作者：首席顧問：邱耀弘博士(Yau Hung, Chiou 以下簡稱Dr.Q) 昆山耀德企業諮詢有限公司曾經多次協助多廠採購並安裝克萊墨(Cramer)、島津(SHIMADZU)、恒普真空(HIPER)、美揚科技(B-WELL)、至隆真空(THRONE)、漢冶科技(HANYE)與宏倫真空(V-tech)等包含連續、批次燒結爐及熱處理爐，對MIM技術推進不于餘力的推廣，以下是常見MIM爐子選型的要點回答。1.MIM業界燒結爐能力總結，包括國內外燒結爐對比。答：1.1爐型對比在全球的燒結爐市場有一個有趣的現象，您會發現連續爐和批次爐都長得很像，甚至結構都一模一樣，主要是在海外爐體的設計公司是僅畫圖和設計，方案是可以購買的，因此你就會有某某爐子是抄襲某某公司的誤判，其實只要在細節觀察後，每一家爐子的細節仍有差異，這便影響了爐子的控制與產品的性能。例如恒普真空的真空爐與日本島津/連續爐與克萊默都相似，這便是初始圖紙均是購買自日本/德國同一家設計公司。目前全球燒結MIM的爐子設計分為兩種大分類，如表一所表示。其中由於MIM件的燒結溫度遠遠高於PM，使用批次爐對於PM製品的燒結效率過低，並批次爐不能燒制PM，而是大材小用並不適用。表1.MIM用燒結爐型
| 運作形式 | 主要進給方式 | 溫度範圍 | 熱場壓力 | 應用場景 | 主要氣體 |
| 連續式 | 步進梁 | 1300~1500/1400~1600℃ | 封閉微正壓(<200Kpa | MIM | H2/N2/Ar |
| 推板、舟 | 1300~1500℃ | 半開放正壓(<150Kpa | MIM | H2/N2/Ar | |
| 網帶 | <1250℃ | 半開放正壓<150Kpa | PM | H2/N2 | |
| 批次式(間歇) | 石墨熱場 | 1200~1500℃ | 封閉負壓/加壓 | MIM/PM | N2/Ar |
| 金屬熱場 | 1200~1500℃ | 封閉負壓/加壓 | MIM | H2/N2/Ar |
1.1.1連續式連續式的燒結爐第一個特徵是連續工作不停歇，可以有很大量的產出能力，由於產品是裝載在舟(Boat or Tray)上，通過一個三維熱場並不斷地前進，氣流進入與舟的行進方向相反，因此熱量的傳遞是非常均勻，比較沒有溫度的死角, 特點如下所列出：l熱場：產品通過熱場是連續不斷的變化，均勻相對較優(僅需考慮上下層)；溫升/降速率極高，如脫脂不全有生坯報裂的風險；l產品裝載量：連續燒結的產品輸出很大，通常以每小時出幾舟做為產出，每一舟的裝載量便可以算出產能；但注意到產品的裝載要很一致，不適合多種重量或體積差異過大的產品共燒(過大燒結不熟透/過小容易燒熔) ；l震動：產品裝載於舟內要注意運動過程的震動、氣流的衝擊等；其中產品在步進梁式震動最小、推舟次之，網帶式就根據網帶的張力不同而有差異，不易穩定控制；l加熱組件：加熱元件區分不同溫度等級, 低於1250℃採用鎳鉻發熱絲，易於維護且可忍受熱衝擊。高於1300℃則採用鉬加熱絲，而不使用矽鉬棒(無氧環境效果不佳)，必須使用氫氣保護以維持鉬絲的壽命；l熱電偶：不同溫度區間採用不同熱電偶，特別在高溫>1300℃採用鎢錸熱電偶要避免熱衝擊(<250℃/24小時, 即溫度變化不能超過10.5℃/小時) ；l耗氣量：維持正壓以上的氣氛耗氣量大，根據爐型和腔體開口大小而定，半封閉的損失氣體最為嚴重；l維護：爐續爐一般的維護每次停爐至少要超過24小時以上等待降溫，尤其是步進梁式降溫由高溫降至300℃方可掀蓋，每日最多只能250℃變化以避免熱電偶損壞；升溫要熱穩定與除水分還需要超過2天以上，非必要狀態不停爐(考慮每年一次歲修)；l溫度震盪穩定時間：至少4小時才能平衡。1.1.2批次式批次式的燒結爐最大的好處是可以控制時間內完成燒結工作，裝載量不大但工作上的彈性較優，產品是放在固定的層板和陶瓷承燒板上，僅有氣流的流動，特點如下列：l熱場：產品通過固定熱場是僅依靠氣流帶動的變化，均勻相對較不利於大體積產品(需考慮產品所在爐膛中的位置)；溫升速率最高大約5℃/分鐘，帶真空負壓的作用仍有生坯爆裂風險；l產品裝載量：產品的輸出受到裝載量的限制，通常以每24小時以內燒一爐作為計算基準，裝載速度和爐膛尺寸大小是關鍵，有比較長的產品上載(Loading)和下載(Unloading)的時間；l震動：產品裝載於層板中震動很小(除非爐體安裝不正確)，但小的產品有機會被燒結過程的氣流吹動，例如真空與分壓切換的時候；l加熱組件：加熱元件石墨熱場是以石墨電極、金屬熱場是以粗鉬絲，在真空保護下損耗很低；l熱電偶：不同溫度區間採用不同熱電偶，較不容易故障；l耗氣量：維持負壓、分壓或真空的氣氛耗氣量很低，根據燒結工藝需求而定，封閉式的爐體的損失氣體很小；但切換正壓時氣體的供給量仍需要足夠的氣量；l維護：批次爐一般的維護要勤勞，主要在於結合脫脂的燒結爐必須定期清理排蠟管道，真空泵的油品也要定期更換，但每日都可以停機維護因此較為有彈性。1.2全球MIM業界主要供應商大抵上燒結爐和機械設備一樣，爐子都是很相似的設計，在美、日、德的高端爐體設計與製造是分開的，有了前車之鑒，每家燒結爐的設計取決在爐襯材料、管道閥門以及施工費用，還有最重要的在爐殼的焊接技術以避免洩漏。根據邱顧問的協助調查，全球MIM用燒結爐知名品牌如表2所表示。其中包含德、美、日與我國的知名品牌。表2.全球MIM用燒結爐用於中國境內較知名品牌(國內Cramer以爐續爐為主/批次爐則由島津, 恒普, 美揚, 至隆則專長在於訂制化熱處理爐為主)
