中国粉体网讯 粉末冶金技术具有精度高、节能、节材、高效、近净成形、无（少）污染等一系列优点，近年来应用领域不断扩大，从传统家电、机械工具逐步扩展到汽车领域。
在粉末冶金工艺中，烧结气氛的控制是一项至关重要却又常被低估的核心技术。它直接影响着制品的微观结构、物理性能、化学组成乃至最终的产品良率。常见的烧结保护气氛有氢气、氮气、氢氮混合气、分解氨、吸热煤气、合成煤气等。
气氛的核心作用：保护与调控
粉末冶金过程（尤其是烧结阶段）通常在高温（可达1600℃以上）下进行。此时，具有巨大比表面积的金属粉末处于高活性状态，极易与环境发生有害反应。气氛的首要功能是隔绝与保护：
1. 防止氧化与污染：空气中的氧气（O2）和水蒸气（H2O）会与金属粉末（特别是Ti、Al、Mg、稀土元素等活性金属及其合金）发生氧化反应，形成氧化物层。这些表面氧化物严重阻碍金属颗粒间的扩散与冶金结合，导致烧结体产生孔洞、强度降低、延展性恶化，甚至烧结失败。
2. 移除污染物：烧结前粉末压坯中可能残留的润滑剂、成形剂等有机物，在升温过程中会分解产生含C、H、O的挥发性气体。有效的气氛（如H2基气氛）可及时将其分解并携带出炉膛，防止碳黑沉积或有害气体（如CO）干扰烧结过程。
3. 还原氧化物：对于某些表面已存在轻微氧化物的粉末（如Fe基、Cu基），还原性气氛（如H2、分解氨（N2/H2））可在烧结升温阶段将金属氧化物还原为金属，恢复表面活性，促进烧结致密化。
更深层次的调控功能：
4. 控制碳含量与合金化：在铁基、硬质合金等材料的烧结中，气氛的碳势（Carbon Potential）精确控制至关重要。
渗碳：通过控制CO/CO2或CH4/H2的比例，可在零件表面甚至内部渗入碳原子，提高表面硬度（如烧结硬化钢）。
防止脱碳/渗碳：对于不锈钢或特定合金钢，需维持中性的碳势（通常通过精确控制露点或CO2浓度）以避免表面碳损失（脱碳，导致软化）或过量渗碳（形成脆性碳化物）。炉内的实际碳势需与材料的目标碳含量精确匹配。
5. 促进合金元素均匀化：在预合金粉末或MIM喂料的烧结中，均匀、稳定的气氛有助于合金元素在颗粒间的扩散和均匀分布。
6. 防止有害反应：对某些特殊材料（如含氮钢），需要特定气氛（如氮基气氛）来防止氮的损失或引入必要的氮。对于高熵合金、金属基复合材料（MMCs），气氛需防止基体与增强相之间发生有害的界面反应。
常用烧结气氛类型
1. 氢气（H2）
氢气作为最强还原性气氛（露点可低至-60℃），能高效清除金属表面氧化物并防止氧化，适用于不锈钢、硬质合金、电工纯铁及钛/钽等活性金属烧结。但其易燃易爆特性（爆炸极限4%-75%）要求设备严格防爆，且高纯度（>99.995%）需求导致成本较高。典型应用场景包括硬质合金脱蜡预烧和磁性材料高温烧结。
2. 分解氨（75% H2+ 25% N2）
通过液氨裂解生成的还原性气氛，兼具氢气还原能力与氮气安全性优势。氮元素的固溶强化作用可提升铁基、铜基结构件机械性能，成本比纯氢低30%以上。但需注意：残氨需控制≤10ppm避免材料氮脆，且不适用于高铬不锈钢（可能形成铬氮化物）。
3. 吸热式气氛（40% H2/20% CO/余量N2）
由天然气/丙烷与空气催化反应生成，碳势可控（0.6-1.2）是其核心价值。通过红外仪实时调节CO/CO2比例，可精准实现渗碳或防脱碳，广泛用于齿轮、连杆等中高碳钢零件的烧结强化。但含CO毒性和原料依赖性（需稳定气源）是主要局限。
4. 放热式气氛（高N2/低CO/H2）
燃烧烃类气体获得的低成本保护气氛，分为贫气（CO2≈10%）和富气（CO2≈1%）两类。弱还原性适合铜基材料（如青铜过滤器）、黄铜烧结，运行成本较吸热式低40%。但氧含量偏高（0.5%-5%）导致铁基材料易脱碳，须配合干燥器将露点降至-15℃以下使用。
5. 高纯氮气（>99.999% N2）
绝对惰性气氛的安全首选，通过分子筛/脱氧塔实现O2<3ppm、露点<-60℃。广泛用于银基电触头、含铬锰不锈钢及预合金高速钢烧结，可避免活性元素氧化损失。但无法还原现存氧化物，对坯体清洁度要求严苛，大流量使用成本仍显著。
6. 氩气（>99.995% Ar）
分子量高于氮气的惰性气体，更有效抑制活性金属原子挥发。在钛/锆/钨等难熔金属烧结、增材制造后处理中不可替代，能防止钛铝基复合材料界面脆化。超高纯度氩气单价是氮气的3倍以上，常与真空系统配合用于航空部件等高附加值产品。
7. 真空（<10-3 Pa）
以极致洁净环境彻底消除氧化风险，尤其适合含铝/钛高温合金、钕铁硼磁体的近净成形烧结。低压环境（0.1-10Pa）可加速杂质挥发，但需警惕锰/铬等易挥发元素的损失。设备投资可达气氛炉的2-5倍，维护成本高制约其大规模应用。
结语
气氛在粉末冶金工艺中绝非简单的背景环境，而是参与并主导物理化学过程的关键工艺参数。其对最终产品的密度、强度、硬度、微观组织、化学成分、尺寸精度及表面质量有着决定性影响。
随着对PM零件性能要求的不断提高（如高致密、近净形、高强韧、功能化）以及新材料（如MIM微细零件、高熵合金、MMCs）的应用，对气氛控制的精度、稳定性及智能化程度的要求将进一步提升。深入理解气氛的作用机理，掌握先进的控制技术，并融入日常的生产管控，是粉末冶金企业提升核心竞争力和产品附加值的必经之路。
参考文献
吴龙，等：烧结气氛对粉末冶金铁基高碳材料组织的影响
毛凯，等：烧结气氛对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响
中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/留白）
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