碳含量和孔隙率對粉末冶金零件力學(xué)性能的影響

碳含量和孔隙率對粉末冶金零件力學(xué)性能的影響在汽生零件中，鐵基粉末冶全零件頤其優(yōu)良的力學(xué)性能、低廉的制造價格以及低切削甚至無切削等優(yōu)點在零件制造頷域占的比例越來越人粉木冶金技術(shù)的發(fā)展沸刻影響著汽牟工業(yè)的發(fā)展。目前通過粉木冶金技術(shù)制備的汽羊零件有齒輪、剎車片等，隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對零件的數(shù)量和性能要求越來越高，這就迫使粉衣冶金技術(shù)不但要提高￡I:產(chǎn)效率和'士產(chǎn)隔質(zhì)+還要降低生產(chǎn)成軋本章試驗選取了粉末冶金法制造的汽車零件進行測試研究"對零件做布氏哽度實臉，并測試其密度。用金相顯微鏡觀察樣殆的微觀組組*通過對組織照片迸行分析讓算，獲得零件樣呂的孔隙率結(jié)杲。用紅外碳硫分析儀對試樣的碳含量做分析，探究在實際生產(chǎn)中或者已經(jīng)被應(yīng)用的鐵基粉末治金汽車零件，扎隙率利含碳量對其力學(xué)性能的影響，有利于在實際生產(chǎn)中，可以通過控制鐵基粉末冶金制品的孔隙率和含碳蠱來實現(xiàn)不同的力學(xué)性能和適應(yīng)不同的工作環(huán)境,人人提高鐵基粉4；拾金霉件的應(yīng)用范I亂促進粉衣聃金技朮的發(fā)展,5衛(wèi)實驗部分5.2.1粉末冶金零件的拉伸力學(xué)性龍測試試樣的拉伸實驗,按照國家標準進將試樣放在夾具的適宜位置*啟動試驗機*便試樣在規(guī)定的拉伸速度條H：下,辻續(xù)而均勻地承受拉應(yīng)力至斷製“拉伸試樣形狀及尺寸為圖5U和）2所小:圖5-1突際拉呻試拝尺寸(mm)1Tticdctu^lsizeo:tensilespecimen圖5?2制作的拉伸試樣Fig.5-2Machinedtensilespecimen5.2.2布氏硬度測試本實驗釆用布氏碩度測試，測試時按照操作步驟在每個試樣的三個不冋位豊分別打三次碩度，每個試樣三組碩度值再瑕平均值。最后得出試樣1與試樣2的硬度值。5.2.3金相組織的觀察金相試樣的制作主要分成以卜幾步：(1)試樣切割從圖5-3所示的零件的內(nèi)圈鋸下一塊試樣進行鑲嵌,標記為試樣1。從外圈零件據(jù)下一塊試樣進行鑲嵌，標記為試樣2。圖5-3粉末冶金零件圖Fig.5-3Powdermetallurgypartdrawing(2)試樣鎮(zhèn)嵌將試樣放到鑲嵌機的底部，倒入適量酚醛樹脂，加壓升溫到140°C,保溫十分鐘即可取出，完成鑲嵌。（3） 預(yù)磨把切好的塊或鑲嵌好的東西放在磨盤上進行預(yù)磨，砂紙使用遵循從粗到細的原則，首先用較粗的砂紙400i,再換成600目、80（）目、10（X）目，最后用1200目的砂紙磨。預(yù)磨過程中按照兩個互成90°的方向磨，先按-個方向磨去另-方向的磨痕，然后轉(zhuǎn)換90“繼續(xù)磨，直到試驗表面光亮并且觀察不到明顯較深的劃痕為止。（4） 拋光把磨好的試樣放在拋光機上，并在拋光的時候加入適當?shù)膾伖鈩?，直到把觀察面拋成鏡面。拋光盤上鋪以細帆布、呢絨、絲綢等，拋光時在拋光盤上不斷滴注三氧化二銘橄光液。操作時將試樣磨面均勻地用在旋轉(zhuǎn)的掀光盤匕，并沿盤的邊緣到中心不斷作徑向往復(fù)運動。拋光時間一般為3~5min°拋光后的試樣，其磨面應(yīng)光亮無痕，且石墨或夾雜物等不應(yīng)拋掉或有拽尾現(xiàn)彖。這時，試樣先用蒸館水沖洗，再用無水酒精清洗磨面，最后用吹風(fēng)機吹干。（5） 腐蝕對試樣進行腐蝕時一定要注意時間，還要注意腐蝕液的選配，針對不同的材料，配制不同的腐蝕液。鋼帙材料最常用的浸蝕劑為3%~4%硝酸酒精溶液。侵蝕方法是將試樣磨面浸入浸蝕劑中，或用棉花沾上浸蝕劑擦試表面。