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不能滲透與可滲透粉末燒結產品

                                          在密度量測上之差異(上)

Density Determination of impermeable and

                                              permeable Sintered Parts

                                                                                                    吳松柏

前言

從ASTM、MPIF、JIS、CNS、中國國家標準等規範中，對粉末冶金學的論述

得知影響粉末燒結材料或多孔性產品的性質優劣原素，不外乎有下列六項

因素︰

1、原料成份之選擇是否正確？

2、粉末的特性是否合乎要求？

3、製程參數中的成形壓力設定是否正確？

4、燒結溫度設定是否正確？

5、燒結時間的控制是否恰當？

6、燒結氣氛的選用是否正確？

這六項原素都一一影響產品本身的密度、強度、硬度、抗腐蝕性等。今吾

等就目前產業界對粉末燒結材料或多孔性產品『密度』的量測提出報告，

特別著重於封閉孔與開放孔（如圖1所示）之差異。

圖1 開放孔與封閉孔之示意圖。

密度定義上的差異︰

1︰不具滲透性產品的密度 (Impermeable Density) 所定義之體積不含開放孔，或開放孔不會被水滲入者，在精密陶瓷學中稱為視密度( Apparent Density)以下以Da表示。

量測範圍︰包含樣品物體內封閉孔隙所測得之密度。

代表性產品︰橡膠、塑膠產品、硬質合金、貴金屬等或外部液體不能滲入之粉末燒結產品或孔隙小之多孔性產品。

2︰具滲透性產品的密度 (Permeable Density) 所定義之體積含開放孔及封閉孔，粉末冶金中一般所稱之燒結密度即屬此，在精密陶瓷學中稱為體密度(Bulk Density)以下以 Db表示。

量測範圍︰包含樣品物體內封閉孔隙與開放孔隙所測得之密度。

代表性產品︰粉末冶金、精密陶瓷、氧化磁鐵、土壤、吸水性材料…等或外部液體可滲入之粉末燒結產品或孔隙大之多孔性產品。

密度演算公式上的差異︰

1︰不具滲透性產品密度的演算公式︰

視密度＝(樣品在空氣中之重量×水密度)÷(樣品在空氣中之重量－樣品在水中之重量)

Da＝(Wa×ρ)÷(Wa－Ww)

Wa︰樣品在空氣中之重量

Ww︰樣品在水中之重量

ρ︰水密度值

2︰具滲透性產品密度的演算公式︰

體密度=(未含油樣品在空氣中之重量×水密度值)÷(防水後或滲油後樣品在空氣中之重量－防水後或滲油後樣品在水中之重量)。

Db＝(Wa×ρ)÷(Wb－Ww)

Wa︰樣品在空氣中之重量

Wb︰防水後或滲油後樣品在空氣中之重量

Ww︰防水後或滲油後樣品在水中之重量

ρ︰水密度值

樣品處理上之差異︰

根據規範中所述︰

密度測試方法不管是A︰不具滲透性粉末燒結產品或B︰具滲透性粉末燒結產品都是應用阿基米得的水中置換法原理，只是在樣品處理上有所差異。

A︰對不具滲透性粉末燒結產品而言，樣品必須乾淨且去除毛邊和配件，就立即可以使用直讀式比重天平來得到密度值。

B︰在具可滲透性粉末燒結產品方面，它除了A項的處理程式之外，其流程增加了防水處理或滲油處理程式。

理由與原因︰

為何可滲透性產品需要加以防水處理？

因為架構性粉末燒結機械零件、含油軸承、精密陶瓷被動組件、防火材料等都屬於吸水性粉末燒結產品或孔隙大之產品。此類產品的密度求法是以體密度為主要的認定標準。所謂『體密度』︰如前所述它是包含樣品物體內的封閉孔隙與開放孔隙所測得之密度，由於它牽涉到樣品物體的開放孔隙，所以當樣品物體置入水中時就立即出現吸水現象，氣泡緩緩浮上水面。此現象說明樣品表面之開放孔隙被水滲入。而這些滲入的水代替原本開放孔隙的位置，因而降低樣品本身的浮力。此時所得到之密度測量結果將高於樣品實際的密度值，其量測值是不能加以採用的。為了避免此吸水現象的發生，樣品本身必須加以防水處理或滲油處理。

處理過程︰

有鑑於二者在處理上之差異現象，吾等將依照以下四項處理方法，應用在目前產業界使用的二個變量的直讀式比重計和ASTM所述三個變數的標準量測方法，針對『生胚密度』、『燒結後密度』、『產品密度』加以實驗比較。您也許可以看出一些端倪？因為這些密度若能加以精密的量測，不僅提供下游廠家進料的檢驗參考數據，也是製造廠產品性量的一個重要保證。

防水處理方法可分為︰

1、用真空含油做為防水處理

2、用日本water-proof 劑浸泡做為防水處理

3、以泡酒精做為防水處理

4、用凡士林做為防水處理

實驗報告︰

樣品︰青銅粉，燒結後。潤滑劑0.7%、見掛密度3.0g/cm3、流速32s/ 50g

1a︰真空含油防水處理利用二個變量(Wa及Ww)的直讀式比重計的量測結果

Da=(Wa×ρ)÷(Wa－Ww)      ( 20℃  ρω＝0.9982)  注︰表面殘油已擦拭

此方法是不正確的，會造成所得到之密度值將高於產品實際的密度值。

1b︰真空含油防水處理利用ASTM三個變量(Wa、Wb、Ww)標準量測結果

Db＝(Wa×ρ)÷(Wb－Ww)     ( 20℃  ρω＝0.9982)  注︰表面殘油已擦拭

2a︰日本water-proof劑防水處理利用二個變量的直讀式比重計的量測結果

Da＝(Wa×ρ)÷(Wa－Ww)     ( 20℃  ρω＝0.9982) 注︰表面殘劑已刮除

此方法是不正確的，會造成所得到之密度值將高於產品實際的密度值。

2b︰日本water-proof劑防水處理利用ASTM三個變量標準量測結果

Db＝(Wa×ρ)÷(Wb－Ww)     ( 20℃  ρω＝0.9982)  注︰表面殘劑已刮除

3a︰泡酒精做為防水處理利用二個變量的直讀式比重計的量測結果

Da＝(Wa×ρ)÷(Wa－Ww)      ( 20℃  ρω＝0.9982)

