參考資料--中南大學(xué)粉冶院大型綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、.中南大學(xué)大型綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告燒結(jié)鐵銅的制備與性能研究 指導(dǎo)教師： 班級(jí)：學(xué)號(hào)： 姓名： 大型綜合實(shí)驗(yàn)燒結(jié)鐵銅的制備與性能研究1 前言：本次大型綜合實(shí)驗(yàn)研究的是一種以粉末冶金方法制備的燒結(jié)鐵銅，以霧化鐵粉、電解銅粉、鱗片石墨和少量硬脂酸鋅經(jīng)混料、壓制、燒結(jié)制備而成。由于銅比鐵柔軟，塑性更好，銅與鐵混合粉末壓制性較好。而且銅在鐵中有一定的溶解度，通過(guò)添加銅元素，具有固溶強(qiáng)化作用，石墨和霧化鐵粉能形成滲碳體這一高硬度相，使該類燒結(jié)鐵銅有良好的力學(xué)綜合性能。2 實(shí)驗(yàn)操作及過(guò)程2.1 實(shí)驗(yàn)材料霧化鐵粉，電解銅粉，鱗片石墨粉，硬脂酸鋅，550毫升的純凈水瓶2.2 粉末原料及配比2.2.1粉末原料成分霧化鐵粉

2、+電解銅粉+鱗片石墨粉，由于人數(shù)較多，分成兩個(gè)大組分別研究石墨含量和銅粉含量的不同對(duì)產(chǎn)品性能的影響。試驗(yàn)中兩大組都取0.8%的硬脂酸鋅，第一大組(第17小組)取1.4%的銅，石墨含量從0.5%到1.1%的0.1%梯度規(guī)律遞增；第二大組（第814小組）取0.8%的石墨，銅含量基本從0.5%到2.7%的0.3%梯度規(guī)律遞增。各組試樣銅和石墨含量如下所示：第一大組：第1組：銅含量1.4%，石墨含量0.5%；第2組：銅含量1.4%，石墨含量0.6%；第3組：銅含量1.4%，石墨含量0.7%；第4組：銅含量1.4%，石墨含量0.8%；第5組：銅含量1.4%，石墨含量0.9%；第6組：銅含量1.4%，石墨

3、含量1.0%；第7組：銅含量1.4%，石墨含量1.1%第二大組：第8組： 銅含量0.5%，石墨含量0.8%；第9組： 銅含量0.8%，石墨含量0.8%；第10組：銅含量1.1%，石墨含量0.8%；第11組：銅含量1.7%，石墨含量0.8%；第12組：銅含量2.0%，石墨含量0.8%；第13組：銅含量2.3%，石墨含量0.8%；第14組：銅含量2.7%，石墨含量0.8%每小組編號(hào)分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14，各編號(hào)分別預(yù)計(jì)設(shè)10個(gè)樣。實(shí)際到后面由于時(shí)間問(wèn)題只壓制了5個(gè)樣品，所以第1小組各個(gè)樣分別記作1-1、1-2、1-3、1-4、1-5；其余各組類推。此

4、次實(shí)驗(yàn)本人負(fù)責(zé)第6小組。2.2.2本人成分配比計(jì)算樣品要求10mm×50mm條狀，每個(gè)質(zhì)量20克。預(yù)計(jì)設(shè)10個(gè)樣，則總質(zhì)量為200克。本人負(fù)責(zé)的樣品成分為第6組：銅含量1.4%，石墨含量1.0%。鱗片石墨：200×1.0%=2g， 實(shí)驗(yàn)時(shí)考慮到樣品脫碳等碳損失問(wèn)題，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用雙倍碳含量，即配料時(shí)采用4g鱗片石墨。硬脂酸鋅：200×0.8%=1.6g，硬脂酸鋅作為潤(rùn)滑劑和增稠劑會(huì)在燒結(jié)過(guò)程揮發(fā)消失，所以不必考慮在200克總量之內(nèi)。電解銅粉：200×1.4%=2.8g；霧化鐵粉：200-2-2.8=195.2g2.2.3 粉末還原 電解銅粉：還原溫度280

