燒結(jié)，也稱為“熔塊”，是通過熱量和壓力形成固體材料而不熔化到液化點的過程。這個過程涉及材料中的原子擴散穿過顆粒邊界并融合在一起。燒結(jié)自然發(fā)生在礦床中，被用作包括陶瓷、金屬和塑料在內(nèi)的材料的制造工藝。
由于燒結(jié)溫度達不到材料的熔點，常用于鉬、鎢等熔點較高的材料。
粉末冶金學(xué)是研究使用粉末相關(guān)工藝進行的燒結(jié)。
什么是燒結(jié)工藝？
燒結(jié)是一種熱處理過程，其中松散的材料經(jīng)受高溫和高壓以將其壓實成固體塊。這類似于由于冰和水之間的溫差，冰塊在一杯水中粘在一起，或者當(dāng)你把雪推在一起形成一個緊湊的雪球。
燒結(jié)過程所需的熱量和壓力低于材料的熔點。
它是如何工作的？
正如材料具有熔點一樣，它也將具有理想的燒結(jié)點，此時熱量和壓力足以減少材料顆粒之間的多孔空間，并將松散的材料擠在一起形成固體塊。
這種壓力和熱量的使用自然發(fā)生在地球內(nèi)的礦床以及冰川地層中。
燒結(jié)用于提高材料性能，包括導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、材料強度和完整性以及半透明性。
類型
有幾種類型的燒結(jié)，取決于被接合的材料或具體的燒結(jié)工藝，如下：
陶瓷燒結(jié)
燒結(jié)用于制造陶瓷制品，包括陶器。由于一些陶瓷原料的塑性指數(shù)和對水的親和力低于粘土，因此需要在燒結(jié)前添加有機添加劑。該過程與材料收縮有關(guān)，因為一旦達到轉(zhuǎn)變溫度，玻璃相就會流動，材料的粉末結(jié)構(gòu)會固結(jié)，從而降低材料的孔隙率。該過程是通過使用高溫來驅(qū)動的，盡管這可能與壓力或電流等其他力相結(jié)合。壓力是最常見的附加因素，盡管分級金屬陶瓷復(fù)合材料以及納米顆粒燒結(jié)助劑和大塊成型技術(shù)可以實現(xiàn)“無壓燒結(jié)”。熱等靜壓是用于創(chuàng)建 3D 形狀的燒結(jié)變體。
金屬粉末燒結(jié)
大多數(shù)金屬都可以燒結(jié)，特別是純金屬在真空中不會發(fā)生表面污染。在大氣壓下燒結(jié)金屬粉末（如鐵粉）時，應(yīng)使用保護氣體。隨著密度增加和材料在最后階段看到金屬原子沿著晶界行進并由于表面張力使孔壁平滑化之前，燒結(jié)會導(dǎo)致材料的總體積減少。液態(tài)燒結(jié)是當(dāng)至少一種（但不是全部）材料處于液態(tài)時。這種技術(shù)仍被認為是粉末冶金，用于制造碳化鎢和硬質(zhì)合金。燒結(jié)金屬粉末的應(yīng)用范圍廣泛，從制造軸承和珠寶到熱管甚至獵槍彈殼。
塑料燒結(jié)
需要特定材料孔隙率的塑料物品是通過燒結(jié)形成的，包括用于過濾裝置以及流體和氣體流量控制等應(yīng)用。燒結(jié)塑料的其他應(yīng)用包括吸入器過濾器、包裝材料襯里和白板筆尖。燒結(jié)塑料也用作滑雪板和滑雪板的基材。
液相燒結(jié)
該工藝用于難以燒結(jié)的材料。液相燒結(jié)涉及將添加劑添加到要燒結(jié)的粉末中。這種添加劑熔化，液體被拉入孔隙中，使顆粒重新排列成更有利的堆積排列。在毛細管壓力高且顆粒靠得很近的地方，原子進入溶液并沉淀到化學(xué)勢較低的區(qū)域，這就是所謂的“接觸展平”。這類似于固態(tài)燒結(jié)中的晶界擴散。為了有效，添加劑需要在燒結(jié)發(fā)生之前熔化。
永久液相燒結(jié)
這個過程類似于常規(guī)液相燒結(jié)，除了它促進毛細作用以將液體吸引到開孔中，從而導(dǎo)致晶粒運動和改善堆積。
瞬態(tài)液相燒結(jié) (TLPS)
這種塊狀材料成型工藝用于陶瓷、金屬和金屬基陶瓷材料。這些材料需要與潤濕固體的液體互溶并產(chǎn)生高擴散率。
電流輔助燒結(jié)
AG Bloxam 于 1906 年首次獲得專利，該工藝使用電流來驅(qū)動或增強燒結(jié)。在隨后的幾年中，該工藝得到了進一步發(fā)展，包括將電流與壓力相結(jié)合，這被發(fā)現(xiàn)有利于燒結(jié)難熔金屬和導(dǎo)電氮化物和碳化物粉末。自 1906 年以來，已有超過 640 項電流燒結(jié)相關(guān)專利，包括電阻燒結(jié)（又名熱壓）。
火花等離子燒結(jié)
這種類型的燒結(jié)使用壓力和電場來提高陶瓷和金屬粉末壓塊的密度。通過使用電場和熱壓來提高致密性，該工藝可以降低燒結(jié)溫度并縮短工藝時間。然而，這個名稱有點誤導(dǎo)，因為研究表明沒有使用等離子體，因此場輔助燒結(jié)技術(shù) (FAST)、電場輔助燒結(jié) (EFAS) 和直流電燒結(jié) (DCS) 等替代名稱已經(jīng)開始使用。
電燒結(jié)鍛造
