烧结，也称为“熔块”，是通过热量和压力形成固体材料而不熔化到液化点的过程。这个过程涉及材料中的原子扩散穿过颗粒边界并融合在一起。烧结自然发生在矿床中，被用作包括陶瓷、金属和塑料在内的材料的制造工艺。
由于烧结温度达不到材料的熔点，常用于钼、钨等熔点较高的材料。
粉末冶金学是研究使用粉末相关工艺进行的烧结。
什么是烧结工艺？
烧结是一种热处理过程，其中松散的材料经受高温和高压以将其压实成固体块。这类似于由于冰和水之间的温差，冰块在一杯水中粘在一起，或者当你把雪推在一起形成一个紧凑的雪球。
烧结过程所需的热量和压力低于材料的熔点。
它是如何工作的？
正如材料具有熔点一样，它也将具有理想的烧结点，此时热量和压力足以减少材料颗粒之间的多孔空间，并将松散的材料挤在一起形成固体块。
这种压力和热量的使用自然发生在地球内的矿床以及冰川地层中。
烧结用于提高材料性能，包括导热性和导电性、材料强度和完整性以及半透明性。
类型
有几种类型的烧结，取决于被接合的材料或具体的烧结工艺，如下：
陶瓷烧结
烧结用于制造陶瓷制品，包括陶器。由于一些陶瓷原料的塑性指数和对水的亲和力低于粘土，因此需要在烧结前添加有机添加剂。该过程与材料收缩有关，因为一旦达到转变温度，玻璃相就会流动，材料的粉末结构会固结，从而降低材料的孔隙率。该过程是通过使用高温来驱动的，尽管这可能与压力或电流等其他力相结合。压力是最常见的附加因素，尽管分级金属陶瓷复合材料以及纳米颗粒烧结助剂和大块成型技术可以实现“无压烧结”。热等静压是用于创建 3D 形状的烧结变体。
金属粉末烧结
大多数金属都可以烧结，特别是纯金属在真空中不会发生表面污染。在大气压下烧结金属粉末（如铁粉）时，应使用保护气体。随着密度增加和材料在最后阶段看到金属原子沿着晶界行进并由于表面张力使孔壁平滑化之前，烧结会导致材料的总体积减少。液态烧结是当至少一种（但不是全部）材料处于液态时。这种技术仍被认为是粉末冶金，用于制造碳化钨和硬质合金。烧结金属粉末的应用范围广泛，从制造轴承和珠宝到热管甚至猎枪弹壳。
塑料烧结
需要特定材料孔隙率的塑料物品是通过烧结形成的，包括用于过滤装置以及流体和气体流量控制等应用。烧结塑料的其他应用包括吸入器过滤器、包装材料衬里和白板笔尖。烧结塑料也用作滑雪板和滑雪板的基材。
液相烧结
该工艺用于难以烧结的材料。液相烧结涉及将添加剂添加到要烧结的粉末中。这种添加剂熔化，液体被拉入孔隙中，使颗粒重新排列成更有利的堆积排列。在毛细管压力高且颗粒靠得很近的地方，原子进入溶液并沉淀到化学势较低的区域，这就是所谓的“接触展平”。这类似于固态烧结中的晶界扩散。为了有效，添加剂需要在烧结发生之前熔化。
永久液相烧结
这个过程类似于常规液相烧结，除了它促进毛细作用以将液体吸引到开孔中，从而导致晶粒运动和改善堆积。
瞬态液相烧结 (TLPS)
这种块状材料成型工艺用于陶瓷、金属和金属基陶瓷材料。这些材料需要与润湿固体的液体互溶并产生高扩散率。
电流辅助烧结
AG Bloxam 于 1906 年首次获得专利，该工艺使用电流来驱动或增强烧结。在随后的几年中，该工艺得到了进一步发展，包括将电流与压力相结合，这被发现有利于烧结难熔金属和导电氮化物和碳化物粉末。自 1906 年以来，已有超过 640 项电流烧结相关专利，包括电阻烧结（又名热压）。
火花等离子烧结
这种类型的烧结使用压力和电场来提高陶瓷和金属粉末压块的密度。通过使用电场和热压来提高致密性，该工艺可以降低烧结温度并缩短工艺时间。然而，这个名称有点误导，因为研究表明没有使用等离子体，因此场辅助烧结技术 (FAST)、电场辅助烧结 (EFAS) 和直流电烧结 (DCS) 等替代名称已经开始使用。
