烧结的阶段有哪些？粉末成型工艺精通指南

从根本上讲，烧结过程由三个基本阶段组成：制备和混合基础粉末，将该粉末压制成初步形状，以及施加精确的热循环以使颗粒熔合成为坚固、致密的物体。这会将松散的颗粒集合转变为具有特定机械性能的成品部件。

烧结不是熔化。这是一个复杂的过程，通过利用热量促使原子在颗粒边界处迁移和键合，从而将易碎的压实粉末形状（“生坯”）转变为坚固的统一体，使部件致密化和固化。

阶段 1：粉末制备和混合

最终烧结部件的质量在施加任何热量之前就已经确定了。第一阶段完全专注于创建完全均匀的起始材料。

主要目标是创建均匀的混合物。如果使用不同的材料，则必须将它们均匀分布，以确保最终部件在整个过程中具有一致的性能。

起始粉末中的任何不一致之处，例如结块或混合不均匀的添加剂，将直接转化为最终产品中的缺陷，如薄弱点或翘曲。

为了促进该过程，通常会将其他几种材料与主要陶瓷或金属粉末混合：

粉末制备好后，必须将其塑造成所需的形状。这是一个机械过程，旨在使各个颗粒尽可能彼此靠近。

将粉末装入模具中并施加高压。这个过程通常称为冷压，它迫使颗粒靠在一起，消除大的空气间隙（孔隙）。

所得物体被称为“生坯”。在此阶段，它足够坚固，可以搬运，但极其易碎，仅靠机械摩擦和粘合剂的微弱作用结合在一起。

压实的主要目标是实现高且均匀的“生坯密度”。生坯越密，烧结过程中收缩就越少，也就越容易获得坚固、无孔的最终部件。

这是关键的转变阶段，易碎的生坯被转化为耐用、坚固的物体。它不是一次性发生的，而是一个受控的过程，具有不同的热区，通常在专门的炉子或窑中进行。

随着部件缓慢加热，第一个目标是去除混合阶段的有机添加剂。粘合剂和润滑剂在低温下被仔细烧掉。

这必须是渐进的，以允许气体逸出，而不会积聚压力并使部件开裂。

这是过程的核心。温度升高到远低于材料熔点的点——通常是熔点的 70-90% 左右。

在此高温下，各个颗粒边界处的原子变得高度活跃，并开始向相邻颗粒扩散。这种原子迁移在颗粒接触处形成微小的固体“颈部”。随着过程的继续，这些颈部增大，将颗粒拉得更近，使部件收缩，并系统地消除它们之间的孔隙。

在烧结温度下保持一段时间后，部件被移入冷却区。控制冷却与控制加热同样重要。

冷却过快可能会引起热冲击，导致裂纹和内部应力。这个最后步骤锁定了材料的最终晶体结构，进而锁定了其硬度和强度等机械性能。

烧结是多个因素之间的平衡行为。了解这些权衡对于过程控制和实现期望的结果至关重要。

虽然目标通常是消除孔隙率，但实现 100% 密度是困难的。几乎总会留下一些残余孔隙。在某些应用中，例如自润滑轴承或过滤器，这种孔隙率是有意为之且可取的。该过程经过调整以控制最终的孔隙体积。

随着孔隙的消除和部件的致密化，它会收缩。这种收缩可能很大（体积上高达 20%），必须在压实模具的初始设计中精确计算并加以考虑。

温度和时间之间的关系至关重要。较低的烧结温度可以通过较长的保持时间来弥补，反之亦然。然而，找到最佳平衡是实现所需密度的关键，同时避免晶粒长大（这会降低机械性能）或烧结不完全（导致部件强度不足）。

每个阶段的参数是根据最终部件的预期功能进行调整的。

最终，掌握烧结就是控制原子级键合的旅程，以设计材料的最终形态和功能。

阶段	关键目标	关键活动和注意事项
1. 粉末制备和混合	为一致的性能创建均匀的原料。	- 将基础粉末与添加剂（粘合剂、润滑剂）混合。 - 确保均匀分布以防止缺陷。
2. 压实和成型	形成高密度的“生坯”，以实现最小收缩。	- 在模具中施加高压（冷压）。 - 实现均匀的生坯密度，以便于搬运和烧结。
3. 热处理（烧结）	将易碎的生坯转变为坚固的固体部件。	- 烧除：去除有机添加剂。 - 烧结区：原子扩散和颈部生长。 - 冷却：控制冷却以锁定性能。