CN101139673A - Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能减振合金及其制备和热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及ZnAl合金阻尼性能的改善技术，具体地说是一种Zn－Al－Zr－Si高阻尼性能减振合金及其制备方法和热处理工艺。本发明以Zn－22％Al合金为基，通过添加少量的Zr、Si元素，锆0.1％－0.25％，硅0.1％－8％，并经过挤压铸造、热处理等工艺，细化晶粒组织，增加了可动相界面的数量，同时在合金中形成强化相，增加了材料中位错的密度，此外还在合金中形成了强化相/基体界面，成为新的内耗源。采用挤压铸造工艺，在500±10℃浇入模腔，10秒内开始施加压力，比压为80～100MPa，完全凝固后，开模取出铸件。热处理工艺：1)在350±10℃下保温2－3小时后，水淬冷却至室温；2)在60±5℃下保温3－4小时后，水淬冷却至室温。本发明可用于制造使用环境在室温条件下、应变振幅低于4×10－4的结构件。
Description
技术领域：
本发明涉及ZnAl合金阻尼性能的改善，具体地说是一种Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能减振合金及其制备方法和热处理工艺。通过在ZnAl合金中添加合金元素，并经过一定的热处理制度改善合金的显微组织，提高合金的阻尼性能。
背景技术：
随着现代工业的发展，人们除了对机械提出高性能、高效率、高精度的要求外，对于由机械装置引起的振动、噪声及其对环境污染的治理也日益重视。如何减少振动和抑制噪声是一个急需解决的重要课题。作为解决方法之一，高阻尼合金直接用于振源对减振降噪具有明显的效果。锌铝合金作为一种开发较早的减振合金，具有比重小、比强度高、非磁性、工艺性能优良、价格低廉等优点，目前已经广泛用于制作轴承、各种管接头、滑轮以及各类受冲击和磨损的铸件。其中Zn-22wt％Al合金不仅具有较好的超塑性能，而且在ZnAl系合金中拥有最好的阻尼性能。但是Zn-22wt％Al合金在室温、低频条件下的阻尼性能并不理想，影响了它的进一步使用。
发明内容：
本发明的目的是提供一种Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能减振合金及其制备方法和热处理工艺。通过添加合金元素，研制出一种制备方法简单，晶粒细化良好、成分均匀的拥有高阻尼性能的锌铝系合金。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能减振合金，按重量百分比计，合金化学成分如下：
铝22％-25％，锆0.1％-0.25％，硅0.1％-8％，锌余量。
所述的Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能减振合金，锆较好为0.1％-0.2％，硅较好为0.5％-6％。
所述的Zn-A1-Zr-Si高阻尼性能减振合金的制备方法，包括如下步骤：
1)首先将纯铝，Al-12wt％Si及Al-4wt％Zr中间合金加入电阻炉中，升温至750±10℃熔化；
2)待铝全部熔化后，再加入纯锌熔化；
3)采用挤压铸造工艺，在500±10℃浇入模腔，10秒内开始施加压力，比压为80～100MPa，完全凝固后，开模取出铸件。
所述的Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能减振合金的热处理工艺，包括如下步骤：
1)在350±10℃下保温2-3小时后，水淬冷却至室温；
2)在60±5℃下保温3-4小时后，水淬冷却至室温。
本发明在原有Zn-22wt％Al共析减振合金的基础上，通过添加少量的Zr以及Si元素，采用挤压铸造工艺并经过适当的热处理改善合金的性能，使相组织显著细化，增加可动相界面的数目；富含硅相，增加材料中位错的密度，并引入硅相/基体界面这一新的内耗源，从而提高合金的阻尼性能。
