简而言之，烧结过程中需要保护性气氛来防止在高温下发生的破坏性化学反应，主要是氧化反应。这种受控环境可确保金属粉末颗粒能够有效地粘合在一起，这也是整个工艺的目标。
烧结需要巨大的热量才能熔合材料颗粒，但同样的热量也使这些颗粒极易受到周围空气的化学侵蚀。保护性气氛用受控气体取代了具有反应性的空气，充当化学屏蔽层，要么阻止这些反应，要么引导它们达到期望的结果。
基本挑战：高温下的反应性
烧结基于一个简单的原理：加热压实的粉末直到颗粒粘合并致密化。然而，所需的高温也会极大地加速化学反应，从而产生重大的工程挑战。
主要敌人：氧化
大多数工业烧结涉及金属粉末。加热时，这些金属会与气氛中存在的任何氧气发生反应。
这种称为氧化的反应会在每个粉末颗粒的表面形成一层薄薄的、坚硬的、类似陶瓷的层（氧化物）。
这层氧化物充当屏障，物理上阻止金属表面直接接触和熔合。结果是零件强度低、易碎，烧结失败。
超越氧气：其他污染物
虽然氧气是主要问题，但空气中的其他成分也可能有害。在烧结温度下，水蒸气（湿度）和二氧化碳都是强氧化剂，必须将其去除或置换以保护材料。
保护性气氛如何解决问题
保护性气氛的工作原理是将炉内环境的反应性空气替换为惰性或具有特定、理想反应性的气体或气体混合物。
惰性原理：创建屏蔽层
最简单的方法是使用惰性气体，最常见的是氮气 (N₂) 或氩气 (Ar)。
这些气体即使在高温下也不会与被烧结的材料发生化学反应。它们通过简单地置换氧气和水分来工作，在零件周围形成一个中性的“屏蔽层”。
还原原理：主动清洁表面
更强大的方法涉及还原性气氛，通常含有氢气 (H₂)。
氢气不仅可以防止新的氧化，还可以主动逆转氧化。它会从粉末表面任何现有的氧化层中化学去除氧原子，将其转化为水蒸气 (H₂O)，然后将水蒸气从炉中冲走。
这种“清洁”作用确保了原始的金属表面，这对于在最终零件中实现最大密度和强度至关重要，特别是对于易氧化的材料。
刻意反应：改变表面
有时，目标不仅仅是保护表面，而是有意改变它。可以使用特定的气体混合物将元素扩散到材料表面。
例如，富含碳的气氛（渗碳气氛）可用于在零件表面形成坚硬、耐磨的钢表面。同样，富含氮的气氛可用于氮化。在这些情况下，气氛成为材料设计的关键部分。
理解权衡
选择合适的气氛是技术要求、安全性和成本之间的平衡。没有一种“最佳”气氛适用于所有应用。
惰性气氛与还原性气氛
像纯氮气这样的惰性气氛是安全的、相对低成本的，并且对防止对敏感度较低的材料氧化是有效的。
含有氢气的还原性气氛对于制造高纯度、高密度的零件更有效，但它带来了处理易燃气体的成本和安全复杂性。
纯度和露点的关键作用
任何保护性气氛的有效性都取决于其纯度。如果氮气气氛含有过多的水分或痕量氧气，它也会变成氧化性的。
气体的露点是衡量其水分含量的关键指标。低露点表示气体非常干燥，这对于在高温烧结循环中防止不需要的反应至关重要。
成本和系统复杂性
纯氩气提供最惰性的屏蔽，但比氮气贵得多。氢气系统需要复杂的流量控制、安全联锁和燃烧系统，从而增加了熔炉的初始投资和操作复杂性。
根据您的目标选择合适的气氛
您选择的气氛直接取决于您正在处理的材料以及您需要实现的最终性能。
- 如果您的主要重点是对坚固材料（如某些铜合金）进行基本的氧化物预防： 惰性氮气气氛通常是最具成本效益和足够的选择。
- 如果您的主要重点是对敏感材料（如不锈钢或钨）实现最大密度和强度： 必须使用含有氢气的还原性气氛来清除表面氧化物，确保强大的金属键合。
- 如果您的主要重点是提高表面硬度和耐磨性： 需要设计用于渗碳或氮化的反应性气氛来实现所需的表面化学。
最终，控制炉内气氛等同于控制您工艺的基本化学性质，让您直接掌控烧结部件的最终质量。
摘要表：
| 功能 | 常用气体 | 关键益处 |
|---|---|---|
| 惰性屏蔽 | 氮气 (N₂)，氩气 (Ar) | 防止氧化，具有成本效益 |
| 活性还原 | 氢气 (H₂) 混合物 | 去除现有氧化物以实现最大强度 |
| 表面改性 | 富含碳/氮的气体 | 通过渗碳/氮化提高硬度 |
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