CN104762540A

CN104762540A - 一种高阻尼锰铜减振合金及其制造方法

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Publication number: CN104762540A
Application number: CN201410214956.1A
Authority: CN
Inventors: 谢东辉; 蔡凯洪; 于敏
Original assignee: BEIJING BEIYE FUNCTIONAL MATERIALS Corp
Current assignee: BEIJING BEIYE FUNCTIONAL MATERIALS Corp
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: CN104762540B

Abstract

本发明提供一种高阻尼锰铜减振合金及其制造方法，其化学成分(wt％)为：Mn60.00～75.00，Ni2.00～5.00，Al0.50～3.00，Fe1.50～2.50，C≤0.01，Si≤0.10，P<0.020，S<0.020，N≤0.050，O≤0.010，Zr、Ti、La、Ce、Y、混合稀土(Mm)中的一种或几种，余为Cu及不可避免的杂质元素，经热处理后，其阻尼性能为：为0.035～0.055，为0.020～0.040，

Description

一种高阻尼锰铜减振合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高阻尼锰铜减振合金及其制造方法。

背景技术

随着现代工业的快速发展，人们对各种机械设备、机电产品、仪器仪表等产生的振动和噪声的危害日益重视。将减振合金直接应用在机械振动和噪声的振源部位，是一种行之有效的减振降噪方法。在各类减振合金中，孪晶型锰铜减振合金由于具有高阻尼、高强度、良好的韧性和加工性能而倍受关注。截止目前已经获得商业化应用的锰铜减振合金主要有英国的Sonoston合金、前苏联的Abpopa合金、美国的Incramute合金、中国的2310合金和日本的M2052合金等等。这些材料已在舰船螺旋桨、电力设备、机械设备和精密仪器仪表上获得应用，取得十分良好的减振降噪效果。

锰铜合金的单相奥氏体组织并不具备阻尼能力，要具有高阻尼性能，必须处于反铁磁转变温度(T_N)或马氏体相变温度(Ms)以下。但是，目前各类锰铜减振合金的最高使用温度一般只能达到80℃，当超过此温度时，马氏体将逆转变为奥氏体组织，合金丧失阻尼性能。另外，锰铜减振合金在室温长时间存放或使用，阻尼特性会发生延时衰减，当锰的质量分数大于60％时，虽然阻尼性能提高，但力学性能和加工性能变差。这些缺点极大限制了锰铜减振合金的应用领域和适用范围。

专利WO2008/056785和文献(殷福星等.Mn-Cu系高阻尼合金的凝固组织控制及阻尼特性改善.物理学进展，26(3))通过采用凝固过程控制结合时效热处理的技术手段对高锰阻尼合金的阻尼性能进行改善，提高了具有阻尼特性的上限温度，但此技术方案是针对铸态的锰铜合金。国内外文献中也有通过在高锰合金中直接添加Al元素来提高Ms从而提高具有阻尼性能的温度上限，但效果有限，而且添加不当会导致阻尼性能下降。

针对锰铜合金的缺点和现有技术的不足，本发明通过合理的成分设计、适当的热处理工艺对高锰含量(Mn％≥60％)的可变形锰铜减振合金的阻尼特性进行改善，同时提高强度和加工性能。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供具有较宽的使用温度范围兼具有高阻尼特性和良好塑性加工性能的高阻尼合金及其制造方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

合金的化学成分(wt％)采用：Mn60.00～75.00，Ni2.00～5.00，Al0.50～3.00，Fe1.50～2.50，C≤0.01，Si≤0.10，P<0.020，S<0.020，N≤0.050，O≤0.010，余为Cu及不可避免的杂质元素。

其优选方案为：Al+Ni的总含量限制在5.00～5.50范围之内，同时添加Zr、Ti、La、Ce、Y、Mm中的一种或几种，其总含量为0.05～1.00。

在如上所述的合金成分中，Ni对马氏体相变有抑制作用，降低Ms，但能够提高阻尼性能，而且对提高强度和加工性能有利，Al能够提高Ms，同时在一定含量范围内能提高强度和阻尼性能，Al和Ni的协同添加、合理匹配，不仅能使合金具有高阻尼性能，而且能够提高相变温度，从而提高使用温度上限。

