CN105401097A - 一种高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金及其制备方法 - Google Patents

一种高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，该合金含有质量分数为0.05～0.8％的Zr。优选合金的组分及各组分的质量分数如下：Cr为13～17％，Mo为1～4％，Si为0.3～1.5％，Mn为0.3～1.0％，Ni为0～2.0％，Zr为0.05～0.8％，余量为Fe。本发明所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的制备方法，按照本发明所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的组分及组分配比称取原料，采用真空感应熔炼、浇注得到合金铸件，再对合金铸件进行阻尼化热处理即可，真空感应熔炼时Zr源在真空条件下于精炼末期加入。本发明能在不降低阻尼性能的前提下，大幅度提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金的韧性。

Description

一种高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金及其制备方法
技术领域
本发明属于阻尼合金材料领域，具体涉及一种铸造Fe-Cr-Mo基阻尼合金及其制备方法。
背景技术
阻尼合金是一类可在一定的条件下通过吸收能量使其具有减振、降噪等阻尼效应的合金。在噪声振动控制技术当中，对于噪声振动源头的控制和隔振是一种积极有效的手段，人们期待使用阻尼合金材料来加强对于噪声振动源的控制和隔振。Fe-Cr-Mo基铁磁性阻尼合金具有较好的拉伸力学性能、优良的耐蚀性、高的阻尼特性、生产成本较其他阻尼合金相对较低的特点，且其阻尼性能不受振动频率的影响，在温度高达400℃时仍具有较高的阻尼性能。Fe-Cr-Mo系阻尼合金作为一种铁素体不锈钢，其微观组织为单一的铁素体相，在热处理冷却过程中会发生σ相析出脆性转变和475℃脆性转变等问题。并且由于铁素体的体心立方结构，在正应力的作用下合金易沿着能量较低的{100}晶面发生解理断裂。因此，Fe-Cr-Mo合金的冲击韧性较低，断裂形式也多为脆性解理断裂。这极大限制了Fe-Cr-Mo系阻尼合金作为结构功能一体化材料的应用范围。对于提高铁素体不锈钢韧性，目前通常采用最大限度地控制C、N元素的含量的方法。但由于杂质元素的控制程度与熔炼工艺的发展程度相关，受熔炼工艺影响较大，因此通过这样的途径提高铁素体不锈钢的韧性需要复杂的工艺，成本很高，且对Fe-Cr-Mo基阻尼合金的韧性改善效果并不理想。目前还没有一种在不影响Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的前提下提高其韧性的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金及其制备方法，以在不降低阻尼性能的前提下，大幅度提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金的韧性。
Fe-Cr-Mo系高阻尼合金属于铁磁型阻尼合金，起阻尼作用的主要是合金中的铁素体相，经过铸造成形后其晶粒十分粗大，晶粒尺寸有时超过了1000um，晶界呈现单相平衡的规则晶界。由于铁素体相为体心立方结构，在冲击应力的作用下，体心立方结构滑移系较少，因此容易发生沿{100}晶面发生解理断裂，而粗大的铸造晶粒更加剧了脆断的程度。由于铸造晶粒无法通过热处理的方式改善，只能通过合金化的方式改变组织的形式进行改善。本发明采用在合金中加入Zr的方法来解决上述问题，其原理如下：
Zr原子在铁素体中溶解度极小，溶质分配系数k很高，是一种表面活性元素。在铸造结晶过程中Zr原子富集在固液界面液相一侧，形成很大的成分过冷，因而形核细化晶粒。同时，Zr与Fe原子形成了Zr-Fe中间相Zr3Fe。Zr3Fe这种底心四方相析出在液相中，在铸造结晶过程中，它随着固液相界不断推进于晶界上，并呈现蠕虫状(见图1)，阻碍晶界推进。相比未加Zr的Fe-Cr-Mo合金，本发明所述含Zr的Fe-Cr-Mo合金由于析出物阻碍晶界推进而出现不规则晶界，也使得晶粒得以细化。Zr3Fe析出物也出现在晶内，呈现球状(见图2)。晶粒的细化有利于合金冲击韧性的提高。另一方面，在受到冲击载荷时，由于应力作用于第二相(前述球状Zr3Fe相)粒子界面处，第二相粒子界面处因减聚力或者粒子的断裂产生裂纹，在塑性形变的扩散作用下这些裂纹慢慢演变成球状孔洞。断裂孔洞优先在第二相粒子处形成，孔洞随着塑性变形的进行相互连接最终形成了韧窝，从而使合金的断口形貌为典型韧窝断口，韧性很好(见图3b)，而未加Zr的Fe-Cr-Mo合金断裂形式为典型的铁素体解理断裂(见图3a)，韧性较低。
本发明所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，所含Zr的质量分数为0.05～0.8％。
上述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，其组分及各组分的质量分数优选：Cr为13～17％，Mo为1～4％，Si为0.3～1.5％，Mn为0.3～1.0％，Ni为0～2.0％，Zr为0.05～0.8％，余量为Fe。
上述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，Ni的质量分数优选0.5～2.0％。
