本质上，烧结是一种热处理，它将脆弱的压实金属粉末转化为坚固的固体部件。通过在受控炉中将材料加热到略低于其熔点的温度，单个粉末颗粒会结合在一起，从而显著提高零件的强度、密度和结构完整性。这一过程是赋予粉末冶金零件最终可用性能的关键步骤。
烧结不应与熔化混淆。它是一种固态过程，热量使原子获得足够的能量，使其能够扩散穿过相邻颗粒的边界，从而在微观层面上有效地将它们焊接在一起。
烧结在粉末冶金工艺中的作用
烧结不是一个孤立的步骤，而是更大制造流程中的关键阶段。了解它在这一序列中的位置是理解其功能的关键。
阶段 1：材料准备
在加热之前，需要选择基础材料。这包括选择金属粉末——例如铁、铜或铝——并通常将它们与合金元素或润滑剂混合，以达到所需的最终性能。
阶段 2：压实和“生坯”状态
将混合好的粉末倒入模具中，并在巨大的压力下进行压实。这一操作将粉末压制成所需的净形状，形成所谓的“生坯”。这个零件足够坚固可以处理，但易碎且机械强度低。
阶段 3：烧结转变
然后将生坯放入炉中。精心控制的加热循环使颗粒熔合，封闭它们之间的多孔空间，并形成坚固的金属键。这是零件获得最终强度和密度的阶段。
阶段 4：精加工操作
烧结后，有些零件即可使用。其他零件可能会进行二次操作，例如尺寸调整以提高尺寸精度、浸油或热处理以进一步增强其性能。
机制：烧结的实际工作原理
从脆弱的粉末压块到坚固的金属零件的转变是通过由热能驱动的精确原子级现象发生的。
高温的力量
炉温通常升高到金属绝对熔化温度的 70-90%。这种高温不会熔化材料，但会提供激活原子扩散所需的能量。
固态扩散
在烧结温度下，粉末颗粒接触点处的原子变得高度移动。它们跨越颗粒边界迁移，填充空隙并创建共享的晶体结构。这类似于一杯水中的几个冰块会随着时间的推移在其接触点处融合在一起，即使远低于水的熔点。
孔隙减少和致密化
随着原子的移动和颗粒的结合，原始粉末颗粒之间的空间或孔隙会缩小并变得更加圆润。这个过程，称为致密化，降低了零件的整体孔隙率，使其更坚固、渗透性更低。
了解权衡和注意事项
烧结过程虽然功能强大，但需要精确控制才能达到预期效果。管理不当可能导致零件失效。
温度和时间至关重要
烧结零件的最终性能是炉内温度和时间的直接函数。热量或时间不足会导致结合薄弱和孔隙率高。相反，过高的热量会导致零件熔化、变形或失去尺寸公差。
炉内气氛很重要
烧结几乎总是在受控气氛（例如氮气、氢气或真空）中进行。这对于防止热金属粉末氧化至关重要，氧化会抑制适当的结合并毁坏最终零件。
孔隙率并非总是缺陷
虽然烧结通常旨在降低孔隙率以提高强度，但某些应用将其作为一种特性加以利用。例如，自润滑轴承设计有受控的、相互连接的孔隙率，随后会浸油。
为您的目标做出正确选择
烧结周期的具体参数根据最终部件的预期应用进行调整。
- 如果您的主要关注点是最大强度和密度： 该过程将通过更高的温度和更长的炉内时间进行优化，以最大程度地减少孔隙率。
- 如果您正在制造过滤器或自润滑零件： 目标是创建牢固的结合，同时有意保留特定体积的相互连接的孔隙率。
- 如果尺寸精度是您的首要任务： 您必须精确考虑烧结过程中发生的可预测收缩，并且可能需要进行最终的尺寸调整操作。
掌握烧结工艺对于充分发挥粉末冶金生产复杂、高性能零件的潜力至关重要。
总结表：
| 阶段 | 关键操作 | 结果状态 |
|---|---|---|
| 1. 准备 | 选择并混合金属粉末。 | 均匀的粉末混合物。 |
| 2. 压实 | 在高压下将粉末压入模具。 | 易碎的“生坯”压块。 |
| 3. 烧结 | 在受控炉中加热生坯。 | 坚固、致密的最终零件。 |
| 4. 精加工 | 可选的尺寸调整、浸渍或热处理。 | 具有最终性能的零件。 |
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