此方法是不正確的，會造成所得到之密度值將高於產品實際的密度值。

3b︰泡酒精做為防水處理利用ASTM三個變量標準量測結果

Db＝(Wa×ρ)÷(Wb－Ww)      ( 20℃  ρω＝0.9982)

4a︰塗凡士林做防水處理利用二個變量的直讀式比重計的量測結果

Da=(Wa×ρ)÷(Wa－Ww)     ( 20℃  ρω＝0.9982)  注︰表面殘劑已刮除

此方法是不正確的，會造成所得到之密度值將高於產品實際的密度值。

4b︰塗凡士林做防水處理利用ASTM三個變量標準量測結果

Db＝(Wa×ρ)÷(Wb－Ww)     ( 20℃  ρω＝0.9982)  注︰表面殘劑已刮除

經驗分析︰

不管採取何種防水處理所測得之結果，ASTM三個變量標準量測方法都比二個變量的直讀式比重計的量測方法得到正確。由實驗當中，得到一些經驗︰

1、真空含油防水處理比較耗費時間，且必須有真空含浸設備。

2、浸泡water-proof劑於樣品表面的多寡，將影響密度值。

3、泡酒精滲透之動作和表面乾燥之速度很快，酒精的蒸發速度也很快，不易

     量測。

4、涂凡士林於樣品表面的多寡，將影響密度值且不易塗抹。

注意事項︰

應用阿基米得原理的水中置換法在多孔性產品的密度測量時，必須要確認樣品本身是屬於A︰不具滲透性粉末燒結產品，或是B︰具滲透性粉末燒結產品。然後在加以選擇您所需要的量測設備。然而截至目前為止，一般直讀式密度計僅有二個變量，屬於具滲透性粉末燒結產品或孔隙大之產品專用的三個變量的直讀式密度計甚為少見。

測試心得︰

以上防水處理方法利用ASTM三個變量標準量測結果，對生產工廠的品管人員在測量『生胚密度』、『燒結後密度時，是最正確的方法，但若要快速則可考慮用封蠟法，為了得到準確的結果只要稍為將計算公式改變一下即可達到您所要之結果。

回顧ASTM、MPIF、JIS、Z2506和GB/T 5163所敘述，關於『生胚密度的量測』、『燒結後密度的量測』其演算公式為︰

Db=未含油樣品在空氣中之重量×水密度值/(防水處理後樣品在空氣中之重量

－防水處理後樣品在水中之重量))。

Db＝(Wa×ρ)÷(Wb－Ww)

而吾等建議稍加修改之演算公式為︰

Db＝未含油樣品在空氣中之重量÷｛[ (防水處理後樣品在空氣中之重量－防

水處理後樣品在水中之重量)÷水密度值]－〔(防水處理後樣品在空氣中之重

量－未含油樣品在空氣中之重量)÷防水處理溶液密度〕｝。

Db＝Wa÷{ [ (Wb- Ww)÷ ρ] - [ (Wb-Wa) ÷Dp] }

Wa︰成形後或燒結後樣品在空氣中之重量

Wb︰防水處理後樣品在空氣中之重量

Ww︰防水處理後樣品在水中之重量

Dp︰石蠟的密度

ρ＝水密度值

此兩演算公式之差別︰在於浸泡防水處理溶液時附著於樣品之覆蓋層，其

覆蓋層之濃薄和樣品在水中所產生之體積是有關係的。但是ASTM MPIF、

JIS 和GB/T 的演算卻將其忽略。吾等認為各種實驗貴在求真，所以將其實驗

結果給予提供各位先進參考，以下實驗是為了證實以上所述。

『生胚密度的量測』︰

樣品一是採用︰青銅粉。

1、利用分厘卡Micrometer量測求取密度值︰

（1）樣品形狀︰長方形平板成型，其尺寸分別為長31.89mm寬12.75mm高

      5.02mm

（2）樣品體積V＝2.041cm3。

（3）樣品重量W＝12.990g

（4）則其總體密度可由乾燥重量除以實測的體積來決定

（5）D＝W÷V＝6.364

     2、利用封蠟法PARAFFIN WAX求取密度值︰

（1）    先將未封蠟的試樣放在室溫中稱其重量，記為Wa。

（2）將蠟一層層刮下來，以磁性攪拌機加熱其融化且蠟溫保持在80℃ ，將試樣放入一下即可，使其覆蓋一層蠟以封住表面的空孔。封蠟完成後秤重，記為Wb。

（3） 將封蠟的試樣放入水槽中秤重，記為Ww。

（4） 如不知道蠟的密度，必須先測量其密度，記為Dp

Wa︰生胚樣品在空氣中之重量

Wb︰防水處理後樣品在空氣中之重量

Ww︰防水處理後樣品在水中之重量

Dp︰石蠟的密度0.885~0.915

演算條件︰Dp設定為0.9000，ρ＝水溫度設定為25℃ ＝0.99707

演算公式︰體密度(Bulk density)Db  = Wa÷{[ (Wb- Ww)÷ρ]- [ (Wb-Wa)÷Dp] }>>>>>>>>待續>>>>>>>