燒結(jié)氣氛及其選擇：
如果僅考慮含碳鋼的燒結(jié)，粉末冶金工業(yè)中所使用的燒結(jié)氣氛為氫氣、氮?dú)�、氮�(dú)?氫氣（有碳勢或無碳勢）、分解氨、吸熱煤氣、吸熱煤氣+氮?dú)狻⒑铣擅簹庖约罢婵盏龋_選擇燒結(jié)氣氛，需了解各種燒結(jié)氣氛的特點(diǎn)及其性能，按照保證質(zhì)量，降低成本的原則進(jìn)行選取。
氫氣是一種很強(qiáng)的還原性氣氛，很多人認(rèn)為氫氣具有一定的脫碳作用，但這在很大程度上取決于所使用的氫氣的純度而不是氫氣本身。一般經(jīng)過電解或催化轉(zhuǎn)化的氫氣都含有一定量的雜質(zhì)氣體，如H2O，O2，CO及CH4等，有時(shí)總量可達(dá)0.5%左右。因此，使用前最好能對(duì)其進(jìn)行干燥及純化處理，使其含氧量及露點(diǎn)降低，但是因氫氣的價(jià)格較高，除非有特殊理由，一般情況下很少使用純氫作燒結(jié)氣氛。
氮?dú)馐且环N安全而廉價(jià)的惰性氣體，但因純氮?dú)庠跓Y(jié)溫度下不具備還原性，所以在傳統(tǒng)粉末冶金鋼的生產(chǎn)中很少用純氮?dú)庾鳠Y(jié)氣氛。近年來隨著氮?dú)饧兓杀镜慕档图盁Y(jié)爐密閉性的提高，氮?dú)庖嚅_始被用作燒結(jié)氣氛燒結(jié)含碳鋼。
氮?dú)浠旌蠚饨陙肀辉絹碓蕉嗟赜糜诤间摰臒Y(jié)中，氮/氫通常用在95/5-50/50之間，這種混合氣具有一定的還原性，露點(diǎn)可以達(dá)到-60℃以下，一般來說，使用這種氣體在1050-1150℃時(shí)需要加入一定量的CH4或C3H8以保持一定的碳勢，而在1250℃以上燒結(jié)含碳鋼，無需控制碳勢，這種混合氣可以用來在1120℃以下燒結(jié)含鉻的鐵基合金而不發(fā)生氧化。
分解氨是使氨氣通過加熱的催化劑分解而成的，包括75%H2和25%N2。但一般來說分解氨中總是殘存少量未分解的氨分子，當(dāng)它們在高溫下與熱金屬接觸時(shí)會(huì)分解成活性很強(qiáng)的氫原子及氮原子，從而使金屬氮化。近期的研究表明，如果控制得當(dāng)，在1120℃時(shí)燒結(jié)AstaloyCrM，分解氨化90N2/10H2混合氣具有更強(qiáng)的還原性，其主要原因在于這些在燒結(jié)過程中剛剛分解的活性氫原子，比90N2/10H2混合氣中的氫氣具有更強(qiáng)的還原性，可以有效還原AstaloyCrM顆粒外的氧化層，要純化分解氨，可以使其通過水后并干燥之，或用活性氧化鋁，或用分子篩將殘留的氨全部除去。
吸熱煤氣是將碳?xì)浠锩簹猓–H4或C3H8）與空氣按一定比例混合，在900-1000℃預(yù)熱，再經(jīng)氧化鎳觸媒催化轉(zhuǎn)化后得到的混合氣體的一種。根據(jù)空氣與煤氣的比例不同，轉(zhuǎn)化過程伴隨著吸熱或放熱型反應(yīng)，所得到的混合氣體被相應(yīng)的稱為吸熱煤氣或放熱煤氣，其反應(yīng)或如下：
CmHn+m(O2+3.774N2)—mCO+n/H2+1.887mN2
如果要上述反應(yīng)完全進(jìn)行，即CmHm中的所有C與空氣中的O2剛好反應(yīng)完畢，則所需要空氣/煤氣應(yīng)為m/2(1+3.774)，即2.387m。比如，所使用的碳?xì)涿簹馐荂H4，則所需的空氣/煤氣應(yīng)為2.387，此時(shí)所產(chǎn)出的混合氣體中包括40.9%H2，38.6%N2及20.5%CO.反應(yīng)后混合氣體中H2及CO的含量隨著空氣/煤氣的增加而降低，但H2O及CO2的含量隨之而增加，同時(shí)也說明反應(yīng)后的混合氣體中碳勢隨著空氣/煤氣的增加在降低以及氧化性能在增加，這也是為什么燒結(jié)含碳鋼時(shí)很少用放熱煤氣而大部分用吸熱煤氣的主要原因，一般來講，空氣/煤氣在2.0-3.0之間所產(chǎn)出的混合氣體均被稱為吸熱煤氣，而該比值大于5.0時(shí)所產(chǎn)出的混合氣體均被稱為放熱煤氣。以CH4作為原料生產(chǎn)出的吸熱煤氣的露點(diǎn)與空氣/煤氣之間的關(guān)系，可見空氣/煤氣僅從2.4升至2.5，產(chǎn)出的混合氣的露點(diǎn)就從-25℃升到0℃以上。