侵蝕時間要適當，一般試樣磨面發(fā)暗時就町停止。如果侵蝕不足，可重復(fù)侵蝕。侵蝕完畢后，立即用蒸憎水沖洗，接著用酒精沖洗，域后用吹風(fēng)機吹干。這樣制得的金相試樣即可在顯微鏡下進行觀察和分析研究。如果一旦侵蝕過度，試樣需要重新磨，直到磨去腐蝕痕，然后進行磨光，再去侵蝕。實驗過程中將試樣放在金相顯微鏡100倍的放人借數(shù)卜進行?觀察。并利用金相分析系統(tǒng)軟件對觀察到的金相組織進行拍照并分析5.2.4碳元素含量測試鐵基粉末冶金材料中，碳含量影響著材料的顯微組織和力學(xué)性能。碳的添加可以顯著提高材料的強度、硬度以及耐■磨性，但是如果碳含量過高，零件的加工性能降低、脆性增人、韌性降低。Fig.5-4RelationshipcurveofCarboncontentandrelativedensity粉末冶金結(jié)構(gòu)類材料碳含量一般為0.2%~1%,當化合碳含量高于1%時，粉末冶金結(jié)構(gòu)材料的抗拉強度會減低，且易于產(chǎn)生燒結(jié)變形與合金偏析。當化合碳含量高于（）.8%時，材料的切削性能與整形性能都會明顯惡化，在需要進行切削加工的材料，化合碳含量應(yīng)低于0.8%,最好低于0.5%|99|o碳含量如果過低，合金材料中碳化物形成量就減少，材料的硬度和強度卜降，耐磨性能變差，而碳含量如果過高，材料的燒結(jié)性能就會變差。因此，確定合理的碳含量，有助于獲得理想的燒結(jié)溫度范圍，使材料有好的綜合力學(xué)性能U呦。根據(jù)鐵碳相圖，碳含量增加可使合金的固相線降低，從而增加了燒結(jié)過程中液相的比例，促進了燒結(jié)致密化。但如果材料的碳含量過高，會造成晶粒長人和碳化物粗化，呈現(xiàn)人量的網(wǎng)格狀滲碳體，這會人人降低材料的性能。圖5?4是在同一燒結(jié)溫度下，碳含量與材料相對密度的關(guān)系曲線。圖中的相對密度就是實際測量的密度值與理論密度值之比，它的變化趨勢同時反映了材料的燒結(jié)密度的變化。由圖可以看出，材料的相對密度對材料的含碳量非常敏感。在含碳量逐漸增加并且低于1.4%的時候，粉末冶金零件的相對密度是隨著碳含量的增加而增加的。在碳含量達到1.4憶時，材料的相對密度達到最人值.之后隨著碳含量的繼續(xù)增加，材料的相對密度則會出現(xiàn)降低的現(xiàn)彖。這充分說明合理的碳含量，不僅可以使碳化物在燒結(jié)過程中起到抑制晶粒長人、細化晶粒的作用，而且在較高的溫度卜進行燒結(jié)，能夠促進粉末冶金材料的致密化，人人提高材料的耐磨性等力學(xué)性能。本實驗中的碳含量測定采用紅外碳含量測定法測定。紅外碳含量測定儀是一種基于紅外檢測原理的新型碳含量測定儀器。樣品經(jīng)高溫燃燒后，其中的碳元素轉(zhuǎn)化成CO2,CO2被引入紅外檢測池，由于CO2吸收一定量的紅外能量，從而引起儀器檢測端信號的變化。根據(jù)朗伯■比爾定律，即可計算出樣品中的碳含量。將試樣用臺鉗夾緊，然后用平鋰鋰下部分粉末，收集鋰下的粉末作為實驗樣品。每個試樣收集的樣品質(zhì)量為1g左右，然后用紅外碳硫含量分析儀檢測碳含量。5.2.5孔隙率測試孔隙是粉末冶金材料的固有特性，孔隙度顯著地影響粉末冶金材料的機械、物理、化學(xué)和工藝性能。在普通鑄件中，氣孔和縮孔是常見的缺陷，也是熔鑄法難以克服的問題；而用粉末冶金法制取的材料，其孔隙度、孔徑及分布可以有效地控制.并且可在相當寬的范闈內(nèi)調(diào)整.粉末冶金材料的各項性能與材料的孔隙率有著非常密切的關(guān)系。材料的宏觀硬度隨孔隙度的增人而降低，這是因為孔隙使單位面積實際承載體積減少，從而使材料表層抗塑性的能力降低。而且，在外力作用時，沿孔隙尖端所引起的應(yīng)力集中可能形成微裂紋，引起材料斷裂；或者由于孔隙和微裂紋已經(jīng)存在于材料中，在外力作用下，已有的微裂紋和孔隙迅速擴展與連接，從而引起材料的斷裂。