电烧结锻造
这种电流辅助烧结技术用于生产金刚石金属基复合材料，源自电容器放电烧结。该工艺正在研究用于一系列金属，其特点是烧结时间短。
无压烧结
如上所述，该技术涉及在不使用施加压力的情况下进行烧结，从而避免最终产品的密度变化。陶瓷粉末压块可以通过冷等静压、注塑或注浆成型，然后在加热前预烧结和加工成最终形状。无压烧结有三种不同的加热技术——恒定加热速率 (CRH)、速率控制烧结 (RCS) 和两步烧结 (TSS)。陶瓷微观结构和晶粒尺寸将根据所使用的材料和技术而有所不同。
微波烧结
该过程可用于在材料内部产生热量，而不是通过外部热源通过表面产生热量。它适用于小负载，它可以提供更快的加热、更少的能量消耗和产品性能的改进。然而，由于微波烧结通常一次只烧结一个压坯，因此如果需要更多，整体生产率可能会很差。此外，由于微波仅对具有高导电性和高渗透性的材料穿透很短的距离，因此粉末必须具有与微波在该特定材料中的穿透深度相似的粒度。此外，一些材料无法耦合，而其他材料可能表现出失控行为。由于微波烧结的过程和副反应要快几倍，因此最终烧结产品可能具有不同的特性。尽管存在缺点，但该技术对于保持生物陶瓷中的细晶粒尺寸非常有效。
优点
虽然不同的方法和材料提供了一系列的好处，但有许多与烧结相关的一般优势：
- 纯度：烧结在起始材料中提供了高水平的纯度和均匀性，由于制造过程简单，可以保持这种纯度和均匀性
- 可重复：在输入期间控制粒度允许高度可重复的操作
- 无结合接触/夹杂物：与某些熔化工艺不同，烧结不会导致粉末颗粒或夹杂物之间的结合接触（又名“串连”）
- 均匀孔隙率：创建具有均匀、可控孔隙率的材料
- 近网状物体：烧结可以产生近乎网状的物体
- 高强度材料：烧结可以制造涡轮叶片等高强度材料
- 高机械处理强度：烧结工艺提高了机械处理强度
- 处理难处理的材料：烧结使您可以处理其他技术无法使用的材料，例如熔点非常高的金属
它在哪里使用？
由于烧结可以增强材料的特性，例如导电性和导热性、强度和半透明性，因此它在一系列行业和应用中都有应用。通过压制粉末制造金属部件的过程可以追溯到几个世纪以前，并且已被用于用几乎所有类型的陶瓷或金属制造物品。
现代用途包括制造结构钢部件、用于过滤的多孔金属、钨丝、自润滑轴承、磁性材料、电触点、牙科产品、医疗产品、切削工具等。
常见问题
烧结的含义是什么？
“ sinter ”这个词在 18 世纪后期从德语传入英语，并与英语单词“cinder”相提并论。烧结是一种热处理过程，涉及使骨料经受温度和压力，以将松散的材料压实成固体物体。
为什么要进行烧结，为什么它很重要？
烧结是为了赋予材料强度和完整性，同时降低孔隙率并提高导电性、半透明性和导热性。这对于为产品提供理想的性能非常重要，并且还允许使用高熔点金属制造物品（因为材料在烧结时不需要熔化）。
多久时间？
根据材料和技术，烧结可能需要几毫秒到 24 小时以上的时间。
影响该过程可能需要多长时间的材料差异包括原子的迁移率、自扩散系数、熔化温度和热导率水平。此外，场辅助技术可以减少烧结时间，而选择性激光烧结（基本上是金属 3D 打印）速度较慢，而传统的烘箱工艺仍然较慢。
添加液相也将加快烧结时间。然而，更快的烧结时间会导致密度和残余孔隙率降低。
结论
烧结是通过原子在颗粒边界上的扩散进行的，然后在压力和/或热量的影响下融合成一个整体。虽然这个过程可以自然地发生在矿床中，但它也被许多行业广泛用于用陶瓷、金属和塑料等材料制造物品。
烧结发生在材料熔点以下的热量下，因此可用于用高熔点金属制造物品。
根据电流、压力和热源的使用以及被烧结的实际材料等因素，有一系列不同的技术。