| 廠牌 | 國家 | 專長爐型 | 客制化 | 特色 | |
| 1 | Cramer(克萊默) | 德 | 連續 | 無 | APPLE指定MIM專用連續爐 |
| 2 | Nabertherm(納博熱) | 德 | 連續與批次 | 無 | 泛用的貴族品牌 |
| 3 | CM | 美 | 連續與批次 | 無 | 較多用於PM燒結專長 |
| 4 | Shimadzu (島津) | 日 | 批次 | 有 | MIM用日本第一品牌 |
| 5 | Hiper (恒普真空) | 中 | 連續與批次 | 無 | MIM市占率最高，中國式場第一 |
| 6 | Meiyang-bwell(美揚) | 中 | 連續與批次 | 無 | MIM中國市場第二 |
| 7 | THRONE(至隆真空) | 中 | 批次爐 | 有 | MIM訂制化爐型中國第一 |
1.2.1 Cramer(克萊默)網頁：CREMER Thermoprozessanlagen (cremer-polyfour.de)這是德國的一家知名品牌熱處理設備公司，國內最早應該是曲選輝教授幫忙江蘇某廠選購開始，而在2007年與APPLE公司簽訂了MIM燒結的合作協定後成為指定供應商，在2017年之前是中國APPLE MIM製品承認供應商(Approval Vendor List, AVL)指定用爐，初期銷售佔有率極高。APPLE指定的步進梁式(Walking beam)酸催化脫脂與燒結連續爐(4L, 6L, 6XL, 8XL四種型號，其中4, 6, 8為每小時出爐數量, L為220X330X90mm, XL為330X330X90mm, 在2019年後受到我國恒普的追擊, XL修改為330X330X120mm)。在中國約有銷售20部以上的實績。克萊默實際在歐洲生產已經不進行爐體的組裝，而是直接到客戶指定工廠進行現場組裝，組裝時間需要約100天包含測試與燒結，連續爐使用大量的氫氣/氬氣/氮氣，並消耗大電流，同時因為適合氫氣燒結，僅適合於低碳含量(<0.1%)的不銹鋼系燒結或是含鐵、鎳、鉻、鈷為主的合金材料。由於因溫度震盪與燒結時差(舟的數量)，連續爐不適合頻繁的調整溫度來進行實驗。1.2.2 Nabertherm(納博熱)網頁：官方網站-The Nabertherm furnace world | Nabertherm這家的爐子比起Cramer又更加貴族化，僅供應給少數歐洲國家的MIM工廠，燒結量大的實績很少，爐子的製作和溫控屬於全球頂尖但是限制很多，價格和限制阻礙了推廣的腳步，在亞洲大都用他的爐子來燒結陶瓷(國內的順絡用來燒鐵氧體、三環用來燒氧化鋯)，鮮少用於MIM製品的燒結量產。1.2.3 CM網頁：Lab,Box,Tube,Muffle,& High-Temp Industrial Furnaces & Ceramic Kilns (cmfurnaces.com)CM則是美國的爐子品牌已經有百年的歷史，美國的大量的PM和小MIM廠多使用這家公司的燒結爐，CM的連續爐有獨特的推舟設計不會造成卡住(推舟作底在低溫區且外露)，不過價格昂貴連APPLE供應商都不樂意採用。國內則是早年的台耀科技和中耀科技有買過CM的爐子，故障率甚低幾乎沒有卡爐停機。1.2.4 Shimadzu (島津)網頁：https://www.shimadzu.com.cn/industrial/vacuum-furnace/日本島津的真空燒結爐是在1992-2012稱霸亞洲，2004年便轉移到中國生產MIM專用燒結爐，由於早期MIM在日本與臺灣發展較早，也因為當時的爐具遠比德國與美國品牌便宜，石墨與真空的設計節省了用耗電/耗氣量/工廠空間，採購成本可以下降，且有較高的生產彈性，圓筒外形的批次真空燒結爐，這成為日後我國MIM燒結的標準設計，奠定了我國MIM製品能夠快速地發展。最早的採購島津MIM燒結爐應該是臺灣高雄春雨於1992年，而1996年Dr. Q去日本採購是島津出口臺灣的第二部，臺灣成銘電子在2002年一口氣買了10部，中南昶聯和北京安泰也購買了各兩部，這些都是當代很轟動MIM業界的往事。2012年之後，由於恒普真空的出現，逐漸地取代島津的地位，島津在中國寧波的工廠決定在2019年結束制做MIM專用燒結爐並返回日本製造。