中南大学烧结铁铜的制备与性能研究大型综合实验报告Word文件下载.docx
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铜含量0.5%,石墨含量0.8%;
第9组:
铜含量0.8%,石墨含量0.8%;
第10组:
铜含量1.1%,石墨含量0.8%;
第11组:
铜含量1.7%,石墨含量0.8%;
第12组:
铜含量2.0%,石墨含量0.8%;
第13组:
铜含量2.3%,石墨含量0.8%;
第14组:
铜含量2.7%,石墨含量0.8%
每小组编号分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14,各编号分别预计设10个样。
实际到后面由于时间问题只压制了5个样品,所以第1小组各个样分别记作1-1、1-2、1-3、1-4、1-5;
其余各组类推。
此次实验本人负责第6小组。
2.2.2本人成分配比计算
样品要求10mm×
50mm条状,每个质量20克。
预计设10个样,则总质量为200克。
本人负责的样品成分为第6组:
铜含量1.4%,石墨含量1.0%。
鳞片石墨:
200×
1.0%=2g,实验时考虑到样品脱碳等碳损失问题,根据经验采用双倍碳含量,即配料时采用4g鳞片石墨。
硬脂酸锌:
0.8%=1.6g,硬脂酸锌作为润滑剂和增稠剂会在烧结过程挥发消失,所以不必考虑在200克总量之内。
电解铜粉:
1.4%=2.8g;
雾化铁粉:
200-2-2.8=195.2g
2.2.3粉末还原
电解铜粉:
还原温度280度,1小时;
还原温度800度,1小时
2.3工艺流程
配料→混料→压制→烧结→性能测试
2.4工艺参数
配料比例:
雾化铁粉+电解铜粉+鳞片石墨粉+0.8%硬脂酸锌
混料时间:
V型混料器,混合2小时
压制压强:
500MPa(5t/cm2)
加热时间:
1.5小时
烧结温度:
1120℃,H2气氛
烧结时间:
1小时。
2.5需测试的主要性能指标
1烧结尺寸变化
2相对密度与孔隙率变化
3洛氏硬度
4抗弯强度
2.6实验过程
2.6.1称量与混料
用电子天平秤取雾化铁粉、电解铜粉、石墨粉和硬脂酸锌共14组,每组重约200g,其中硬脂酸锌每组1.6克,其他含量见2.2.1粉末原料成分。
本人第6组称取石墨4克,硬脂酸锌1.6克,电解铜粉2.8克,雾化铁粉195.2克。
秤取完后倒入事先准备干燥的550毫升纯净水瓶,并加入一个小钢珠作研磨球,放在V型混料机上混合2小时,待充分混合均匀后开始准备成形。
2.6.2成形
根据方案需要压制10mm×
50mm条状试样,每个质量20克,实际上由于时间问题只压制了5个样品,本次实验中,成形压制压强为500MPa。
压制时要特别注意安全,实验指导老师对我们进行来了深刻的讲解了安全操作要点。
条状试样为手动压模,压制方式为双向压制。
2.6.3烧结机理与工艺
烧结工艺如下:
加热时间1.5小时,烧结温度1120℃,烧结时间1小时,H2气氛下。
下图为烧结工艺图。
图2.1铁铜的烧结过程
烧结气氛:
氢气;
冷却方式:
水冷。
本次实验是在钼丝为加热材料的钼丝烧结炉内进行烧结的。
钼具有低温时电阻低,高温时电阻增大的特点,所以可以很好地控制烧结温度。
烧结过程中,推舟速度为每15min推一次,如此匀速进行。
等舟进入到高温区后,保温1h,将舟推出烧结区后等30min关掉氢气阀,再等20min关掉冷却水阀,最后取出冷却了的石墨舟,每个人找到自己的样品,等待下一步实验。
2.6.4性能检测与分析
本实验需要检测的成品性能参数:
几何尺寸、孔隙度、硬度和抗弯强度。
(1)条状样品用游标卡尺分别测出长、宽、高;
(2)用电子天平测出每个样品的质量M;
(3)相对密度和孔隙度检测
①理论密度的计算可以假设整个粉末冶金工艺中三种粉末相对质量的变化为0,且总体积就等于铁粉、铜粉和石墨的体积之和,则样品理论密度公式为:
其中ω1、ω2、ω3、ρ1、ρ2、ρ3分别为三种组元的质量分数和密度。
②实际密度的计算
其中M、V分别为试样的质量、体积。
③则相对密度公式为:
孔隙度的公式为:
θ=1-ρ相对
④测量结果:
把铁单质、铜单质和石墨单质的密度7.86g/cm3、8.92g/cm3和2.26g/cm3分别代入上述ρ相对和θ的计算公式,并且ω1、ω2、ω3分别对应于1—14种样品的铁粉、铜粉和石墨的百分含量,计算得出实验结果。
