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1、粉末冶金烧结过程： 燒結製程：成形後之胚體由於內部含有潤滑劑，必須先經脫脂步驟以去除潤滑劑，然後再於高溫燒結使粉末結合在一起，此脫脂及燒結製程所牽涉到的製程參數及在設備上之考量相當多，例如應使用何種氣氛？何種溫度?何種設備?如何控制碳勢?若使用不同之材料時以上之參數又要如何改變?這些均有說明之必要。脫脂：一般之粉末需先添加潤滑劑或黏結劑以利成形，但這些潤滑劑多為有機物，必須在高溫燒結前予以去除。常用之潤滑劑有硬脂竣鋅、硬脂酸鋰及白蠟(ethylene bis-stearamide, EBS，俗稱之Acrawax即此成分)三種。一般之脫脂多在燒結爐之前段進行，溫度在500-600之間，所需之時
2、間大約為15-30分鐘。不過有些零件在脫脂時會產生起泡(俗稱爆米花)、爆點、破裂或積碳之現象。A：一般認為起泡及破裂是因工件中之潤滑劑在400。C至500。C間之分解速率過快而造成。B：積碳是因脫脂區之氣氛流速太慢，使得潤滑劑分解時所產生之一氧化碳在試片中停留過久，此CO超過18%時易反應成碳及二氧化碳，使胚體及孔之表面產生積碳之現象，由外觀看常有粗糙、隆起之現象。此積碳反應在500至600之間最明顯，加上工件中之鐵、鈷、鎳、鋅有催化作用，而使用之氣氛為受熱型氣氛時因其中之CO已有15至20%，所以在此氣氛下此積碳現象將更明顯。解決此問題：A：可以讓工件在500。C以下有足夠之時間脫脂，使所有
3、潤滑劑脫除，並快速跳過500。C至600。C之範圍且加大氣氛之流量，以減少積碳、起泡、破裂之現象。B：可在脫脂區單獨使用放熱型氣氛，此乃將天然氣或丙烷與空氣之比例調低，使較接近完全燃燒之比例，燃燒後之氣體含CO較少，產生此氣氛之裝置俗稱快速脫脂設備(rapid burn off, RBO)。此外，由於此燃燒為放熱反應，可藉氣體將零件加熱，使胚體之溫度較均勻。放熱型氣氛之露點較高亦有助於將積碳反應成氧化碳。C：可將脫脂區使用之氣氛通過一水箱，使其離開水箱時含有水蒸氣，再將此氣體通入脫脂區，亦可減少碳黑。D：在胚體中減少鎳之含量或添加硫或硫化錳，並改用硬脂酸鋅以外之目潤滑劑，有助於爆點、碳黑之減少
4、。E：加長脫脂區之長度，使胚體有足夠之時間脫脂，並調整爐膛之截面積，使燒結區之截面積較大而脫脂區之截面積較小，如此可使氣氛通過脫脂區時之速度加快而有助於將髒氣氛帶出。燒結氣氛：燒結時所用之氣氛可影響產品之機械性質、外觀、抗腐蝕性、成本等。在粉未冶金製程中相當重要，氣氛之主要功能有下列數項：a) 防止外界之空氣進入爐內造成工件之氧化。b) 幫助燒除胚體內之潤滑劑和黏結劑。c) 將粉末表面之氧化層還原d) 控制胚體之含碳量一般較常使用之氣氛有氫氣、氮氫混合氣、裂解氨、吸熱型氣氛、放熱型氣氛及真空等。氣氛之控制：上述各氣氛多由氣體產生器生產而得，這些方法需注意下列事項以免生產出來之氣氛成分不穩，影響
5、粉末冶金產品之品質。例如產生器內之觸媒是否已老舊，是否有過多之碳黑產生，空氣中水分及溫度之變化，原料如液氨或烷類等所含水氣量以及氣體產生器本身之操作溫度是否不穩定等。在燒結時氣氛中之水分及一氧化碳、二氧化碳皆能對碳鋼中之碳含量產生影響，所以有必要對這些氣體之角色作進一步之說明。水分：在各型氣氛中一般多殘留沼水氣，這些水氣在某一溫度以下將凝結成水珠，此最早凝結之溫度俗稱露點(dew point)，圖7-4為水氣含量與露點之對照圖。比對之方法為將中心點與露點之溫度相聯接，而其延長線即可指出相對應之水氣含量。例如水氣含量為1%時其露點為7。C。各種氣氛中其水氣含量一般均太高，不適宜於直接用於燒結，必