1.2.5 HIPER (恒普真空)網頁：恒普技術,碳化矽長晶爐,寧波恒普技術股份有限公司 – 恒普技術,寧波碳化矽長晶爐,碳化矽長晶爐廠家,寧波恒普技術股份有限公司 (hiper.cn)恒普真空的發展歷史是國人的驕傲，創始人和團隊原本就是為日本島津真空爐在中國工廠的第一批訓練人員，然後在自己創業開始製作屬於中國MIM的真空燒結爐，由發展至今大約10年擴大到現今的規模，幾乎每半年就進行改版設計並修正爐子的缺點，最著名的設計便是把變電箱放在爐殼的正上方以結省占地空間，甚至連老東家日本島津也開始學習；大型觸控面板取代原有的PLC與機械按鍵，使操作介面更為容易，帶動全球MIM燒結設備的升級。2015年開始投入連續燒結爐的設計與製造，也將歐洲原始設計進行大幅的修改，方便我國人操作，甚至APPLE在2019年也接受恒普的連續脫脂燒結爐成為記得德國克萊默連續脫脂燒結爐之後的設備，並且迫使德國克萊默推出相同規格的鉬舟(高度由90mm提高至120mm，增加了30%的產能)，恒普真空領導全球MIM產業燒結設備的更新和先進技術推動。1.2.6 Meiyang-bwell(美揚)網頁：https://meiyang-bwell.com.tw/來自臺灣的美揚科技于1989年成立,是臺灣一家專業生產全進口高溫烘烤爐和真空燒結爐及熱處理爐廠家,原材料都採用德國、美國及日本全進口品牌。隨後在1990年開始研發投入MIM批次燒結爐製造，臺灣與大陸的MIM工廠有許多銷售實績。其中典型的臺灣新北市新日興所製作的MIM轉軸，有將近40部美揚的批次式真空燒結爐。隨著時代的進步，美揚也追隨恒普的設計理念修改設備的缺點，在中國市場成為第二市占率的排名。1.2.6 THRONE (至隆真空)網頁：廈門至隆真空科技有限公司 (cnpowder.com.cn)廈門至隆真空科技有限公司是專業設計、製造硬質合金整套生產設備的高新技術企業。公司擁有十多年的製造經驗，獲得多項專利技術，熟悉高性能硬質合金對設備的要求，並在此基礎上建立了一支龐大的生產安裝團隊，是國內有穩定出口燒結爐的企業。目前，公司所設計製造的設備規格齊全，能滿足硬質合金生產廠家的不同需求。也可根據客戶要求定制各種非標設備。至隆真空堅持“品質至上、用戶至上、科技創新制上”的信念，努力實施高品質、高效率、高效益、低消耗、低成本的“三高兩低”方針，為客戶共同的發展作出大的努力。至隆真空最大的特色在於接受客制化的熱處理設備的挑戰，尤其是傳統燒結MIM用的批次式石墨真空爐往往不具備氫氣脫脂、正壓燒結以及多溫段區燒結的功能，但在至隆真空都可以得到設計實踐與落實。過去，多次與中國國家與民間企業之科研單位合作，許多困難專案均被至隆真空團隊給予克服，為國家材料創新屢建奇功。1.3全球MIM業界燒結爐能力對比與總結以下的MIM燒結爐能力對比與總結系由Dr. Q製錶。Dr.Q為我國浙江省千人之台籍代表，在歐洲與亞洲粉末冶金有非常好的名氣，受聘于PIM International/PM Review特約記者，經常訪問我我國MIM的企業撰寫文章，也是臺灣區電腦輔助成形技術交流協會粉末注射成形的副主任委員，經常在兩岸發表文章客觀的評論各設備技術，可信度非常高且公正。1.3.1 MIM燒結爐能力比較表表3.中國前四燒結爐製造商的能力比較表
| 爐型 | 步進梁式連續爐 | 批次式真空脫脂石墨爐 | |||
| 供應商 | Cramer克萊默 | HIPER恒普真空 | HIPER恒普真空 | B-Well美揚科技 | THRONE至隆真空 |
| 對比爐型 | 8XL | 8XL | 240/480/720L多層板石墨箱 | 300/600L多層板石墨箱 | 240/480/600/800/1280L多層板石墨箱 |
| 裝載尺寸 | 330X330X120 | 330X330X120 | |||
| 24hrs燒結量 | 2500L | 2500L | |||
| 連續酸脫 | 有 | 有 | 無 | 無 | 無 |
| 負壓脫脂 | 無 | 無 | 有 | 有 | 有 |
| 最高溫度℃ | 1400/1550 | 1400/1550 | 1500 | 1500 | 1500 |
| 燒結保護氣體* | H2/ N2/Ar | H2/ N2/Ar | N2/Ar/真空 | N2/Ar/真空 | H2/ N2/Ar/真空 |
| 氫氣最高溫度℃ | 1400/1550 | 1400/1550 | 無 | 無 | 800 |
| 正壓壓力 KPa | 120-180 | 120-180 | <60KPa | <60KPa | 最大20MPa |
| 脫蠟 | 正壓燒除 | 正壓燒除 | 三級補蠟 | 三級補蠟 | 三級補蠟 |
| 超高真空 | — | — | 追加擴散泵 | 追加擴散泵 | 追加擴散泵或分子泵 |
| 升溫限制 | 250℃/日 | 250℃/日 | 5℃/分鐘 | 5℃/分鐘 | 5℃/分鐘 |
| 最高開爐溫度 | 300℃ | 300℃ | 100℃外門50℃/石墨內箱 | 100℃外門50℃/石墨內箱 | 100℃外門50℃/石墨內箱 |
| 客制化 | 無 | 無 | 無 | 無 | 完全客制化 |