本发明所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的制备方法，按照本发明所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的组分及组分配比称取原料，采用真空感应熔炼、浇注得到合金铸件，再对合金铸件进行阻尼化热处理即可，真空感应熔炼时Zr源在精炼末期于真空条件下加入。
上述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的制备方法，所述Zr源为海绵锆、锆铁合金和锆镍合金中的一种。
上述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的制备方法，所述真空感应熔炼中精炼是在1600～1650℃下精炼10～20min(视真空感应炉的容量而定，容量大时精炼时间取大值)。
上述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的制备方法，所述阻尼化热处理是将合金铸件在1000℃～1050℃下保温40～80min，保温结束后随炉冷却至100℃以下取出即可。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明针对Fe-Cr-Mo基阻尼合金韧性低的问题提供了一种含Zr的高韧性Fe-Cr-Mo基阻尼合金，为提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金的韧性开创了一种可行有效且工艺简单的新方法。
2、本发明通过在Fe-Cr-Mo基阻尼合金中添加微量Zr元素，大幅度提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金的韧性，另一方面，由于固溶的Zr原子和Fe原子之间的交换耦合作用，使得磁畴壁的移动能力增加，阻尼性能也有一定的提高(见实施例1和对比例1)。因此本发明能在不降低Fe-Cr-Mo合金阻尼性能的同时提高其韧性，得到一种高韧性高阻尼性能的Fe-Cr-Mo基阻尼合金。
3、本发明所述方法采用铸造的方法制备Fe-Cr-Mo基阻尼合金，通过添加适量Si、Mn元素改善了金属流动性能，因而铸造性能良好，对于复杂外形的铸件也能方便制得，同时也避免了采用锻件焊接的方式获得机械构件时，阻尼性能因焊缝的存在难以发挥减震降噪作用的问题。
4、本发明所述方法采用真空感应熔炼的方式进行熔炼，可提高合金的纯净度，C、N等杂质元素含量很低，通过热处理工艺消除铸造应力，避免热处理过程中脆性相的析出，降低了合金发生σ相析出脆性和475℃脆性的可能。
附图说明
图1为实施例1制备的高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的晶界析出相的SEM图。
图2为实施例1制备的高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的晶内析出相(韧窝孔洞内的析出相)的SEM图。
图3为实施例1制备的高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金和对比例1制备的铸造Fe-Cr-Mo基阻尼合金的断口形貌图(a为对比例1制备的铸造Fe-Cr-Mo基阻尼合金，b为实施例1制备的高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金)。
图4为实施例1制备的高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金和对比例1制备的铸造Fe-Cr-Mo基阻尼合金的阻尼性能随应变振幅的变化曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金及其制备方法做进一步说明。
实施例1
本实施例所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，合金中各组分及组分的质量百分含量如下:Cr为16％，Mo为2％，Si为0.3％，Mn为1.0％，Ni为1.6％，Zr为0.2％，余量为Fe。
制备方法：
(1)将按照合金组分配比称取好的工业纯铁(C含量≤0.006％)、结晶硅Si-1、金属铬JCr99-A、工业纯钼Mo-1、电解镍Ni9996加入真空感应熔炼炉的坩埚中，在真空熔炼炉中放置好铸型，抽真空至0.3Pa后开始送电加热，待金属全部熔化后在1600～1650℃下精炼20min。精炼完成停止送电，静置3min。然后在高真空(真空度不低于0.5Pa)条件下向金属液中加入锆镍合金，并充入氩气至0.005Mpa，再加入电解锰，电磁搅拌2min，使Zr和电解Mn完全熔化且成分均匀后静置3min，待金属液的温度为1550℃时进行浇铸，冷却得到铸件。
(2)将铸件经打箱、表面清理去除表面氧化物和缺陷，经机械粗加工后在1000℃下保温1h进行阻尼化热处理，热处理结束后随炉冷却至100℃以下取出，再经机械精加工、射线探伤后即可。
所得合金的晶界析出相的SEM相见图1，其EDS分析见表1(Zr3Fe相)，晶内析出相(韧窝孔洞内的析出相)的SEM相见图2，其EDS分析见表2(Zr3Fe相)。所得合金的断口形貌见图3b，可见其断裂为韧窝延性断裂，经检测，合金的冲击韧性Aku为104J，抗拉强度为423MPa，延伸率为22.8％。对所得合金做阻尼性能测试，结果见图4，当交变应变为8×10-5时，阻尼性能Q-1为0.0494。
表1.
元素 wt％ at％
Cr 3.51 5.53
Fe 13.35 19.58
Mn 0.05 0.08
Ni 0.32 0.45
Zr 82.77 74.36
总量 100.00
表2.
元素 wt％ at％
Cr 4.81 7.27
Fe 19.25 27.07
Ni 0.59 0.79
Zr 75.35 64.87
总量 100.00
对比例1
