烧结中使用哪些气体？为您的材料选择正确的气氛

简而言之，烧结中最常用的气体是氮气 (N₂)、氢气 (H₂) 和氩气 (Ar)，它们通常单独使用、混合使用或作为分解氨气氛的组成部分。真空也经常被用作一种“气氛”，以完全去除反应性气体。选择完全取决于所加工的材料和所需的化学结果，因为气氛的主要作用是在高温下防止氧化和控制化学反应。

烧结炉内的气氛不是一个被动的环境；它是过程中一个活跃的成分。其基本目的是控制高温下的化学条件，防止破坏性的氧化，并确保最终部件的冶金完整性。

烧结气氛的基本作用

烧结涉及将压实的粉末加热到略低于其熔点的温度。参考资料将此描述为一个颗粒扩散、颈部形成和致密化以形成固体质量的过程。然而，在这些高温下，大多数金属会变得极易反应。

烧结气氛的主要工作是取代环境空气中存在的氧气。如果存在氧气，它会在金属颗粒表面迅速形成氧化物，阻止它们正确结合，并严重降低最终部件的机械性能。

受控气氛创造了一个化学上不反应（惰性）或具有积极益处（还原性）的环境。

当原材料被加热时，在粉末压实阶段使用的润滑剂和粘合剂必须被烧掉并清除。烧结气氛的流动气体充当载体，将这些蒸汽扫出炉外，以防止它们污染零件。

除了仅仅防止不需要的反应外，某些气氛可用于驱动理想的化学变化。例如，还原性气氛可以主动去除在烧结过程开始之前可能已在粉末颗粒上形成的预先存在的表面氧化物。

特定气体或气体混合物的选择是基于被烧结的材料、所需的最终性能和成本的一项关键工程决策。

氮气 (N₂) 和氩气 (Ar) 是惰性气体，意味着它们不易与其他元素反应。它们的主要功能是排斥氧气。

氢气 (H₂) 是一种反应性气体，但其反应性在烧结中非常有益。它主动寻找氧气并与之结合（将其还原），形成水蒸气 (H₂O)，然后被带出炉外。

这使得氢气在清洁金属颗粒表面的氧化物、促进更强的金属键方面特别有效。它对于含有易氧化元素的材料（如不锈钢中的铬）至关重要。氢气通常与氮气以不同比例混合（例如，90% N₂ / 10% H₂）以平衡成本和性能。

真空是最终的“惰性”气氛，通过物理上几乎去除炉腔中的所有气体分子来产生。这提供了尽可能纯净的环境，没有潜在的污染。

真空烧结用于最敏感和反应性最强的材料，如难熔金属、某些工具钢和医疗植入物，即使是微量的气体也可能影响性能。

选择气氛需要平衡材料要求、运营成本和安全规程。没有一种“最佳”气体适用于所有应用。

氮气相对便宜，而纯氢气，尤其是氩气，则要昂贵得多。与常压炉相比，运行真空炉的资本和运营费用也更高。成本必须由材料的要求来证明。

氢气是一种优异的还原剂，但它极易燃，需要严格的安全系统。它还可能导致某些高碳或高硬度钢发生氢脆，这限制了它在某些应用中的使用。惰性气体更安全，但缺乏氢气的主动清洁特性。

错误的气氛会毁掉零件。使用基于氮气的气氛来烧结钛零件会产生脆性的氮化钛。在没有足够还原潜力（如纯、干燥的氢气或真空）的气氛中烧结不锈钢将无法去除氧化铬，导致烧结不良。

您的选择必须由您加工的材料的化学性质决定。

最终，选择正确的烧结气氛是一个基础性的决定，它直接控制最终部件的冶金质量和性能。

气氛类型	常见气体/混合物	主要功能	理想用途
惰性	氮气 (N₂)，氩气 (Ar)	排斥氧气以防止氧化	铁、低合金钢 (N₂)；钛、反应性合金 (Ar)
还原性	氢气 (H₂)，N₂/H₂ 混合物	主动去除表面氧化物	不锈钢、铜合金、工具钢
真空	不适用（去除气体）	提供超纯净、无污染的环境	难熔金属、医疗植入物、敏感合金