Zr、Ti、La、Ce、Y、Mm等微量元素能够吸附杂质元素，净化晶界，减少或消除杂质原子对界面的钉扎，提高界面的可动性，不仅能提高阻尼性能，而且能提高阻尼的室温稳定性。这些微量元素可单独添加，也可同时添加几种元素，当含量低于0.05时，不能发挥作用，当含量大于1.00时，合金的加工性能恶化，因此其含量范围应限制在0.05～1.00之内。

合金采用电炉冶炼，精炼温度为1200～1230℃，精炼时间不少于20min，出钢温度为1200～1220℃。铸锭脱模冷却至室温后，在保护气氛或真空下加热至800～900℃、保温8～10小时使其均匀化。

对于高阻尼锰铜减振合金型材：均匀化退火后的铸锭经850±20℃加热，按所要求的规格锻造出成品型材，终锻温度不低于700℃。

对于高阻尼锰铜减振合金带材：均匀化退火后的铸锭经850±20℃加热，热加工成冷带坯，依成品规格要求，分道次进行冷轧，冷轧变形率为30～60％，采用氢气保护连续光亮退火炉进行中间软化退火，退火温度为900～950℃，走带速度2m/min～6m/min。

上述型材和带材，经热处理后，其阻尼性能为：为0.035～0.055，为0.020～0.040，为0.010～0.030；力学性能为：抗拉强度R_m≥550MPa，屈服强度R_p0.2≥250MPa，延伸率A≥25％，面缩率Z≥40％。热处理制度为：在氢气气氛中加热至800～900℃，保温1小时，以不大于5℃/min的速度冷却至400～550℃，保温1～5小时，以不大于5℃/min的速度冷却至室温出炉。

本发明的贡献在于：

通过采用Al与Ni协同添加，辅以添加Zr、Ti、La、Cr、Y、Mm等微量元素、限制有害杂质元素和合理的热处理工艺等技术手段，显著提高锰铜减振合金的使用温度，具有阻尼特性的温度上限可达110℃以上，且保持高阻尼特性，阻尼室温稳定性好；通过铸锭的均匀化退火，有效改善了高锰含量锰铜减振合金的热、冷加工性能，使合金能够加工成各种规格的型材和带材。

本发明合金与现有的各类锰铜减振合金相比，使用温度范围宽，强度高，塑性加工性能优异，适合应用于航空航天、航海、核工业、汽车制造、电力电子设备、精密仪器仪表等领域需要减振降噪的部位，应用的部位主要有：轴承、轴承座、齿轮、法兰端盖、基座、支架、支撑底板、垫片等等，起到降低振动传递、减少噪声和提高结构部件使用寿命的目的。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，并与M2052合(Cu22.4-Ni5.1-Fe1.97-Mn余，wt％)的成分和性能进行比较。M2052合金是日本国立材料科学研究所(National Institute forMaterials Science，Japan)开发的一种阻尼合金，它是在Mn-Cu合金的基础上通过添加适量的Ni和Fe来改善合金加工性能和力学性能，同时具有高阻尼特性。本发明合金与M2052合金同为高锰含量可变形阻尼合金，但与M2052合金相比，对Ni含量进行了调整，同时添加了适量的Al元素和Zr、Ti、稀土等微量元素，并辅以适当的热处理工艺，不仅使合金的阻尼特性使用温度范围增加，而且具有高阻尼性能和良好的力学性能。本发明的具体实施例如下：

实施例1：

成分为Mn71.17％，Ni2.23％，Al2.68％，Fe2.27％，C0.005％，Si0.08％，P0.017％，S0.0043％，N0.030％，O0.006％，余为Cu的合金，采用电炉冶炼，合金的精炼温度为1220℃，精炼时间25min，出钢温度为1210℃，铸锭脱模冷却至室温后，在保护气氛或真空下加热至850℃、保温9h使其均匀化，然后铸锭再经840℃加热，用锻压机锻成85mm×85mm型材，终锻温度750℃。材料热处理制度：在氢气气氛中加热至800℃，保温1h，以5℃/min的速度冷却至400℃，保温4h，以3℃/min的速度冷却至室温出炉。

