鈦及鈦合金的金屬注射成形

01 簡述/Introduction

鈦及鈦合金的比重幾乎是鐵金屬的一半，具有低密度、良好的耐腐蝕能力、高比強度以及令人滿意的生物兼容性，在航空、航天、化工、生物醫學等領域得到廣泛的應用，并為人類社會帶來巨大的經濟效益，尤其是在人體植入物取代失效的骨骼 如假牙、牙根、義肢等骨骼補強，是一種能夠造福了人類的好材料

然而，鈦及鈦合在粉末冶金技術上最大的難題是如何減少或避免氧化的發生，根據吉布斯自由能(Gibbs Free Energy)所繪制的氧化物的標準生成自由能—溫度圖的觀察，想要把氧化的鈦或鈦合金還原回金屬，所付出的代價極為龐大不符合經濟效益，這也是鈦及鈦合在粉末冶金制程上的劣勢，與鐵系家族材料相比，就失去了加工成本的優勢。無怪乎鈦與鈦合金在傳統塊材加工的優勢比起粉末冶金要高許多，這是粉末冶金從業首先要知悉的

02 注意要點

鈦及鈦合金的粉末注射成形產品要能成功，必須按照以下方式著手

• 起始粉末的氧含量控制，必須要把粉末的氧含量控制在3000 ppm以下，最好當然是控制在小于1000 ppm；購買低氧含量的粉末才有良品產出的機會

• 制程中必須注意到與氧氣反應的機會，混料粉末與黏結劑必須在保護氣氛下進行、注射成形盡可能減少加溫與保溫時間的減少、脫脂過程采用還原性氣體保護或改用還原性草酸脫脂、脫脂后立刻進行真空或是保護氣氛燒結；

• 燒結承燒板與支架系統的設計，利用不易被鈦搶氧的氧化鋯板、小塊海綿鈦犧牲擺設協助燒結系統內氧含量降低；

• 在材料粉末系統中加入搶氧的的成分，如鎂，但這樣可能造鈦及鈦合金的成分變異，燒結后鈦及鈦合金強度變差

2.1粉末原料選擇

使用低氧含量的粉末是鈦及鈦合金注射成形的首選，這意味著粉末使用的是氣霧化法的球行粉末較為適合，氣霧化粉因為使用惰性氣體加壓冷卻，粉末顆粒較大而圓，氧含量較低，目前以美國的卡本特與英國的山特維克為主，粉末粒徑以d50=10~12um為宜，過于細小的粉末容易氧化，制程過程也較危險；水霧化法過于細小和粗糙，機械破碎法的顆粒較大，都不適合注射成形制程；另一派說法支持以氫化鈦粉除氫，并以高能量如等離子破碎圓化粉末，雖然取得原料成本很低，但是專利的糾紛和控制設備的投資頗高，目前尚未普及.

2.2黏結劑配方

調配鈦及鈦合金有兩種喂料系統，建議如下表1所示，配方比以收縮率范圍1.166~1.220之間較佳。這些配方都是市面上已經公開的

表1.鈦及鈦合金的配方調配表

由于鈦及鈦合金的氧化問題，建議配方比中的金屬體積不高于63%，以避免喂料調配與注射成形過程粉末的摩擦可能，一旦摩擦溫度過高導致氧化的可能性增加

2.3喂料調配的注意事項

特別要注意控制混合喂料的投入材料順序和溫度的控制，請見表2的描述。兩種喂料的混合程序建議。注意到混合過程一定要以保護氣氛進行氧氣的排除，注意到所有高分子黏結劑顆粒或是粉末一定進行烘干，確保沒有水分，難以烘干的蠟和硬脂酸等低分子黏結劑，建議以低溫真空去除水分.

表2. 喂料的混合程序建議

03 主要制程

一但喂料完成一直到注射成形，這是整個粉末最安全的狀態，可以暴露在空氣中作業無妨，但是在注射過程的加熱一定要注意不要讓喂料停留在炮管中太久。注射塑基喂料過程一但故障、調機，一定要把射嘴溫度和最高溫區域設定在10分鐘不工作就要將溫度切斷，使喂料低于150℃.

鈦及鈦合金注射成形后生坯與一般金屬材料的喂料無異，可以放置在空氣中。鈦及鈦合金粉末包覆了黏結劑之后，黏結劑可以有效的阻隔空氣中的氧。然后進行脫脂后，不論是溶劑脫脂還是還原性的草酸脫脂(不建議使用強氧化的硝酸脫脂方式)，首先要確保離開爐體的溫度要低于50℃以下，以確保氧化不會發生，脫脂后的棕坯是多孔性的，非常容易與空氣中的氧反應，請注意。棕坯放置在外的時間越短越好，盡快的進入燒結系統中.

燒結的承燒板以及燒結盒的設計是重要的，由于鈦及鈦合金的氧親和性高，在高溫狀態甚至能夠奪取氧化鋁中的氧，因此陶瓷承燒板建議采用氧化鋯板，但不要選擇碳化或氮化的材料，鈦及鈦合金也喜歡親和碳元素和氮元素。在過去的燒結經驗中，在燒結箱中放置海綿鈦作為搶氧的犧牲塊，這是有效但是降低了燒結爐的效率，每次要消耗不少的海綿鈦之外，佔據的空間和消耗的熱量都是負面的.

以上是在制作鈦及鈦合金粉末注射成形的經驗分享，操作者一定要謹慎，純鈦的細粉狀態是高危險性，這些有色金屬(密度<4.5g/c.c.)都具有粉塵爆炸的風險，雖然鈦及鈦合金已經算是活性最低的有色金屬.