中國粉體網(wǎng)訊 粉末冶金技術(shù)具有精度高、節(jié)能、節(jié)材、高效、近凈成形、無（少）污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，近年來應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，從傳統(tǒng)家電、機(jī)械工具逐步擴(kuò)展到汽車領(lǐng)域。
在粉末冶金工藝中，燒結(jié)氣氛的控制是一項(xiàng)至關(guān)重要卻又常被低估的核心技術(shù)。它直接影響著制品的微觀結(jié)構(gòu)、物理性能、化學(xué)組成乃至最終的產(chǎn)品良率。常見的燒結(jié)保護(hù)氣氛有氫氣、氮?dú)�、氫氮混合氣、分解氨、吸熱煤氣、合成煤氣等�?/span>
氣氛的核心作用：保護(hù)與調(diào)控
粉末冶金過程（尤其是燒結(jié)階段）通常在高溫（可達(dá)1600℃以上）下進(jìn)行。此時(shí)，具有巨大比表面積的金屬粉末處于高活性狀態(tài)，極易與環(huán)境發(fā)生有害反應(yīng)。氣氛的首要功能是隔絕與保護(hù)：
1. 防止氧化與污染：空氣中的氧氣（O2）和水蒸氣（H2O）會(huì)與金屬粉末（特別是Ti、Al、Mg、稀土元素等活性金屬及其合金）發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化物層。這些表面氧化物嚴(yán)重阻礙金屬顆粒間的擴(kuò)散與冶金結(jié)合，導(dǎo)致燒結(jié)體產(chǎn)生孔洞、強(qiáng)度降低、延展性惡化，甚至燒結(jié)失敗。
2. 移除污染物：燒結(jié)前粉末壓坯中可能殘留的潤滑劑、成形劑等有機(jī)物，在升溫過程中會(huì)分解產(chǎn)生含C、H、O的揮發(fā)性氣體。有效的氣氛（如H2基氣氛）可及時(shí)將其分解并攜帶出爐膛，防止碳黑沉積或有害氣體（如CO）干擾燒結(jié)過程。
3. 還原氧化物：對于某些表面已存在輕微氧化物的粉末（如Fe基、Cu基），還原性氣氛（如H2、分解氨（N2/H2））可在燒結(jié)升溫階段將金屬氧化物還原為金屬，恢復(fù)表面活性，促進(jìn)燒結(jié)致密化。
更深層次的調(diào)控功能：
4. 控制碳含量與合金化：在鐵基、硬質(zhì)合金等材料的燒結(jié)中，氣氛的碳勢（Carbon Potential）精確控制至關(guān)重要。
滲碳：通過控制CO/CO2或CH4/H2的比例，可在零件表面甚至內(nèi)部滲入碳原子，提高表面硬度（如燒結(jié)硬化鋼）。
防止脫碳/滲碳：對于不銹鋼或特定合金鋼，需維持中性的碳勢（通常通過精確控制露點(diǎn)或CO2濃度）以避免表面碳損失（脫碳，導(dǎo)致軟化）或過量滲碳（形成脆性碳化物）。爐內(nèi)的實(shí)際碳勢需與材料的目標(biāo)碳含量精確匹配。
5. 促進(jìn)合金元素均勻化：在預(yù)合金粉末或MIM喂料的燒結(jié)中，均勻、穩(wěn)定的氣氛有助于合金元素在顆粒間的擴(kuò)散和均勻分布。
6. 防止有害反應(yīng)：對某些特殊材料（如含氮鋼），需要特定氣氛（如氮基氣氛）來防止氮的損失或引入必要的氮。對于高熵合金、金屬基復(fù)合材料（MMCs），氣氛需防止基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生有害的界面反應(yīng)。
常用燒結(jié)氣氛類型
1. 氫氣（H2）
氫氣作為最強(qiáng)還原性氣氛（露點(diǎn)可低至-60℃），能高效清除金屬表面氧化物并防止氧化，適用于不銹鋼、硬質(zhì)合金、電工純鐵及鈦/鉭等活性金屬燒結(jié)。但其易燃易爆特性（爆炸極限4%-75%）要求設(shè)備嚴(yán)格防爆，且高純度（>99.995%）需求導(dǎo)致成本較高。典型應(yīng)用場景包括硬質(zhì)合金脫蠟預(yù)燒和磁性材料高溫?zé)Y(jié)。