5、度，1小時(shí)；霧化鐵粉：還原溫度800度，1小時(shí)2.3 工藝流程配料混料壓制燒結(jié)性能測(cè)試2.4 工藝參數(shù)配料比例：霧化鐵粉+電解銅粉+鱗片石墨粉+0.8%硬脂酸鋅混料時(shí)間：V型混料器，混合2小時(shí)壓制壓強(qiáng)：500MPa（5t/cm2）加熱時(shí)間：1.5小時(shí)燒結(jié)溫度：1120，H2氣氛燒結(jié)時(shí)間：1小時(shí)。2.5 需測(cè)試的主要性能指標(biāo)1 燒結(jié)尺寸變化2 相對(duì)密度與孔隙率變化3 洛氏硬度4 抗彎強(qiáng)度2.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程2.6.1 稱量與混料用電子天平秤取霧化鐵粉、電解銅粉、石墨粉和硬脂酸鋅共14組，每組重約200g，其中硬脂酸鋅每組1.6克，其他含量見(jiàn)2.2.1粉末原料成分。本人第6組稱取石墨4克，硬脂酸鋅1.

6、6克，電解銅粉2.8克，霧化鐵粉195.2克。秤取完后倒入事先準(zhǔn)備干燥的550毫升純凈水瓶，并加入一個(gè)小鋼珠作研磨球，放在V型混料機(jī)上混合2小時(shí)，待充分混合均勻后開始準(zhǔn)備成形。2.6.2 成形根據(jù)方案需要壓制10mm×50mm條狀試樣，每個(gè)質(zhì)量20克，實(shí)際上由于時(shí)間問(wèn)題只壓制了5個(gè)樣品，本次實(shí)驗(yàn)中，成形壓制壓強(qiáng)為500MPa。壓制時(shí)要特別注意安全，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師對(duì)我們進(jìn)行來(lái)了深刻的講解了安全操作要點(diǎn)。條狀試樣為手動(dòng)壓模，壓制方式為雙向壓制。2.6.3 燒結(jié)機(jī)理與工藝燒結(jié)工藝如下：加熱時(shí)間1.5小時(shí)，燒結(jié)溫度1120，燒結(jié)時(shí)間1小時(shí)，H2氣氛下。下圖為燒結(jié)工藝圖。圖2.1 鐵銅的燒結(jié)過(guò)程

7、燒結(jié)氣氛：氫氣；冷卻方式：水冷。本次實(shí)驗(yàn)是在鉬絲為加熱材料的鉬絲燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)的。鉬具有低溫時(shí)電阻低，高溫時(shí)電阻增大的特點(diǎn)，所以可以很好地控制燒結(jié)溫度。燒結(jié)過(guò)程中，推舟速度為每15min推一次，如此勻速進(jìn)行。等舟進(jìn)入到高溫區(qū)后，保溫1h，將舟推出燒結(jié)區(qū)后等30min關(guān)掉氫氣閥，再等20min關(guān)掉冷卻水閥，最后取出冷卻了的石墨舟，每個(gè)人找到自己的樣品，等待下一步實(shí)驗(yàn)。2.6.4 性能檢測(cè)與分析本實(shí)驗(yàn)需要檢測(cè)的成品性能參數(shù)：幾何尺寸、孔隙度、硬度和抗彎強(qiáng)度。（1）條狀樣品用游標(biāo)卡尺分別測(cè)出長(zhǎng)、寬、高；（2）用電子天平測(cè)出每個(gè)樣品的質(zhì)量M；（3）相對(duì)密度和孔隙度檢測(cè)理論密度的計(jì)算可以假設(shè)整個(gè)粉末冶

8、金工藝中三種粉末相對(duì)質(zhì)量的變化為0，且總體積就等于鐵粉、銅粉和石墨的體積之和，則樣品理論密度公式為：其中1、2、3、1、2、3分別為三種組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和密度。實(shí)際密度的計(jì)算 其中M、V分別為試樣的質(zhì)量、體積。則相對(duì)密度公式為：孔隙度的公式為：=1-相對(duì)測(cè)量結(jié)果：把鐵單質(zhì)、銅單質(zhì)和石墨單質(zhì)的密度7.86g/cm3、8.92g/cm3和2.26g/cm3分別代入上述相對(duì)和的計(jì)算公式，并且1、2、3分別對(duì)應(yīng)于114種樣品的鐵粉、銅粉和石墨的百分含量，計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（4） 硬度測(cè)量每組樣測(cè)三個(gè)點(diǎn)，求平均值。實(shí)驗(yàn)儀器為：洛氏硬度計(jì)，壓力為187.5Kg，壓頭為2.5mm的鋼球。（5） 抗彎強(qiáng)度測(cè)量選