实施例2：

成分为Mn70.03％，Ni3.88％，Al1.52％，Fe1.99％，C0.006％，Si0.05％，P0.015％，S0.0053％，N0.034％，O0.009％，Zr0.20％，Ti0.25％，Mm0.15％，余为Cu的合金，采用电炉冶炼，合金的精炼温度为1220℃，精炼时间25min，出钢温度为1220℃。铸锭脱模冷却至室温后，在保护气氛或真空下加热至850℃、保温10h使其均匀化，然后铸锭再经855℃加热，用锻压机锻成90mm×90mm方坯，表面修磨后，再经860℃热锻成φ50mm型材，终锻温度700℃。材料热处理制度：在氢气气氛中加热至900℃，保温1h，以2℃/min的速度冷却至450℃，保温2h，以3.5℃/min的速度冷却至室温出炉。

实施例3：

成分为Mn73.25％，Ni2.36％，Al3.00％，Fe1.88％，C0.008％，Si0.05％，P0.018％，S0.0045％，N0.041％，O0.005％，La0.15％，Ce0.10％，余为Cu的合金，采用电炉冶炼，合金的精炼温度为1225℃，精炼时间20min，出钢温度为1200℃。铸锭脱模冷却至室温后，在保护气氛或真空下加热至900℃、保温8h使其均匀化，然后铸锭再经865℃加热，用锻压机锻成90mm×90mm方坯，表面修磨后，再经850℃加热锻成φ20mm型材，终锻温度730℃。材料热处理制度：在氢气气氛中加热至800℃，保温1h，以0.5℃/min的速度冷却至500℃，保温2h，以1℃/min的速度冷却至室温出炉。

实施例4：

成分为Mn69.34％，Ni4.22％，Al0.80％，Fe1.65％，C0.008％，Si0.07％，P0.018％，S0.0050％，N0.025％，O0.006％，Zr0.20％，Ti0.25％，La0.15％，余为Cu的合金，采用电炉冶炼，合金的精炼温度为1230℃，精炼时间22min，出钢温度为1210℃。铸锭脱模冷却至室温后，在保护气氛或真空下加热至850℃、保温10h使其均匀化，然后铸锭再经835℃加热，用锻压机锻成85mm×225mm扁坯，终锻温度700℃。表面修磨后，经870℃热轧成5.5mm×225mm冷带坯。经碱浸、表面修磨、焊接成卷等工序后，直接冷轧出2.5mm厚的成品带材。材料热处理制度：在氢气气氛中加热至830℃，保温1h，以2.5℃/min的速度冷却至550℃，保温1h，以2℃/min的速度冷却至室温出炉。

实施例5：

成分为Mn65.00％，Ni3.50％，Al1.98％，Fe2.15％，C0.005％，Si0.10％，P0.016％，S0.0038％，N0.037％，O0.008％，Ce0.50％，余为Cu的合金，采用电炉冶炼，合金的精炼温度为1220℃，精炼时间25min，出钢温度为1210℃。铸锭脱模冷却至室温后，在保护气氛或真空下加热至830℃、保温10h使其均匀化，然后铸锭再经870℃加热，用锻压机锻成85mm×225mm扁坯，终锻温度700℃。表面修磨后，经865℃热轧成5.5mm×225mm冷带坯。经碱浸、表面修磨、焊接成卷等工序后，冷轧至2.5mm厚，经950℃、2.0m/min的中间软化退火后，冷轧出1.2mm厚的成品带材。材料热处理制度：在氢气气氛中加热至880℃，保温1h，以3℃/min的速度冷却至425℃，保温3h，以5℃/min的速度冷却至室温出炉。

