烧结解释：定义、过程、类型和实际应用

烧结是一种广泛的方法，通过压缩然后熔化粉末和粘合剂，由各种材料形成整体且可能高度复杂的零件。该部分经历两个阶段。第一阶段使所需的形状成为脆弱且集成度差的超大组件。第二阶段烘烤该部件以排出粘合剂材料，并使剩余的颗粒融合在一起并聚结成全强度部件。这种方法在金属和陶瓷领域越来越广泛，作为一种通过高度可重复的低单件成本工艺生产具有出色机械性能的复杂净形状零件的方法。本文将定义烧结、其工作原理、烧结类型以及不同的过程。

什么是烧结？

烧结是首先通过压实将粉末形状粘合成整体固体的过程。然后将形状加热到其中一种粉末的熔点以下，以实现热熔合以粘合颗粒。这会烧掉之前用于将形状固定在一起的任何中间粘合剂，并粘合剩余的“绿色”（即未烧结）材料。此过程由粉末金属、陶瓷或复合材料形成固体物体。

当压缩粉末部件被加热时，导致颗粒粘合，该过程会巩固所有空隙。这导致密度接近 100%，接近主要材料的特性。加工温度得到精确控制。为了熔合，接触点必须几乎熔化，以便在连接成一体时完全保留熔合前的形状。图1是烧结件的示例：

烧结的另一个术语是什么？

通常使用多种术语来描述本质上是烧结的过程。其中包括粉末冶金、MIM（金属注射成型）、固结、结块和烧制。粉末冶金是将金属粉末压制或注射到固体物体中的过程。另一方面，MIM 将带有熔融聚合物的金属粉末浆料注入塑料模具中。然后聚合物被烧掉，温度升高以使颗粒熔化。

固结在陶瓷工业中广泛用于描述压制成型陶瓷粉末以形成固体然后进行窑固化的类似过程。结块用于描述各种粉末颗粒的形成，这些粉末颗粒粘合在一起形成固体“蛋糕”。最后，烧制描述了陶瓷行业中颗粒形式的热集成。

烧结的起源是什么？

烧结的起源可以追溯到史前时代，因为所有烧制的陶瓷本质上都是烧结的粘土颗粒。粘土颗粒的湿融合形成“绿色”形状，然后进行烧制，将湿粘土的离散斑点整合成单个耐用的物品。此外，一些金属粉末装饰和陶器上釉代表了原始的烧结方法，通过加热使玻璃和金属从粉末熔合为固体。

现代烧结始于威廉·柯立芝的科学/商业领域。 1909 年，他通过热挤压/拉拔粉末成型坯料，获得了延展性钨丝，从而制造出比以前更耐用的灯丝。

烧结过程如何进行？

烧结过程分为三个阶段：

1. 将初级粉末混合物与粘合剂一起形成所需的形状。粘合剂将粉末粘在一起以形成零件的形状。这种粘合剂可以是水，但更常见的是蜡或聚合物。
2. 当生坯被烧制时，粘合剂会蒸发或烧掉。 
3. 然后温度充分升高，以实现本质上相同的两个过程之一的发生。要么初级粒子加热到足以刚刚开始 熔化，导致单个颗粒在其表面融合，或者中间粘合剂（例如青铜）熔化并在颗粒之间结合，使主要部件功率处于不变状态。

烧结过程的重要性是什么？

烧结工艺在多种应用中都很重要，包括：

1. 用于生产硬度高、韧性好、精度高的部件。
2. 用于生产使用更常规的制造方法难以实现的复杂形状和几何形状。
3. 融合多种材料的特性，将一种成分的韧性与另一种成分的耐磨性相结合。
4. 用于制造复杂零件和几何形状的低成本模具。复杂性必须在初级压力机或模具中一次性生产出来，并在粘合粉末中精确再现。
5. 实现组件的快速批量生产，同时保持精度和可重复性。