9、取每小組硬度最低和最高的樣品，測(cè)量這兩個(gè)樣的抗彎強(qiáng)度，取較大值。實(shí)驗(yàn)儀器為：電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；型號(hào)：CMT-7205；規(guī)格：200kN；準(zhǔn)確度等級(jí)：0.9級(jí)；珠海三思計(jì)量食品有限公司生產(chǎn)。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論3.1 幾何尺寸和孔隙率各組試樣燒結(jié)前后尺寸變化如下表：表3.1 燒結(jié)前后幾何尺寸和孔隙率變化編號(hào)參數(shù)長(zhǎng)度/mm寬度/mm高度/mm實(shí)際密度/g.cm-3相對(duì)密度/%孔隙率/%燒前燒后燒前燒后燒前燒后燒前燒后燒前燒后燒前燒后150.0050.0010.0210.005.805.806.8836.73288.5086.5611.5013.44 250.0450.0610.0210.025.905

10、.906.7516.71187.02 86.50 12.98 13.50 350.0650.0010.0610.005.865.606.6796.89386.30 89.07 13.70 10.93 450.0050.0010.0610.025.986.006.6756.68086.46 86.53 13.54 13.47 549.9050.0610.0610.005.966.026.6886.21286.85 80.66 13.15 19.34 650.0050.1010.0010.006.006.006.6706.65086.83 86.57 13.17 13.43 750.0050.06

11、10.0810.106.106.086.516.56584.94 85.66 15.06 14.34 849.9450.029.9610.025.985.966.7416.63387.41 86.01 12.59 13.99 950.0050.0010.009.986.065.926.6116.69585.70 86.79 14.30 13.21 1050.0049.9010.0010.005.905.806.7536.59587.51 85.46 12.49 14.54 1150.0049.9210.0010.065.905.826.7496.53387.39 84.59 12.61 15.

12、41 1250.0050.0410.0010.006.045.906.6426.74385.98 87.29 14.02 12.71 1350.0049.9210.0010.005.905.906.7116.65086.84 86.05 13.16 13.95 1449.9250.2010.0010.125.705.747.026.65690.79 86.08 9.21 13.92 由17組數(shù)據(jù)，銅含量在1.4%保持不變，得樣品燒結(jié)收縮率隨C含量的變化圖3.1.1 燒結(jié)收縮率隨C元素含量的變化由814組數(shù)據(jù)，碳含量在0.8%保持不變，得樣品燒結(jié)收縮率隨Cu含量的變化圖3.1.2 燒結(jié)收縮率隨C

13、u元素含量的變化（1）由表3.1的“相對(duì)密度和孔隙度”可知，經(jīng)過(guò)燒結(jié)后，隨著銅和石墨含量的變化，實(shí)驗(yàn)所得的相對(duì)密度和孔隙度其值的改變沒(méi)有明顯的規(guī)律，這應(yīng)該與測(cè)試方法有關(guān)。本次實(shí)驗(yàn)燒結(jié)前的密度采取的是先測(cè)量質(zhì)量和幾何尺寸后經(jīng)計(jì)算求得的，而燒結(jié)后的密度是根據(jù)密度儀測(cè)得的，采用不同的方法測(cè)量密度不具有很大的可比性，并且燒結(jié)后樣品的密度是經(jīng)過(guò)磨砂過(guò)的，會(huì)導(dǎo)致其密度的不準(zhǔn)確，從而所得的相對(duì)密度和孔隙度也不是很準(zhǔn)確，該方法存在一定的誤差。（2）由圖3.1.1“燒結(jié)收縮率隨C元素含量的變化”可以看出：當(dāng)含Cu量不變時(shí)，C含量增加，燒結(jié)收縮率基本沒(méi)怎么變化，就第3組有明確的收縮率。本次實(shí)驗(yàn)的收縮率是根據(jù)燒結(jié)前

14、后的體積變化來(lái)計(jì)算的，但因?yàn)闃悠敷w積較小，尺寸測(cè)量時(shí)也沒(méi)有很細(xì)心，很多微小變化沒(méi)有記錄，或者本次試驗(yàn)壓制過(guò)程樣品壓制的較為好，燒結(jié)后體積沒(méi)怎么變化，故樣品收縮率沒(méi)有明確的規(guī)律。（3）由圖3.1.2 “燒結(jié)收縮率隨Cu元素含量的變化”可以看出：當(dāng)石墨含量不變時(shí)，Cu含量增加，燒結(jié)收縮率基本有下降的趨勢(shì)。這可用柯肯達(dá)爾效應(yīng)解釋，因?yàn)殂~與鐵的擴(kuò)散性質(zhì)不相同。銅在鐵中的擴(kuò)散比鐵在銅中的擴(kuò)散快，銅溶解于鐵形成置換固溶體，體積增大。隨著銅含量的增大，體積增大越明顯，所以燒結(jié)收縮率降低。3.2 洛氏硬度由于燒結(jié)鐵銅的硬度較低，所以實(shí)驗(yàn)中測(cè)量其洛氏硬度（HRB），以保證結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。測(cè)量結(jié)果如下表：表

