确切地说，烧结工艺用途极其广泛，使用各种粉末状材料。两大主要类别是金属——包括不锈钢、铜、钛和铝——以及先进陶瓷，如氧化铝和氧化锆。关键在于，这些粉末也可以混合以形成根据特定性能要求定制的独特合金。
烧结的核心优势在于它能够在不熔化材料的情况下将粉末材料转变为固体、功能性部件。这使得高熔点材料能够结合，并制造出通过传统铸造难以或不可能生产的定制合金。
烧结材料的两大支柱
材料的选择完全取决于最终部件所需的性能，例如强度、耐热性、导电性或硬度。烧结可容纳两大类材料。
金属粉末和合金
金属是烧结中最常用的材料，尤其是在汽车、工业和消费品领域的结构部件中。
该工艺可以精确控制最终产品的性能。可以将不同金属的粉末机械混合，以便在烧结过程开始之前就形成具有特定特性的定制合金。
常见金属包括：
- 钢和不锈钢
- 铝
- 镍
- 铜
- 钛合金
- 硬质合金
先进陶瓷
陶瓷烧结对于制造需要极高硬度、耐磨性或高温稳定性的部件至关重要。
这些材料通常很脆，熔点极高，使得烧结成为为它们成型为数不多的可行方法之一。有时需要添加有机粘合剂等添加剂来帮助初始成型阶段。
常见陶瓷包括：
- 氧化铝（Alumina）
- 氧化锆（Zirconia）
- 二氧化硅
- 氧化镁
- 氧化铁
材料在烧结过程中的行为
了解材料与了解工艺密不可分。烧结是通过利用热量和压力来促进原子在颗粒表面之间扩散，将它们粘合在一起形成单一的固体部件。
第 1 步：准备和压实
该过程始于所选原材料的粉末状态。如果制造合金，则混合不同的金属粉末。还会添加粘合剂或润滑剂以改善压实效果。
然后使用模具将混合物压制成所需的形状，形成所谓的“生坯件”（green compact）。该部件是实心的但易碎，通过颗粒的机械互锁来保持其形状。
第 2 步：关键加热阶段
将生坯件放入受控气氛的炉中，加热到低于材料熔点的温度。
这种热能激活原子，使其在颗粒边界处迁移。这个过程称为扩散，会在颗粒接触的地方形成牢固的冶金键或“颈部”。
第 3 步：致密化和固化
随着键的形成和加强，颗粒相互靠近。这消除了它们之间的孔隙，导致部件致密化和收缩。
在某些情况下，会使用一种称为液相烧结（LPS）的技术。会加入少量熔点较低的添加剂，使其液化并流入孔隙中，加速致密化。然后冷却部件，固化成统一的整体。
理解关键的权衡
尽管烧结过程功能强大，但它具有必须加以管理以实现成功结果的固有特性。
孔隙率控制
烧结中的主要挑战是管理孔隙率。虽然孔隙率有时对过滤器或自润滑轴承等应用是有益的，但残留的孔隙率可能是结构部件发生机械故障的点。
尺寸精度
致密化过程中发生的收缩是过程的自然组成部分。这必须在初始模具设计中精确计算和考虑，以确保最终部件满足尺寸公差。
材料纯度
烧结部件的最终性能对初始粉末的纯度高度敏感。污染物会干扰粘合过程并降低部件的性能。
为您的应用做出正确的选择
您选择的材料与您希望最终部件解决的问题直接相关。
- 如果您的主要关注点是强度和耐腐蚀性： 您应选择不锈钢、钛合金或氧化锆等高性能陶瓷。
- 如果您的主要关注点是高热导率或电导率： 铜和铝基粉末是最有效的选择。
- 如果您的主要关注点是耐磨性和硬度： 您的最佳选择是硬质合金和氧化铝等陶瓷。
- 如果您的主要关注点是以低成本实现复杂形状的大规模生产： 铁和钢粉末在性能和经济性之间提供了极佳的平衡。
最终，烧结的力量在于它能够针对特定目的来设计材料和形状。
摘要表：
| 材料类别 | 常见示例 | 关键特性 |
|---|---|---|
| 金属和合金 | 不锈钢、铝、铜、钛 | 强度、导电性、耐腐蚀性 |
| 先进陶瓷 | 氧化铝（Alumina）、氧化锆（Zirconia） | 极高硬度、高温稳定性 |
| 定制混合物 | 机械混合粉末 | 针对特定应用的定制性能 |
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