(4)硬度测量
每组样测三个点,求平均值。
实验仪器为:
洛氏硬度计,压力为187.5Kg,压头为Φ2.5mm的钢球。
(5)抗弯强度测量
选取每小组硬度最低和最高的样品,测量这两个样的抗弯强度,取较大值。
电子万能试验机;
型号:
CMT-7205;
规格:
200kN;
准确度等级:
0.9级;
珠海三思计量食品有限公司生产。
3实验结果及讨论
3.1几何尺寸和孔隙率
各组试样烧结前后尺寸变化如下表:
表3.1烧结前后几何尺寸和孔隙率变化
编号
参
数
长度/mm
宽度/mm
高度/mm
实际密度/g.cm-3
相对密度/%
孔隙率/%
烧前
烧后
1
50.00
10.02
10.00
5.80
6.883
6.732
88.50
86.56
11.50
13.44
2
50.04
50.06
5.90
6.751
6.711
87.02
86.50
12.98
13.50
3
10.06
5.86
5.60
6.679
6.893
86.30
89.07
13.70
10.93
4
5.98
6.00
6.675
6.680
86.46
86.53
13.54
13.47
5
49.90
5.96
6.02
6.688
6.212
86.85
80.66
13.15
19.34
6
50.10
6.670
6.650
86.83
86.57
13.17
13.43
7
10.08
10.10
6.10
6.08
6.51
6.565
84.94
85.66
15.06
14.34
8
49.94
50.02
9.96
6.741
6.633
87.41
86.01
12.59
13.99
9
9.98
6.06
5.92
6.611
6.695
85.70
86.79
14.30
13.21
10
6.753
6.595
87.51
85.46
12.49
14.54
11
49.92
5.82
6.749
6.533
87.39
84.59
12.61
15.41
12
6.04
6.642
6.743
85.98
87.29
14.02
12.71
13
86.84
86.05
13.16
13.95
14
50.20
10.12
5.70
5.74
7.02
6.656
90.79
86.08
9.21
13.92
由1—7组数据,铜含量在1.4%保持不变,得样品烧结收缩率随C含量的变化
图3.1.1烧结收缩率随C元素含量的变化
由8—14组数据,碳含量在0.8%保持不变,得样品烧结收缩率随Cu含量的变化
图3.1.2烧结收缩率随Cu元素含量的变化
(1)由表3.1的“相对密度和孔隙度”可知,经过烧结后,随着铜和石墨含量的变化,实验所得的相对密度和孔隙度其值的改变没有明显的规律,这应该与测试方法有关。
本次实验烧结前的密度采取的是先测量质量和几何尺寸后经计算求得的,而烧结后的密度是根据密度仪测得的,采用不同的方法测量密度不具有很大的可比性,并且烧结后样品的密度是经过磨砂过的,会导致其密度的不准确,从而所得的相对密度和孔隙度也不是很准确,该方法存在一定的误差。
(2)由图3.1.1“烧结收缩率随C元素含量的变化”可以看出:
当含Cu量不变时,C含量增加,烧结收缩率基本没怎么变化,就第3组有明确的收缩率。
本次实验的收缩率是根据烧结前后的体积变化来计算的,但因为样品体积较小,尺寸测量时也没有很细心,很多微小变化没有记录,或者本次试验压制过程样品压制的较为好,烧结后体积没怎么变化,故样品收缩率没有明确的规律。
(3)由图3.1.2“烧结收缩率随Cu元素含量的变化”可以看出:
当石墨含量不变时,Cu含量增加,烧结收缩率基本有下降的趋势。
这可用柯肯达尔效应解释,因为铜与铁的扩散性质不相同。
铜在铁中的扩散比铁在铜中的扩散快,铜溶解于铁形成置换固溶体,体积增大。
随着铜含量的增大,体积增大越明显,所以烧结收缩率降低。
3.2洛氏硬度
由于烧结铁铜的硬度较低,所以实验中测量其洛氏硬度(HRB),以保证结果的可靠性和准确性。
测量结果如下表:
表3.2各组试样洛氏硬度值
洛氏硬度
硬度值1
硬度值2
硬度值3
平均值
85.0
86.0
85.3
74.2
74.0
77.2
75.1
76.3
76.8
78.2
77.1
77.6
78.0
77.6
77.5
79.0
78.2
78.5
78.9
80.5
79.3
60.0
67.0
62.5