本发明以锌铝合金为基体，设计开发新的高阻尼性能的ZnAl合金。新减振合金的设计应根据合金的阻尼机制，采取适当的措施来改进，并且可以引入新的阻尼机理，进一步改善合金的减振性能。Zn-Al系减振合金属于复相型，其主要的阻尼机制包括界面阻尼、位错阻尼以及热弹性内耗。前者是基于第二相与基体的相界面上发生的非弹性粘滞运动，阻尼性能的高低取决于可动相界面的数目及相界面的可动性；位错阻尼是由于位错线在钉轧点间做往复的“弓出”运动形成应力应变滞后迴线造成，与合金中位错的密度以及位错线的长度有关，位错的密度越大，位错线越长，位错阻尼越高；热弹性内耗是由于材料内部各点受力不均匀，在材料内部形成温度差，从而造成热流引起能量而耗散掉，由于此部分内耗与材料的几何尺寸、受力状态有关，因此不在本材料设计的考虑范畴。另外，研究发现，向合金中添加强化相后，由于强化相与基体的热膨胀系数存在巨大差异，在合金的凝固冷却过程中，使得合金内部靠近强化相附近形成较大的应力集中，从而在强化相周围产生大量的位错；同时会在合金中形成新的界面(强化相/基体)，成为新的内耗源，此内耗与合金中强化相的数量以及强化相与基体间的摩擦系数有关。
为了提高Zn-Al减振合金的阻尼性能，根据上述阻尼机理，我们采取了以下几个措施：
1、毛坯采用挤压铸造工艺制备，以减少铸件中的疏松、气孔、偏析等铸造缺陷，获得成分均匀、晶粒细小的铸造组织。
2、通过调整热处理工艺，细化合金组织，特别是细化共析体，以增加相界面；
3、向合金中添加少量的锆和硅元素以形成弥散分布的第二相，进一步增加相界面，产生新的内耗源。
本发明的优点在于：
1、冶炼加工方法简单，生产成本低。
2、显著改善了合金的阻尼性能，室温下合金的减振系数提高约一倍。
3、在提高阻尼性能的同时，也使得合金的耐磨性得到了提高。
4、本发明可用于制造使用环境在室温条件下、应变振幅低于4×10-4的结构件。
附图说明：
图1为冶炼工艺制度流程；
图2为热处理工艺流程；
图3为铸态锌铝锆硅合金的金相显微照片；
图4(a)-(b)为经热处理后的高纯锌铝锆硅合金显微组织照片；(a)光学显微镜观察200×；(b)扫描电镜观察10000×。
图5(a)-(b)为锌铝锆硅合金与锌铝合金的阻尼性能tanδ对比曲线；(a)合金的阻尼性能tanδ随温度变化的对比曲线；(b)合金的阻尼性能tanδ随应变振幅变化的对比曲线。
具体实施方式：
采用纯铝(≥99.7wt％)和纯锌(≥99.9wt％)为原材料，添加适量的Zr、Si元素，合金成分及性能见表1。通过以下途径提高合金的阻尼性能：采用挤压铸造工艺制造毛坯，减少铸件中的疏松、气孔、偏析等铸造缺陷，获得成分均匀、晶粒细小的铸造组织。Zn-22％Al合金铸锭的成分是共析成分，得到的是共析组织，即α-Al+初生β-Zn，铸锭组织见图3；添加少量的Zr元素后，使α-Al得到不同程度的细化，增加合金的相界面；添加少量的Si元素，由于锌、铝和硅基本不互溶，也不形成化合物，室温下，硅在铝里的固溶度只有0.2％，在α-Al枝晶区，硅含量很少，因此在α-Al枝晶内析出成为初生硅相。由于初生硅相与基体的热膨胀系数存在较大的差异，冷却过程中在初生硅相的周围形成应力集中区，拥有大量的位错，增加了合金内位错的密度；合金经过适当的热处理工艺(见图2)后，合金的相组织得到显著细化，α-Al、β-Zn成为细小的共析组织，为片层和粒状两种组织并存，进一步增加了合金中相界面的密度，见图4(a)-(b)。由于片层组织拥有较高的强度，但塑性较差；而粒状组织不同，具有较好的塑性，但强度较低，因此二者结合可以得到较好的综合性能。
经过上述过程后，材料内部的相界面的数量显著提高，增加了界面阻尼；由于硅的热膨胀系数与基体的存在较大的差异，在凝固冷却的过程中，硅相的周围产生很大的残余应力，产生位错，增加了基体中位错的密度，提高了位错阻尼；另外，由于硅相的存在，还在材料中引入了硅相/基体界面，成为新的内耗源。由于上述原因，使得新合金的阻尼性能得到明显的提高，阻尼性能提高了近6倍。
