粉末冶金实验报告
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热处理来进一步提升材料的组织性能。
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粉末烧结后的金相形貌相对于 Fe－ Fe3C 相图来说： (1)晶界显得不明显； (2) 晶粒均匀性相对较差，在碳含量高时表现的尤为明显； (3)石墨形态更多的为块状， 而非 Fe－ Fe3C 中的层片状。这三点不同的原因，我认为是由于粉末烧结的工艺过 程使碳颗粒是以固相扩散的方式向基体渗透，扩散程度比传统的成形方法要差。 除此之外，受到粉末大小和均匀性的影响，一些块状的石墨颗粒无法真正扩散到 基体当中，在晶界间存在着较大的石墨块。可以通过在粉末冶金过程中提高单位 压制压力、增长保温时间减小这种差异；还可以通过在得到烧结的材料后，进行
保温 1h 保温 1h
700℃ -1170℃或 1250℃ 1 小时
保温 2h
含碳量（ 0.2%和 0.8%）是在 1250℃进行烧结的 , 保温 2 小时。 含碳量 2.0%是在 1170℃进行烧结的，保温 1.5 小时。
(4) 性能检测 测量并计算烧结后试样密度，观察烧结后金相形貌变化及检测烧结后试样硬
（表二） 测量密度（排水法）及硬度
冷压烧结试样
热压烧结试样
压坯密度 ( ) 烧结后密度 ( ) 硬度 (HB) 密度（ p）
硬度 (HB)
0.2
6.89
7.பைடு நூலகம்4
60.9
7.50
117
试样号 C0.2
0.8 2.0
图号 1-1~1-2
6.88
6.97
80.4
7.57
200
6.69
6.80
114
7.64
5. 实验步骤与注意事项
(1) 每组压制 3 个试样，测量尺寸、重量后按实验计划确定的参数进行烧结。 (2) 烧结结束后，再次测量试样尺寸、重量，比较烧结前后密度的变化，观察金相
组织和检测试样硬度。
6. 粉末冶金实验操作流程
(1) 配料 先将铁粉进行筛分，再根据实验方案称取相应重量的还原铁粉，为改善石墨 粉与铁粉混合均匀，加入少许机油，混匀后再加入相应配比的石墨粉、少许润滑 剂（硬脂酸锌， 1.0%），然后在球磨机上进行混料（球磨转速为 300 转 /分，球磨 2
20.0 19.66 6.18 6.10
19.99 19.67 6.34 6.28
试样密度 ( )
烧结前
烧结后
7.00 7.04
6.88 6.93
6.70 6.72
排水法测密度公式： ρ固=w1 / (w 1- w2)
w1：物体在空气中的质量（克） w 2 ：物体在蒸馏水中的质量（克）
石墨含量（ %）
广义的粉末冶金制品业涵括了铁石刀具、硬质合金、磁性材料以及粉末冶金 制品等。狭义的粉末冶金制品业仅指粉末冶金制品，包括粉末冶金零件 (占绝大部
分)、含油轴承和金属射出成型制品等。本报告使用的行业定界为狭义范围。 粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔
铸方法无法获得的。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料 和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。
3. 实验设备与材料
主要仪器设备：液压机（ 45 吨）、ZT-30-20Y 真空热压烧结炉、球磨机、模具、 电子天平、游标卡尺、金相显微镜、洛氏硬度计
主要原料：电解铁粉、石墨粉、硬脂酸锌、机油、氩气等
4. 实验内容
(1) 采用冷压烧结法制备铁—石墨试样。 (2) 采用热压烧结法制备铁—石墨试样。
(3) 研究烧结温度对制品性能的影响。 (4) 研究烧结时间对制品性能的影响。 (5) 研究石墨含量对制品性能的影响。
粒分布更为均匀。
(3) 根据不同碳含量的冷压、热压烧结试样的金相组织图可以看到，碳含量增高会 使组织中相应的硬质颗粒增多，且热压过程中硬质颗粒的分布更为均匀，由此也 可以解释碳含量高相应的硬度高，同时，热压烧结由于更利于硬质颗粒的均匀分
布，因此其硬度也大于同样碳含量的冷压烧结试样。
9. 思考题
不同碳含量的铁、石墨合金粉末烧结后金相形貌与 Fe－Fe3C 相图中对应碳含 量的金相组织有何差别？试分析原因？可采取什么措施减小或消除这种差别？
图 2-4 2%~3%硝酸酒精溶液浸蚀 500x
图 2-5 未浸蚀
200X
图 2-6 2%~3% 硝酸酒精溶液浸蚀 500x
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图 2-7 未浸蚀
200X
图 2-8 2%~3% 硝酸酒精溶液浸蚀 500x
8. 实验数据分析
(1) 由表一可以看到冷压烧结试样在烧结前后的数据对比。粉末经过烧结后，体积 减小，质量也有较小程度的减小，但相应的密度增大。体积减小主要是因为烧结 能够使得粉末之间的接触点熔化结合，从而减小粉末间的间隙，质量减小主要是 因为烧结可以使得粉末里的水分蒸发；但总体来看，体积减小的程度相对大于质
料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。 (3) 可以容易地实现多种类型的复合， 充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低
成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。 (4) 可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品， 如新型多
孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。
粉末冶金实验 热压烧结 试样金相组织照片
试样号
H0 H0.2 H0.8 H2.0
图号
2-1~2-2 2-3~2-4 2-5~2-6 2-7~2-8
含碳量 （ %）
0 0.2 0.8 2.0
烧结温度 （℃） 1100 1200 1150 1150
保温时间 （ min ）
30 10 20 20
单位压制压 力（ Mpa ）
C2.0 1-5~1-6
2.0
1170
90
737
6.80 114/75.8
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图 1-1 未浸蚀
200X
图 1-2 2%~3%硝酸酒精溶液浸蚀 500x
图 1-3 未浸蚀
200X
图 1-4 2%~3%硝酸酒精溶液浸蚀 500
图 1-5 未浸蚀
200X
图 1-6 2%~3%硝酸酒精溶液浸蚀 500x
(1) 粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组 织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、 高温超导材料、新型金属材料（如 Al-Li 合金、耐热 Al 合金、超合金、粉末耐蚀
不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。 (2) 可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材
小时）（实验所用原材料事先备好） 。
(2) 压制试样（由实验指导教师演示，学生操作） 油压机表显 25Mpa 下压制试样，测量并计算毛坯密度
(3) 烧结
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按制定好的烧结工艺烧结，随炉冷却到室温，整个烧结过程氩气保护。
RT-300℃ 300℃-700℃
1 小时 1 小时
31 31 40 40
密度
(g/ cm3)
7.70 7.50 7.57 7.64
HB/HRB
90/37.4 117/65.4 200/ 96.5 185/ 95.6
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图 2-1 未浸蚀
200X
图 2-2 2%~3%硝酸酒精溶液浸蚀 500x
图 2-3 未浸蚀
200X
度。
石墨含 量 (%)
0.2 0.8 2.0
试样直径 (mm)
烧结前
烧结后
24.48 24.34
24.48 24.34
24.48 24.36
7. 实验数据
实验原始数据见表一、表二。
（ 表一 ） 冷压烧结试样
试样重量（ g）
烧结前
烧结后
19.96 19.69
试样高度（ mm）
烧结前
烧结后
6.06 6.01
量减小量，故密度有小幅的增大。
(2) 由表二可以看到冷压烧结后试样密度均有所增大，且随粉末的石墨含量越高， 硬度越大。冷压试样烧结后的密度增大的原因同“ (1)”中所述，硬度越大主要是 因为石墨含量的增多导致渗碳体的增多，所以硬度大。热压烧结试样硬度并非随 碳含量增大而增大，而是存在一个峰值，但总体而言，在同样碳含量的情况下， 热压烧结试样的硬度大于冷压烧结试样。这时由于在热压烧结过程中，渗碳体颗
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实验 11
铁基粉末冶金
1. 实验目的
(1) 了解粉末冶金零件制备过程。 (2) 了解烧结温度对烧结过程和制品性能的影响。 (3) 了解烧结时间对烧结过程和制品性能的影响。 (4) 了解石墨添加量对烧结过程和制品性能的影响。
2. 概述
粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末 (或金属粉末与非金属粉末的混合物 ) 作为原料，经过成形和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业 技术。目前，粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、 生物、新能源、信息和核工业等领域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之 一。粉末冶金技术具备显著节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一 系列优点，非常适合于大批量生产。另外，部分用传统铸造方法和机械加工方法 无法制备的材料和复杂零件也可用粉末冶金技术制造，因而备受工业界的重视。
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(5) 可以实现近净形成形和自动化批量生产， 从而，可以有效地降低生产的资源和 能源消耗。
(6) 可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一 种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。
我们常见的机加工刀具，五金磨具，很多就是粉末冶金技术制造的。
185
实验金相组织图如下：
粉末冶金实验 冷压烧结 试样金相组织照片
含碳量 （ %）
烧结温度 （℃）
保温时间 （ min ）
单位压制压 力（ Mpa ）
密度
3
(g/ cm)
HB/HRB
0.2
1250
120
737
7.04 60.9/27.8