烧结有哪些不同类型？

各种方法都属于烧结的广义标题，包括：

1. 固态烧结： 粉末材料被加热到略低于熔点的温度。这通过晶界处的原子扩散将颗粒粘合在一起。
2. 液相烧结： 在粉末中添加少量溶剂液体以产生低孔隙率和粘合。然后通常通过加热将这种液体排出，以形成完整的固体。
3. 反应烧结： 在加热过程中利用粉末颗粒的至少一相的化学反应。它改变了化学反应，导致化学变化质量中的粒子耦合。
4. 微波烧结： 一种应用于陶瓷的新颖方法。使用微波感应热量，据称这可以使结构更快、更完整地集成。
5. 火花等离子烧结： 利用电流和粉末的物理压缩将粉末整合成一个整体。
6. 热等静压： 对粉末施加高压和高温，形成所需的形状并融合颗粒。
7. 冷烧结： 使用瞬态溶剂和压力将聚合物粉末固结成固体。

要了解更多信息，请参阅我们有关烧结类型的完整指南。

烧结中使用的材料有哪些？

作为一种广泛的技术，烧结可应用于多种材料。下面列出了这些内容：

1。金属

多种金属可用于多种类型的烧结工艺。这包括铁、铁铜、铜钢、镍钢、不锈钢（300 和 400 系列）、高强度低合金钢 (HSLA)、中碳钢和高碳钢、扩散硬化钢、黄铜和青铜以及软铁磁性合金。所有这些都可以通过 3D 打印构建为绿色零件，然后烧结成具有优异性能的高质量、低孔隙率零件。  金属可以通过压制、模制和注射成型来烧结。 Xometry 提供直接金属激光烧结 (DMLS)（一种金属激光烧结工艺）的即时报价。

要了解更多信息，请参阅我们的准金属完整指南。

2。陶瓷

大多数陶瓷工艺被认为是烧结或接近烧结。常用的 3D（SLS 或浆料沉积）打印然后烧结的陶瓷有：氧化铝、氮化铝、氧化锆、氮化硅、氮化硼和碳化硅。陶瓷一般采用压缩或模压成型的方式烧结。

3。聚合物

烧结聚合物分为两类：大颗粒烧结和小颗粒烧结。高孔隙率的大颗粒烧结通常用作过滤和气动消音器材料以及流量扩散控制器。这些包括聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯。小颗粒烧结聚合物用于选择性激光烧结等 3D 打印工艺。它用于生产具有接近天然材料特性和接近零孔隙率的集成高强度组件。例子有聚酰胺、聚苯乙烯、热塑性弹性体和聚醚醚酮。 Xometry 最受欢迎的工艺是选择性激光烧结服务。您可以随时获得即时报价。

要了解更多信息，请参阅我们的聚合物完整指南。

4。复合材料

复合材料的烧结是一组较为复杂的工艺，不同的材料以不同的方式进行加工。碳化钨使用钨和碳粉。压力热氧化将碳转化为碳化物。这使得金属粉末结合在一起，保持不变。经过实验，金属粉末烧结体中包含玻璃、碳和金属纤维，以增强性能。在某些方面，碳纤维的加工是一个烧结过程。粘合剂基质被压缩并热活化以粘合碳组件。金属氧化物陶瓷通过实验与 PEEK 等聚合物复合，以制造电阻半导体。复合材料的烧结多种多样，可以通过压缩、成型以及在有限情况下注射成型来实现。

5。玻璃

烧结过程中使用各种玻璃材料，包括：陶瓷釉料、石英玻璃、铅玻璃以及由熔融石英玻璃粉制成的烧结玻璃板。玻璃的烧结一般采用模压成型的方法。

烧结过程的步骤是什么？

烧结由一系列步骤组成，每个步骤都很简单，但需要很高的控制精度。步骤包括：

1. 组成： 添加并混合所需的主要材料和主要偶联剂。
2. 压缩： 将粉末（浆状或干状）压制成所需的形状。
3. 热量： 加热的目的是实现主偶联剂的去除以及主材料熔合成低孔隙率的整体。

