CN104152764A - 一种粉末冶金多孔锰铜阻尼材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉末冶金多孔锰铜阻尼材料及其制备方法，元素质量百分含量为Cu：15.0~25.0，Ni：2.0~8.0，Fe：1.0~3.0，C、S、P的含量小于0.01，Si的含量小于0.02，余量为Mn。先将纯度和粒度符合要求的原料按配比混合，再将混好的粉料压制成所需尺寸的压坯；在600~700℃进行0.5~1小时的保温，升温至900~950℃保温1~3小时，得到孔隙率高达30～42%的锰铜合金。再在800~860℃下保温0.5~1小时后，快冷至室温，然后在350~460℃下保温6~12小时。本发明合金在室温条件下，0~100Hz频率阻尼能力tanδ达0.08以上，具有良好的力学性能。

Description

一种粉末冶金多孔锰铜阻尼材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有多孔结构的锰铜高阻尼合金。它是通过粉末冶金真空烧结的工艺和合金成分的控制来达到高阻尼、低密度的目的。

技术背景

本发明属于粉末冶金领域的阻尼材料。当前锰铜合金作为孪晶型阻尼材料的代表，已被广泛使用在生活生产中。锰铜阻尼合金材料具有γ相组织的锰铜合金的反铁磁转变，形成点阵畸变，触发微孪晶，若点阵畸变诱发了马氏体相变，则将形成马氏体孪晶，母相与热弹性马氏体相界面的移动和热弹性马氏体孪晶亚结构的移动消耗能量，产生高阻尼现象。锰铜阻尼合金材料具有无磁性，低温阻尼性能很好并且强度和韧性很好（Rm＞500MPa、Aku＞100J）的特点。而锰铜合金材料具有良好的变形能力，对于锰铜合金材料如果成分热处理得当，其阻尼性能最高可达到橡胶水平。因此锰铜合金阻尼性能处于最高级别，同时锰铜合金材料相对于传统的阻尼合金材料而言具有良好的变形能力，可很好的应用于阻尼合金支架、阻尼合金垫片、轴承、超传导线圈、电弓架、阻尼合金薄板等这些零部件上。

多孔金属具有密度低、强度高、吸声性能高等优点逐渐引起人们的注意，金属材料的多孔化已经被证实是提升金属材料阻尼性能的非常有效途径之一。自1951年美国Ellist成功制造泡沫铝以来，世界各国竞相投入到多孔泡沫金属的研究开发中。金属多孔材料研究已经进入快速发展阶段，更是体现了对该类材料研究的重要性和迫切性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高阻尼、高孔隙率、低密度等优点的锰铜阻尼合金及其制备方法。该合金可以用于需要主动降低振动和噪声的领域，具有十分广阔的应用背景。

本发明设计了一种含Fe、Ni元素的多孔锰铜合金，各元素的质量百分含量为Cu：15.0~25.0，Ni：2.0~8.0，Fe：1.0~3.0， C、 S 、P的含量小于0.01，Si的含量小于0.02 ，余量为Mn。

合金中Fe元素细化合金组织，提高合金的冲击韧性，但基体中固溶元素Fe会影响合金的阻尼性能，Fe的含量控制在1～3%。Ni元素提高合金的耐蚀性，提高合金的抗拉强度，但Ni使γ相稳定，导致孪晶形成缓慢，不利于合金的阻尼性能，Ni的含量控制在2～8%。由于实用Mn-Cu合金的Mn含量（原子分数）一般在40~60%，其Neel温度低于室温，在混溶间隙内进行时效处理，使之发生调幅分解，然后淬火使之具有高阻尼性能，设计Cu元素的含量为15～25%。

锰铜合金的阻尼性能来源于反铁磁性转变、马氏体相变和调幅分解，根据主要阻尼原理，多孔锰铜合金的实用成分范围大致分为4类，即Cu：16.0~18.0，Ni：2.0~3.0，Fe：1.0~2.0；Cu：19~23，Ni：1.0~4.0，Fe：1.0~2.0；Cu：21~24，Ni：2.0~4.0，Fe：1.0~2.0；Cu：21~25，Ni：3.0~6.0，Fe：1.0~3.0。其余为Mn，杂质元素含量总和不超过0.5%。

