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點土成金?揮金如土? 傳說中的陶瓷材質(下)

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陶瓷材質的原料成本雖然不高,但在製作過程中的耗損卻遠高於一般金屬材質,良率也遠低於一般金屬材質,可說是一門需要高度技術的特殊工藝。


製程探密

在製造過程中來說,所謂的陶瓷與金屬之最大的不同點,就是在於「陶瓷」是泛指將具有離子鍵的各種非金屬材料製成粉末狀,再以高溫「燒結」而成的各式製品。而在燒結的過程中,材料的原子結構會重新排列,從粉體的顆粒狀態逐漸成長為類似金屬結構的「晶粒」狀態,而這段過程就是決定陶瓷成品是否製作成功的關鍵工序;晶粒的成長速率之快慢會影響晶粒間的孔洞大小與緻密性,燒結溫度的精準控制則會影響到與否則會影響到強度與硬度。而陶瓷除了製作過程之外,依使用的原材料種類及純度的不同,成品的特性也會有極大的差別,簡單來說,混合多種雜質與粘土燒製的就是一般的裝飾與食器用陶瓷,而以高純度的單一材料燒製的則就是精密陶瓷。

在燒結的過程中,材料的原子結構會重新排列,從粉體的顆粒狀態逐漸成長為類似金屬結構的「晶粒」狀態,而這段過程就是決定陶瓷成品是否製作成功的關鍵工序。

更進一步的來探討使用在腕錶材質上的「結構陶瓷」,其之所以具有良好的機械強度與抗高溫性能,是因為其材料之間的鍵結力較強,且晶粒與晶粒之間皆以三維結構堆疊,可以保持其緊密穩固,除非加熱至上千度以上,其鍵結才有可能會被打斷。而在應用上,結構陶瓷除了會以單體零件的形式被使用在腕錶上之外,也會以鍍膜或塗層的方式作為金屬材質零件的表面硬化材料,如將碳化矽、人造鑽石、蘇聯鑽(單晶氧化鋯)粉末噴在塗有金屬黏結劑的金屬工件表面,再以適當溫度燒結以讓這些結構陶瓷材質附著在工件上面,以增加抗磨損性能與導熱能力,如常見於高級腕錶上面的DLC類鑽碳鍍膜、機車引擎內的陶瓷汽缸等,都是屬於此種表面陶瓷硬化處理的範疇。

結構陶瓷除了會以單體零件的形式被使用在腕錶上之外,也會以鍍膜或塗層的方式作為金屬材質零件的表面硬化材料。如常見於高級腕錶上面的黑色DLC類鑽碳鍍膜等,都是屬於此種表面陶瓷硬化處理的範疇。

而相較於表面陶瓷硬化的產品,全陶瓷材質腕錶所使用的單體結構零件,則有另一種完全不同的製作方式。首先要成形,把陶瓷原料做成錶殼、錶帶等形狀,手法則有粉末壓鑄成形、壓出成形、射出成形等。而由於近年腕錶的形狀設計日益特殊,所以可以製造複雜形狀的3D射出成形技術也被大量的應用在成形階段,並搭配成形後的切削工序以增加成品的多樣性。而在成形之後的工件則進入了脫脂工程、也就是燒結的程序,在這個程序中除了以高溫將黏合劑從工件中蒸發掉之外,陶瓷顆粒也開始融合成類似金屬的「晶相」結構,可說是結構陶瓷、甚至是所有精密陶瓷製品最關鍵的一段製程。而在燒結過後的結構陶瓷成品仍然會有一些毛邊與需要修飾的部份,精度也會有所差異,所以會再度進行切削與研磨的工序,若需要鑽孔也會在這個工序一起執行。而最後的工序則是表面拋光處理,無論是鏡面、噴砂、髮絲紋等表面質感,都是在這個部分製作完成,而到了這個階段產品也已完工,靜待組裝成腕錶的錶殼或是鍊帶。但即使是具有良好機械特性的結構陶瓷,但由於韌性不佳,所以對於裂縫成長的抵抗力極為有限,很容易因為外力撞擊而產生破裂與缺口,所以這也是以前幾乎見不到陶瓷材質運動錶的主要原因。

