粉末冶金实验报告_2

实验十一、铁基粉末冶金
一、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。

二、实验原理
粉末冶金是制取金属或用金属粉末（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，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。

粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。

由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。

粉末冶金的一般生产过程为：
（1）生产粉末。

粉末的生产过程包括粉末的制取、粉料的混合等步骤。

为改善粉末的成型性和可塑性通常加入汽油、橡胶或石蜡等增塑剂。

（2）压制成型。

粉末在500~600MPa压力下，压成所需形状。

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（3）烧结。

在保护气氛的高温炉或真空炉中进行。

烧结不同于金属熔化，烧结时至少有一种元素仍处于固态。

烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。

（4）后处理。

一般情况下，烧结好的制件可直接使用。

但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。

后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。

在粉末冶金中，粉末的性能主要包括：粉末的几何性能（粒度、比表面、孔径和形状等）；粉末的化学性能（化学成分、纯度、氧含量和酸不溶物等）；粉体的力学特性（松装密度、流动性、成形性、压缩性、堆积角和剪切角等）；粉末的物理性能和表面特性（真密度、光泽、吸波性、表面活性、电位和磁性等）。

粉末性能往往在很大程度上决定了粉末冶金产品的性能。

三、实验内容
1、采用冷压法制备铁—石墨试样。

2、研究烧结温度对制品性能的影响。

3、研究烧结时间对制品性能的影响。

4、研究石墨含量对制品性能的影响。

四、实验步骤
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。

五、实验数据整理
实验原始数据见表一、表二。

（表一）冷压烧结试样
排水法测密度公式：ρ固=w1 / (w1- w2)
w1：物体在空气中的质量（克）
w2：物体在蒸馏水中的质量（克）
（表二）测量密度（排水法）及硬度
实验金相组织照片见图一、图二。

冷压烧结试样
图一、2011年铁基粉末冶金实验试样金相组织照片
C：0.2% 1260℃保温：2小时C：0.2% 1260℃保温：2小时
密度：7.37 g/cm3未腐蚀 2～3%硝酸酒精溶液腐蚀 HRB:62.6 放大倍数：200 放大倍数：500
C：0.8% 1260℃保温：2小时C：0.8% 1260℃保温：2小时
密度：7.19 g/cm3未腐蚀 2～3%硝酸酒精溶液腐蚀 HRB:67.0 放大倍数：200 放大倍数：500
C：2.0% 1170℃保温：1.5小时C：2.0% 1170℃保温：1.5小时
密度:6.98 g/cm3未腐蚀 2～3%硝酸酒精溶液腐蚀 HRB:77.6 放大倍数：200 放大倍数：500
冷压烧结试样
图二、2010年铁基粉末冶金烧结试样金相形貌
C：2.0% 1170℃保温：1.5小时C：2.0% 1170℃保温：1.5小时密度:6.77 g/cm3未腐蚀密度:6.77 g/cm3 HRB:75.8 腐蚀
铁基粉末冶金（热压烧结）试样金相形貌
C：0.2% 1150℃保温：1小时C：0.2% 1150℃保温：1小时
加压:1.6吨密度:7.70 g/cm3未腐蚀 HRB：79.8 腐蚀
C：0.8% 1140℃保温：1小时C：0.8% 1140℃保温：1小时
加压：1.6吨密度:7.69 g/cm3未腐蚀 HRB： 101.1 腐蚀
六、实验分析
（1）根据表一，石墨含量不同的粉末在烧结之后均出现了体积减小、重量减小、密度增大的现象。

这是由于未经烧结的坯件气孔率很高，可达百分之几或百分之几十，粉末颗粒之间的接触面积较小。

通过烧结，材料的质点通过扩散产生迁移，颗粒之间的相互接触点逐渐增大，空隙减少，相互连成整体，从而使坯体变得致密。

重量减小则是由于烧结过程中水分的挥发。

（2）根据表二，粉末的石墨含量越高，烧结后其密度越小，硬度越大。

而在粉末含碳量相同的前提下，热压烧结相对冷压烧结能够得到密度和硬度更高的制品。

这是由于石墨本身的密度小于铁粉，并且当石墨含量较高时，烧结后试样中渗碳体的数量也会增多，使得其硬度更大。

（3）根据图一、图二，提高烧结温度或延长烧结时间均可以提高试样的密度和硬度。

这是由于烧结过程实际上是材料质点扩散迁移以及再结晶的过程，温
度越高或者保温时间越长，都能使其扩散迁移的更加充分，从而使颗粒间接触面积不断增大，颗粒间隙减小，导致密度、硬度增大。

七、思考题
问题：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？
答：（1）金相组织的差别在于：不同碳含量的铁、石墨合金粉末烧结后，其金相形貌基本上都是在铁基体上分布着点状的石墨以及珠光体；而在铁碳相图中随着合金中碳含量的变化，其金相形貌将显著不同，如铁素体、珠光体、莱氏体等。

（2）产生原因是粉末烧结过程中，分布不均匀的碳颗粒是以固相扩散的方式向基体（铁）中渗透，一部分以点状石墨存在，另一部分与铁基形成有限固溶体，在烧结冷却之后形成珠光体和二次渗碳体。

（3）能够减小或消除这种差别的措施有：进一步细化粉末的颗粒大小；根据理论与实际确定合理的烧结温度和烧结时间；控制冷却速度；采用适当热处理等。