在具体制备合金时，各元素均采用纯元素粉末，混合后在一定压力下压制，再烧结成合金。其中Mn、Cu采用较粗的电解粉末，通过反应烧结和偏扩散原理，形成具有较高力学性能的多孔体；而Ni、Fe采用颗粒度细小的羰基粉末，利用混合均匀和合金化均匀，充分发挥这两种元素的强化和韧化作用。

要获得具有多孔结构的锰铜高阻尼合金，除合金成分外，保证合金性能还需要采用适当的加工工艺和热处理工艺等合金的制备方法。本发明的另一个目的是研究这种特殊性能合金的制备方法。

通过如下步骤制备多孔锰铜高阻尼合金：

1.粉末制备

将电解锰粉（纯度：≥99.7% 目数：-100目）、电解铜粉（纯度：≥99.7% 目数：-200目）、羰基镍粉（纯度：≥99.5%, 目数：2~3.6μ m）、铁粉（纯度：≥98.5%, 目数：1~3μ m）按照表1配比进行配料，将配好的粉料置于球磨罐中进行干磨，球磨时间为0.5~1h至粉料均匀。

表 1 多孔锰铜高阻尼合金成分要求

成分	含量（重量%）
		Cu	15.0~25.0
Ni	2.0~8.0
		Fe	1.0~3.0
C	˂0.01
		S	˂0.01
P	˂0.01
		Si	˂0.02
Mn	余量

2.压制成型

将混好的粉料在100~800MPa的压力下压制成所需尺寸的压坯。压力范围根据坯料的尺寸和粉末混合体的压制性能，以及孔隙度的要求来选择，对于大尺寸、孔隙率要求高，取下限；小尺寸、高致密取大压力。必要时可采取等向压力的冷等静压成形，或者松装烧结(无压力)。

3.真空烧结

在600~700℃范围内选取合适温度进行0.5~1小时的保温处理，然后升温至900~950℃，保温时间为1~3小时。

4.固溶热处理

将烧结好的锰铜合金在800~860℃下保温处理0.5~1小时后，快冷至室温，得到固溶处理状态多孔锰铜合金。

5.时效热处理

将固溶处理状态多孔锰铜合金在350~460℃下保温处理6~12小时后，炉冷至室温，得到时效态多孔锰铜高阻尼合金。

本专利涉及的多孔锰铜阻尼合金，是利用粉末冶金方法来控制合金的孔隙结构，通过成分、制备工艺和热处理等关键环节的密切配合来达到制备多孔阻尼合金的目的。本专利涉及的锰铜合金充分考虑到了各种因素的作用，最终制备了性能优良的多孔锰铜高阻尼合金。合金在室温条件下，0~100Hz频率范围内其阻尼能力tanδ可达到0.08以上，而一般冶金致密MnCu合金的阻尼能力不到0.03，并且所发明的多孔MnCu合金具有高达30～42%左右的孔隙，重量减轻，并具有良好的力学性能。

附图说明

图1为锰铜合金的金相组织图；

图2为多孔锰铜合金与实体锰铜的阻尼性能的比较图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

具体实施方式

实施例

1.粉末制备

将电解锰粉（纯度：≥99.7% 目数：-100目）、电解铜粉（纯度：≥99.7% 目数：-200目）、羰基镍粉（纯度：≥99.5%, 目数：2~3.6μ m）、铁粉（纯度：≥98.5%, 目数：1~3μ m）按照表1配比进行配料，将配好的粉料置于球磨罐中进行干磨，球磨时间为0.5h，至粉料均匀，烧结后的多孔锰铜合金以及对比例的熔炼实体锰铜合金的成分如表2所示。