| 操作介面 | 全中文 | 全中文 | 全中文 | 全中文 | 全中文 |
| 占地面積 | 25X8M | 25X8M | >5X5M | >5X5M | >5X5M |
| 市占率% | 20 | 80 | 70 | 10 | <1 |
| 熱場設計能力 | 陶瓷熱場 | 陶瓷熱場 | 石墨/金屬 | 石墨 | 石墨/金屬 |
P.S.氫氣在連續爐的陶瓷熱場可以在任意溫度一直使用，主要是其壓力維持在正壓>110Kpa，但在負壓環境的批次式燒結爐仍以必須用正壓條件，溫度最上限以金屬熱場正壓可使用到最高溫(不可以使用於分壓/負壓條件)、石墨熱場則為600℃。必須避免在負壓環境使用氫氣以防止爆炸。少數國內業者採用混合氫氣(10%以下)與氬氣在負壓/分壓的石墨爐於高溫下使用是相當危險，這是違反氫氣燒結的使用規定，首先是氫氣在負壓/分壓環境下有爆炸的高度風險，其次是石墨在高溫(>600)℃與氫反應的分解(CH4)。1.3.2 MIM燒結爐能力總結l步進梁式連續爐的維護成本和產能要求必須是有如APPLE等級的國際大型客戶，因此局限性很大，一但MIM零件產能不足以維持其大量需求，步進梁連續爐便失去其經濟價值。材料的限制也導致其只能燒制低碳鐵系金屬，產品的重量和體積差異不能過大。停爐/升溫的程式耗時，大量耗氣且耗電，不適合少量多樣的低產能生產；l批次式真空脫脂石墨燒結爐的工作彈性高，低耗氣量、省電，且維護成本較低，只要能夠設置正確的燒結參數，並且瞭解爐子的燒結甜區(Sintering sweet zone, 經過滿爐燒結尺寸驗證)，批次爐的優點比起步進梁式連續爐多。不過在MIM需求產能提高狀態與大型MIM產品的優勢上不夠好，主要在於裝載效率低且分攤費用較高。如表4所描述，針對步進梁式的連續爐和石墨熱場的批次式真空脫脂燒結爐的能力總結分析。表4 MIM燒結爐能力總結
| 爐型 | 步進梁含酸脫脂連續爐 | 批次式真空脫脂石墨爐 |
| 等效產能 | 8XL > 13L*8舟*24小時=2500L/日1條線 | l 240L: 2500L/240L * 0.75= 8個(整數化)l 480L: 2500L/480L * 0.75= 4個(整數化)l 720L: 2500L/720L * 0.75= 3個(整數化) |
| 價格比較(粗略) | 德國制 1200萬/線中國制700萬/線 | l 240L+酸脫爐 = 85+25 =110萬/個l 480L+酸脫爐 = 110+35 = 145萬/個l 720L+酸脫爐 = 200+35 = 235萬/個 |
| 占地面積 | 200M2/線 | l 240L/燒結爐25M2 +酸脫爐 4 M2 = 29M2l 480L/燒結爐30M2 +酸脫爐 6 M2 = 35M2l 720L/燒結爐36M2 +酸脫爐 6 M2 = 41M2 |
| 承燒治具材質 | 鉬舟(比較耐用)+氧化鋁陶瓷材料鉬舟18個月後許檢查更換 | 石墨(幾乎不損耗)+氧化鋁/氧化鋯陶瓷材料氧化鋁/氧化鋯容易積碳發黑 |
| 上舟/上盤裝載效率 | 每舟13L/2人24小時須持續工作 | 240L: 0.8小時/2人480L: 1.5小時/2人600L: 2..0小時/2人 |
| 排盤效率 | 小盤堆疊在鉬舟內較費時 | 直接石墨盤擺盤較省時 |
| 常態燒結均溫性 | +/- 1℃ | +/-2.5℃(一般)/+/-1℃(訂制) |
| 熱電偶數量 | l 低溫區3支 <1200℃l 高溫區3支 >1300℃ | l 石墨箱內2支(上/下)l 石墨箱外2支(上/下) |
| 加熱器 | l 低溫區鎳絡絲l 高溫區鉬絲(3個一組，18組) | 石墨加熱棒/石墨加熱片 |
| 耗電量240L24小時約200 | 8XL: 580KW/hr580X24=13920KW | l 240L: 2000(燒)+150X3(酸3爐) KW/24hrsl 480L: 3000(燒)+200X3(酸3爐) KW/24hrsl 720L: 4000(燒)+200X3(酸3蘆) KW/24hrs |
| 耗氣量(包含酸脫爐) | 8XL: 氫氣30M3/hr //氬或氮氣 35M3(1M3 = 1000L) | l 240L: 500L(氬)+4000LX3(酸3爐氮)l 480L: 800L(氬) +6000LX3(酸3爐氮)l 720L: 1000L(氬) +6000LX3(酸3爐氮) |
| 適合MIM材料 | l 小於0.1%C不銹鋼(2系3系6系不銹鋼, P料)l 超級不銹鋼 2507/904Ll 鎳合金l 鈷鉻鉬合金(ASTM F75) | l 鐵系低合金鋼/鐵鎳/鐵鈷/鐵矽合金l 不銹鋼(2X, 3X, 4X, 6X, P料)/2507/904Ll 鈷鉻鉬合金(ASTM F75)l 鎳合金l 鎢鎳鐵合金l 鈦與鈦合金(加擴散泵與犧牲合金)l 鎢鎳銅/銅與銅合金(加氫氣800℃脫脂) |
| 升降溫限制 | 升降溫限制250℃/日 = 10.5℃/時 | 升溫5℃/分鐘 = 300℃/時/降溫無 |
