如作深沖薄板的08Al鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、矽合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。不建議加鋁在MIM材料中，熔點低易汽化且形成氧化鋁是拋光的噩夢。
稀土元素
稀土元素是指元素週期表中原子序數為57-71的15個鑭系元素。這些元素都是金屬，但他們的氧化物與「土」很相似，所以習慣上稱稀土。鋼中加入稀土，可以改變鋼中夾雜物的組成、形態、分佈和性質，從而改善了鋼的各種性能，如韌性、焊接性，冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土，可提高耐磨性。（犁鏵鋼指的是用來製造一般用途的機引犁、馬拉犁、普通淺耕農具的主犁和前小犁的犁鏵，一般用耐磨且有足夠強度和韌性的鋼製造。中國一般採用65Mn和65SiMnXt鋼製造。）
Part I.小結
對於鋼鐵材料中添加微量元素，已經在本部分說明。尤其是MIM加工廠，可以在燒結過程以固體粉末添加取代耗能的冶煉，是有助於大家瞭解實際的應用。不過並非所有元素都能以自由態粉末加入的方式，添加微量粉末的顆粒度要注意到細微的粉末可能破壞黏結劑和喂料的完整性。對於從事3D列印和積層製造的朋友，也希望您們可以逐漸理解粉末技術，一起加入我們往粉末成型應用而邁步向前。
