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点土成金?挥金如土? 传说中的陶瓷材质(下)


2020-07-22


点土成金?挥金如土? 传说中的陶瓷材质(下)製程探密

在製造过程中来说,所谓的陶瓷与金属之最大的不同点,就是在于「陶瓷」是泛指将具有离子键的各种非金属材料製成粉末状,再以高温「烧结」而成的各式製品。而在烧结的过程中,材料的原子结构会重新排列,从粉体的颗粒状态逐渐成长为类似金属结构的「晶粒」状态,而这段过程就是决定陶瓷成品是否製作成功的关键工序;晶粒的成长速率之快慢会影响晶粒间的孔洞大小与緻密性,烧结温度的精準控制则会影响到与否则会影响到强度与硬度。而陶瓷除了製作过程之外,依使用的原材料种类及纯度的不同,成品的特性也会有极大的差别,简单来说,混合多种杂质与粘土烧製的就是一般的装饰与食器用陶瓷,而以高纯度的单一材料烧製的则就是精密陶瓷。

在烧结的过程中,材料的原子结构会重新排列,从粉体的颗粒状态逐渐成长为类似金属结构的「晶粒」状态,而这段过程就是决定陶瓷成品是否製作成功的关键工序。

更进一步的来探讨使用在腕錶材质上的「结构陶瓷」,其之所以具有良好的机械强度与抗高温性能,是因为其材料之间的键结力较强,且晶粒与晶粒之间皆以三维结构堆叠,可以保持其紧密稳固,除非加热至上千度以上,其键结才有可能会被打断。而在应用上,结构陶瓷除了会以单体零件的形式被使用在腕錶上之外,也会以镀膜或涂层的方式作为金属材质零件的表面硬化材料,如将碳化硅、人造钻石、苏联钻(单晶氧化锆)粉末喷在涂有金属黏结剂的金属工件表面,再以适当温度烧结以让这些结构陶瓷材质附着在工件上面,以增加抗磨损性能与导热能力,如常见于高级腕錶上面的DLC类钻碳镀膜、机车引擎内的陶瓷汽缸等,都是属于此种表面陶瓷硬化处理的範畴。

结构陶瓷除了会以单体零件的形式被使用在腕錶上之外,也会以镀膜或涂层的方式作为金属材质零件的表面硬化材料。如常见于高级腕錶上面的黑色DLC类钻碳镀膜等,都是属于此种表面陶瓷硬化处理的範畴。

而相较于表面陶瓷硬化的产品,全陶瓷材质腕錶所使用的单体结构零件,则有另一种完全不同的製作方式。首先要成形,把陶瓷原料做成錶壳、錶带等形状,手法则有粉末压铸成形、压出成形、射出成形等。而由于近年腕錶的形状设计日益特殊,所以可以製造複杂形状的3D射出成形技术也被大量的应用在成形阶段,并搭配成形后的切削工序以增加成品的多样性。而在成形之后的工件则进入了脱脂工程、也就是烧结的程序,在这个程序中除了以高温将黏合剂从工件中蒸发掉之外,陶瓷颗粒也开始融合成类似金属的「晶相」结构,可说是结构陶瓷、甚至是所有精密陶瓷製品最关键的一段製程。而在烧结过后的结构陶瓷成品仍然会有一些毛边与需要修饰的部份,精度也会有所差异,所以会再度进行切削与研磨的工序,若需要钻孔也会在这个工序一起执行。而最后的工序则是表面抛光处理,无论是镜面、喷砂、髮丝纹等表面质感,都是在这个部分製作完成,而到了这个阶段产品也已完工,静待组装成腕錶的錶壳或是鍊带。但即使是具有良好机械特性的结构陶瓷,但由于韧性不佳,所以对于裂缝成长的抵抗力极为有限,很容易因为外力撞击而产生破裂与缺口,所以这也是以前几乎见不到陶瓷材质运动錶的主要原因。

