烧结
烧结是将压坯加热到低于主要组分熔点的温度并保温，使粉末颗粒之间发生原子扩散和冶金结合，孔隙减少、零件致密化并最终获得力学性能的过程。烧结是粉末冶金区别于其他工艺的灵魂所在。
为什么粉末能"自己"烧结在一起
烧结的驱动力是粉末系统的表面能。松散粉末（或压坯）内部存在大量颗粒表面和孔隙，比表面积巨大，系统处于高能量状态。加热后，原子获得足够的活动能力，会自发地向降低系统总表面能的方向迁移——颗粒间接触点长大（颈缩形成）、孔隙缩小、总表面积减少。
这就像水滴在玻璃上会自发合并成大水滴一样，都是表面能降低的过程，只不过固体中原子的迁移需要在高温下长时间进行。
从能量角度看，烧结是自发但缓慢的过程，工程上通过提高温度、减小粉末粒度、加入活化元素等手段来加速它。
固相烧结的三个阶段
以单元系（如纯铁）固相烧结为例，通常划分为：
- 颗粒粘结阶段（初期）：颗粒接触点形成"烧结颈"，孔隙仍相互连通，压坯强度迅速上升但密度变化不大。
- 颈长大与孔隙球化阶段（中期）：烧结颈长大，连通孔隙逐渐变为孤立的球形孔隙，密度逐步提高，晶界开始迁移、晶粒长大。
- 孔隙收缩与致密化阶段（后期）：孤立孔隙通过体积扩散沿晶界或位错管道逐渐缩小乃至消失，材料趋于全致密；剩余孔隙闭合为闭孔后较难进一步消除。
实际情况
普通铁基零件烧结后的密度约为理论密度的 90%~95%，保留一定孔隙正是含油轴承（自润滑）等功能的基础——烧结到多致密，是可以"设计"出来的。
液相烧结
如果在烧结温度下，混合料中有一部分组元熔化（或形成低熔点共晶），就构成液相烧结。液相的存在大大加速了致密化：
- 典型体系：WC-Co 硬质合金（钴在烧结温度下熔化，将碳化钨颗粒"焊"在一起）、W-Cu、Fe-Cu 等。
- 过程：液相形成并润湿固相 → 颗粒在液相中重排 → 溶解-析出 → 骨架固相烧结。
- 效果：比固相烧结更快达到高致密，特别适合难熔金属（如钨基高密度合金 W-Ni-Fe）。
液相烧结要求液相能良好润湿固相（否则液相会被排斥，出现"渗出"缺陷），且液相量要适当（一般为 10%~30% 体积分数）。
烧结工艺三要素
1. 烧结温度
- 通常为主要金属绝对熔点的 0.7
0.9 倍：铁基零件约 11201150 ℃，不锈钢可达 1250 ℃以上。 - 温度越高，致密化和合金化越快、晶粒越粗。需要权衡强度与韧性、控制尺寸变化。
2. 保温时间
- 保证烧结颈充分长大、成分充分均匀化。工业铁基零件一般 20~40 分钟（网带炉连续生产）。
3. 烧结气氛
烧结必须在保护气氛中进行，防止粉末氧化和脱碳，常见气氛有：
| 气氛 | 作用 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 吸热式/放热式煤气（RX/DX） | 还原性保护、控制碳势 | 铁基零件（成本最低） |
| 分解氨（HNx，75%H₂+25%N₂） | 强还原性 | 铜基、铁基 |
| 纯氢/氩气 | 强还原/惰性 | 钨钼、难熔金属 |
| 真空 | 避免氧化、除气 | 不锈钢、高温合金、钛 |
| 氮基气氛 | 中性保护 | 现代铁基烧结主流之一 |
碳势控制是铁基烧结的关键：气氛碳势过低零件脱碳（硬度不足），过高则渗碳（脆化）。
烧结炉
| 炉型 | 特点 | 应用 |
|---|---|---|
| 网带炉 | 连续生产，效率高，温度一般 ≤1150 ℃ | 大批量铁基零件 |
| 推杆炉 | 连续式，温度可更高 | 铁基、不锈钢 |
| 真空烧结炉 | 间歇式，温度高、质量好 | 不锈钢、硬质合金、高温合金 |
| 步进梁式炉 | 大型连续 | 大件 |
| 感应烧结炉 | 快速加热 | 特殊场合 |
连续炉通常分为：预热区（脱蜡/脱润滑剂）→ 高温烧结区 → 冷却区（有时带快冷段以调控组织）。
压力烧结：烧结 + 塑性变形的叠加
- 热压（HP）：加热的同时单轴加压，致密化快，适合硬质合金大件。
- 热等静压（HIP）：气体各向同性加压 + 高温，能达到接近 100% 致密，是高性能粉末冶金构件（高温合金盘、钛合金件）的关键工艺。压力烧结实质上是把"烧结驱动力不够"的部分用外加载荷补齐，因此在较低温度下也能全致密。
烧结中的尺寸变化
烧结时零件尺寸会发生变化：
- 多数材料烧结收缩（孔隙减少），铁基零件烧结收缩率约 0.5%~2%；
- 铁-铜系反而膨胀（铜液相渗入晶界，把铁骨架"撑开"）；
- MIM 零件烧结收缩可达 15%~20%。
模具设计时必须预留这些尺寸变化（"缩放"设计），并在生产中严格控制烧结曲线以保证尺寸一致性。
常见烧结缺陷
| 缺陷 | 原因 |
|---|---|
| 裂纹/层裂 | 升温过快（润滑剂爆裂）、脱模损伤带入烧结 |
| 起泡 | 脱蜡阶段升温过快，气体来不及逸出 |
| 氧化/脱碳 | 气氛控制不当、露点过高 |
| 翘曲 | 密度不均匀、烧结收缩不均、垫板不平 |
| 晶粒粗大 | 烧结温度过高或时间过长 |
| 麻点/渗出 | 液相烧结润湿不良、液相过多 |
小结
- 烧结的驱动力是粉末的表面能，过程自发但缓慢，需要高温和合适的气氛来"护航"。
- 固相烧结依靠扩散，液相烧结更快更致密，压力烧结（HIP）可以接近全致密。
- 气氛（碳势、露点）和温度曲线是保证质量一致性的核心工艺参数。
- 烧结收缩是尺寸设计的核心变量。
烧结后的零件离成品还差最后一步——精整、热处理和表面处理，见整形与热处理。