以低于氢气爆炸极限的浓度运行的脱脂和烧结炉不需要达到美国消防协会(NFPA)的要求，这使它具有明显的成本优势。
本文比较了常用的MIM(金属喷射成型)316不锈钢在15毫巴(低于爆炸极限)和400毫巴分压下处理后达到的性能，包括这两种处理条件下得到的物理性能、微观结构和断口。
市场上的有些炉型宣传说能够以100%氢气氛处理部件，但它们能在只有15毫巴的氢气分压下运行。15毫巴的分压低于氢气的爆炸下限，因此，这些炉型不是必须满足NFPA对于氢气炉的安全要求。
由于不需要爆炸排放口和其他安全设备，它们同必须执行NFPA规定的标准氢气炉相比具有明显的成本优势。那么，这些炉型能否达到同样的性能并获得同样的生产结果呢？
标准的间歇式MIM氢气炉
我们所称的标准的间歇式MIM氢气炉是指能够在从1个大气压到低于氢气爆炸极限的真空之间的任何分压条件下使用100%氢气的炉型。
由于连续式炉无法采用分压，我们将把标准的间歇式MIM氢气炉简称为“400毫巴炉”，而把15毫巴间歇式氢气炉简称为“15毫巴炉”。
Elnik MIM 3000 (400毫巴)系列炉(图1)采用了全(难熔)金属高温区和炉甑；配备了氢气、氮气、氩气或混合气体质量流量控制器，还有能够达到10-2毫巴真空度 – 1,000毫巴压力的干式螺杆真空泵。这使它能够得到高于氢气爆炸极限(典型爆炸下限为40毫巴)的气氛。因此，这个系列必须执行NFPA 86——烘箱和加热炉标准。
典型的间歇式MIM氢气炉Elnik MIM 3000 (400毫巴炉)内视图
这些标准明确了对于D类炉的要求，对可燃气体的安全使用作出了全面规定。这些规定包括：在通入可燃气体前吹扫炉膛；通过真空泵排除可燃气体；稀释炉膛排出的气体或将其引入燃烧器；连续5次用惰性气体吹扫炉膛，或者用真空泵将炉膛抽到至少10-1毫巴的真空度。谨慎的炉膛设计还增加了一个防爆安全阀，它的设计为每0.425立方米炉膛容积提供了最低0.095平方米的泄放面积。通常称之为爆炸排放口。
400毫巴炉的典型爆炸排放口
15毫巴炉
图展示了一台典型的真空炉(15毫巴炉)。这种炉型通常不配炉甑，也不必执行NFPA 86烘箱和加热炉标准对于可燃气体的任何规定，因为可燃气体的使用条件低于氢气的爆炸下限(LEL)。
典型的15毫巴真空炉内视图
实验
使用Catamold 316 L-A材料制成如图所示的典型ISO拉伸试棒。所有拉伸试棒都同时经过催化脱脂处理。
ISO拉伸试棒
在400毫巴分压的100%氢气氛下对拉伸试棒进行脱脂和烧结，还有一批则在15毫巴氢气分压下烧结。
15毫巴处理时气流必须略微减小，以在整个处理过程中保持15毫巴压力。所有部件均在1,370°C下烧结75分钟。
采用氦比重计测量密度，而碳含量分析和微观结构测试也都在DSH进行。一家外部实验室承担了拉伸测试，并对拉伸试样的断口和腐蚀样品进行了扫描电镜分析。
结果与讨论
物理性能
拉伸试验的结果没有给出报告，因为试棒的中心未能充分成型，使得测量的性能数据波动很大。
断口表明试棒未能均匀填充
腐蚀试验
进行腐蚀试验时，将拉伸试棒在62°C的1%盐水中浸泡5天。1%相当于大多数人的体液含盐量，而温度在体温(37°C)以上每升高5°C的效果相当于在试验中将浸泡时间延长一倍。部件在62°C下浸泡5天，相当于浸泡5 x 25 = 160天。
