引言：石墨制品在金属烧结中的核心地位

金属烧结是通过高温加压将金属粉末固结成高密度部件的关键工艺，广泛应用于电子、汽车、航空航天、医疗等领域。在这一过程中，石墨制品凭借其独特的物理化学特性（如高导热性、耐高温性、化学稳定性等），成为不可或缺的辅助材料。从模具制造到高温熔炼，从润滑脱模到精密成型，石墨制品贯穿金属烧结全流程，直接影响产品质量与生产效率。本文结合行业实践与技术进展，系统解析金属烧结行业中石墨制品的核心应用、技术优势及未来发展方向。

一、金属烧结用石墨制品的分类与功能

1. 石墨模具：精密成型的核心载体

石墨模具是金属粉末压制成型的关键工具，其性能直接决定烧结件的尺寸精度与表面质量。

• 高导热性：石墨的导热系数是普通钢材的3-5倍，可快速传递热量，确保模具温度均匀，减少烧结件内部应力。例如，在硬质合金刀具的烧结中，石墨模具能将温度梯度控制在±5℃以内，显著降低变形风险。

• 耐高温性：石墨在惰性气氛中可耐受2000℃以上高温，适用于钨、钼等高熔点金属的烧结。

• 易加工性：石墨可通过数控加工（CNC）制成复杂型腔，满足微型电子元件（如MIM工艺制造的手机卡托）的精密成型需求。

典型案例：某汽车零部件企业采用石墨模具烧结钛合金涡轮叶片，产品密度达到理论值的98%，表面粗糙度优化至Ra 1.6μm。

2. 石墨坩埚：高温熔炼的可靠容器

在金属烧结的预合金化或熔渗工艺中，石墨坩埚用于熔炼金属原料或中间合金。

• 耐腐蚀性：石墨对熔融金属（如铜、银、镍基高温合金）的侵蚀具有强抵抗力，使用寿命是传统陶瓷坩埚的2-3倍。

• 节能性：高导热性使热能快速传递至金属液，减少熔炼时间。某贵金属精炼厂测试显示，石墨坩埚熔炼黄金的能耗较氧化铝坩埚降低22%。

• 高纯度保障：高纯石墨（灰分含量＜50ppm）可避免杂质污染，适用于半导体封装用焊料（如金锡合金）的熔炼。

行业趋势：涂层石墨坩埚（如碳化硅涂层）进一步提升抗氧化性，在氧化性气氛下的使用寿命延长40%。

3. 石墨舟皿与烧结支架：高温环境中的稳定支撑

石墨舟皿用于承载金属粉末或坯体，在连续烧结炉中完成高温处理。

• 热震稳定性：石墨的低热膨胀系数（4.5×10⁻⁶/K）使其在急冷急热环境下不易开裂，适用于高频次生产。

• 化学惰性：在氢、氮等保护气氛中不与金属粉末反应，确保烧结成分稳定。例如，在钕铁硼磁体的烧结中，石墨舟皿可避免稀土元素的氧化损耗。

创新应用：多孔石墨舟皿通过调控孔隙率，实现金属粉末的均匀受热与气体渗透，应用于粉末冶金齿轮的渗碳工艺。

4. 石墨加热元件：高温烧结的能量核心

石墨加热器（如棒状、管状）是真空烧结炉的核心部件，负责提供均匀热场。

• 高温稳定性：石墨加热器可在真空或惰性气氛中工作至2800℃，远高于金属加热元件（如钼的极限1600℃）。

• 快速响应：电阻率低且随温度变化小，可实现精准控温（±1℃），适用于精密陶瓷-金属复合材料的共烧。

技术突破：成都炭材研发的等静压石墨加热器，直径达1.5米，支持第四代核反应堆堆芯材料的大尺寸烧结，******。

5. 石墨润滑剂与脱模剂：工艺优化的关键辅材

石墨基润滑剂用于减少金属粉末与模具的摩擦，提升脱模效率。

• 高温润滑性：在800℃以上仍能形成稳定润滑膜，避免烧结件与模具粘连。某硬质合金企业使用石墨脱模剂后，模具寿命从500次提升至1500次。

• 环保性：替代含氟脱模剂，减少有毒气体排放，符合绿色制造标准。

二、石墨制品的核心优势与经济效益

1. 提升生产效率

• 石墨模具的导热性可将烧结周期缩短30%，例如某MIM（金属注射成型）企业日产零件从5000件增至7000件。

• 石墨舟皿支持连续烧结，减少炉内冷却时间，设备利用率提升25%。

2. 降低综合成本

• 石墨坩埚寿命长，单次熔炼成本比陶瓷坩埚低40%。

• 石墨加热器的能耗较传统电阻炉降低15%-20%，年节省电费超50万元。

3. 推动高精度制造

• 石墨模具的加工精度达±0.01mm，支持微型连接器、医疗植入物的精密成型。

• 高纯石墨确保半导体封装材料无污染，良品率提升至99.5%以上。

三、技术挑战与未来发展方向

1. 现有技术瓶颈

• 抗氧化性不足：石墨在600℃以上氧化环境中易损耗，需依赖真空或保护气氛，增加设备复杂度。

• 脆性问题：大尺寸石墨件在运输与安装中易断裂，限制其在重型部件烧结中的应用。

2. 创新解决方案

• 复合石墨材料：添加碳化硅或氮化硼增强抗氧化性与机械强度，例如碳化硅涂层石墨坩埚的氧化损耗率降低50%。

• 3D打印石墨模具：通过增材制造实现复杂流道的一体成型，缩短模具开发周期（从30天减至7天）。

四、行业应用案例

案例1：新能源汽车电机转子的石墨模具烧结

某企业采用石墨模具烧结硅钢片叠层转子，实现：

• 模具预热时间从2小时缩短至40分钟；

• 转子铁损降低20%，电机效率提升至95%。

案例2：航天高温合金涡轮盘的石墨坩埚熔渗

在镍基高温合金涡轮盘的熔渗工艺中，石墨坩埚确保铝硅熔体的均匀渗透，使涡轮盘耐温性提升150℃，寿命延长3倍。

五、结语：石墨制品驱动金属烧结技术升级

随着金属烧结工艺向高精度、高效率、绿色化发展，石墨制品的创新应用将持续拓展。未来，通过材料改性与数字化设计的结合（如3D打印技术），石墨有望在超高温烧结、多材料复合等领域发挥更大价值。对企业而言，合理选用石墨制品不仅是技术迭代的选择，更是提升竞争力、实现可持续发展的战略路径。