粉末冶金高熵合金在微型齿轮的致密度提升与尺寸精度控制

现在的精密设备里，藏着很多 “小巨人”—— 比如手机摄像头的对焦齿轮、医疗仪器的传动齿轮，这些微型齿轮往往直径只有 2~5mm，齿厚不足 0.3mm，却要承受反复的摩擦和扭矩，还得精准卡合才能保证设备正常运转。以前做这种齿轮，要么用黄铜(强度不够，用久了易磨损)，要么用不锈钢切削(微型齿太细，切削时容易断刀，尺寸精度难控制)。

后来行业发现了 “粉末冶金高熵合金” 这个好材料：高熵合金(比如 AlCoCrFeNi 系)的强度是黄铜的 3 倍，耐磨损性比不锈钢好 2 倍，而粉末冶金工艺能直接把金属粉末压成齿轮形状，不用大量切削，特别适合做微型件。但问题也来了：粉末冶金做出来的零件，内部容易有小空隙(致密度低)，微型齿轮受力时容易从空隙处断裂;而且烧结过程中粉末会收缩，微型齿轮的齿距、齿厚容易偏差，装不进设备里。所以，想让粉末冶金高熵合金微型齿轮能用、好用，关键就是解决 “怎么提致密度” 和 “怎么控尺寸” 这两个问题。

一、为什么粉末冶金高熵合金适合微型齿轮?先搞懂它的 “优势” 和 “痛点”

先说说为啥选它。高熵合金的 “高熵” 指的是含 5 种以上金属元素，这些元素混在一起形成的合金，原子排列紧密，硬度能到 HV500(黄铜才 HV100 左右)，而且耐磨损 —— 微型齿轮每天转几万次，用高熵合金能少换好几次。而粉末冶金工艺呢，是把高熵合金粉末压进模具里，压出齿轮的初步形状(生坯)，再烧一烧(烧结)让粉末粘在一起，几乎不用后续加工，就能做出齿距 0.1mm 的精细结构，比切削加工省料又高效。

但粉末冶金的 “天生短板” 也很明显：

致密度低：粉末之间有空隙，烧结后也没法完全填满，普通工艺做出来的高熵合金微型齿轮，致密度通常只有 85%~90%，这些空隙就像 “小弱点”，齿轮受力时容易在空隙处开裂;

尺寸易偏差：烧结时粉末会收缩(一般收缩率 5%~8%)，而且微型齿轮的齿太细，收缩时容易歪歪扭扭，比如设计齿厚 0.3mm，烧结后可能变成 0.28mm，或者一边厚一边薄，装到设备里就卡壳。

所以，我们要做的就是针对性解决这两个问题 —— 下面就具体说怎么提致密度，怎么控尺寸。

二、致密度提升：从 “粉末” 到 “烧结”，三个关键工艺要抓牢

致密度的核心是减少粉末间的空隙，得从粉末预处理、压制、烧结三个环节一步步优化，每个环节都有 “门道”。

1. 粉末预处理：让粉末 “更听话”

高熵合金粉末刚做出来时，颗粒大小不一，还有硬团聚(小颗粒粘成大疙瘩)，压的时候容易有空隙。预处理要做两件事：

球磨细化 + 混合均匀：用行星球磨机把粉末磨细，球磨机转速设 200~250r/min，球料比 10:1.磨 4~6 小时，把粉末粒度控制在 10~20μm(太细容易飞散，太粗空隙大)。同时加少量硬脂酸锌(0.5%~1%)做润滑剂，让粉末混合更均匀，压的时候不容易结块;

真空干燥：磨好的粉末里会有水分，干燥不彻底会在烧结时产生气体，形成新的空隙。放在真空干燥箱里，80℃烘 2 小时，把水分降到 0.1% 以下。

某材料厂做过测试：没预处理的粉末，致密度只有 86%;预处理后，致密度直接提到 92%。

2. 压制工艺：“压得够紧，空隙才少”

压制是把粉末压成生坯，压力大小和保压时间很关键。针对微型齿轮(比如直径 3mm，齿宽 1mm)：

压制压力：用 200~250MPa 的压力(相当于每平方厘米压 2~2.5 吨)，压力太小，粉末压不紧，空隙多;压力太大，生坯容易裂(尤其是齿轮的齿根处，应力集中);

保压时间：压下去后保持 10~15 秒，让粉末有时间 “填缝”，避免局部有空隙。

对比数据很明显：150MPa 压力下，生坯致密度 88%;220MPa 压力 + 12 秒保压，生坯致密度能到 94%，烧结后还能再提 2%~3%。

3. 烧结工艺：“烧得对，粉末才粘得牢”

烧结是让压好的生坯在高温下 “熔合”，温度、气氛、升温速率都不能错：

烧结温度：高熵合金的烧结温度一般在 1100~1200℃(比如 AlCoCrFeNi 系，1150℃最合适)，温度太低，粉末粘不牢，空隙多;温度太高，合金会软化变形，反而影响精度;

烧结气氛：用氩气保护(真空也行，但氩气成本低)，避免粉末氧化 —— 氧化会在颗粒表面形成氧化层，阻碍粉末熔合，空隙就多了;

升温速率：5℃/min 慢慢升，避免生坯里的润滑剂(硬脂酸锌)突然挥发，产生气泡。

某厂家用 1150℃、氩气气氛、5℃/min 升温，烧结后的高熵合金微型齿轮致密度达到 97%，比没控制气氛的(90%)高了 7 个百分点，而且表面没氧化，不用后续打磨。