| 氫氣使用溫度限制 | 正壓可用至最高爐溫 | l 金屬熱場正壓下可用至最高溫l 石墨熱場正壓下可用到600℃(依供應商設計與開放條件為准) |
| 上爐蓋/外門最高可開取溫度 | 300℃(陶瓷熱場)氫氣關閉後通氮氣後1hr | l 100℃(石墨熱場) 無氫環境l 150℃(金屬熱場) 無氫環境 |
2.當前影響燒結爐均溫性、均氣性以及真空度的主要因素有哪些？
答：2-1影響燒結爐特性的要素影響燒結爐特性的要素分析如表5所列表5. 影響燒結爐特性的要素分析
| 特性 | 說明 |
| 爐體保溫結構設計 | 一般近代MIM燒結爐殼採用雙層設計，不論是連續爐還是真空爐，最外層則是以不銹鋼304作為氣密要求：l 連續爐中間是填充保溫材料包含氧化鋁纖維、氧化鋁求以及高溫耐火磚等結構；l 批次爐則採用冷壁通的是冷水以維持爐體強度。 |
| 爐體氣密性與結構 | l 真空度的保證；l 確保爐腔內氣流不外泄、外部空氣不侵入；l 支撐產品與承燒板系統足夠，承重能力強；l 各種氣密圈材質對應不同溫度，矽膠/氟橡膠(Viton)。 |
| 內結構材料選用 | l 金屬熱場的鉬最好採用0.3%氧化鑭(La2O3)對抗熱蠕變；l 石墨熱場的石墨不含灰分；l 陶瓷耐火材料要抵抗高溫分解外，還能吸附MIM金屬蒸氣。 |
| 管道系統 | l 抽氣口的分佈與尺寸；l 內結構正壓/負壓導流設計，各種材料轉接的間隙必須易於拆裝與清理。 |
| 工作氣體 | l 氫氣的導熱度最高，氫分子最小可以滲透到粉末間隙中脫除碳；l 氮氣屬於高溫部分金屬可反應，要注意形成氮化物的可能性；l 氬氣分子較大，過大流量和壓力會阻止燒結緻密化。 |
| 真空泵與閥門系統 | l 泵的分級明確(滑閥泵/旋片泵/羅茨泵/擴散泵/分子泵)；l 閥門數量要充足，且以進口閥門精度夠高以防止洩露。 |
| 充氣系統 | l 氣體導入的流量要足夠精密；l 氣體純度>4N以上；l 氣體導入加熱系統中的位置和預熱系統要正確，以免影響爐溫；l 氣路要區分微量及大充氣量；l 批次爐石墨隔熱箱的氣路設計要正確，連續爐的鉬舟開口要適當，這些都是導引氣流的關鍵因素。 |
| 承燒板系統 | l 石墨材料必須無灰分；l 石墨板導熱度必須>200W/mK；l 石墨隔熱氈的孔隙度要夠；l 最高溫度的最大承重設計要正確以防止崩塌。 |
| 加熱系統 | l 鉬絲必須通已足夠氫氣或真空度保護；l 石墨加熱避免氧氣入侵；l 分區加熱以及感測器(熱電偶)搭配要正確；l MIM產品避免直接被加熱器紅外線照射(熱輻射)，否則可能表面融化。 |
| 排氣/排蠟/補蠟系統 | l 爐體的廢氣中包含低溫度(>500℃)的有機溶劑與分解高分子、氧氣、氮氣、一氧化碳或氫氣、出口必須有燃燒以避免有機溶劑或可燃氣體排出發生意外；l 爐體中的高溫蒸氣必須適當引導以避免落回產品表面；l 批次爐的排蠟與補蠟系統要完善，以免使爐腔內碳勢過高；l 由於真空爐採用冷壁式爐腔，必須控制低溫有機物和金屬蒸氣溢出石墨保溫箱外。 |
| 冷卻/急冷系統 | l 石墨熱場降溫除風扇啟動之外，增大充填氣體壓力和流量也很有效，大部分真空熱處理都採用大儲氣罐做為快速降溫手段；l 金屬熱場一般除採用風扇和充氣冷卻之外，亦可改用凍水藉由金屬熱場快速降溫；l 連續爐採用的冷水套急速降溫很有效，但陶瓷承燒板很有可能脆裂；l 加熱電極的冷卻保護非常重要，但對真空度的維持和熱平衡有很大的影響，必須事先經過計算與測試。 |
| 清潔維護 | l 儘量避免交叉污染，須瞭解產品所含材料在各個溫區階段的蒸發情形；l 批次爐必須經常拆卸保養，尤其是補蠟系統，定期空燒以及更換材料的空燒是必須的；隔熱材料或承燒板的鎢擾要每次設法清理；l 連續爐歲修時要更換破損與嚴重污染的隔熱磚、受污染的加熱絲等。 |
| 產品擺放 | l 產品擺放數量和方向要設計，每個產品要留有適當上、下、前、後、左、右的氣流通道(與承燒板接觸位置可以開溝槽)、以便排除有機物並均勻受熱；l 專用承燒板設計要恰當，選材以及重量需正確管制；l 測量批次燒結爐的燒結甜區在那些位置，連續爐則要注意同一舟在高度方向和氣流死角的燒結後尺寸/密度差異性。 |
2.2理論與驗證燒結爐源自科研和現場實務，早在1972-1992這20年間幾乎是頂峰，主要科學探討在於生產實務之後，最早的專利是1972年美國Parmatech(該公司易手數次但現仍存在)所提出的鈮(Niobium, Nb)基耐高溫合金製作火箭噴嘴，當時的發明是由學校和工廠聯合開發，相信在1970年之初已經完成，使用的燒結爐已經用真空技術。該公司網頁為https://atwcompanies.com/parmatech/about-parmatech/，首頁中已經介紹其公司的歷史。