从根本上说，在烧结过程中控制气氛是必要的，因为在高温下，材料的反应性极强。气氛不是一个被动的背景；它是一种直接与粉末颗粒相互作用的主动化学试剂，可以防止灾难性的氧化、去除污染物，并精确控制部件的最终化学成分和微观结构。
烧结在足以使颗粒熔合在一起的温度下进行，但这些相同的温度也使材料极易发生不需要的化学反应。未能控制炉内气氛就像试图在一个未消毒的房间内进行手术——污染和不良反应几乎是不可避免的，最终会导致部件失效。
烧结气氛的基本作用
为了实现所需的最终性能，炉内气氛必须同时执行几项关键功能。它是过程中一个主动且不可或缺的部分。
防止氧化
受控气氛最基本的作用是防止材料与氧气反应。大多数金属，尤其是铁，在烧结温度下会迅速形成氧化物。
这种氧化会阻碍粉末颗粒之间适当的冶金结合。结果是部件强度弱、脆性大，密度差，机械性能不合格。惰性或还原性气氛可以置换氧气，从而保护材料。
去除污染物（脱脂）
粉末冶金部件通常是通过压制混有润滑剂或粘合剂的粉末制成的。在高温烧结开始之前，这些有机化合物必须在一个称为脱脂或“烧除”的过程中被完全去除。
流动的气氛对于将这些蒸发的污染物带出炉外至关重要。如果它们没有被有效去除，残留的碳可能会干扰烧结或引起材料化学成分的不良变化。
控制碳含量
对于含碳合金（如钢），气氛的化学性质至关重要。它必须具有特定的碳势——衡量其向钢中添加或从钢中去除碳的能力的指标。
如果气氛的碳势过低，它会从部件表面吸走碳，这种缺陷被称为脱碳，会导致表面变软和耐磨性差。相反，过富的气氛会添加过多的碳，使部件变脆。
实现活性还原
一些气氛，特别是富含氢气的气氛，充当活性的还原剂。它们可以化学去除可能已经存在于粉末颗粒表面的表面氧化物。
这种清洁作用会产生纯净的金属表面，从而极大地改善扩散和结合过程。这对不锈钢等需要明亮、无氧化物表面的材料至关重要。
常见的烧结气氛及其功能
气氛的选择取决于所加工的材料和所需的最终性能。
惰性气氛（氮气、氩气）
这些气体主要用于保护。它们可以置换氧气，但不会与材料发生反应。
氮气 (N2) 是大多数应用中最常见且最具成本效益的选择，包括对轻微氮化不敏感的铁基部件。氩气 (Ar) 化学性质更纯净、更重，用于对任何反应高度敏感的材料，但成本明显更高。
还原性气氛（氢气、分解氨气）
这些气氛用于主动去除氧化物。
氢气 (H2) 是一种强大的还原剂，可促进快速烧结，并产生清洁、光亮的部件。然而，它成本高且易燃，需要严格的安全规程。氮氢气 (N2-H2) 混合物通常用作更安全、更经济的替代品。
分解氨气 (DA) 是通过将氨气 (NH3) 裂解成 75% 氢气和 25% 氮气的混合物产生的。它提供了一种具有成本效益的氢气来源。
控碳气氛
这些用于烧结钢材以维持精确的碳含量。
保护气（内吸式气体） 是由天然气产生的 N2、H2 和一氧化碳 (CO) 的混合物。它是控制碳势的传统且有效的介质。
氮气-甲醇系统涉及将氮气和液态甲醇注入热炉中，甲醇在此裂解生成 H2 和 CO。这种现代方法可以对碳势进行高度精确和可重复的计算机控制。
真空
真空是气氛的缺失。它是最终的“清洁”环境，因为它不仅可以去除氧气等反应性气体，还可以帮助将污染物和夹带的气体从部件本身中抽出。
真空烧结对于高反应性材料，如钛、难熔金属和某些高性能陶瓷至关重要。
理解权衡和风险
选择气氛需要在材料要求、成本和安全之间取得平衡。没有单一的最佳解决方案。
控制不当的风险
气氛控制不当是生产故障的主要原因。后果包括氧化、脱碳、积碳（过多的碳）、密度差、夹带气体引起的起泡，以及批次之间机械性能不一致。
成本与性能
高纯度气体和复杂的控制系统会增加运营成本。制造商必须权衡使用纯氩气或氢气气氛的额外费用与最终部件的性能要求。对关键应用使用廉价的气氛是失败的根源。
安全注意事项
含有高浓度氢气的气氛易燃，存在爆炸风险。保护气含有大量的有毒一氧化碳 (CO)。使用这些气氛时，适当的通风、气体监测和安全联锁是不可或缺的。
为您的材料选择合适的气氛
您的选择必须由您的材料化学性质和最终部件的预期功能来决定。
- 如果您的主要重点是简单的铁质部件或铜合金： 惰性氮气气氛通常足以有效防止基本氧化，且成本效益高。
- 如果您的主要重点是碳钢： 必须使用控碳气氛，如氮气-甲醇混合物或保护气，以防止脱碳并达到目标硬度。
- 如果您的主要重点是不锈钢或特种合金： 还原性气氛，通常是氮氢混合物，对于还原表面氧化物并获得明亮、高质量的表面至关重要。
- 如果您的主要重点是钛或医疗植入物等高反应性材料： 需要高纯度氩气气氛或高真空，以防止任何形式的化学污染。
归根结底，将烧结气氛视为精确的配料而不是事后考虑的因素，是实现一致、可靠的高性能部件的关键。
摘要表：
| 气氛类型 | 主要功能 | 常见材料 |
|---|---|---|
| 惰性（N2、Ar） | 防止氧化 | 铁、铜合金 |
| 还原性（H2、N2-H2） | 去除氧化物 | 不锈钢、特种合金 |
| 控碳型 | 维持碳含量 | 碳钢 |
| 真空 | 终极纯净度 | 钛、反应性金属 |
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