6、須先除水，常見之方法有三種: (1)冷水沖洗法:在高溫所生成之氣體其含水量相當高，若經過管外之冷水沖洗後其露點可降至該水溫，例如以15。C至30。C之水沖洗時其氣氛之露點即為15。C至30。C，亦即其含水量為1.7至4.1%。(2)冷凍除溼法:以冷凍機使氣氛之溫度降低，則過飽和之水氣將礙結，以此法一般可得到之露點為5。C至15。C之間。(3)化學除溼法:以活性氧化鋁吸收氣氛中之水分，其露點可降至40。C，若再以分子篩過濾則可降至一60。C。水氣含量之測試方法有多種，常見之兩種如下: 露點計(1)熱電型式:如圖所示，拋光材料之下方附著一熱電材料(thermoelectric material)，
7、當通電並調整此熱電材料之溫度時可使拋光材料冷卻，此時，氣氛中之水分可凝結在拋光面上，成為霧狀，此時入射之光線經折射後之強度將不同，此強度可由感光電晶體(photo transistor)測得，這些數據可解讀成氣氛中水分之多寡或露點之之高低。(2)另一常用之方法乃利用電容之原理，當氣氛通過一含乾燥粒之容器時，水氣將改變此容器之電容，故可藉以判斷氣氛中水分之多寡。燒結爐：連續式燒結爐大致上可分為脫脂區、燒結區、冷卻區三部部份。脫脂區：生胚內之潤滑劑將被分解而逸出，並由流向爐口之氣氛帶出。燒結區：在於加強粉體間之結合，:將各合金元素均質化，甚而提高密度。冷卻區：有調整顯微組織、冷卻胚體以便取出之功能
8、。一般爐體所需之氣氛大多由燒結區之尾端進入，當氣氛進入高溫燒結區時，由於溫度升高、氣體急速膨脹，因而欲向爐口及爐尾流動，但因一般之爐尾常有外接之氮氣向下吹，形成氣簾(gas curtain)以阻隔燒結氣氛與外面之空氣接觸，此外，在爐尾亦常加上玻璃纖維簾布或鋼片以增加氣流之阻力，所以氣氛只能朝爐口方向流動。氣氛由燒結區尾部進入的好處在於燒結趨近結束時之胚體其所處周圍之氣氛較新鮮、乾淨(氣氛愈接近爐口時，因其中已累積了不少潤滑劑所分解之氣體分子及水氣，所以較髒)，因此由高溫燒結區尾端進氣之設計可確保產品之乾淨度。不銹鋼之燒結：由於不銹鋼中大多含有鉻(而鉻容易與氣氛中之水氣或氮氣產生反應生成Cr2O
9、3或Cr2N，當這些化合物生成時，其週邊之鉻含量將減少，使得這些區域之抗腐蝕性大幅降低。因此不銹鋼之燒結不應在含氮之氣氛中進行。苦必須使用裂解氨時，則在800。C左右之冷卻速度需加快，每分鐘應在40。C以上，以避免Cr2N之生成。此外不銹鋼之脫脂必須非常完全，使其潤滑劑完全分解逸出，使其中之碳及氧無法與鉻結合，所以不銹鋼燒結爐之脫脂區最好要比一般之燒結爐長些。此外不銹鋼之燒結氣氛須特別嚴謹，其露點一般需在一40。C至一60。C之間。且儘量使用氫氣或真空，但真空度太好時，鉻易揮發，例如燒結溫度為1205。C時，鉻之蒸氣壓為10-2 torr，若此時爐內之真空度優於此，則工件中之鉻將逐漸揮發造成鉻
10、含量不足導致抗腐蝕性變差。故一般最好好利用氬氣之回填使真空度維持在1 torr左右，以降低鉻之揮發。黃銅之燒結：黃銅乃銅鋅合金，由於鋅之蒸氣壓高， 所以燒結時常因鋅之蒸發使得成分改變。為了解決此問題：一般燒結黃銅時常將工件置入不銹鋼、石墨或陶瓷盒內，然後加蓋，此蓋不需密封，其功能只是使鋅之蒸氣保留於盒中，使工件中之鋅不再持續揮發。黃銅粉所用之潤滑劑多為硬脂酸鋰，此乃因鋰較易活化粉末並攫取粉末之氧之故。由於黃銅色澤佳，.般常用於鎖件等重視外觀之工件。燒結黃銅之氣氛多為裂解氨，溫度在760。C至925.之間，視鋅含量而定，時間約30分鐘，由於黃銅相當軟，生胚密度可壓至9095% ，所以其中之潤滑劑不易逸出，在脫脂區之升溫速率應放慢，不然易有起泡、鼓脹且呈粉紅色之情形。青銅之燒結：青銅乃銅錫合金，含錫量多在10至20%之間，常用之粉末有兩種，一為混合元素粉，一為預合金粉。元素粉燒結時，常在錫粉原來之位置留下孔洞，適於作含油軸承，此外由於元素粉易成形故使用者多。相對地，合金粉不易成形，燒結多為固相燒結，但強度高為其優點。青銅之燒結多在750。C至850。C左右，視錫含量而定，燒結時閒杓30分鐘，使用氣氛大多為氮氫混合氣。