其描述如下：“Parmatech, an ATW Company, is a leading supplier of custom manufactured Metal Injection Molding (MIM) components since 1973. MIM is a low cost, high volume manufacturing process that produces metal parts to near net shape, reducing or eliminating the need for secondary and machining operations. Parmatech strives to offer the best solution package to our customers as defined by exceeding their expectations. Solutions include identifying prototyping needs, rapid prototyping, alloy development, and metrology assistance. Engineered Metal Solutions provided by Parmatech, an ATW Company.” 翻譯如下：Parmatech是一家ATW旗下的公司，自1973年以來一直是定制化金屬注射成形（MIM）部件的領先供應商。MIM是一種低成本、大批量的製造工藝，可將金屬零件生產成接近淨形狀，從而減少或消除對二次加工和機加工操作的需求。Parmatech致力於為我們的客戶提供最佳的解決方案包，超越他們的期望。解決方案包括確定原型需求、快速原型、合金開發和計量援助。由ATW公司Parmatech提供的工程金屬解決方案。當年的燒結爐已經不可考證，最早的MIM餵料應該是蠟基餵料，採用溶劑脫脂和正壓氫氣燒結應該是美國MIM早年的標準技術。傳統正壓氫氣燒結爐早已經用在PM行業許久，在封閉空間控制氣體壓力、真空度、分壓等等早已經被傳統工業用於熱處理行業(1960-1970)，MIM燒結自然是延續PM的技術。不過可確信的，當時真空技術已經用在1969年之後(太空船上月球)運到民間工業，真空熱處理的理論和設備都可以用來作為MIM的燒結。不過在1970~1980年的燒結爐(甚至到了1990年代)，自動程序控制都還沒有結合到真空燒結爐，全部都是以手動和可視儀錶來操作，PLC自動化的爐體一直到1990年之後陸續問世並且便利化，2000年以後導入數位化與微電腦人機控制已經全面取代傳統PLC介面。MIM的發明在1972年到去年的2022年已經屆滿50周年，MIM技術的產業、研究、學術經過半個世紀的努力，緣起於美國(1970-1980)，然後推展至歐洲(1980-1995)、日本(1980-2010)，最終到達亞洲與中國(1985-2022)，目前最大金額的製造與銷售均落於中國，而MIM燒結爐的技術自然在中國的供應商擁有最接生產地氣的設計能力。在過去十年的銷售也間接驗證MIM真空燒結爐在全球MIM業界的地位。3.現有MIM真空燒結爐的應用以及在各類材料燒結上的優劣勢。答：傳統的粉末PM壓制燒結(Press-sinter)與MIM相比較，最大差異在於粉末顆粒大小，其次是生坯的成形方式，也決定了燒制溫度上的差異以及最終產品的機械性能。表6. PM*與MIM的差異比較
| 差異 | PM | MIM |
| 起始粉末(目數/um) | 100-150#/100-150um | <400#/3-50um |
| 粉末形狀(球形度) | 0.35-0.7 | 0.85-0.99 |
| 粉末硬度 | <HV120，過大要造粒 | 不限 |
| 粘結劑/潤滑劑(體積比) | <20% | 30-50% |
| 坯體密度 | >75%相對密度 | 50~70%相對密度 |
| 燒結溫度 | ~0.7Tm | 0.85~0.8Tm |
| 燒結體密度 | ~85%相對密度 | >95%相對密度 |
| 表面緻密層 | 無 | >10um |
| 成型方式 | 二維(可程式壓制) | 三維一次成形(餵料塑性流動) |
| 前置脫脂 | 不需要 | 必要 |
| 燒結爐 | 網帶/推舟式連續爐, 批次爐(埋地桶式) | 推舟式/步進梁式連續爐/批次真空燒結爐 |
P.S. 批次式真空燒結爐並非不能燒制PM產品，但裝載效率不高成為短版。早期PM燒制也使用批次桶狀爐(埋於地下)，甚至是與煤炭混合共燒以觀察顏色判斷是否燒成!在江浙一代仍有小型的PM工廠保留這種爐子。
PM的技術延伸也有結合MIM粉末的作法，那就是臺灣大學黃坤祥教授發明的H-PM(高密度粉末壓制)，採用MIM粉末事先進行造粒，便可採用PM的壓制設備進行生坯的成形，然後要進行脫脂與燒結，最好採用的還是具有負壓脫脂的批次式真空脫脂燒結爐，才能有效的把細粉末中的粘結劑給脫除。3.1美國粉末冶金協會(MPIF)的資料表6.MPIF-35 MIM材料代表
| 材料 | 公稱化學成分Nominal Chemical Composition (%) | ||||||||||
