中國粉體網訊 粉末冶金技術具有精度高、節能、節材、高效、近凈成形、無（少）污染等一系列優點，近年來應用領域不斷擴大，從傳統家電、機械工具逐步擴展到汽車領域。
在粉末冶金工藝中，燒結氣氛的控制是一項至關重要卻又常被低估的核心技術。它直接影響著制品的微觀結構、物理性能、化學組成乃至最終的產品良率。常見的燒結保護氣氛有氫氣、氮氣、氫氮混合氣、分解氨、吸熱煤氣、合成煤氣等。
氣氛的核心作用：保護與調控
粉末冶金過程（尤其是燒結階段）通常在高溫（可達1600℃以上）下進行。此時，具有巨大比表面積的金屬粉末處于高活性狀態，極易與環境發生有害反應。氣氛的首要功能是隔絕與保護：
1. 防止氧化與污染：空氣中的氧氣（O2）和水蒸氣（H2O）會與金屬粉末（特別是Ti、Al、Mg、稀土元素等活性金屬及其合金）發生氧化反應，形成氧化物層。這些表面氧化物嚴重阻礙金屬顆粒間的擴散與冶金結合，導致燒結體產生孔洞、強度降低、延展性惡化，甚至燒結失敗。
2. 移除污染物：燒結前粉末壓坯中可能殘留的潤滑劑、成形劑等有機物，在升溫過程中會分解產生含C、H、O的揮發性氣體。有效的氣氛（如H2基氣氛）可及時將其分解并攜帶出爐膛，防止碳黑沉積或有害氣體（如CO）干擾燒結過程。
3. 還原氧化物：對于某些表面已存在輕微氧化物的粉末（如Fe基、Cu基），還原性氣氛（如H2、分解氨（N2/H2））可在燒結升溫階段將金屬氧化物還原為金屬，恢復表面活性，促進燒結致密化。
更深層次的調控功能：
4. 控制碳含量與合金化：在鐵基、硬質合金等材料的燒結中，氣氛的碳勢（Carbon Potential）精確控制至關重要。
滲碳：通過控制CO/CO2或CH4/H2的比例，可在零件表面甚至內部滲入碳原子，提高表面硬度（如燒結硬化鋼）。
防止脫碳/滲碳：對于不銹鋼或特定合金鋼，需維持中性的碳勢（通常通過精確控制露點或CO2濃度）以避免表面碳損失（脫碳，導致軟化）或過量滲碳（形成脆性碳化物）。爐內的實際碳勢需與材料的目標碳含量精確匹配。
5. 促進合金元素均勻化：在預合金粉末或MIM喂料的燒結中，均勻、穩定的氣氛有助于合金元素在顆粒間的擴散和均勻分布。
6. 防止有害反應：對某些特殊材料（如含氮鋼），需要特定氣氛（如氮基氣氛）來防止氮的損失或引入必要的氮。對于高熵合金、金屬基復合材料（MMCs），氣氛需防止基體與增強相之間發生有害的界面反應。
常用燒結氣氛類型
1. 氫氣（H2）
氫氣作為最強還原性氣氛（露點可低至-60℃），能高效清除金屬表面氧化物并防止氧化，適用于不銹鋼、硬質合金、電工純鐵及鈦/鉭等活性金屬燒結。但其易燃易爆特性（爆炸極限4%-75%）要求設備嚴格防爆，且高純度（>99.995%）需求導致成本較高。典型應用場景包括硬質合金脫蠟預燒和磁性材料高溫燒結。
2. 分解氨（75% H2+ 25% N2）
通過液氨裂解生成的還原性氣氛，兼具氫氣還原能力與氮氣安全性優勢。氮元素的固溶強化作用可提升鐵基、銅基結構件機械性能，成本比純氫低30%以上。但需注意：殘氨需控制≤10ppm避免材料氮脆，且不適用于高鉻不銹鋼（可能形成鉻氮化物）。
3. 吸熱式氣氛（40% H2/20% CO/余量N2）
由天然氣/丙烷與空氣催化反應生成，碳勢可控（0.6-1.2）是其核心價值。通過紅外儀實時調節CO/CO2比例，可精準實現滲碳或防脫碳，廣泛用于齒輪、連桿等中高碳鋼零件的燒結強化。但含CO毒性和原料依賴性（需穩定氣源）是主要局限。
4. 放熱式氣氛（高N2/低CO/H2）
燃燒烴類氣體獲得的低成本保護氣氛，分為貧氣（CO2≈10%）和富氣（CO2≈1%）兩類。弱還原性適合銅基材料（如青銅過濾器）、黃銅燒結，運行成本較吸熱式低40%。但氧含量偏高（0.5%-5%）導致鐵基材料易脫碳，須配合干燥器將露點降至-15℃以下使用。
5. 高純氮氣（>99.999% N2）
絕對惰性氣氛的安全首選，通過分子篩/脫氧塔實現O2<3ppm、露點<-60℃。廣泛用于銀基電觸頭、含鉻錳不銹鋼及預合金高速鋼燒結，可避免活性元素氧化損失。但無法還原現存氧化物，對坯體清潔度要求嚴苛，大流量使用成本仍顯著。
6. 氬氣（>99.995% Ar）
分子量高于氮氣的惰性氣體，更有效抑制活性金屬原子揮發。在鈦/鋯/鎢等難熔金屬燒結、增材制造后處理中不可替代，能防止鈦鋁基復合材料界面脆化。超高純度氬氣單價是氮氣的3倍以上，常與真空系統配合用于航空部件等高附加值產品。
7. 真空（<10-3 Pa）
以極致潔凈環境徹底消除氧化風險，尤其適合含鋁/鈦高溫合金、釹鐵硼磁體的近凈成形燒結。低壓環境（0.1-10Pa）可加速雜質揮發，但需警惕錳/鉻等易揮發元素的損失。設備投資可達氣氛爐的2-5倍，維護成本高制約其大規模應用。
結語
氣氛在粉末冶金工藝中絕非簡單的背景環境，而是參與并主導物理化學過程的關鍵工藝參數。其對最終產品的密度、強度、硬度、微觀組織、化學成分、尺寸精度及表面質量有著決定性影響。
隨著對PM零件性能要求的不斷提高（如高致密、近凈形、高強韌、功能化）以及新材料（如MIM微細零件、高熵合金、MMCs）的應用，對氣氛控制的精度、穩定性及智能化程度的要求將進一步提升。深入理解氣氛的作用機理，掌握先進的控制技術，并融入日常的生產管控，是粉末冶金企業提升核心競爭力和產品附加值的必經之路。
參考文獻
吳龍，等：燒結氣氛對粉末冶金鐵基高碳材料組織的影響
毛凱，等：燒結氣氛對銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響
中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/留白）
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