在粉末冶金中，烧结是一个热处理过程，它将易碎的压实金属粉末部件转化为坚固的实体零件。这是通过将部件置于受控的炉子中加热到略低于材料熔点的温度来实现的。这种高热能为单个粉末颗粒熔合在一起提供了能量，从而形成牢固的金属结合，赋予部件最终的结构完整性。
由金属粉末压制而成的零件具有正确的形状，但缺乏可用性所需的强度。烧结是关键步骤，它利用热量——在不熔化的情况下——迫使这些单个颗粒在原子水平上结合，从而形成致密、耐用且实用的部件。
烧结在制造中的作用
在粉末冶金 (PM) 过程中，烧结是连接临时形状和永久性、功能性部件的关键桥梁。没有它，PM 部件就会轻易碎裂。
从“生坯”到实体零件
在烧结之前，金属粉末使用模具压制成所需的形状。这个初始部件被称为“生坯”（green compact）。
虽然生坯具有正确的尺寸，但它极其脆弱，仅由粉末颗粒的机械互锁力结合在一起。它没有任何有意义的强度。烧结提供了结构完整性所需的冶金结合。
目标：在不熔化的情况下获得强度
烧结的定义特征是它发生在主要金属熔点以下。这不是铸造过程。
通过避免熔化，烧结可以保持零件的精确形状和尺寸精度。它还允许制造出通过熔化和铸造无法实现的独特材料合金和微观结构。
机制：原子扩散
烧结通过一种称为固态扩散的过程来实现。高温激活了单个粉末颗粒接触点处的原子。
这些被激活的原子迁移穿过边界，在相邻颗粒之间形成“颈部”或桥梁。这类似于将两个冰块留在玻璃杯中相互接触时，它们会慢慢融合在一起，即使温度远低于水的熔点。随着这些键的形成和生长，部件成为一个单一的、连贯的整体。
烧结如何改变材料
烧结过程中发生的主要变化是冶金键的形成和内部空隙的减少。
形成冶金键
烧结最重要的功能是在原本分离的颗粒之间形成牢固、连续的键。正是这些键赋予了最终部件强度、硬度和韧性。
增加密度并减少孔隙率
“生坯”充满了粉末颗粒之间微小的空隙，即气孔。
在烧结过程中，随着原子扩散和颗粒相互靠近，许多这些气孔被封闭。这个称为致密化的过程会增加部件的密度，并显著提高其整体强度。
理解权衡
烧结是一个精确的平衡行为。部件的最终性能直接受烧结循环参数的控制。
温度和时间至关重要
结合和致密化的程度是温度和时间的函数。
较高的温度和较长的炉内时间会导致更强的结合和更高的密度。然而，如果温度过高，部件可能会翘曲、无控制地收缩，甚至开始熔化，从而破坏其尺寸精度。
炉内气氛的作用
烧结在严格控制的气氛中进行，通常使用惰性气体或还原性气体。这对于防止高温金属与氧气反应至关重要。
氧化会阻止颗粒之间形成适当的结合，并严重影响最终部件的机械性能。
固有孔隙率作为特征或缺陷
虽然烧结会减少孔隙率，但它很少能完全消除它。对于高性能结构部件而言，这种残留的孔隙率可能是一个限制因素，使得 PM 部件的强度略低于完全致密的锻造部件。
然而，这种孔隙率也可以是一个关键的设计特征。对于自润滑轴承等产品，相互连通的孔隙网络被有意保留并浸渍了油。
为您的目标做出正确的选择
烧结过程的具体目标直接影响最终部件的特性和性能。
- 如果您的主要重点是最大的强度和密度： 您将需要更高的烧结温度和更长的保持时间，以最大限度地提高原子结合并最大限度地减少内部孔隙率。
- 如果您的主要重点是保持精确的尺寸： 您必须使用经过仔细控制的、通常较低的温度，以防止收缩或变形，即使这意味着接受稍低的最终密度。
- 如果您的主要重点是制造多孔的自润滑部件： 您将使用较低的温度或较短的时间来制造一个坚固但有意相互连通的孔隙网络，以便浸渍油。
最终，掌握烧结过程是释放粉末冶金独特能力的关键。
总结表：
| 方面 | 烧结过程中发生的情况 |
|---|---|
| 过程 | 在熔点以下加热“生坯”以熔合颗粒。 |
| 机制 | 固态扩散在颗粒之间形成原子键（颈部）。 |
| 关键变化 | 增加强度、密度并减少孔隙率。 |
| 气氛 | 受控的炉内环境可防止氧化。 |
| 结果 | 将易碎的粉末形状转化为坚固、耐用的部件。 |
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