| Material | |||||||||||
| 名稱代碼 Designation Code | 鐵 Fe | 鎳 Ni | 鉬 Mo | 碳 C | 矽 Si | 鉻 Cr | 鈮 +鉭 Nb+Ta | 錳 Mn(max) | 鈷 Co | 釩 V | 銅 Cu |
| 低合金鋼 Low Alloy Steels MIM-2200 | Bal. | 1.5-2.5 | 0.5 max | 0.1 max | 1.0 max | ||||||
| MIM-2700 | Bal. | 6.5-8.5 | 0.5 max | 0.1 max | 1.0 max | ||||||
| MIM-4605 | Bal. | 1.5-2.5 | 0.20.5 | 0.40.6 | 1.0 max | ||||||
| 不銹鋼 Stainless SteelsMIM-316L | Bal. | 10-14 | 2-3 | 0.03 max | 1.0 max | 16-18 | 2.0 | ||||
| MIM-304L | Bal. | 11-12 | 0.03 max | 0.8 | 18-20 | 0.2 | |||||
| MIM-420 | Bal. | – | 0.15 -0.4 | 1.0 max | 12-14 | 1.0 | |||||
| MIM-430L | Bal. | – | 0.05 max | 1.0 max | 16-18 | 1.0 | |||||
| MIM-440C | Bal. | 0.6 max | 0.75 max | 0.9-1.25 | 1.0 max | 16-18 | 2.5-3.5 | 1.0 | |||
| MIM-17-4 PH | Bal. | 3-5 | 0.07 max | 1.0 max | 15.517.5 | 0.150.45 | 1.0 | 3-5 | |||
| 軟磁合金 Soft Magnetic AlloysMIM-2200 | Bal. | 1.5-2.5 | 0.5 max | 0.1 max | 1.0 max | ||||||
| MIM-Fe-3%Si | Bal | 0.05 max | 2.53.5 | ||||||||
| MIM-Fe50%Ni | Bal. | 49-51 | 0.05 max | 1.0 max | |||||||
| MIM-Fe50%Co | Bal. | 0.05max | 1.0max | 48-50 | 2.5max | ||||||
| MIM-Fe2Ni | Bal | 1.5-2.5 | 0.4-0.65 | ||||||||
| MIM-Fe8Ni | Bal | 7.5-8.5 | 0.4-0.65 | ||||||||
| MIM-430L | Bal | 0.05 max | 1.0 max | 16-18 | 1.0 |
3.2歐洲粉末冶金協會(EPMA)的資料MIM技術發展至今，歐洲的德國為主要技術輸出國，在期會員刊物上有一個材料使用表如表7所式，大致已經羅列了真空燒結爐可以燒制的材料。其中高碳的材料也可以使用連續爐來燒制(不通氫氣，改通氮氣但是加熱鉬絲壽命較短)，大部分MIM公司仍多數採用真空燒結爐來製作高碳金屬。部分金屬並沒有羅列在本表，主要在於此表的代表年代大約是2000年左右，近20年適合MIM使用的材料不斷的開發出來，MIM真空燒結爐也就必須添加更多控制參數，例如銅與銅合金必須事先在爐外或是共爐採用氫氣在低於800℃脫脂並還原後，才能夠成功的燒結；德國BASF更是每年更新材料庫，就來我國的高校與企業也投入高強度合金鋼的開發，這促使MIM的材料更加多元化。大體合金包含下列：l負壓脫脂+全真空燒結n鐵系低合金鋼(四位元數字的鋼材, 如1020, 2700, 4140, 4605…..)n二元鐵系合金鐵鎳(Fe-2, 4, 8, 50Ni)/鐵鈷(Fe-50Co-1,5V)/鐵矽(Fe-3.5Si)等l負壓脫脂+分壓燒結n前項的鐵系合金均可n多元鐵合金如不銹鋼(200, 304/304L, 3316/316L, 310N, 410, 430, 420/420J2, 440/440C, 630/17-4PH, 高氮無鎳不銹鋼P.A.N.A.C.E.A., 2507, 904L)n工具鋼-高碳鋼與高合金鋼如SKD11/M2n新近開發的高強度鋼n鈷合金-鈷鉻鉬合金(ASTM F75)n鎳合金(Inconel 713C, 718等)n鎢鎳鐵合金 (W-Ni-Fe)n鈷鎳沾結碳化鎢(WC-Co-Ni)與碳化鈦(TiC-Co-Ni)n部分鋁合金l氫氣脫脂/還原+分壓燒結n鎢鎳銅(W-Ni-Cu)及鎢銅合金(W-Cu)n銅與銅合金(加氫氣800℃脫脂)l金屬熱場或石墨熱場高真空燒結n鈦與鈦合金(加擴散泵與犧牲合金)根據EPMA的表格整理出來的資料如表6所表示。表7. EPMA列出MIM可燒制的合金範圍(已經包含部分美國MPIF 35 MIM規範)3.3熱沉材料(Properties of MIM thermal management alloys)與配重塊(Balancer)表8.常見熱沉材料
