压制与烧结(PM - Press and Sinter)

压制与烧结(PM - Press and Sinter)

■ 耀德讲堂 / 邱耀弘 博士

(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.080)

前言

粉末压制与烧结法是一个非常古老的技术，最早在古埃及就发现氧化铁烧制的金属制品（纪元前3000年），但是要谈到大量制造还是在19世纪初的50年代开始，美国的爱迪生发明电灯促使了粉末冶金应用到现代工业上──钨灯丝的制作，已经是20世纪之初（1909年），随后铁与铜金属的粉末压制与烧结便随工业革命的带动迅速取代传统金属加工的方法，尤其是在铸造和锻造的齿轮件。粉末压制与烧结法的工艺流程如图1所表示。

图1：传统粉末冶金制与烧结法的工艺流程图

其中，主力成形设备是仅能进行上下闭合运动的压机。这是一个近乎标准程序的流程，已经有超过百年的历史，更进步模具的设计和模架机构使PM制品越来越精密且复杂，为了加工更加复杂的粉末冶金制品已经开发的模架系统目前已经到达三上（模）、五下（模）的系统，甚至有横向同步气缸协助部分特殊特征的成形，制品被广泛地用在动力传动系统上，包含各种交通工具与机械上。

工艺步骤

图2是一个基本的粉末压制模具与粉末材料、生坯相互的关系图，这是坊间较为简易的设备和外型简单的产品，粉末材料藉由重力落到送粉器上，然后填充到模具的模穴中（模具是固定在模架上），然后上下模头同时压缩获得生坯，并藉由下模头继续上抵把生坯顶出，并在下一循环的送粉器送粉同时推走生坯。

图2：一个最基本的粉末压制模具与粉末材料、生坯相互的关系图

随着生坯的复杂度增加（有不同阶梯、孔位、造型特征等），模具与模架更趋于复杂，设备的吨位和高度也逐渐增加，这可不是一层楼（3米）可以解决的，必须挖出地下坑洞并建立工作的平台，如图3复杂的粉末冶金压制用模架，大吨位的压机。对于粉末压制技术而言，最重要莫过于压制后生坯的粉末密度分布之均匀性，而且金属粉末必须是相互有机械冶金键结的结合，特征清晰且不发生裂痕，这便要在材料粉末、产品外型、模具、模架和压机五个重要因素的设计调和，并非容易的事，目前全球顶尖的设备与产品制造商仍属欧美日公司，我们华人仍旧需要更努力。

图3：(a)极为复杂的粉末冶金压制用模架，以提供更多的产品特征（图片来自华南理工大学专利说明书CN1238139C）；(b)宁波东木工厂内一部大型的粉末冶金压机，地下高度和地面高度是一样的，可以制作非常大的粉末冶金制品（图片由宁波东睦提供）

压制后的粉末生坯仅需要很低的烧结温度，便可以固化并具有一定强度，压制后处理包含：

• 不需烧结，直接应用，如一体电感的软磁粉外层；
• 不需烧结，先二次加工，包含钻孔与外型修正，或是预烧结到0.7Tm（材料熔点），再予以加工后烧结；
• 使用网带炉烧制820-980℃的铜基产品、1120℃的铁基产品；推舟炉或称推杆炉可以烧到1300℃的不锈钢制品；批次炉是可以根据材料料需求烧结到不同温度，例如石墨真空批次炉对硬质碳化物合金的烧制高达1480℃；
• 烧结后还需要很多的各式金属表面处理、硬化处理甚至包含封孔与装饰，以及自润轴承的浸润油处理等。

工厂所在地分布

两岸的粉末冶金制品最大的公司都与日本公司有合作的渊源，其中宁波东睦新材料有限公司拥有两岸最大的粉末冶金制品工厂，合作的日本公司是睦特殊金属；台湾最大的粉末冶金制品工厂是保来得股份有限公司，合作的日本公司也就是日本保来得，加上大陆扬州保来得工厂的规模紧跟在宁波东睦之后，两大公司都算是国际上知名的粉末冶金制品公司。表1列出两岸在国际上知名的粉末冶金制品厂，提供读者参考，实际上中国国内的粉末冶金制品厂相当的多，许多工厂甚至只有数台压机与一部烧结炉也加入生产粉末冶金制品的行列，难以全面统计。有个有趣的现象，大部分PM公司都有MIM制品的制造能力和产线。

表1：两岸粉末冶金知名大厂（规模较大，至少5条炉子）

在大中华地区粉末冶金工厂的集中效应很明显，几个特别的区块分别是：

• 浙江省宁波市及其周边城市如义乌市、金华市和武义县、永康市与横店市等；
• 江苏省的南通市、扬州市与无锡市，沿着长江一路到南京市与安徽省；
• 广东省珠三角的广州市、中山市、江门市，大多与小型家电有关；
• 四川省与重庆市，西部的军工与汽车重镇；
• 台湾省的桃园市、新竹县市与苗栗县。

产品应用

粉末冶金的产品应用实在是不胜枚举，这些可以在网络上轻易地查到，如图4，Dr. Q仅举一些常见的例子加以说明：

• 齿轮与传动元件──具有重复性的特征并大多是等轴轮状元件，包含各种正齿轮与部分斜齿轮、鍊轮与棘轮等等，齿轮模数大于1mm且外径大于5mm的特征。这是粉末冶金制品最大宗；
• 各种机械臂、连杆、联轴器──广泛用在工具与机械的各种小零件，尤其油驱动汽车在发动机和变速箱内的机构零件；
• 家电用磁性与软磁元件、配件──在冰箱、空调压缩机上的磁性环件、厨房用的绞肉刀、厨具配件等等；
• 各种电动工具与木工机械配件和刀具──用于手持工具上最多，包含电工、木工、泥水工等等的各种工具；
• 传统与智能锁具──复杂的多孔重复特征的锁芯、连动机构；
• 磁性材料也是利用粉末冶金工艺制作如电感器、磁铁等；
• 陶瓷材料和石墨等等，也能够使用这样的工作原理，来制作陶瓷元器件。

图4：粉末冶金工艺制作的各种零配件

小结

粉末冶金技术起源于人类最早以手工泥塑制品的概念，并在发现金属能够制作成粉末后并可再以净形加工的方式，集合了三大概念之大成，凡是能够粉末化的金属材料皆能应用粉末冶金的技术来成形出制品，广泛的应用造福人类，同时新的工厂管理观念和设备日新月异的改进，现代化的粉末冶金制品都开始自动化的制造制品，全球最大的制品号销售额都在咱家附近，各位读者有机会要多多了解喔！

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