从本质上讲，控制烧结过程中的加热和冷却速率是管理材料内部应力的主要方法。通过仔细调节热循环，您可以防止开裂和翘曲等灾难性故障，确保烧结部件达到其所需的密度、强度和尺寸精度。
烧结不仅仅是一个加热过程；它是一个受控的结构转变。加热和冷却材料的速度决定了材料所承受的内部应力水平，直接影响产品的最终质量和可用性。
烧结中热应力的物理学
烧结的成功取决于驾驭材料在加热和冷却过程中经历的物理变化。匆忙进行此过程会引入可能轻易损坏部件的巨大应力。
热梯度和膨胀
当部件快速加热或冷却时，其表面温度变化快于其核心。这种称为热梯度的差异会导致材料的不同部分以不同的速率膨胀或收缩。
这种差异运动会产生强大的内部应力。对于陶瓷等脆性材料，这种应力是开裂最常见的原因。
粘合剂燃尽和脱气
大多数粉末冶金工艺使用有机粘合剂将松散的粉末固定在其生坯状态。在致密化开始之前，必须在相对较低的温度下将该粘合剂完全去除或“烧尽”。
加热过快可能会使燃尽过程中产生的气体滞留，在部件内部形成高压区域。这可能导致内部孔隙、起泡甚至灾难性故障。缓慢、受控的加热斜坡对于使这些气体安全逸出至关重要。
相变和体积变化
当许多材料，特别是合金和某些陶瓷，被加热和冷却时，它们会经历相变。这是它们的内部晶体结构重新排列的时候。
这些相变通常伴随着体积的突然变化。如果这种情况在热梯度上发生得太快，由此产生的内部应变很容易超过材料的强度，导致裂纹或变形。
了解取舍
虽然慢而稳定通常是最安全的方法，但它不一定是最有效的方法。理想的热循环是在冶金精度和操作现实之间取得平衡。
循环时间与材料完整性
最基本的权衡是速度与质量。较慢、更保守的热循环可以最大限度地减少缺陷的风险，但会增加炉内时间，降低产量，并消耗更多能源。
相反，以速度为优先的激进循环会大大增加热冲击、粘合剂燃尽不完全和翘曲的风险，从而导致更高的废品率。
不必要的晶粒长大
在峰值烧结温度下长时间保持材料可能会导致过度晶粒长大。虽然需要致密化，但过大的晶粒有时会降低某些机械性能，例如断裂韧性。
冷却速率也会影响最终的晶粒结构。因此，必须优化整个热曲线，不仅要防止裂纹，还要实现目标微观结构。
材料和几何依赖性
不存在通用的“正确”速率。理想的曲线在很大程度上取决于材料的热导率、热膨胀系数、部件的尺寸及其几何复杂性。
大而厚的部件或具有尖锐角度的部件更容易受到热梯度的影响，并且需要比小而简单的部件慢得多的加热和冷却速率。
根据您的目标定制热循环
确定您的主要目标是优化烧结过程的第一步。合适的热曲线完全取决于您的优先事项。
- 如果您的主要重点是最大的结构完整性和质量：使用保守、较慢的加热和冷却速率，并为粘合剂燃尽和应力消除设置专门的保持时间，特别是对于大型或复杂部件。
- 如果您的主要重点是高生产吞吐量：仔细识别循环中可以加速的非关键阶段，并将缓慢、精确的控制集中在关键相变或粘合剂燃尽阶段。
- 如果您的主要重点是实现特定的微观结构特性：设计冷却速率以控制晶粒形成，因为快速淬火会产生不同、更硬的相（如钢中的马氏体），而缓慢冷却则促进更软、更具延展性的结构。
掌握热循环是将松散粉末转变为可靠、高性能部件的关键。
摘要表：
| 益处 | 描述 |
|---|---|
| 防止开裂和翘曲 | 减少热应力和梯度，以避免材料失效和变形。 |
| 提高致密度和强度 | 确保均匀致密化并增强烧结部件的机械性能。 |
| 优化微观结构 | 控制晶粒长大和相变，以实现目标材料特性。 |
| 提高尺寸精度 | 通过在热循环过程中最大限度地降低内部应力来保持部件的形状和尺寸。 |
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