三、尺寸精度控制：从 “模具” 到 “烧结后”，三个环节防偏差

微型齿轮的尺寸精度要求有多高?比如手机摄像头齿轮，齿距偏差不能超过 ±5μm(1μm 是千分之一毫米)，不然就没法精准对焦。控制尺寸，要从模具、烧结、后处理三方面入手。

1. 模具设计：“模具准，零件才准”

粉末冶金的尺寸靠模具 “定形”，模具精度不够，零件肯定差。做微型齿轮模具要注意两点：

模具精度：用高速钢(H13)做模具，加工精度控制在 ±2μm，比如齿轮的齿形用慢走丝切割，表面粗糙度 Ra≤0.4μm，避免模具表面不光滑导致粉末粘模，影响零件尺寸;

预留收缩量：因为烧结会收缩，模具尺寸要比最终零件大 5%~7%(根据合金收缩率调整)。比如要做齿厚 0.3mm 的齿轮，模具齿厚就要设 0.318mm(0.3mm×1.06.收缩率 6%)。

深圳有家精密模具厂，用这种方法做的高熵合金微型齿轮模具，生产出来的零件齿距偏差只有 ±3μm，远低于行业要求的 ±5μm。

2. 烧结变形控制：“慢烧 + 保形，不歪不扭”

烧结时温度高，微型齿轮的细齿容易变形，要做好两点：

梯度升温 + 分段保温：除了之前说的 5℃/min 升温，在 600℃和 900℃各保温 1 小时 ——600℃保温是让润滑剂慢慢挥发，900℃保温是让粉末初步熔合，减少后续高温时的变形;

用烧结夹具：把生坯放在石墨夹具里(石墨耐高温，不变形)，夹具上有和齿轮匹配的凹槽，能固定生坯位置，避免烧结时齿部弯曲。

测试显示：没用夹具的齿轮，烧结后齿部弯曲量有 8μm;用了石墨夹具，弯曲量控制在 2μm 以内。

3. 脱脂工艺：“先脱脂，再烧结，不膨胀”

生坯里的润滑剂(硬脂酸锌)如果没提前去掉，烧结时会受热膨胀，把齿轮 “撑大”，冷却后又收缩，尺寸就不准了。所以要加一道脱脂工艺：

低温脱脂：把生坯放在脱脂炉里，200~250℃烘 3 小时，让润滑剂慢慢挥发，脱脂率达到 98% 以上;

脱脂后再烧结：脱脂后的生坯再进烧结炉，避免润滑剂在烧结时产生气体导致零件膨胀。

某厂家之前没脱脂，齿轮烧结后尺寸偏差有 12μm;加了脱脂工艺后，偏差降到 ±4μm，完全符合要求。

四、实际应用案例：某精密仪器厂的 “逆袭”

苏州有家做光学仪器的厂家，之前用不锈钢切削做微型齿轮，遇到两个难题：一是齿太细(0.2mm 厚)，切削时经常断刀，合格率只有 60%;二是齿轮用 3 个月就磨损，客户投诉多。

后来他们改用粉末冶金高熵合金，按上面的工艺来：

粉末预处理：220r/min 球磨 5 小时，10~20μm 粒度，真空干燥;

压制：230MPa 压力，12 秒保压;

烧结：1150℃，氩气，梯度升温，石墨夹具;

模具：H13 钢，±2μm 精度，预留 6% 收缩量。

改进后效果惊人：

致密度：从之前不锈钢的 95% 提到 97%，齿轮承受的扭矩从 0.5N・m 升到 1.2N・m，不容易断;

尺寸精度：齿距偏差 ±3μm，装配合格率从 60% 升到 95%;

寿命：从 3 个月提到 18 个月，客户投诉率降了 90%。

厂家的工程师说：“以前做 100 个齿轮，40 个要报废;现在 100 个里只有 5 个不合格，成本降了不少，客户也愿意下单了。”

五、常见问题与解决方法

在实际生产中，难免会遇到致密度不够或尺寸偏差的问题，这里总结两个常见情况：

1. 致密度达不到 95%

可能原因：压制压力不够，或烧结温度太低。解决方法：把压力从 200MPa 提到 230MPa，烧结温度从 1100℃升到 1150℃，致密度能再提 2%~3%。

2. 烧结后齿轮尺寸偏小

可能原因：模具预留的收缩量不够。解决方法：测一下实际收缩率(比如实际收缩 7%，之前预留 6%)，把模具尺寸按 7% 预留，比如零件齿厚 0.3mm，模具齿厚设 0.321mm(0.3mm×1.07)。

结论

粉末冶金高熵合金做微型齿轮，不是 “能不能做” 的问题，而是 “怎么做好” 的问题 —— 致密度靠粉末预处理、压制、烧结三环节提升，尺寸精度靠模具设计、烧结变形控制、脱脂工艺保障。只要把这些工艺细节抓牢，就能做出致密度高、尺寸准、寿命长的微型齿轮，满足精密设备的需求。

对厂家来说，这不仅能解决传统工艺的痛点，还能降低成本、提高竞争力;对整个行业来说，这也为微型传动件的材料升级提供了新方向。毕竟，精密设备越来越小，对微型齿轮的要求只会更高，而粉末冶金高熵合金，正是应对这种需求的好选择。