在400毫巴下烧结的部件没有表现出腐蚀迹象，表明具有很好的耐蚀性能；而在15毫巴下烧结的部件则在1天后就开始出现腐蚀。
对于如图所示的在15毫巴下烧结的腐蚀样品，有一根试棒在第一天内就出现了腐蚀，因而在24小时后被拿掉。
在15毫巴下烧结的316部件在1%盐水中浸泡5天后的情况
这个样品被略微弯曲后切开，以便将其放入扫描电镜的真空室。其余两个部件在浸泡5天后都出现了大面积的腐蚀，在盛有盐水的杯子中能够看到大量的腐蚀产物。
图7展示了三个同时浸泡在盐水中的在400毫巴下烧结的部件。这三个部件在盐水中浸泡5天后都没有发生腐蚀。
在400毫巴下烧结的316部件在1%盐水中浸泡5天后的情况；没有发生腐蚀
微观结构
316部件未蚀刻的微观组织表明，一些较大的气孔周围均匀地分布着微孔。在400毫巴下烧结的部件还表明，厚度约为200 – 250微米的表面层几乎没有气孔。两种样品的未蚀刻结构都揭示了直径约为2 – 5微米的球形微孔的存在。
316烧结部件未蚀刻的微观组织
蚀刻的样品图显现出了孪晶，这是合金的典型微观结构。在高放大倍数下可以很容易在晶粒内部发现微孔，当然，它们在100倍的放大倍数下也能看到。这里只展示了400毫巴样品的结构，因为两种部件的微观结构没有明显差别。在未蚀刻组织中看到的微孔在样品蚀刻时被掩盖
蚀刻的微观组织(烧结态，400毫巴)：上图为放大100倍，
下图为放大400倍
这个结果也许验证了如下理论：氧化硅类夹杂物在有氯离子存在的情况下会形成原电池，从而加快15毫巴烧结合金的腐蚀速度。当同样的合金在400毫巴下烧结时，没有会形成原电池的氧化物，腐蚀速度也就不会加快。
讨论
曾经作过一项课题，研究了17-4 PH材料在氢气、氮气、氩气和真空条件下的烧结。
那项研究的结果也表明，在没有还原性气氛的条件下会有氧化物颗粒存在。为了减少氧化硅和氧化铬，需要400毫巴或以上的氢气氛。这样能够获得最好的机械性能和最好的耐蚀性能。
SK等人研究了炉型(石墨和钼)和炉膛气氛(氢气、氮气、氩气和真空)的影响。他们得到的结论与我们对17-4 PH材料的研究结论相似，但他们没有观察未蚀刻的微观结构，错过了在蚀刻样品中看不到的氧化物脱落或还原后留下的微孔。因此，他们没有进行断口形貌的扫描电镜分析，也没有发表任何关于耐蚀性能的进一步结果。他们最后得出的结论是，在钼丝炉内氢气氛下烧结和在石墨炉内真空下烧结的差别很小，这同我们的发现相抵触。
结语
• 在400毫巴下烧结达到的物理性能略好于在15毫巴下烧结。15毫巴样品能够满足MPIF Standard 35(粉末冶金结构零件材料标准)的最低要求，而400毫巴样品能够满足典型要求。
• 400毫巴和15毫巴烧结部件的未蚀刻结构中都能看到直径2 – 5微米的微孔。当样品被蚀刻时这些微孔被掩盖。对MIM部件应当在未蚀刻和蚀刻条件下都进行观察，以确保不会错过这些结构信息。
• 在400毫巴下烧结的部件有一个厚约300微米的无气孔表面层，而在15毫巴下烧结的部件则没有这个表面层。
• 扫描电镜断口形貌表明，15毫巴部件有许多夹杂物，而400毫巴部件则几乎没有。根据光谱分析结果，15毫巴部件中的夹杂物是氧化物，400毫巴部件的夹杂物则像是被氢还原的原氧化物。
• 在62°C的1%盐水中浸泡的15毫巴样品不到24小时就被腐蚀，而400毫巴样品在5天后也没有腐蚀的迹象。
,