C0.8 1-3~1-4
0.8
1250
120
737
6.97 80.4/55.4
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粉末烧结后的金相形貌相对于 Fe－ Fe3C 相图来说： (1)晶界显得不明显； (2) 晶粒均匀性相对较差，在碳含量高时表现的尤为明显； (3)石墨形态更多的为块状， 而非 Fe－ Fe3C 中的层片状。这三点不同的原因，我认为是由于粉末烧结的工艺过 程使碳颗粒是以固相扩散的方式向基体渗透，扩散程度比传统的成形方法要差。 除此之外，受到粉末大小和均匀性的影响，一些块状的石墨颗粒无法真正扩散到 基体当中，在晶界间存在着较大的石墨块。可以通过在粉末冶金过程中提高单位 压制压力、增长保温时间减小这种差异；还可以通过在得到烧结的材料后，进行
保温 1h 保温 1h
700℃ -1170℃或 1250℃ 1 小时
保温 2h
含碳量（ 0.2%和 0.8%）是在 1250℃进行烧结的 , 保温 2 小时。 含碳量 2.0%是在 1170℃进行烧结的，保温 1.5 小时。
(4) 性能检测 测量并计算烧结后试样密度，观察烧结后金相形貌变化及检测烧结后试样硬
（表二） 测量密度（排水法）及硬度
冷压烧结试样
热压烧结试样
压坯密度 ( ) 烧结后密度 ( ) 硬度 (HB) 密度（ p）
硬度 (HB)
0.2
6.89
7.பைடு நூலகம்4
60.9
7.50
117
试样号 C0.2
0.8 2.0
图号 1-1~1-2
6.88
6.97
80.4
7.57
200
6.69
6.80
114
7.64
5. 实验步骤与注意事项
(1) 每组压制 3 个试样，测量尺寸、重量后按实验计划确定的参数进行烧结。 (2) 烧结结束后，再次测量试样尺寸、重量，比较烧结前后密度的变化，观察金相
组织和检测试样硬度。
6. 粉末冶金实验操作流程
(1) 配料 先将铁粉进行筛分，再根据实验方案称取相应重量的还原铁粉，为改善石墨 粉与铁粉混合均匀，加入少许机油，混匀后再加入相应配比的石墨粉、少许润滑 剂（硬脂酸锌， 1.0%），然后在球磨机上进行混料（球磨转速为 300 转 /分，球磨 2
20.0 19.66 6.18 6.10
19.99 19.67 6.34 6.28
试样密度 ( )
烧结前
烧结后
7.00 7.04
6.88 6.93
6.70 6.72
排水法测密度公式： ρ固=w1 / (w 1- w2)
w1：物体在空气中的质量（克） w 2 ：物体在蒸馏水中的质量（克）
石墨含量（ %）
广义的粉末冶金制品业涵括了铁石刀具、硬质合金、磁性材料以及粉末冶金 制品等。狭义的粉末冶金制品业仅指粉末冶金制品，包括粉末冶金零件 (占绝大部
分)、含油轴承和金属射出成型制品等。本报告使用的行业定界为狭义范围。 粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔
铸方法无法获得的。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料 和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。
3. 实验设备与材料
主要仪器设备：液压机（ 45 吨）、ZT-30-20Y 真空热压烧结炉、球磨机、模具、 电子天平、游标卡尺、金相显微镜、洛氏硬度计
主要原料：电解铁粉、石墨粉、硬脂酸锌、机油、氩气等
4. 实验内容
(1) 采用冷压烧结法制备铁—石墨试样。 (2) 采用热压烧结法制备铁—石墨试样。
(3) 研究烧结温度对制品性能的影响。 (4) 研究烧结时间对制品性能的影响。 (5) 研究石墨含量对制品性能的影响。
粒分布更为均匀。
(3) 根据不同碳含量的冷压、热压烧结试样的金相组织图可以看到，碳含量增高会 使组织中相应的硬质颗粒增多，且热压过程中硬质颗粒的分布更为均匀，由此也 可以解释碳含量高相应的硬度高，同时，热压烧结由于更利于硬质颗粒的均匀分
布，因此其硬度也大于同样碳含量的冷压烧结试样。
9. 思考题
不同碳含量的铁、石墨合金粉末烧结后金相形貌与 Fe－Fe3C 相图中对应碳含 量的金相组织有何差别？试分析原因？可采取什么措施减小或消除这种差别？
图 2-4 2%~3%硝酸酒精溶液浸蚀 500x
图 2-5 未浸蚀
200X
图 2-6 2%~3% 硝酸酒精溶液浸蚀 500x
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图 2-7 未浸蚀
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图 2-8 2%~3% 硝酸酒精溶液浸蚀 500x
8. 实验数据分析
(1) 由表一可以看到冷压烧结试样在烧结前后的数据对比。粉末经过烧结后，体积 减小，质量也有较小程度的减小，但相应的密度增大。体积减小主要是因为烧结 能够使得粉末之间的接触点熔化结合，从而减小粉末间的间隙，质量减小主要是 因为烧结可以使得粉末里的水分蒸发；但总体来看，体积减小的程度相对大于质
料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。 (3) 可以容易地实现多种类型的复合， 充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低
成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。 (4) 可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品， 如新型多
孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。
粉末冶金实验 热压烧结 试样金相组织照片
试样号
H0 H0.2 H0.8 H2.0
图号
2-1~2-2 2-3~2-4 2-5~2-6 2-7~2-8
含碳量 （ %）
0 0.2 0.8 2.0
烧结温度 （℃） 1100 1200 1150 1150
保温时间 （ min ）
30 10 20 20
单位压制压 力（ Mpa ）
C2.0 1-5~1-6
2.0
1170
90
737
6.80 114/75.8
越努力 ·越幸运
共享知识 分享快乐
图 1-1 未浸蚀
200X
图 1-2 2%~3%硝酸酒精溶液浸蚀 500x
图 1-3 未浸蚀
200X
图 1-4 2%~3%硝酸酒精溶液浸蚀 500
图 1-5 未浸蚀
200X
图 1-6 2%~3%硝酸酒精溶液浸蚀 500x
(1) 粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组 织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、 高温超导材料、新型金属材料（如 Al-Li 合金、耐热 Al 合金、超合金、粉末耐蚀
不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。 (2) 可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材
小时）（实验所用原材料事先备好） 。
(2) 压制试样（由实验指导教师演示，学生操作） 油压机表显 25Mpa 下压制试样，测量并计算毛坯密度
(3) 烧结
越努力 ·越幸运
共享知识 分享快乐
按制定好的烧结工艺烧结，随炉冷却到室温，整个烧结过程氩气保护。
RT-300℃ 300℃-700℃
1 小时 1 小时
31 31 40 40
密度
(g/ cm3)
7.70 7.50 7.57 7.64
HB/HRB
90/37.4 117/65.4 200/ 96.5 185/ 95.6
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图 2-1 未浸蚀
200X
图 2-2 2%~3%硝酸酒精溶液浸蚀 500x
图 2-3 未浸蚀
200X
度。
石墨含 量 (%)
0.2 0.8 2.0
试样直径 (mm)
烧结前
烧结后
24.48 24.34
24.48 24.34
24.48 24.36
7. 实验数据
实验原始数据见表一、表二。
（ 表一 ） 冷压烧结试样
试样重量（ g）
烧结前
烧结后
19.96 19.69
试样高度（ mm）
烧结前
烧结后
6.06 6.01
量减小量，故密度有小幅的增大。
(2) 由表二可以看到冷压烧结后试样密度均有所增大，且随粉末的石墨含量越高， 硬度越大。冷压试样烧结后的密度增大的原因同“ (1)”中所述，硬度越大主要是 因为石墨含量的增多导致渗碳体的增多，所以硬度大。热压烧结试样硬度并非随 碳含量增大而增大，而是存在一个峰值，但总体而言，在同样碳含量的情况下， 热压烧结试样的硬度大于冷压烧结试样。这时由于在热压烧结过程中，渗碳体颗
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实验 11
铁基粉末冶金
1. 实验目的
(1) 了解粉末冶金零件制备过程。 (2) 了解烧结温度对烧结过程和制品性能的影响。 (3) 了解烧结时间对烧结过程和制品性能的影响。 (4) 了解石墨添加量对烧结过程和制品性能的影响。
2. 概述
粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末 (或金属粉末与非金属粉末的混合物 ) 作为原料，经过成形和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业 技术。目前，粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、 生物、新能源、信息和核工业等领域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之 一。粉末冶金技术具备显著节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一 系列优点，非常适合于大批量生产。另外，部分用传统铸造方法和机械加工方法 无法制备的材料和复杂零件也可用粉末冶金技术制造，因而备受工业界的重视。
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(5) 可以实现近净形成形和自动化批量生产， 从而，可以有效地降低生产的资源和 能源消耗。
(6) 可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一 种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。
我们常见的机加工刀具，五金磨具，很多就是粉末冶金技术制造的。
185
实验金相组织图如下：
粉末冶金实验 冷压烧结 试样金相组织照片
含碳量 （ %）
烧结温度 （℃）
保温时间 （ min ）
单位压制压 力（ Mpa ）
密度
3
(g/ cm)
HB/HRB
0.2
1250
120
737
7.04 60.9/27.8
C0.8 1-3~1-4
0.8
1250
120
737
6.97 80.4/55.4