因而，材料相對密度下降，孔隙增加，造成強度降低，特別是塑性和韌性顯著降低網(wǎng)］。本實驗的實驗方法為在金相圖上附加網(wǎng)格的，通過計數(shù)落在孔隙上的十字交叉點個數(shù)的方式。由于材料的孔隙較小。因此采用6（）x60的網(wǎng)格，總共360（）個十字交叉點。然后數(shù)出有效點數(shù)（落在試樣上的點數(shù)）和孔隙點數(shù)（落在孔隙上的點數(shù)）。最后用孔隙點數(shù)除以有效點數(shù)得出最后的孔隙率。試樣1和試樣2每個試樣選取3組金相圖做孔隙率實驗。戢后求孔隙率的平均值。5.2.6試樣密度的測試實驗用密度測試儀為寧波瑞柯儀器科技有限公司生產(chǎn)的DH-300型密度儀，密度精度為（）.001g/cm\5.3實驗結(jié)果及討論5.3.1密度、硬度'抗拉強度、含碳量和金相分析測試結(jié)果試樣的密度、硬度、抗拉強度和含碳量的測量結(jié)果如卞表5?1所示：表5-1試樣的繾度、皺度.抗拉強反和含碳童Table氣?2Thedensity,hardness,tensilestrengthandcarboncontentofsamples試樣密度（g/cmJ便度(HBW)抗拉強度（MPa）碗含量（％）試樣16.895152453().82試樣26.888125334().95由表5?】的數(shù)據(jù)得出，試樣2的含碳量比試樣1要高，密度、硬度和抗拉強度值均低于試樣1，這說明含碳量高于（）.8%不利于粉末冶金材料的性能提高。主要是因為含碳量越高，粉末冶金燒結(jié)體的致密化受到阻礙,無法實現(xiàn)完全致密化，也就無法獲得更高性能的粉末冶金材料。試樣1的碳含量為（）.8%，根據(jù)詵?■碳相圖口J知，當鋼鐵材料的碳含量高于（）.77%時.其金相顯微組織為珠光體4先共析二次滲碳休。通過金相顯微鏡觀察試樣1的顯微組織，放人倍數(shù)為10（）倍。粉末冶金零件試樣1的金相組織如卜圖5?5所示:圖5-5會怕紐織圖Fig.5-5ThenKtallurgicalstaicture圖5-5顯示的是試樣1過共析鋼的顯微組織，町以看到片層狀的珠光體組織和滲碳體組織,經(jīng)過硝酸酒精腐蝕后，-?次滲碳體呈現(xiàn)的足白色，珠光體是暗照色。對于含碳量小于（）?力憶的亞共析鋼來說.味光休含量越高.鋼的力學(xué)性能越高。而村于含碳量人于0.77%的過共析鋼*說，含碳量趙高，任晶界上析出的：次滲碳體會影響材料的性能.如果含碳畐接近或超過1臥晶界上的一.次滲碳體的數(shù)雖逐浙増多，甚至形成連續(xù)的網(wǎng)格狀分布，使鋼件的脆性增加,塑性和韌性人人降低.嚴重影響材料的性能。由試樣1的顯微組織看岀，該材料的含碳量雖高于0.77%,并未接近1%,所以晶界上析山的二次滲碳體數(shù)量不多，沒fj?連接成網(wǎng)格狀?對材料的性能影響不丿G而試樣2的含碳量接近1%，晶界上析出的人量的二次滲碳體，嚴重影響了材料的性能。5.3.2孔隙率測試結(jié)果及討論在金相觀察實驗所拍攝的圖片上，爪用覆蓋網(wǎng)格的方法測孔隙率。試樣1金相圖覆蓋網(wǎng)格如下圖5-6所示：圖5-6試焊1三個不同耶位的會柏圖Fig.5-6Theredifl'erentpartsoftheNo.ln^etallographicsample試樣2金相圖覆蓋網(wǎng)格后如卜?圖5-7所示^sissis圖5-7試樣2三個不同部位的金相圖Fig.5-7TheredifferentpartsoftheNo.2metallographicsample孔隙率測試數(shù)據(jù)如表5?2所示：表5-2孔隙率實臉斂據(jù)Table5-2Porosityoftheexperimentaldata組別試樣編兮自效點數(shù)仇隙點數(shù)孔陳率平均孔隙率13489140