因此，如果用戶自己生產(chǎn)吸熱煤氣時(shí)，應(yīng)特別注意控制原料中空氣與煤氣的比例（最好不超過2.4）以得到具有足夠低露點(diǎn)的吸熱煤氣。在反應(yīng)后的混合氣體中，不同氣體的比例對(duì)應(yīng)的只是反應(yīng)結(jié)束時(shí)的溫度一般為（1000-1100℃）下的比例，反應(yīng)結(jié)束后，如果氣體的溫度發(fā)生變化，則混合氣體的碳勢、露點(diǎn)及不同氣體的比例都將發(fā)生變化，很粉末冶金生產(chǎn)廠家都是用一臺(tái)放熱煤氣產(chǎn)生器通過管道為幾個(gè)燒結(jié)爐同時(shí)供應(yīng)所需的燒結(jié)氣氛，氣氛在達(dá)到燒結(jié)爐之前溫度已經(jīng)降低。如果管道的保溫性不好，管道壁的溫度低于800℃，那么混合氣中一部分碳要以碳黑的形式沉積在管道壁上。也就是說，當(dāng)混合氣在燒結(jié)爐中重新被加熱到燒結(jié)溫度時(shí)，其碳熱已大大低于吸熱煤氣產(chǎn)生器所能提供的碳勢。在這種情況下，應(yīng)向燒結(jié)爐加入適量的甲烷或丙烷發(fā)保證爐內(nèi)碳勢�，F(xiàn)在國外有些粉末冶金生產(chǎn)廠家開始在每個(gè)燒結(jié)爐邊設(shè)一個(gè)小型的吸熱煤氣產(chǎn)生器，使用剛剛產(chǎn)生的吸熱煤氣不經(jīng)過降溫而直接進(jìn)入燒結(jié)爐，這樣可以避免因溫度變化而影響燒結(jié)氣氛。要提醒的另一點(diǎn)是即使有氧化鎳觸媒的催化作用，轉(zhuǎn)達(dá)化后得到的混合氣體中仍殘存少量的碳?xì)涿簹猓ㄅ_(tái)CH4或C3H8等），另外，在900-1100℃時(shí)氣體之間彼此反應(yīng)達(dá)到平衡后還會(huì)產(chǎn)生少量的CO2及H2O（氣態(tài)），需要將其進(jìn)行干燥后方可使用。
吸熱煤氣加入氮?dú)夂罂梢越档臀鼰崦簹庵械腃O、CO2及H2O的相對(duì)含量，以緩沖該氣氛對(duì)碳勢及露點(diǎn)的敏感程度，使燒結(jié)氣氛中的一些相關(guān)系數(shù)更易于控制。
合成煤氣是近年來國外燒結(jié)爐生產(chǎn)商提出的一種在燒結(jié)爐內(nèi)直接產(chǎn)生（稀釋）吸熱煤氣的方法（不需要爐外的吸熱煤氣產(chǎn)生器）。它是將氣態(tài)甲基乙醇與氮?dú)獍匆欢ū壤旌虾笾苯油ㄈ霟Y(jié)爐，在高溫?zé)Y(jié)區(qū)會(huì)產(chǎn)生如下的反應(yīng)：
CH3OH—CO+2H2
因?yàn)榉纸夂蟮臍怏w中，CO與H2的比例與用CH4按通常方法生產(chǎn)出的吸熱煤氣中的比例相等，再加上混入的氮?dú)獗憧珊铣沙雠c吸熱煤氣成分相同的混合氣氛（1L的甲烷對(duì)應(yīng)1.05nm3氮?dú)猓Ｋ淖畲髢?yōu)點(diǎn)在于不需要爐外的吸熱煤氣產(chǎn)生器。另外，用戶可以按照自己的要求混入不同量的氮?dú)獍l(fā)產(chǎn)生稀釋的吸熱煤氣。
真空也是燒結(jié)氣氛的一種，多用于燒結(jié)不銹鋼等材料，并不常用于含碳鋼的燒結(jié)。
燒結(jié)氣氛的物理性能
大部分有關(guān)燒結(jié)氣氛論文及報(bào)告所討論的主要是燒結(jié)過程中不同燒結(jié)氣氛與被燒結(jié)體之間的化學(xué)行為，而很少討論不同氣氛的物理性能對(duì)燒結(jié)的影響，盡管該影響在很多情況下是不可忽視的，例如，氣體粘滯性的不同會(huì)導(dǎo)致被燒結(jié)體沿開孔從表面到內(nèi)部的化學(xué)濃度的梯度，從而影響被燒結(jié)體的表面性能。再如，不同氣體的熱容量及熱導(dǎo)率對(duì)燒結(jié)時(shí)間及冷卻率都有很大的影響。本方列出了部分燒結(jié)氣氛在不同溫度下（燒結(jié)溫度左右）的主要物理性能供讀者參考。
燒結(jié)過程中與氣氛有關(guān)的問題實(shí)例
1脫蠟過程中部件表面的崩裂現(xiàn)象舉例