表 2 锰铜高阻尼合金成分

2.压制成型

将混好的粉料，分别在100MPa、300MPa和700MPa的压力下压制成压坯，分别为多孔1#、多孔2#和多孔3#。

3.真空烧结

烧结温度为950℃，保温时间为1小时，升温过程中在600℃进行1小时的保温处理，升温速率为5℃/分钟。

4.固溶热处理

将烧结好的锰铜合金在860℃保温处理0.5小时后，快冷至室温，得到固溶处理状态多孔锰铜合金。

5.时效热处理

将固溶处理状态多孔锰铜合金在450℃下保温处理6小时后，炉冷至室温，得到时效态多孔锰铜高阻尼合金，固溶+时效态的组织、性能如图1，表3所示。图1中 (a) 为实体锰铜的金相组织图, (b) 多为孔锰铜的金相组织图。

表3 多孔锰铜与实体锰铜的力学性能对比

样品号	孔隙率（%）	弯曲强度（MPa）	抗拉强度（MPa）
				多孔1#	42	89	85
多孔2#	36	100	90
				多孔3#	32	122	90
实体1#	/	/	490
				实体2#	/	/	500

通过合理的成分设计配合适当的制备工艺，制备了具有优良性能的多孔锰铜高阻尼合金。合金在室温条件下，0~100Hz频率范围内其阻尼能力tanδ可达到0.08以上，并且其具有高达30～42%左右的孔隙，具有良好的力学性能。

Claims (5)

1.一种粉末冶金多孔锰铜阻尼材料，其特征在于：各元素的质量百分含量为Cu：15.0~25.0，Ni：2.0~8.0，Fe：1.0~3.0，C、 S 、P的含量小于0.01，Si的含量小于0.02，余量为Mn，杂质元素含量总和不超过0.5%。

2.根据权利要求1所述的粉末冶金多孔锰铜阻尼材料，其特征在于：各元素的质量百分含量为Cu：16.0~18.0，Ni：2.0~3.0，Fe：1.0~2.0；Cu：19~23，Ni：1.0~4.0，Fe：1.0~2.0；C、 S 、P的含量小于0.01，Si的含量小于0.02，其余为Mn，C、 S 、P的含量小于0.01，Si的含量小于0.02，杂质元素含量总和不超过0.5%。

3.根据权利要求1所述的粉末冶金多孔锰铜阻尼材料，其特征在于：各元素的质量百分含量为Cu：21~24，Ni：2.0~4.0，Fe：1.0~2.0；其余为Mn，C、 S 、P的含量小于0.01，Si的含量小于0.02，杂质元素含量总和不超过0.5%。

4.根据权利要求1所述的粉末冶金多孔锰铜阻尼材料，其特征在于：各元素的质量百分含量为Cu：21~25，Ni：3.0~6.0，Fe：1.0~3.0，其余为Mn，C、 S 、P的含量小于0.01，Si的含量小于0.02，杂质元素含量总和不超过0.5%。

5.一种如权利要求1所述的粉末冶金多孔锰铜阻尼材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

A.粉末制备

将纯度≥99.7%粉末粒度54~154μ m的电解锰粉、纯度≥99.7%粉末粒度38~74μ m的电解铜粉、纯度≥99.5%, 目数2~ 3.6μ m羰基镍粉、纯度≥98.5%，目数1~3μ m铁粉按照元素质量百分含量为Cu：15.0~25.0，Ni：2.0~8.0，Fe：1.0~3.0， C、 S 、P的含量小于0.01，Si的含量小于0.02 ，余量为Mn的配比进行配料，将配好的粉料置于球磨罐中进行干磨，球磨时间为0.5~1h至粉料均匀；

B.压制成型

将混好的粉料在100~800MPa的压力下压制成所需尺寸的压坯；

C.真空烧结

在600~700℃范围内选取合适温度进行0.5~1小时的保温处理，然后升温至900~950℃，保温时间为1~3小时；

D.固溶热处理

将烧结好的锰铜合金在800~860℃下保温处理0.5~1小时后，快冷至室温，得到固溶处理状态多孔锰铜合金；

E. 时效热处理

将固溶处理状态多孔锰铜合金在350~460℃下保温处理6~12小时后，炉冷至室温，得到时效态多孔锰铜高阻尼合金。