什么是烧结循环？将粉末转化为致密、坚固部件的指南

从本质上讲，烧结循环是一个精确的多阶段热处理过程，旨在将松散堆积的粉末压坯转化为坚固、致密、固体的物体。这是通过在材料熔点以下施加热量来实现的，使各个颗粒在其接触点处熔合在一起，系统地减小孔隙率并增加部件的密度和强度。

烧结循环的基本目的不仅仅是加热材料，而是引导它经历一个精心设计的温度曲线。这个受控的过程会去除临时粘合剂，促进颗粒间的原子扩散，并在实现特定、期望的材料性能的同时固化部件。

烧结循环的结构

理解烧结循环的最佳方式是将其视为一系列具有关键功能的离散热阶段。升温速率、保持时间和冷却都是经过精心控制的变量。

在任何加热开始之前，主要粉末材料会与临时粘合剂（如蜡、水或聚合物）混合。然后将这种混合物压制成所需的形状，形成所谓的“生坯”。

这个生坯很脆弱，强度很低，因为颗粒仅由粘合剂粘合在一起。

第一个加热阶段涉及缓慢升温至相对较低的温度。主要目标是完全且小心地烧除或蒸发粘合剂。

这一步必须缓慢进行，以使粘合剂的副产品逸出，而不会积聚压力并导致部件开裂或缺陷。在某些工艺中，会使用水蒸气等试剂来帮助将这些副产品转化为无害的气体，如二氧化碳。

一旦粘合剂被去除，温度就会显著升高，接近（但未达到）主要材料的熔点。这就是实际发生烧结和致密化的地方。

在此高温下，原子获得足够的能量，在相邻颗粒的边界上传播。这种原子迁移导致在颗粒接触点处形成和生长“颈部”，使颗粒相互靠近，消除它们之间的空隙，并将结构熔合成一个固体块。

在特定时间将部件保持在烧结温度后，最后阶段是控制冷却过程。

冷却速率对于防止热冲击和开裂至关重要。它在决定最终的微观结构以及因此决定的成品部件的机械性能（如硬度和韧性）方面也起着关键作用。

高温熔合阶段可以通过不同的物理机制实现，这些机制定义了所使用的烧结工艺类型。

这是最基本的烧结形式。部件由单一粉末制成，熔合完全通过固体颗粒间的原子扩散发生。这是一种经济高效且广泛使用的方法。

在这种技术中，少量具有较低熔点的添加剂与主要粉末混合。在高温阶段，该添加剂熔化，形成润湿固体颗粒的液相。

液体通过毛细作用加速致密化，毛细作用将颗粒拉在一起，并允许更快的材料传输，因为固体颗粒溶解并重新沉淀以更有效地填充孔隙。

例如热压等技术在施加高温的同时施加外部压力。这种机械力在物理上有助于闭合孔隙并加速致密化。

该方法可以实现仅通过无压烧结难以获得的极高密度，从而带来卓越的机械性能。

选择和设计烧结循环需要平衡相互竞争的因素。没有一个“最佳”的循环；只有最适合特定应用和材料的循环。

较高的烧结温度通常会导致更快的扩散、更好的致密化和改善的机械性能。然而，它们也会导致部件更大的收缩，这必须在初始模具设计中精确考虑。

大多数烧结的主要目标是消除孔隙率。较低的孔隙率几乎总是与较高的密度、强度和耐用性相关。然而，对于某些应用，如自润滑轴承或过滤器，一定程度的受控、相互连通的孔隙率是一种期望的设计特征。

传统的无压烧结是一种高度经济高效的方法，适用于齿轮、皮带轮和链轮等部件的大规模生产。热压或选择性激光熔化 (DMLS) 等先进方法提供卓越的性能和几何复杂性，但每个部件的成本要高得多。

您选择的烧结方法和循环参数完全取决于您部件的预期结果。

掌握烧结循环是实现将简单粉末转化为高性能工程部件的关键。