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福氣啦!幕後英雄熱處理

106/03/28 瀏覽次數 795

許多國內自行設計製造的高科技機械設備,剛開始運作時均具有良好的操作性能與精度。但使用一段時間後,就會開始產生「震動」與「噪音」。隨之而來的是精密度的偏差、使用壽命明顯不如國外進口的機械設備,導致國外買家卻步,同時影響到國內精密機械設備產業的國際競爭力。

 

部分專家認為,關鍵問題不在於設計、加工、組裝及機電控制能力,而是在「精密機械元件」的機械性能及使用壽命未臻理想所導致。未來的高科技機械產業若要有日本與德國等先進國家的競爭實力,精密機械設備可靠度與零組件使用壽命的提升與改善,是刻不容緩的任務。機台上的每個零組件,以至於機台結構支柱等,都要講究精度與尺寸穩定度。「慎選精密機械用金屬材料」以及「精密機械元件熱處理與表面處理技術的提昇」將是成功的重要因素。

 

日本精密產業設備的口頭禪是「連一根螺絲都很重視它的熱處理」!台灣欲提升「精密機械產業」的層級與附加價值,所有從業人員都應具備「工程材料的選擇」與「熱處理實務技術」,方能避免機具構件變形、磨損,並提高精密設備的穩定性與使用壽命。「熱處理」是高科技產業的幕後英雄,當之無愧。

 

舉個例子,2015年元旦,當大家在倒數跨年、搶看台北101絢麗煙火的同時,位在新竹國家同步輻射研究中心的「台灣光子源」(Taiwan Photon Source)加速器,也在當天試俥打出第一道強光。這道光的亮度是太陽光的百萬倍,領先世界成為全球最亮光源!亮度在 X 光波段可高於過去台灣光源(Taiwan Light Source)的10萬倍,可用來透視奈米等級的細微材料與結構,大幅拓展過去難以觸及的科學領域,一窺宇宙的奧祕。

 

台灣光子源是台灣史上規模最大的科學實驗,透過同步加速器射出的光源為一連續波段的電磁波,涵蓋紅外光、可見光、紫外光、X光等波段,以電子高速繞行軌道的方式,來產生高亮度的光束。也是規模最大的跨領域共用研究設施,提供世界上亮度最高的 X 光光源進行尖端實驗。這座耗資70億元、周長518公尺、能量30億電子伏特的大型加速器光源設施,從2005年起,經過十年整合國內各領域專家努力而誕生,是完全由國人自行設計、建造及組裝,並且測試成功的世界級加速器光源設施。

 

然而,這個造價新台幣70億元的高科技設備,若沒有台灣金屬熱處理的技術支援,將會功虧一簣,無法發光發亮,這到底發生了什麼問題呢?

 

當距離2014年底台灣光子源計畫完成日期不到半年,一切系統已完成組裝及真空測試後,卻發現電子束路徑無法維持精密對位要求。國家同步輻射研究中心動員全體,包括多位院士、理論經驗豐富的博碩士專家及幾十年經驗之技術團隊,幾個月來日以繼夜測試,最後發現竟然是有兩段3公尺長電子束軌域通過之不銹鋼加速管有磁性反應。由於電子移動路徑會受外在磁場影響,因此當初在設計時即選用沃斯田體相不銹鋼(austenitic stainless steels)。後來因管件截面橢圓形狀需求,進行鍛壓成型加工。使得原本的沃斯田體相不銹鋼產生組織轉變相變化,成為麻田散體相組織(martensitic stainless steels),進而帶有弱磁性,影響電子運動軌跡。找到原因之後,即全體動員尋找解決方案。後來決定以真空熱處理爐進行二爐次熱處理方式,來保有不銹鋼加速管的機械性質與精密度,並完全消除加工所產生的殘留磁性。由於關係計畫成敗,國家同步輻射研究中心委由台南的專業熱處理公司完成熱處理,即時送回國家實驗室進行磁性檢測。結果發現,經熱處理後之不銹鋼加速管品質,超過原先設計要求,也再次驗證台灣熱處理技術是世界一流。將處理後之不銹鋼加速管裝回台灣光子源系統進行最後測試,當最後電子加速到30億電子伏特目標時,計畫團隊全體之興奮及對台灣熱處理業及時伸出援手之感激是無法形容的。那不只是國家同步輻射研究中心的榮譽,更是全世界對台灣科技界之評價。(本文由科技部補助「工程技術與社會風險之新媒體溝通」執行團隊撰稿)

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