第 9 章成形
粉末与陶瓷
这些工艺从粉末或液体出发制造实心零件，而不是熔化金属或切削块料。它们都依靠烧结：把堆积的颗粒加热到熔点以下，直到结合成一个整体。各种工艺之间变化的是颗粒的形态，以及施加热和压力的方式。
核心思想
烧结是颗粒不熔化就粘在一起的方式。两个颗粒接触的地方，原子越过接触点迁移（扩散），搭起一座实心的桥，称为烧结颈。随着烧结颈长大，颗粒之间的间隙（孔隙）缩小，所以零件变得更致密，通常也略微变小。想想一碗雪球放了一夜：它们从不融化，到早上却已熔成了一团。压力把颗粒压在一起，从而加快这一过程；快速加热或内部加热既省时间，又能保持细小的晶粒。
并排对比
| 工艺 | 一句话概括 | 最适合 | 批量 | 精度 |
|---|---|---|---|---|
| 9.1粉末冶金（压制烧结） | 在模具中压制粉末，再在网带炉中烧结 | 小齿轮、衬套、轮廓简单的零件 | 每年 1 万到数百万件 | 约 ±0.05–0.1 mm |
| 9.2金属注射成形（MIM） | 把粉末与粘结剂的膏体注塑成形，脱脂，再烧结 | 微小、复杂、近乎全致密的钢零件 | 每年 1 万到数百万件 | 约为尺寸的 ±0.3–0.5% |
| 9.3热等静压（HIP） | 用热氩气从四面八方挤压，使气孔闭合 | 关键铸件、打印件、封装在罐中的粉末 | 从一个零件到满炉装载 | 形状保持；只有孔隙收缩 |
| 9.4放电等离子烧结（SPS） | 脉冲电流在几分钟内加热压制的石墨模具 | 圆片形的硬质陶瓷和新材料 | 单件、小批量 | 粗糙；之后需磨削 |
| 9.5微波烧结 | 微波从内部加热零件 | 牙科氧化锆等陶瓷 | 从实验室工作到小批量 | 与其他烧结一样，约 ±0.5–1% |
| 9.6溶胶-凝胶法 | 液体凝成凝胶，然后干燥并焙烧 | 薄涂层、气凝胶、纯粉末 | 从单个样品到涂层生产线 | 薄膜厚度可小至几十纳米 |
如何在这一类中选择
- 需要低成本做数十万个简单金属零件： 压制烧结粉末冶金。
- 需要近乎全致密的小型复杂金属零件： 金属注射成型。
- 需要去除绝不能失效的铸件或 3D 打印件中的隐藏孔隙： 热等静压。
- 需要快速得到难烧结材料或新材料的致密圆片： 放电等离子烧结；或对不加压的陶瓷用微波烧结。
- 需要薄而纯的涂层或超轻材料： 溶胶-凝胶工艺。
关键词
- 烧结
- 把堆积的颗粒加热到熔点以下使其结合。
- 烧结颈
- 在两个颗粒接触处长出的实心桥。
- 扩散
- 原子缓慢地在固体中迁移；烧结颈就是这样形成的。
- 孔隙率
- 零件体积中空孔隙所占的比例。
- 生坯
- 烧结前已成形的零件，只靠微弱的结合力连在一起。
- 粘结剂
- 一种蜡或塑料，在被去除之前把粉末固定成形。
- 密度
- 零件中实心材料所占的比例；100% 表示没有孔隙。
- 收缩
- 烧结时孔隙闭合而使零件损失的尺寸。