| 材料 Material | 密度 Density(g/m 3) | 極限強度 Tensile Strength (MPa） | 彈性模量 elastic modulus (GPa) | 熱傳導係數 Thermal conductivityW/(mk) | 熱膨脹係數Thermal Expansion10-6/k |
| 銅 Copper(Cu) | 8.9 | 100 | 130 | 250 | 13 |
| 因瓦合金 Invar(fe-36ni) | 8 | 300 | 205 | 20 | 5 |
| 可伐合金 Kovar Or F15 (Fe-29ni-17co) | 8.0 | 480 | 200 | 17 | 4.9 |
| 鉬 -銅合金 Molybdenum-copper (Mo-15cu) | 10 | 210 | 280 | 170 | 7 |
| 鉬-銅合金 Molybdenum-copper (Mo-20cu) | 9.9 | 200 | 280 | 145 | 6.5 |
| 鎢 -銅合金 Tungsten-copper (W-10cu) | 17 | 500 | 340 | 209 | 6 |
| 鎢 -銅合金 Tungsten-copper (W-20cu) | 16 | 560 | 290 | 247 | 7 |
| 鎢 -銅合金 Tungsten-copper (W-30cu) | 14 | 420 | 260 | 260 | 11 |
表9.高比重配重塊材料(Heavy alloy of W-Ni-Fe) 3.4 MIM真空爐其他用途MIM燒結爐不適合多功能用途，同時最好是專爐專用，同一系列的材料有相近的化學成分以避免交叉污染，這是重要的原則，如有必要則必須使用隔離箱。真空燒結爐最懼怕間隙元素為碳、氧、硼、矽的污染，部分金屬怕高溫狀態的氮，低金屬蒸汽壓材料包含鉀、鈉、鈣、鎂、鋁、鋅、錫、銦、鉍、銅、鉛等也要注意。同時，石墨爐怕碳熱反應會發生氧化物還原，一些氧化物陶瓷板中的元素如鈉、鈣、鋁會成為金屬散佈在爐子與管道，尤其是鈉有發生氧化爆炸的風險，鋁則升成氧化鋁附著於燒結後的金屬表面呈現長毛、灰斑不易清除。4.MIM真空燒結爐未來發展趨勢簡述。答：4.1提升均溫性：多段加熱裝置與多感測器，也可以設計同一爐體多段溫區(至隆真空有設計專利–共爐腔三段溫區)；4.2提高真空度：分子泵可取代擴散泵可節省電力，但要注意金屬蒸汽和粉末的撞擊；4.3產品裝載方式：爐外快速裝填，整箱轉移設計；4.4設備保養簡易性：感測器協助提醒保養作業，並預防故障發生；4.5操作介面簡易性：以大型觸控人機界面取代手動機械開關；4.6專爐專用：獨立隔離艙設計；4.7面對增材製造的小型化腔體；4.8挑戰大型化對比連續爐：大容量(>1000L)燒結爐的設計。5.鈦與鈦合金是否可以使用批次式石墨熱場燒結爐來燒結？銅與銅合金也可以嗎？鋁合金呢？答：鈦與鈦合金要燒結如果買批次式金屬熱場爐是可以解決(連續爐是不能的)，但是鈦與鈦合金的訂單並沒有較大的訂單數量，要分攤批次式金屬熱場爐的費用勢必很高。有沒有辦法用我們常見的石墨爐來燒鈦與鈦合金呢？那銅與銅合金呢？鋁與鋁合金呢？答案是可行的，但是要增加一些額外的設備與治具。下面的表10所列即是描述的辦法。注意到碳和氧是導致上述三種金屬難以燒結的主要因素，碳導致材料與之共晶產生熔點溫度變化，氧化物隔離金屬導致正常溫度燒結無法完成。以下為Dr. Q給予的參考，不過個人建議依定要考慮污染的問題，尤其是高揮發性的金屬銅和鋁，要有適當的遮蔽。表10.幾種特殊材料使用批次式石墨爐的參考作法
| 金屬合金種類 | 鈦與鈦合金 | 銅與銅合金 | 鋁與鋁合金 |
| 主要牌號或成分 | TA1, TA2, TC4 | Cu, Cu-Ni, W-Cu, W-Ni-Cu不含Zn, Sn, Pb等易揮發金屬 | 含鎂的鋁不含Zn, Sn, Pb等易揮發金屬 |
| 起始粉末氧含量與氧化狀態 | >2000PPM | 表面不可氧化 | 表面不可氧化 |
| 燒結溫度 | 1200-1300℃ | 990-1020℃ | 520-550℃ |
| 加強真空(擴散泵或分子泵) | 最好有 | 不需要 | 不需要 |
| 熱脫脂 | 必須要 | 氫氣還原脫脂至少600℃混合氣中氫氣至少10% | 必須要 |
| 熱脫脂工作氣體 | N2 | N2+H2 | N2 |
| 外置犧牲材料 | 海綿鈦/氫化鈦(5~10wt%)/鎂(5%) | 氫氣 | 鎂(5~10%wt) |
| 零件與石墨隔離 | 必要 | 必要 | 必要 |
| 裝載量影響 | 大 | 不影響 | 大 |
| 碳隔離盒 | 氧化鋁/氧化鋯 | 不需要 | 氧化鋁 |
| 燒結氣氛 | 真空或Ar分壓 | N2 分壓/正壓 | N2 分壓/正壓 |