63.2
66.1
68.8
70.6
68.5
70.9
74.4
69.3
70.0
69.9
70.2
70.0
73.2
79.8
80.2
77.7
77.8
82.0
87.0
82.3
76.5
73.9
77.0
67.4
73.3
80.3
73.7
图3.2.1硬度值随C元素含量的变化图3.2.2硬度值随Cu元素含量的变化
由表3.2的“各组试样洛氏硬度值”及图3.2.1“硬度值随C元素含量的变化”和“硬度值随Cu元素含量的变化”可知:
在Cu含量一定情况下,随着碳含量的增加,试样的硬度基本也随之增加(除了1和7组样品)。
硬度是对组织或组成相的形态不十分敏感的性能,它的大小主要决定于组成相的数量和硬度。
因此,随着碳含量增加,高硬度的渗碳体增多,低硬度的铁素体减少,钢的硬度逐步增高。
另外,在试样碳含量相同的情况下,随着铜含量增加,试样的硬度值也基本增加(除了13和14组样品)。
因为铜在钢中有固溶强化的作用,随着铜含量增加,固溶强化的效果增强,增加了材料的表观硬度。
13和14组样品硬度值下降可能是人为因素造成的,也可能是Cu元素含量过剩,Cu比Fe柔软,塑性更好,造成硬度下降。
3.3抗弯强度
试样的抗弯强度如下表所示:
表3.3试样抗弯强度值
编号
抗弯强度/MPa
846.353
793.388
728.536
629.646
613.506
625.810
59595.822
575.674
538.630
572.677
702.118
720.548
774.805
611.301
由表3.3的“抗弯强度值”可知,在Cu含量一定时,随着试样C含量的增加,试样的抗弯强度值基本降低(除了第6组)。
可能是由于后几组石墨过剩(因为石墨含量是双倍加入的),样品表面脱碳较为严重,强度降低。
在C含量一定情况下,随着试样Cu含量的增加,试样的抗弯强度值基本增加(除了第8和14组),因为铜在铁中有一定的溶解度,具有固溶强化的效果,所以使试样强度增加。
4相关讨论
(1)从1-14组的收缩率可以看出,孔隙率的变化并无规律,除了测量方法及测量设备的影响之外,与烧结本身的不确定性有关。
烧结过程中,孔隙随时都在变化,由孔隙网络逐渐形成隔离的闭孔,孔隙球化收缩,少数闭孔长大。
连通孔隙的不断消失与隔离闭孔的收缩时贯穿烧结全过程中组织变化的特征。
前者主要靠体积扩散和塑性流动,表面扩散和蒸发凝聚也起一定作用;
闭孔生成后,表面扩散和蒸发凝聚只对孔隙球化有作用,但不影响收缩,塑性流动和体积扩散才对孔隙收缩起作用。
另外,在不同气氛下的烧结孔隙的变化也有差别,烧结温度越高,最小孔隙消失地越快,并且大于一定临界尺寸的孔隙长大合并越快。
(2)做抗弯强度测定时,第6组测了两个样的抗拉强度值分别是615.127MPa、625.810MPa,平均值是620.469MPa。
第6组试样的抗弯强度值比其余组偏高,可能是因为:
①压制时粉末未放平,使压制出来的压坯密度分布不均,因此烧结后不同区域密度差别大,因而密度高的区域力学性能好,抗弯强度高,从而使这组的平均值高。
②压制时受力不均匀。
由于对压机不熟悉,压制时没有一次性将压机的踏板踩下去而是间断性的往下踩了几次,导致压坯各处的受力不均匀,以上两个原因可能导致了测试出来的抗弯强度值偏高。
5附录
本人做的抗弯实验报告:
金属弯曲试验报告
试验方案:
金属弯曲试验方案试样形状:
板材试验速度:
3mm/min
试验时间:
52.133331s
宽度
厚度
抗弯力
弯曲强度
单位
mm
N
MPa
试样1
3690.760
615.127
试样2
6.01
3754.860
6自我总结
通过对烧结铁铜的制备和力学性能研究这一大型综合实验,我熟悉并掌握了粉末冶金技术的一般工艺流程,加深了对粉末冶金材料性能研究过程的认识。
同时通过本次实验的工艺操作以及数据处理,学会了对常用实验仪器的操作,增强了我们的实际操作能力,锻炼了我们认识问题、分析问题的能力,进一步加强了自己理论联系实际的能力,强化了Microsoftoffice等办公软件和origin等常用画图软件的操作和应用,这必将对我们今后的学习和发展有良好的影响。
实验过程中,我得到了黄劲松老师、张贤其老师、冉老师等老师们的热心指导和帮助,在此表示衷心的感谢。
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