近年腕錶的形狀設計日益特殊,所以可以製造複雜形狀的3D射出成形技術也被大量的應用在成形階段,並搭配成形後的切削工序以增加成品的多樣性。

燒結程序中除了以高溫將黏合劑從工件中蒸發掉之外,陶瓷顆粒也開始融合成類似金屬的「晶相」結構,可說是結構陶瓷、甚至是所有精密陶瓷製品最關鍵的一段製程。

素材與特性

在上篇裡有跟各位讀者提到過,早期的結構陶瓷是以氧化鋁為基材,雖然氧化鋁具有硬度高(1300~2000Hv)的優勢,但卻也有著密度低、彎曲強度差的缺點,所以幾乎無法拿來打造所謂的「陶瓷運動錶」,只能使用在一般腕錶與裝飾腕錶的製作上。而打破這樣的僵局的,則是以氧化鋯(ZrO2)為基材之結構陶瓷的誕生!與氧化鋁陶瓷相比,氧化鋯陶瓷雖然硬度(1100~1300Hv)略遜於氧化鋁陶瓷,但無論是在整體強度、韌性、彎曲強度上面都比氧化鋁陶瓷好上許多,所以除了可以做成大型的陶瓷錶殼之外,在防水設計上也可以比照一般金屬材質腕錶,因為同時具有陶瓷與金屬材質的特性,所以氧化鋯陶瓷可說是目前最炙手可熱的腕錶用陶瓷材質,並獲得許多主流鐘錶品牌大量使用。

即使是具有良好機械特性的結構陶瓷,但由於韌性不佳,所以對於裂縫成長的抵抗力極為有限,很容易因為外力撞擊而產生破裂與缺口。所以GRAND SEIKO的氧化鋯陶瓷腕錶採用多件式設計,除了能夠防止產生應力裂縫之外,萬一不幸破損也只要更換單一陶瓷零件即可。

而另一種較為少在腕錶上面見到的,則是金屬陶瓷(Cermet)材質,其有著天然的銀亮金屬光澤,具有比氧化鋯陶瓷材質更高的硬度、密度,彎曲強度與韌性則毫不輸給氧化鋯材質,所製作出來的錶殼與鍊帶又有著近似於金屬的明亮質感,重量也與一般金屬材質腕錶接近,算是夢幻的腕錶用陶瓷材質,但由於製作過程繁複且成本高昂,所以有在使用的鐘錶品牌仍是少數中的少數,還有著極大的推廣空間。

金屬陶瓷(Cermet)材質,其有著天然的銀亮金屬光澤,具有比氧化鋯陶瓷材質更高的硬度、密度,彎曲強度與韌性則毫不輸給氧化鋯材質,所製作出來的錶殼與鍊帶又有著近似於金屬的明亮質感,重量也與一般金屬材質腕錶接近,算是夢幻的腕錶用陶瓷材質。

以目前的腕錶市場狀態來說,雖然還是以金屬材質腕錶為主流,但陶瓷材質已經慢慢的在腕錶材質上佔有重要的一席之地,如陶瓷錶圈等就已經被大量的使用在近幾年的新款腕錶之上。而且除了陶瓷材質既有的結構優勢之外,眾多的色彩變化也是其遠遠超越傳統金屬材質的獨家特色,加上複合材質腕錶的風潮持續成長中,陶瓷、金屬、橡膠的混搭設計,讓更多愛錶人士可以接觸到陶瓷材質的獨特質感。隨著技術的進步與價格的合理化,或許有著這麼一天,陶瓷材質腕錶佔有半邊天下的時代即將來臨也說不定呢!

隨著技術的進步與價格的合理化,即便是再複雜的腕錶造型或曲線,都可以用陶瓷材質來打造。或許有著這麼一天,陶瓷材質腕錶佔有半邊天下的時代即將來臨也說不定呢!

成份與材料特性

名稱/主成分/硬度(Hv)/彎曲強度(kgf/mm2)

氧化鋯陶瓷/ZrO2/1100~1300/100~130

氧化鋁陶瓷/Al2O3/1300~2000/30~50

碳化矽陶瓷/SiC/1500~2200/50~70

氮化矽陶瓷/Si3N4/1300~2000/40~60

金屬陶瓷/TiC/1300~1900/110~150

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