15、3.2 各組試樣洛氏硬度值編號(hào)洛氏硬度 硬度值1 硬度值2 硬度值3 平均值185.086.085.085.3 274.274.077.275.1 376.376.878.277.1 477.277.678.077.6 578.077.579.078.2 678.578.980.579.3 760.067.062.563.2 866.168.870.668.5 962.570.974.469.3 1070.069.970.270.0 1173.279.880.277.7 1277.882.087.082.3 1376.573.980.577.0 1467.473.380.373.7 圖3.2.

16、1 硬度值隨C元素含量的變化 圖3.2.2 硬度值隨Cu元素含量的變化由表3.2 的“各組試樣洛氏硬度值”及圖3.2.1“硬度值隨C元素含量的變化”和“硬度值隨Cu元素含量的變化”可知：在Cu含量一定情況下，隨著碳含量的增加，試樣的硬度基本也隨之增加（除了1和 7組樣品）。硬度是對(duì)組織或組成相的形態(tài)不十分敏感的性能，它的大小主要決定于組成相的數(shù)量和硬度。因此，隨著碳含量增加，高硬度的滲碳體增多，低硬度的鐵素體減少，鋼的硬度逐步增高。另外，在試樣碳含量相同的情況下，隨著銅含量增加，試樣的硬度值也基本增加（除了13和14組樣品）。因?yàn)殂~在鋼中有固溶強(qiáng)化的作用，隨著銅含量增加，固溶強(qiáng)化的效果增強(qiáng)，增

17、加了材料的表觀硬度。13和14組樣品硬度值下降可能是人為因素造成的，也可能是Cu元素含量過(guò)剩，Cu比Fe柔軟，塑性更好，造成硬度下降。3.3 抗彎強(qiáng)度試樣的抗彎強(qiáng)度如下表所示：表3.3 試樣抗彎強(qiáng)度值編 號(hào)1234567抗彎強(qiáng)度/MPa846.353793.388728.536629.646613.506625.81059 595.822編 號(hào)891011121314抗彎強(qiáng)度/MPa575.674538.630572.677702.118720.548774.805611.301由表3.3的“抗彎強(qiáng)度值”可知，在Cu含量一定時(shí)，隨著試樣C含量的增加，試樣的抗彎強(qiáng)度值基本降低（除了第6組）?？赡?/p>

18、是由于后幾組石墨過(guò)剩（因?yàn)槭渴请p倍加入的），樣品表面脫碳較為嚴(yán)重，強(qiáng)度降低。在C含量一定情況下，隨著試樣Cu含量的增加，試樣的抗彎強(qiáng)度值基本增加（除了第8和14組），因?yàn)殂~在鐵中有一定的溶解度，具有固溶強(qiáng)化的效果，所以使試樣強(qiáng)度增加。4 相關(guān)討論（1）從1-14組的收縮率可以看出，孔隙率的變化并無(wú)規(guī)律，除了測(cè)量方法及測(cè)量設(shè)備的影響之外，與燒結(jié)本身的不確定性有關(guān)。燒結(jié)過(guò)程中，孔隙隨時(shí)都在變化，由孔隙網(wǎng)絡(luò)逐漸形成隔離的閉孔，孔隙球化收縮，少數(shù)閉孔長(zhǎng)大。連通孔隙的不斷消失與隔離閉孔的收縮時(shí)貫穿燒結(jié)全過(guò)程中組織變化的特征。前者主要靠體積擴(kuò)散和塑性流動(dòng)，表面擴(kuò)散和蒸發(fā)凝聚也起一定作用；閉孔生成后，表面擴(kuò)散和蒸發(fā)凝聚只對(duì)孔隙球化有作用，但不影響收縮，塑性流動(dòng)和體積擴(kuò)散才對(duì)孔隙收縮起作用。另外，在不同氣氛下的燒結(jié)孔隙的變化也有差別，燒結(jié)溫度越高，最小孔隙消失地越快，并且大于一定臨界尺寸的孔隙長(zhǎng)大合并越快。（2）做抗彎強(qiáng)度測(cè)定時(shí)，第6組測(cè)了兩個(gè)樣的抗拉強(qiáng)度值分別是615.127 MPa、625.810M