近年腕錶的形状设计日益特殊,所以可以製造複杂形状的3D射出成形技术也被大量的应用在成形阶段,并搭配成形后的切削工序以增加成品的多样性。烧结程序中除了以高温将黏合剂从工件中蒸发掉之外,陶瓷颗粒也开始融合成类似金属的「晶相」结构,可说是结构陶瓷、甚至是所有精密陶瓷製品最关键的一段製程。素材与特性

在上篇里有跟各位读者提到过,早期的结构陶瓷是以氧化铝为基材,虽然氧化铝具有硬度高(1300~2000Hv)的优势,但却也有着密度低、弯曲强度差的缺点,所以几乎无法拿来打造所谓的「陶瓷运动錶」,只能使用在一般腕錶与装饰腕錶的製作上。而打破这样的僵局的,则是以氧化锆(ZrO2)为基材之结构陶瓷的诞生!与氧化铝陶瓷相比,氧化锆陶瓷虽然硬度(1100~1300Hv)略逊于氧化铝陶瓷,但无论是在整体强度、韧性、弯曲强度上面都比氧化铝陶瓷好上许多,所以除了可以做成大型的陶瓷錶壳之外,在防水设计上也可以比照一般金属材质腕錶,因为同时具有陶瓷与金属材质的特性,所以氧化锆陶瓷可说是目前最炙手可热的腕錶用陶瓷材质,并获得许多主流钟錶品牌大量使用。

即使是具有良好机械特性的结构陶瓷,但由于韧性不佳,所以对于裂缝成长的抵抗力极为有限,很容易因为外力撞击而产生破裂与缺口。所以GRAND SEIKO的氧化锆陶瓷腕錶採用多件式设计,除了能够防止产生应力裂缝之外,万一不幸破损也只要更换单一陶瓷零件即可。

而另一种较为少在腕錶上面见到的,则是金属陶瓷(Cermet)材质,其有着天然的银亮金属光泽,具有比氧化锆陶瓷材质更高的硬度、密度,弯曲强度与韧性则毫不输给氧化锆材质,所製作出来的錶壳与鍊带又有着近似于金属的明亮质感,重量也与一般金属材质腕錶接近,算是梦幻的腕錶用陶瓷材质,但由于製作过程繁複且成本高昂,所以有在使用的钟錶品牌仍是少数中的少数,还有着极大的推广空间。

金属陶瓷(Cermet)材质,其有着天然的银亮金属光泽,具有比氧化锆陶瓷材质更高的硬度、密度,弯曲强度与韧性则毫不输给氧化锆材质,所製作出来的錶壳与鍊带又有着近似于金属的明亮质感,重量也与一般金属材质腕錶接近,算是梦幻的腕錶用陶瓷材质。

以目前的腕錶市场状态来说,虽然还是以金属材质腕錶为主流,但陶瓷材质已经慢慢的在腕錶材质上佔有重要的一席之地,如陶瓷錶圈等就已经被大量的使用在近几年的新款腕錶之上。而且除了陶瓷材质既有的结构优势之外,众多的色彩变化也是其远远超越传统金属材质的独家特色,加上複合材质腕錶的风潮持续成长中,陶瓷、金属、橡胶的混搭设计,让更多爱錶人士可以接触到陶瓷材质的独特质感。随着技术的进步与价格的合理化,或许有着这幺一天,陶瓷材质腕錶佔有半边天下的时代即将来临也说不定呢!

随着技术的进步与价格的合理化,即便是再複杂的腕錶造型或曲线,都可以用陶瓷材质来打造。或许有着这幺一天,陶瓷材质腕錶佔有半边天下的时代即将来临也说不定呢!成份与材料特性

名称/主成分/硬度(Hv)/弯曲强度(kgf/mm2)

氧化锆陶瓷/ZrO2/1100~1300/100~130

氧化铝陶瓷/Al2O3/1300~2000/30~50

碳化硅陶瓷/SiC/1500~2200/50~70

氮化硅陶瓷/Si3N4/1300~2000/40~60

金属陶瓷/TiC/1300~1900/110~150



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