除不加Zr外，按照与实施例1相同的合金组分，将Fe的质量百分含量增加0.2％，其它组分的百分含量不变进行配料，按照与实施例1相同的操作制备得到不含Zr的铸造Fe-Cr-Mo基阻尼合金。
所得合金的断口形貌见图3a，可见其断裂为解理脆性断裂，经检测，其冲击韧性Aku为29J；对所得合金作阻尼性能测试，结果见图4，当交变应变为8×10-5时，阻尼性能Q-1为0.0449。
从上述实施例1和对比例1可以看出，含Zr的铸造Fe-Cr-Mo基合金与不含Zr的铸造Fe-Cr-Mo基合金相比，韧性大幅度提高，阻尼性能也有所提高。
实施例2
本实施例所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，合金中各组分及组分的质量百分含量如下：Cr为15％，Mo为2.5％，Si为0.5％，Mn为0.5％，Ni为1.0％，Zr为0.05％，余量为Fe。
所述合金的制备方法与实施例1的不同之处在于：所述Zr源为海绵锆，阻尼化热处理温度为1050℃，热处理时间为40min。
经检测，所得合金的冲击韧性Aku为103J，合金的抗拉强度为375MPa，延伸率为23.9％；当交变应变为8×10-5时，阻尼性能Q-1为0.0455。
实施例3
本实施例所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，合金中各组分及组分的质量百分含量如下:Cr为17％，Mo为1.5％，Si为0.8％，Mn为0.6％，Ni为1.2％，Zr为0.1％，余量为Fe。
所述合金的制备方法与实施例1的不同之处在于：所述Zr源为海绵锆；阻尼化热处理温度为1000℃，热处理时间为80min。
经检测，所得合金的冲击韧性Aku为104J，合金的抗拉强度为410MPa，延伸率为22.3％；当交变应变为8×10-5时，阻尼性能Q-1为0.0494。
实施例4
本实施例所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，合金中各组分及组分的质量百分含量如下:Cr为14％，Mo为3％，Si为1.5％，Mn为0.3％，Ni为2.0％，Zr为0.35％，余量为Fe。
所述合金的制备方法与实施例1的不同之处在于：所述Zr源为锆铁合金。
经检测，所得合金的冲击韧性Aku为132J，合金的抗拉强度为436MPa，延伸率为22.6％；当交变应变为8×10-5时，阻尼性能Q-1为0.0466。
实施例5
本实施例所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，合金中各组分及组分的质量百分含量如下:Cr为17％，Mo为2％，Si为0.5％，Mn为0.9％，Ni为1.5％，Zr为0.6％，余量为Fe。
所述合金的制备方法与实施例1的不同之处在于：所述Zr源为海绵锆。
经检测，所得合金的冲击韧性Aku为110J，合金的抗拉强度为412MPa，延伸率为21.2％；当交变应变为8×10-5时，阻尼性能Q-1为0.0472。
实施例6
本实施例所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，合金中各组分及组分的质量百分含量如下:Cr为16％，Mo为3％，Si为0.6％，Mn为0.4％，Ni为0.7％，Zr为0.3％，余量为Fe。
所述合金的制备方法与实施例1的不同之处在于：所述Zr源为海绵锆。
经检测，所得合金的冲击韧性Aku为125J，合金的抗拉强度为392MPa，延伸率为21.9％；当交变应变为8×10-5时，阻尼性能Q-1为0.0481。
实施例7
本实施例所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，合金中各组分及组分的质量百分含量如下:Cr为13％，Mo为4％，Si为0.3％，Mn为0.4％，Zr为0.75％，余量为Fe。
所述合金的制备方法与实施例1的不同之处在于：所述Zr源为海绵锆。
经检测，所得合金的冲击韧性Aku为94J，合金的抗拉强度为382MPa，延伸率为20.4％；当交变应变为8×10-5时，阻尼性能Q-1为0.0462。

Claims (5)

1.一种高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，其特征在于该合金含有质量分数为0.05～0.8％的Zr。
2.根据权利要求1所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，其特征在于合金的组分及各组分的质量分数如下：Cr为13～17％，Mo为1～4％，Si为0.3～1.5％，Mn为0.3～1.0％，Ni为0～2.0％，Zr为0.05～0.8％，余量为Fe。
3.根据权利要求2所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，其特征在于Ni的质量分数为0.5～2.0％。
4.一种权利要求1至3中任一权利要求所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的制备方法，其特征在于按照高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的组分及组分配比称取原料，采用真空感应熔炼、浇注得到合金铸件，再对合金铸件进行阻尼化热处理即可，真空感应熔炼时Zr源于精炼末期真空条件下加入。
5.根据权利要求4所述高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的制备方法，其特征在于所述Zr源为海绵锆、锆铁合金和锆镍合金中的一种。
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