实施例6：

成分为Mn61.50％，Ni2.85％，Al2.30％，Fe1.77％，C0.003％，Si0.08％，P0.015％，S0.0044％，N0.033％，O0.004％，Ce0.21％，Y0.35％，余为Cu的合金，采用电炉冶炼，合金的精炼温度为1200℃，精炼时间20min，出钢温度为1220℃。铸锭脱模冷却至室温后，在保护气氛或真空下加热至800℃、保温10h使其均匀化，然后铸锭再经850℃加热，用锻压机锻成85mm×225mm扁坯，终锻温度750℃。表面修磨后，经855℃热轧成5.5mm×225mm冷带坯。经碱浸、表面修磨、焊接成卷等工序后，冷轧至2.5mm厚，然后经900℃、2.0m/min中间软化退火，冷轧至1.0mm厚，再经900℃，3.6m/min中间退火后，冷轧出0.5mm厚的成品带材。材料热处理制度：在氢气气氛中加热至880℃，保温1h，以2℃/min的速度冷却至425℃，保温3h，以不大于0.5℃/min的速度冷却至室温出炉。

表1和表2给出本发明实施例与M2052合金的阻尼性能和力学性能的对比数据，可以看出，本发明合金与M2052合金相比，不仅保持高阻尼性能、较高的强度、延伸率和面缩率，而且Ms点提高到100℃以上，使其能够在更高的温度下使用，发挥减振效果。

表1本发明实施例合金与M2052合金的阻尼性能对比

*Q^-1为频率4.0Hz、应变振幅2.0×10^-5下的数值。

表2本发明实施例合金与M2052的力学性能对比

	R_m/MPa	R_p0.2/MPa	A/％	Z/％
					实施例1	594	315	35	55
实施例2	585	305	31	48
					实施例3	567	295	28	47
实施例4	572	285	35	53
					实施例5	590	302	26	41
实施例6	601	303	33	42
					M2052	540	297	32	60

Claims

1.一种高阻尼锰铜减振合金，其特征在于其合金化学成分(wt％)为：Mn60.00～75.00，Ni2.00～5.00，Al0.50～3.00，Fe1.50～2.50，C≤0.01，Si≤0.10，P<0.020，S<0.020，N≤0.050，O≤0.010，余为Cu及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的高阻尼锰铜减振合金，其特征在于：在所述的锰铜减振合金中，Al+Ni为5.00～5.50，同时添加Zr、Ti、La、Ce、Y、混合稀土(Mm)中的一种或几种，其总含量为0.05～1.00。

3.一种如权利要求1或权利要求2所述的高阻尼锰铜减振合金，其阻尼特性为：为0.035～0.055，为0.020～0.040，为0.010～0.030。

4.一种制造如权利要求1或权利要求2所述的高阻尼锰铜减振合金型材的方法，其特征在于：合金采用电炉冶炼方式铸成合金锭，铸锭脱模冷却至室温后，在保护气氛或真空下加热至800～900℃、保温8～10小时使其均匀化，然后铸锭再经850±20℃加热，按所要求的规格锻造出成品型材，终锻温度应大于700℃，将型材在氢气气氛中加热至800～900℃，保温1小时，以不大于5℃/min的速度冷却至400～550℃，保温1～5小时，以不大于5℃/min的速度冷却至室温出炉，使其具有高阻尼特性。

5.一种制造如权利要求1或权利要求2所述的高阻尼锰铜减振合金带材的方法，其特征在于：合金采用电炉冶炼方式铸成合金锭，铸锭脱模冷却至室温后，在保护气氛或真空下加热至800～900℃、保温8～10小时使其均匀化，然后铸锭再经850±20℃加热，热加工成冷带坯，依成品规格要求，分道次进行冷轧，冷轧变形率为30～60％，采用氢气保护连续光亮退火炉进行中间软化退火，退火温度为900～950℃，走带速度为2m/min～6m/min，将带材在氢气气氛中加热至800～900℃，保温1小时，以不大于5℃/min的速度冷却至400～550℃，保温1～5小时，以不大于5℃/min的速度冷却至室温出炉，使其具有高阻尼特性。