表1合金的化学成分及其阻尼性能
| 主要成分化学成分 | 阻尼性能① | ||||
| Al(wt％) | Zr(wt％) | Si(wt％) | Zn(wt％) | Tanδ | |
| 1 | 23.5％ | 0.1％ | 0.1％ | 余量 | 0.013 |
| 2 | 21.0％ | 0.1％ | 8％ | 余量 | 0.034 |
| 3 | 22.7％ | 0.18％ | 2.5％ | 余量 | 0.046 |
| 4 | 23.3％ | 0.25％ | 0.1％ | 余量 | 0.014 |
| 5 | 21.3％ | 0.25％ | 8％ | 余量 | 0.051 |
注①：阻尼性能tanδ值是在30℃，应变振幅为1×104，频率为1Hz时测得；冶炼工艺制度见图1，操作步骤如下：
1)首先将纯铝(≥99.7％)，Al-12wt％Si及Al-4wt％Zr中间合金加入电阻炉中，升温至750±10℃熔化；
2)待铝全部熔化后，再加入纯锌(≥99.9％)熔化；
3)采用挤压铸造工艺，在500±10℃浇入模腔，10秒内开始施加压力，比压为80～100MPa，完全凝固后，开模取出铸件。
采用挤压铸造工艺制备，可以减少铸件中的疏松、气孔、偏析等铸造缺陷，获得成分均匀、晶粒细小的铸造组织。
热处理工艺包括如下步骤：
1)在350±10℃下保温2-3小时后，水淬冷却至室温；
2)在60±5℃下保温3-4小时后，水淬冷却至室温。
采用上述热处理工艺可以细化合金组织，特别是细化共析体，增加相界面。
如图5(a)-(b)所示高纯锌铝锆硅合金与锌铝合金的内耗曲线，图5(a)为合金的阻尼性能tanδ随温度变化的对比曲线；图5(b)是合金的阻尼性能tanδ随应变振幅变化的对比曲线。由图5(a)-(b)可知，合金的阻尼性能随温度和应变振幅的升高而增加。经过以上热处理制度后，ZnAlZrSi合金的内耗较原基体合金的内耗有了大幅度的提高，在30℃约为原来的6倍。根据图5(a)-(b)及本发明的制备过程，确定本发明适用于制造使用环境为室温、应变振幅低于4×10-4的结构件。
Claims (4)
1.一种Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能减振合金，其特征在于：按重量百分比计，合金化学成分如下：
铝22％-25％，锆0.1％-0.25％，硅0.1％-8％，锌余量。
2.按照权利要求1所述的Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能减振合金，其特征在于：锆0.1％-0.2％，硅0.5％-6％。
3.按照权利要求1所述的Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能减振合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)首先将纯铝，Al-12wt％Si及Al-4wt％Zr中间合金加入电阻炉中，升温至750±10℃熔化；
2)待铝全部熔化后，再加入纯锌熔化；
3)采用挤压铸造工艺，在500±10℃浇入模腔，10秒内开始施加压力，比压为80～100MPa，完全凝固后，开模取出铸件。
4.按照权利要求1所述的Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能减振合金的热处理工艺，其特征在于包括如下步骤：
1)在350±10℃下保温2-3小时后，水淬冷却至室温；
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090204 Termination date: 20130906 |