多孔性材料體密度量測之探討
群隆興業有限公司 吳松柏
粉末冶金類的產品大部分屬於多孔性與吸水性的產品,當使用阿基米德原理中,一般的橡膠、塑膠用比重計去測量時,樣品放入水中,樣品即會一直吸水,造成樣品在水中的重量一直變化,致使量測的數值不穩定。或產品表面附著氣泡,造成量測數值的誤差。相信這是大家在量測時所遇到的問題。
又目前的生產設備昂貴、原物料又持續的上漲,使得生產成本增加;又產品的同質性太高造成同業之間的價格競爭,使得產品所獲得的利潤降低。如何降低生產過程中的不良率,又是另外的一個問題。
例如:
公司的營業額NT$100,000,000,而產品的不良率6%,將造成公司NT$6,000,000的浪費。
公司的營業額NT$100,000,000,而產品的不良率2%,將造成公司NT$2,000,000的浪費。
以上的資料得知不良率越高,所支出的費用越龐大,把不良率降的越低,所獲得的利潤也會相對的提高。如何針對目前產業界所面臨的兩個問題,加以改善是我們所追求的目標。
本公司期望能協助業界有效的地降低產品的不良率,且建立正確且符合規範的生胚密度、燒結後密度、有效孔隙率的量測。特別研發出「全自動真空抽取機 MHV-1」與「可滲透性粉末燒結產品專用密度計 MH-600P」。
研發此兩項量測儀器設備的理論基礎完全根據ASTM B311、B328、 MPIF 42 、MPIF 57與JIS Z2501、Z2505、Z2506和GB/T 5163、5164、5165和CNS Z8041、Z8042之規範,加以研究和設計而成。
1、前言:
一個任意成形的粉末冶金零件和精密陶瓷元件,其複雜的物體體積是很難由市場上所謂的標準量規與量具給予精確測量。如分釐卡(Micrometer)和測徑規(Caliper) ....等。那要使用何種精密方法去量測體積呢?我們可利用阿基米德原理所論述的『水中置換法』去求得物體的體積。但是在複雜的形狀物體中,牽涉到物體本身是否存在吸水的問題,又是一個考慮的因素?
如結構性粉末燒結機械零件、含油軸承、精密陶瓷被動組件...等都是屬於吸水性粉末燒結
產品或孔隙大之產品;在規範中提到此類產品的密度求法是以體密度為主要的認定標準。故多孔性產品密度測量,體密度測量法才是最正確測量方式。
體密度的公式如下:它有三個變數Wa,Wb和Ww。
Wa:樣品在空氣中之重量
Wb:防水後樣品在空氣中之重量
Ww:防水後樣品在水中之重量
其演算公式為:
在上述的演算公式中,要如何達到快速又正確的防水處理作業,又是一個考慮的因素?
反觀目前產業界對於生胚密度、燒結後密度、有效孔隙率的量測有下列幾種方法,是否完全符合規範?是否快速、簡便有待商榷?
A. 將試樣拿至現場在大型真空含浸機做防水處理作業。
B. 利用簡易酒精燈和燒杯在實驗室中做溫度65℃時間30分鐘的簡易含浸防水處理作業。
C. 不做防水處理作業,直接使用橡膠密度計測量樣品的密度值。
D. 使用含有毒性的水銀密度儀量測密度。
E. 只測量樣品的重量做為判斷產品密度的依據。
綜合以上,發現產業界的量測方法和規範中有所差異。因此我們根據各國規範加以研究、開發、實驗、設計下列之兩項量測儀器設備。
第一項:可滲透粉末燒結產品專用密度計MH-600P (圖1)
第二項:全自動真空抽取機MHV-1 (圖2)
提供產業界正確且符合規範的生胚密度、燒結後密度、有效孔隙率的量測。
第一項:可滲透性粉末燒結產品專用密度計MH-200P & MH-600P (圖1)
針對結構性粉末燒結機械零件、含油軸承、精密陶瓷被動組件....等吸水性產品或孔隙大之產品加以設計製造而成。本機主要使用於可滲透粉末燒結產品、精密陶瓷燒結產品、氧化磁鐵、吸水性材料、氣孔隙大之產品....等產業。可直接讀出固體、顆粒體、浮體之樣品在空氣中平均重量、水中平均重量以及體密度、含油率、濕密度、開孔體積等。
只需量測出Wa、Wb、Ww即可立刻計算出樣品的密度。
Wa:樣品在空氣中之重量
Wb:防水後樣品在空氣中之重量
Ww:防水後樣品在水中之重量
圖1 可滲透性粉末燒結產品專用密度計 MH-600P
其演算公式為:
第二項:全自動真空抽取機 MHV-1 (圖2)
在防水處理的作業中,針對規範中的真空抽取油浸法,我們設計製作一台全自動的真空抽取機MHV-1 (L410 x W340 x H430mm)
可依據不同的規範,設定不同的油浸溫度、抽真空時間;測量簡單、快速,資料準確,可節省不少的人力成本與時間成本。
圖2 全自動真空抽取機 MHV-1
2、實驗
2.1實驗一
一般比重計與可滲透性粉末燒結產品專用密度計測量是否有差異?
實驗樣品條件:
樣品:圓形狀生胚產品 實驗報告:水溫25℃
u 數據1:
使用設備:一般比重計MH-203S 0.001g ~ 200g 0.001g/cm3
幹密度測試法:使用一般的比重計測量
演算公式:利用二個變數的直讀式比重計測量
操作步驟:
甲、先測樣品在空氣中之重量
乙、再測量樣品在水中之重量時,約有幾種方式:
1. 先浸泡一下酒精,免除氣泡附著再放入水中。
2. 在水槽中夾住樣品搖晃以去除氣泡,直接放入水中。
表1 所得資料
空氣中重 | 水中重 | 密度 |
8.115 | 6.973 | 7.104 |
8.102 | 6.964 | 7.114 |
8.171 | 7.021 | 7.104 |
8.122 | 6.982 | 7.120 |
8.186 | 7.036 | 7.118 |
u 數據2:
使用設備:
體密度測試法:使用可滲透性粉末燒結產品專用密度計 MH-600P (圖1)
1. 臺灣MatsuHaku MH-600P 0.005g ~ 200g 0.001g/cm3
2. 全自動真空抽取機 MHV-1 (圖2)
3. 使用規範:CNS與JIS的防水處理法 (參看表8)
演算公式:利用ASTM三個變數的直讀式比重計測量
操作步驟:
1. 在室溫中將樣品完全浸入含有油的真空乾燥器裏。
2. 按下抽真空鍵,將容器內之壓力降至小於4Kpa,並保持30分鐘。
3. 30分鐘後,慢慢打開泄壓閥泄壓,然後取出樣品。將其附著於表面油輕輕擦去。
表2 所得資料
空氣中重 | 含油空氣中重 | 含油水中重 | 密度 |
8.112 | 8.128 | 6.960 | 6.942 |
8.179 | 8.196 | 7.024 | 6.974 |
8.160 | 8.179 | 7.006 | 6.956 |
8.135 | 8.136 | 6.967 | 6.956 |
8.155 | 8.153 | 6.981 | 6.952 |
實驗報告:
根據表1、表2所得資料我們可以發現,使用一般的密度計測量密度會造成所得到之密度值高於產品實際的密度值。所以在體密度量測一定要使用規範所述的方法量測,才不會造成密度的差異。
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