烧结过程持续多长时间？

烧结过程通常只需几秒钟即可完成。然而，成型后烧结步骤可能需要几个小时才能完成。对于大多数方法来说，零件的烧结制造是一个快速过程。粉末和主粘合剂被压制、模制或注塑成未固化的生坯状态，在此阶段它们尺寸过大、多孔且未完全粘合。然后对零件进行热处理以诱导颗粒粘合。

使用什么材料进行烧结？

烧结是一种适用于多种材料的制造工艺，包括：

1. 聚合物： 用于快速原型设计、过滤器和消音器制造以及专业复合部件。
2. 金属： 大多数小型金属部件（例如齿轮和滑轮）都可以通过烧结制成。粗金属粉末也被烧结以制造过滤器、消音器和含油轴承。
3. 陶瓷： 从某种程度上来说，大多数陶瓷都是通过烧结的方式制造的。特别是，氧化锆和氧化铝陶瓷正在成为 3D 打印的选择。高温使用的齿轮和轴承等小零件通常由陶瓷烧结而成。

通过烧结工艺生产哪些类型的组件？

通过烧结生产的部件如下：

1. 齿轮和执行器等汽车零件。
2. 开关设备等电气元件。
3. 所有类型的切削刀具，用于铣削、钻孔和铰孔。
4. 航空航天部件，例如燃油阀部件、执行器和涡轮叶片。
5. 生物医学植入物，例如假体关节。

烧结工艺有什么好处？

烧结具有多种优点：

1. 该工艺可以生产高度可重复且精确的零件。
2. 建立生产的成本很容易通过大规模生产来摊销。
3. 零件无需精加工即可实现出色的外观效果。
4. 可以轻松实现用于批量生产的不可加工几何形状。

烧结过程有哪些风险？

烧结过程的一些风险包括：

1. 如果控制不当，粉末稠度可能会发生变化，从而改变收缩率或整体组件特性。
2. 初始成型过程控制必须精确，才能获得一致且可重复的结果。
3. 成型后“固化”工艺多种多样，需要非常严格的控制才能精确设定收缩率并防止变形。
4. 建立生产的成本很高，因此如果产品卖不出去，这可能会被浪费。
5. 生产流程的变化可能会导致零件薄弱且易变。

有关烧结的常见问题

烧结过程是否危险？

这取决于。烧结系列中有各种各样的材料和工艺。一般来说，“绿色”工艺是无害的，尽管据报道金属和陶瓷纳米颗粒对人体有医疗影响，必须小心处理。烧结的熔化部分是一个高温阶段，通常涉及驱除或燃烧有毒和刺激性的聚合物/蜡成分。对于高温和潜在易燃的蒸发/燃烧过程，需要通风以及正常的安全预防措施。

烧结过程应采取哪些安全预防措施？

烧结时应注意的安全事项如下：

1. 穿戴合适的防护装备，防止高温和潜在的空气传播危害。
2. 使用通风良好的区域。烧结会产生烟雾和蒸汽，应将其视为有害物质。
3. 请遵循安全程序处理材料，因为烧结粉末可能存在危险。
4. 与所有热加工一样，请准备好灭火器并知道如何使用它。

烧结与熔化相同吗？

不，烧结与熔化不同。具体来说，烧结不涉及零件的总体熔化，而是施加足够的热量来熔化颗粒而不液化它们。对于聚合物或金属零件，过多的热量可能会损坏零件的结构或形状。

烧结金属更强吗？

不，烧结金属零件并不比锻造或机加工零件坚固。如果制造精良，烧结零件可以达到与机加工零件相同的强度。

正确烧结的金属零件通常具有主要成分的大部分或全部机械性能。以不锈钢为例，MIM 零件通常能达到锻造或铸造零件的 80-90% 的疲劳强度，因为较大的晶粒尺寸和微量孔隙会导致弱点。

烧结与焊接相同吗？

不，烧结与焊接不同。虽然粉末颗粒融合成整体通常涉及接触点处的焊接形式，但烧结与“焊接”旗帜下的任何工艺都有很大不同，因为焊接涉及填料和天然材料在焊接点的完全液化。

迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

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