2. 分解氨（75% H2+ 25% N2）
通過液氨裂解生成的還原性氣氛，兼具氫氣還原能力與氮?dú)獍踩詢?yōu)勢。氮元素的固溶強(qiáng)化作用可提升鐵基、銅基結(jié)構(gòu)件機(jī)械性能，成本比純氫低30%以上。但需注意：殘氨需控制≤10ppm避免材料氮脆，且不適用于高鉻不銹鋼（可能形成鉻氮化物）。
3. 吸熱式氣氛（40% H2/20% CO/余量N2）
由天然氣/丙烷與空氣催化反應(yīng)生成，碳勢可控（0.6-1.2）是其核心價(jià)值。通過紅外儀實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)CO/CO2比例，可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)滲碳或防脫碳，廣泛用于齒輪、連桿等中高碳鋼零件的燒結(jié)強(qiáng)化。但含CO毒性和原料依賴性（需穩(wěn)定氣源）是主要局限。
4. 放熱式氣氛（高N2/低CO/H2）
燃燒烴類氣體獲得的低成本保護(hù)氣氛，分為貧氣（CO2≈10%）和富氣（CO2≈1%）兩類。弱還原性適合銅基材料（如青銅過濾器）、黃銅燒結(jié)，運(yùn)行成本較吸熱式低40%。但氧含量偏高（0.5%-5%）導(dǎo)致鐵基材料易脫碳，須配合干燥器將露點(diǎn)降至-15℃以下使用。
5. 高純氮?dú)猓?gt;99.999% N2）
絕對惰性氣氛的安全首選，通過分子篩/脫氧塔實(shí)現(xiàn)O2<3ppm、露點(diǎn)<-60℃。廣泛用于銀基電觸頭、含鉻錳不銹鋼及預(yù)合金高速鋼燒結(jié)，可避免活性元素氧化損失。但無法還原現(xiàn)存氧化物，對坯體清潔度要求嚴(yán)苛，大流量使用成本仍顯著。
6. 氬氣（>99.995% Ar）
分子量高于氮?dú)獾亩栊詺怏w，更有效抑制活性金屬原子揮發(fā)。在鈦/鋯/鎢等難熔金屬燒結(jié)、增材制造后處理中不可替代，能防止鈦鋁基復(fù)合材料界面脆化。超高純度氬氣單價(jià)是氮?dú)獾?倍以上，常與真空系統(tǒng)配合用于航空部件等高附加值產(chǎn)品。
7. 真空（<10-3 Pa）
以極致潔凈環(huán)境徹底消除氧化風(fēng)險(xiǎn)，尤其適合含鋁/鈦高溫合金、釹鐵硼磁體的近凈成形燒結(jié)。低壓環(huán)境（0.1-10Pa）可加速雜質(zhì)揮發(fā)，但需警惕錳/鉻等易揮發(fā)元素的損失。設(shè)備投資可達(dá)氣氛爐的2-5倍，維護(hù)成本高制約其大規(guī)模應(yīng)用。
結(jié)語
氣氛在粉末冶金工藝中絕非簡單的背景環(huán)境，而是參與并主導(dǎo)物理化學(xué)過程的關(guān)鍵工藝參數(shù)。其對最終產(chǎn)品的密度、強(qiáng)度、硬度、微觀組織、化學(xué)成分、尺寸精度及表面質(zhì)量有著決定性影響。
隨著對PM零件性能要求的不斷提高（如高致密、近凈形、高強(qiáng)韌、功能化）以及新材料（如MIM微細(xì)零件、高熵合金、MMCs）的應(yīng)用，對氣氛控制的精度、穩(wěn)定性及智能化程度的要求將進(jìn)一步提升。深入理解氣氛的作用機(jī)理，掌握先進(jìn)的控制技術(shù)，并融入日常的生產(chǎn)管控，是粉末冶金企業(yè)提升核心競爭力和產(chǎn)品附加值的必經(jīng)之路。
參考文獻(xiàn)
吳龍，等：燒結(jié)氣氛對粉末冶金鐵基高碳材料組織的影響
毛凱，等：燒結(jié)氣氛對銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響
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