當(dāng)使用網(wǎng)帶式燒結(jié)爐并用吸熱煤氣作燒結(jié)氣氛時(shí)，如果脫蠟區(qū)中的升溫速度及氣氛控制不好，就會(huì)出現(xiàn)表面崩裂現(xiàn)象，許多人都認(rèn)為該現(xiàn)象是因潤滑劑分解過快而造成的，但事實(shí)并非如此，真正的原因在于吸熱煤氣中的一氧化碳在鐵、鎳等金屬的催化下，于450-700℃的溫度范圍內(nèi)，分解成固態(tài)碳和二氧化碳。而正是這些在燒結(jié)體表層孔隙中新沉積的的固態(tài)碳使其體積擴(kuò)張?jiān)斐缮鲜龅谋砻姹懒熏F(xiàn)象，部件在不同氣氛燒結(jié)過程，其質(zhì)量隨溫度的變化關(guān)系。其中氣氛3為干燥吸熱煤氣，氣氛4及5為加入不同量水汽的吸熱煤氣。可見部件在燒結(jié)過程中，在200℃左右質(zhì)量開始下降，這意味著其內(nèi)部的固體潤滑劑不斷地分解并溢出燒結(jié)體外，使其質(zhì)量降低。當(dāng)然，若混粉不存在固體潤滑劑，也就不存在上述現(xiàn)象。如果使用上述三種氣氛，從450℃左右燒結(jié)體的質(zhì)量開始?xì)夥沼稍铮@種現(xiàn)象愈嚴(yán)重。但有趣的是這種現(xiàn)象在使用氣體3（干燥吸熱煤氣）時(shí)，無論有否固體潤滑劑都產(chǎn)生了表面崩裂，說明它與脫蠟并無直接關(guān)系，再加上在崩裂處發(fā)現(xiàn)富碳現(xiàn)象，我們可以肯定上述解釋的正確性。
要避免上述崩裂現(xiàn)象的發(fā)生，有幾種方法。最直接的是將燒結(jié)氣氛由吸熱煤氣改為氫氮混合氣不會(huì)出現(xiàn)崩裂虛線。如果不能改變燒結(jié)氣氛，還有兩種方法，一是向燒結(jié)爐的脫蠟區(qū)吹入部分含水汽的吸熱煤氣，但這種方法是實(shí)際操作中很難得到穩(wěn)定的控制，另外如果爐內(nèi)的氣流控制不好，還可能出現(xiàn)高露點(diǎn)氣氛進(jìn)入燒結(jié)區(qū)的現(xiàn)象，影響燒結(jié)質(zhì)量，第二種，也是最好的方法，是增加部件在燒結(jié)爐脫蠟區(qū)的升溫速度，使其盡快通過450-600℃這段崩裂現(xiàn)象發(fā)生區(qū)，通常所謂的快速脫蠟即是針對(duì)這一現(xiàn)象對(duì)燒結(jié)爐進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
2AstaloyCrM的燒結(jié)舉例
金屬鉻因其價(jià)格低并具有很好的強(qiáng)化作用而被廣泛用于合金鋼中。但含鉻燒結(jié)鋼在其生產(chǎn)過程中會(huì)遇到很多的問題，其一是含鉻鐵粉的生產(chǎn)，必須要經(jīng)過嚴(yán)格的霧化及退火還原工藝才能得到具有較低氧及碳含量的原料粉。瑞典的HonganasAB是目前世界上唯一的能以低成本生產(chǎn)這種原料粉的廠家。其二是即使能得到高質(zhì)量的含鉻鐵粉，如果燒結(jié)過和中溫度尤其是燒結(jié)氣氛不能得以很好的控制，將會(huì)在燒結(jié)氧化現(xiàn)象更易于被氧化）而降低燒結(jié)性能。
熱力學(xué)計(jì)算及大量的實(shí)驗(yàn)證明，如果使用吸熱煤氣作為AsaloyCrM的燒結(jié)氣氛，即使露點(diǎn)很低也無法達(dá)到燒結(jié)要求，換言之，燒結(jié)AsaloyCrM只能使用純氫或氫氮混合氣，目前大部分使用后者，其中氫氣的比例占5%-20%。需要提醒讀者的是不僅要保證燒結(jié)氣氛的組成，還要保證燒結(jié)氣氛的質(zhì)量，這里所謂的質(zhì)量指的是燒結(jié)氣氛中的氧化程度，一般用氣氛中的氧分壓來標(biāo)定。在1120℃燒結(jié)時(shí)，如果氣氛中的氧分壓低于1×10-14Pa剛燒結(jié)過程中不會(huì)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，另旬當(dāng)溫度降低的時(shí)候，為防止氧化，要求氣氛中的氧分壓即使低于1×10-14Pa也可以保證在1125℃燒結(jié)AsaloyCrM不會(huì)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，上述計(jì)算已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所證實(shí)。
