为什么烧结过程中要使用氢气？实现卓越的冶金质量和强度

简而言之，烧结过程中使用氢气是因为它在高温下充当强大的化学清洁剂。它能积极去除金属粉末表面的氧化物，防止新的氧化发生，并清除其他杂质。这种化学还原过程对于金属颗粒的适当融合至关重要，从而生产出具有卓越强度、密度和洁净光亮表面的成品部件。

关键的见解是，氢气气氛并非被动的。它是一种活性化学反应物，在烧结过程中净化金属，直接改善最终部件的机械性能和冶金质量，这是惰性气体无法做到的。

挑战：为什么气氛在烧结中至关重要

要理解氢气的作用，我们必须首先理解烧结的基本挑战。

烧结是一种热处理过程，用于将金属粉末粘合成立体块。材料被加热到高温，但关键是，低于其熔点。通过热量和压力，单个颗粒融合在一起，增加了物体的密度和强度。

这项技术对于处理具有极高熔点的金属以及在金属3D打印等过程中创建复杂形状至关重要。

几乎所有金属粉末都覆盖着一层微观的薄薄的氧化物。当金属暴露在空气中的氧气中时，这层氧化物会自然形成。

在烧结过程中，这层氧化物充当物理屏障。它阻止了粉末颗粒的洁净金属表面直接接触并形成牢固的冶金结合。在开放空气中加热部件只会使问题恶化，产生更多的氧化物并完全阻止融合。

为了克服氧化物屏障，需要受控气氛。虽然氩气等惰性气体可以防止进一步氧化，但氢气更进一步，通过主动逆转氧化。

氢气是一种强大的还原剂。在烧结炉的高温下，氢气（H₂）与金属氧化物（如氧化铁，FeO）反应。

这种化学反应将氧原子从金属中剥离，形成水蒸气（H₂O），留下纯净、洁净的金属表面。水蒸气随后被安全地排出炉外。

通过维持高纯度氢气气氛，任何进入炉内或从材料中释放出来的杂散氧气都会优先与丰富的氢气反应。这可以防止洁净的金属表面在关键的加热和冷却阶段再次氧化。

氢气的好处不仅限于氧化物。它还可以帮助去除合金中的其他不需要的污染物，例如粘合剂中的残留碳或微量的二氧化硅。这进一步增强了最终部件的纯度和性能。

使用氢气具有显著优势，但也带来了必须管理的特定工程和安全要求。

氢气高度易燃，与空气混合时可能发生爆炸。操作氢气烧结炉需要强大的安全协议、专门的泄漏检测系统和精心设计的通风系统，以降低风险。

炉体本身的结构材料变得至关重要。炉内的耐火衬里必须在高温下不与氢气发生反应。通常需要高纯度氧化铝，因为常见的硅基材料可能会被氢气气氛降解，从而损坏炉体并污染部件。

过程的有效性与氢气纯度直接相关。气体供应中的任何污染物都可能引入杂质或降低其作为还原剂的有效性。这就是为什么对于不锈钢烧结等要求苛刻的应用，通常指定高纯度氢气（>99.999%）。

是否使用氢气取决于所处理的材料和最终部件所需的质量。

如果您的主要关注点是最大质量和性能：对于不锈钢或其他敏感合金等材料，如果强度、密度和表面光洁度至关重要，纯氢气气氛是明确的选择。
如果您的主要关注点是平衡成本和性能：对于要求不高的应用，氢气和氮气（N₂/H₂）的混合物或分解氨可以提供足够的还原潜力，同时减轻纯氢气的一些成本和安全开销。

最终，使用氢气将烧结气氛从简单的保护罩转变为工程卓越材料的积极工具。