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引言：石墨制品在金屬燒結中的核心地位

金屬燒結是通過高溫加壓將金屬粉末固結成高密度部件的關鍵工藝，廣泛應用于電子、汽車、航空航天、醫療等領域。在這一過程中，石墨制品憑借其獨特的物理化學特性（如高導熱性、耐高溫性、化學穩定性等），成為不可或缺的輔助材料。從模具制造到高溫熔煉，從潤滑脫模到精密成型，石墨制品貫穿金屬燒結全流程，直接影響產品質量與生產效率。本文結合行業實踐與技術進展，系統解析金屬燒結行業中石墨制品的核心應用、技術優勢及未來發展方向。

一、金屬燒結用石墨制品的分類與功能

1. 石墨模具：精密成型的核心載體

石墨模具是金屬粉末壓制成型的關鍵工具，其性能直接決定燒結件的尺寸精度與表面質量。

• 高導熱性：石墨的導熱系數是普通鋼材的3-5倍，可快速傳遞熱量，確保模具溫度均勻，減少燒結件內部應力。例如，在硬質合金刀具的燒結中，石墨模具能將溫度梯度控制在±5℃以內，顯著降低變形風險。

• 耐高溫性：石墨在惰性氣氛中可耐受2000℃以上高溫，適用于鎢、鉬等高熔點金屬的燒結。

• 易加工性：石墨可通過數控加工（CNC）制成復雜型腔，滿足微型電子元件（如MIM工藝制造的手機卡托）的精密成型需求。

典型案例：某汽車零部件企業采用石墨模具燒結鈦合金渦輪葉片，產品密度達到理論值的98%，表面粗糙度優化至Ra 1.6μm。

2. 石墨坩堝：高溫熔煉的可靠容器

在金屬燒結的預合金化或熔滲工藝中，石墨坩堝用于熔煉金屬原料或中間合金。

• 耐腐蝕性：石墨對熔融金屬（如銅、銀、鎳基高溫合金）的侵蝕具有強抵抗力，使用壽命是傳統陶瓷坩堝的2-3倍。

• 節能性：高導熱性使熱能快速傳遞至金屬液，減少熔煉時間。某貴金屬精煉廠測試顯示，石墨坩堝熔煉黃金的能耗較氧化鋁坩堝降低22%。

• 高純度保障：高純石墨（灰分含量＜50ppm）可避免雜質污染，適用于半導體封裝用焊料（如金錫合金）的熔煉。

行業趨勢：涂層石墨坩堝（如碳化硅涂層）進一步提升抗氧化性，在氧化性氣氛下的使用壽命延長40%。

3. 石墨舟皿與燒結支架：高溫環境中的穩定支撐

石墨舟皿用于承載金屬粉末或坯體，在連續燒結爐中完成高溫處理。

• 熱震穩定性：石墨的低熱膨脹系數（4.5×10??/K）使其在急冷急熱環境下不易開裂，適用于高頻次生產。

• 化學惰性：在氫、氮等保護氣氛中不與金屬粉末反應，確保燒結成分穩定。例如，在釹鐵硼磁體的燒結中，石墨舟皿可避免稀土元素的氧化損耗。

創新應用：多孔石墨舟皿通過調控孔隙率，實現金屬粉末的均勻受熱與氣體滲透，應用于粉末冶金齒輪的滲碳工藝。

4. 石墨加熱元件：高溫燒結的能量核心

石墨加熱器（如棒狀、管狀）是真空燒結爐的核心部件，負責提供均勻熱場。

• 高溫穩定性：石墨加熱器可在真空或惰性氣氛中工作至2800℃，遠高于金屬加熱元件（如鉬的極限1600℃）。

• 快速響應：電阻率低且隨溫度變化小，可實現精準控溫（±1℃），適用于精密陶瓷-金屬復合材料的共燒。

技術突破：成都炭材研發的等靜壓石墨加熱器，直徑達1.5米，支持第四代核反應堆堆芯材料的大尺寸燒結，******。

5. 石墨潤滑劑與脫模劑：工藝優化的關鍵輔材

石墨基潤滑劑用于減少金屬粉末與模具的摩擦，提升脫模效率。

• 高溫潤滑性：在800℃以上仍能形成穩定潤滑膜，避免燒結件與模具粘連。某硬質合金企業使用石墨脫模劑后，模具壽命從500次提升至1500次。

• 環保性：替代含氟脫模劑，減少有毒氣體排放，符合綠色制造標準。

二、石墨制品的核心優勢與經濟效益

1. 提升生產效率

• 石墨模具的導熱性可將燒結周期縮短30%，例如某MIM（金屬注射成型）企業日產零件從5000件增至7000件。

• 石墨舟皿支持連續燒結，減少爐內冷卻時間，設備利用率提升25%。

2. 降低綜合成本

• 石墨坩堝壽命長，單次熔煉成本比陶瓷坩堝低40%。

• 石墨加熱器的能耗較傳統電阻爐降低15%-20%，年節省電費超50萬元。

3. 推動高精度制造

• 石墨模具的加工精度達±0.01mm，支持微型連接器、醫療植入物的精密成型。

• 高純石墨確保半導體封裝材料無污染，良品率提升至99.5%以上。

三、技術挑戰與未來發展方向

1. 現有技術瓶頸

• 抗氧化性不足：石墨在600℃以上氧化環境中易損耗，需依賴真空或保護氣氛，增加設備復雜度。

• 脆性問題：大尺寸石墨件在運輸與安裝中易斷裂，限制其在重型部件燒結中的應用。

2. 創新解決方案

• 復合石墨材料：添加碳化硅或氮化硼增強抗氧化性與機械強度，例如碳化硅涂層石墨坩堝的氧化損耗率降低50%。

• 3D打印石墨模具：通過增材制造實現復雜流道的一體成型，縮短模具開發周期（從30天減至7天）。

四、行業應用案例

案例1：新能源汽車電機轉子的石墨模具燒結

某企業采用石墨模具燒結硅鋼片疊層轉子，實現：

• 模具預熱時間從2小時縮短至40分鐘；

• 轉子鐵損降低20%，電機效率提升至95%。

案例2：航天高溫合金渦輪盤的石墨坩堝熔滲

在鎳基高溫合金渦輪盤的熔滲工藝中，石墨坩堝確保鋁硅熔體的均勻滲透，使渦輪盤耐溫性提升150℃，壽命延長3倍。

五、結語：石墨制品驅動金屬燒結技術升級

隨著金屬燒結工藝向高精度、高效率、綠色化發展，石墨制品的創新應用將持續拓展。未來，通過材料改性與數字化設計的結合（如3D打印技術），石墨有望在超高溫燒結、多材料復合等領域發揮更大價值。對企業而言，合理選用石墨制品不僅是技術迭代的選擇，更是提升競爭力、實現可持續發展的戰略路徑。