這種電流輔助燒結(jié)技術(shù)用于生產(chǎn)金剛石金屬基復(fù)合材料，源自電容器放電燒結(jié)。該工藝正在研究用于一系列金屬，其特點是燒結(jié)時間短。
無壓燒結(jié)
如上所述，該技術(shù)涉及在不使用施加壓力的情況下進行燒結(jié)，從而避免最終產(chǎn)品的密度變化。陶瓷粉末壓塊可以通過冷等靜壓、注塑或注漿成型，然后在加熱前預(yù)燒結(jié)和加工成最終形狀。無壓燒結(jié)有三種不同的加熱技術(shù)——恒定加熱速率 (CRH)、速率控制燒結(jié) (RCS) 和兩步燒結(jié) (TSS)。陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸將根據(jù)所使用的材料和技術(shù)而有所不同。
微波燒結(jié)
該過程可用于在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，而不是通過外部熱源通過表面產(chǎn)生熱量。它適用于小負載，它可以提供更快的加熱、更少的能量消耗和產(chǎn)品性能的改進。然而，由于微波燒結(jié)通常一次只燒結(jié)一個壓坯，因此如果需要更多，整體生產(chǎn)率可能會很差。此外，由于微波僅對具有高導(dǎo)電性和高滲透性的材料穿透很短的距離，因此粉末必須具有與微波在該特定材料中的穿透深度相似的粒度。此外，一些材料無法耦合，而其他材料可能表現(xiàn)出失控行為。由于微波燒結(jié)的過程和副反應(yīng)要快幾倍，因此最終燒結(jié)產(chǎn)品可能具有不同的特性。盡管存在缺點，但該技術(shù)對于保持生物陶瓷中的細晶粒尺寸非常有效。
優(yōu)點
雖然不同的方法和材料提供了一系列的好處，但有許多與燒結(jié)相關(guān)的一般優(yōu)勢：
- 純度：燒結(jié)在起始材料中提供了高水平的純度和均勻性，由于制造過程簡單，可以保持這種純度和均勻性
- 可重復(fù)：在輸入期間控制粒度允許高度可重復(fù)的操作
- 無結(jié)合接觸/夾雜物：與某些熔化工藝不同，燒結(jié)不會導(dǎo)致粉末顆粒或夾雜物之間的結(jié)合接觸（又名“串連”）
- 均勻孔隙率：創(chuàng)建具有均勻、可控孔隙率的材料
- 近網(wǎng)狀物體：燒結(jié)可以產(chǎn)生近乎網(wǎng)狀的物體
- 高強度材料：燒結(jié)可以制造渦輪葉片等高強度材料
- 高機械處理強度：燒結(jié)工藝提高了機械處理強度
- 處理難處理的材料：燒結(jié)使您可以處理其他技術(shù)無法使用的材料，例如熔點非常高的金屬
它在哪里使用？
由于燒結(jié)可以增強材料的特性，例如導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、強度和半透明性，因此它在一系列行業(yè)和應(yīng)用中都有應(yīng)用。通過壓制粉末制造金屬部件的過程可以追溯到幾個世紀(jì)以前，并且已被用于用幾乎所有類型的陶瓷或金屬制造物品。
現(xiàn)代用途包括制造結(jié)構(gòu)鋼部件、用于過濾的多孔金屬、鎢絲、自潤滑軸承、磁性材料、電觸點、牙科產(chǎn)品、醫(yī)療產(chǎn)品、切削工具等。
常見問題
燒結(jié)的含義是什么？
“ sinter?”這個詞在 18 世紀(jì)后期從德語傳入英語，并與英語單詞“cinder”相提并論。燒結(jié)是一種熱處理過程，涉及使骨料經(jīng)受溫度和壓力，以將松散的材料壓實成固體物體。
為什么要進行燒結(jié)，為什么它很重要？
燒結(jié)是為了賦予材料強度和完整性，同時降低孔隙率并提高導(dǎo)電性、半透明性和導(dǎo)熱性。這對于為產(chǎn)品提供理想的性能非常重要，并且還允許使用高熔點金屬制造物品（因為材料在燒結(jié)時不需要熔化）。
多久時間？
根據(jù)材料和技術(shù)，燒結(jié)可能需要幾毫秒到 24 小時以上的時間。
影響該過程可能需要多長時間的材料差異包括原子的遷移率、自擴散系數(shù)、熔化溫度和熱導(dǎo)率水平。此外，場輔助技術(shù)可以減少燒結(jié)時間，而選擇性激光燒結(jié)（基本上是金屬 3D 打印）速度較慢，而傳統(tǒng)的烘箱工藝仍然較慢。
添加液相也將加快燒結(jié)時間。然而，更快的燒結(jié)時間會導(dǎo)致密度和殘余孔隙率降低。
結(jié)論
燒結(jié)是通過原子在顆粒邊界上的擴散進行的，然后在壓力和/或熱量的影響下融合成一個整體。雖然這個過程可以自然地發(fā)生在礦床中，但它也被許多行業(yè)廣泛用于用陶瓷、金屬和塑料等材料制造物品。
燒結(jié)發(fā)生在材料熔點以下的熱量下，因此可用于用高熔點金屬制造物品。
根據(jù)電流、壓力和熱源的使用以及被燒結(jié)的實際材料等因素，有一系列不同的技術(shù)。
