CN106282786B - 含Nb铁锰基阻尼合金及其制备方法 - Google Patents

含Nb铁锰基阻尼合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种含Nb铁锰基阻尼合金及其制备方法。由质量分数为17％的Mn、0.1～1％的Nb和余量的Fe组成，且各组分的质量分数之和为100％。先按照所述的各组分质量分数称取原料，采用真空电弧熔炼得到铸锭，再对铸锭依次进行均匀化热处理、热轧、定型和固溶处理即可。本发明使Fe‑17Mn合金的最大阻尼损耗因子tanδ提高到0.055，高阻尼(tanδ>0.03)的温度区间扩大到25～330℃，同时保持了良好的力学性能(室温抗拉强度达到691MPa～834MPa，延伸率为15.7～22.6％)。原材料价格低廉、热加工性能优良、制备方法相对简单、合金兼具有高强度和高阻尼特性。

Description

含Nb铁锰基阻尼合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种阻尼合金，具体地说是一种含Nb铁锰基高强高阻尼合金。本发明涉及的是一种阻尼合金的制备方法。
背景技术
阻尼合金又称为减振合金，是一种能够将机械振动能转化为热能而耗散掉的新型金属功能材料，所具有的这种性能被称为阻尼或内耗。阻尼合金不仅阻尼性能好，而且机械强度高，因此可以直接作为结构材料使用。采用阻尼合金制造的各类振动源构件可以从根本上有效地减轻振动，降低噪声。表征材料阻尼性能的物理参数主要有比阻尼SDC、阻尼损耗因子tanδ、对数衰减率δ和内耗值Q-1，一般认为SDC大于20％或tanδ超过0.03的合金即为高阻尼合金。
与其它非铁基阻尼合金比如Mn-Cu基、Ni-Ti基和Mg基合金等相比，Fe-Mn基合金具有抗拉强度高、阻尼值随应变振幅的增加而明显提高的优点，非常适合制作承受较大振动和冲击的机械设备与零部件，同时该合金的机械加工性能优良、成本低廉，有利于大规模的工业化应用。
对于Fe-Mn二元合金，韩国的Seung-Han Baik等人在期刊上发表的论文“Fe-Mnmartensitic alloys for control of noise and vibration in engineeringapplications，Materials Science and Engineering A 438-440(2006)1101-1105”报道了Mn含量17％的Fe-17Mn合金的阻尼性能最好(比阻尼SDC达到30％)，且具有良好的力学性能(抗拉强度>700MPa)。采用Fe-17Mn合金制作的减速器箱体所产生的噪声声压级比GC20铸铁制作的箱体降低了5分贝。Seung-Han Baik等人为此申请了美国专利(US5290372、US5634990和US5891388)。但Fe-17Mn合金的阻尼值相比上述非铁基阻尼合金还是比较低，另外高阻尼的温度区间较窄，限制了其应用范围。为了改善这些缺点，人们尝试采用合金化的方法，但对阻尼性能的改善效果并不理想。比如，文献1“Effect of nitrogen ondamping,mechanical and corrosive properties of Fe-Mn alloys，Materials Scienceand Engineering A 338(2002)213-218”发现添加N元素虽然改善了力学性能，但降低了阻尼性能。文献2“Effects of alloying elements on martensitic transformationbehavior and damping capacity in Fe-17Mn alloy，Materials Science andEngineering A 378(2004)323-327”报道了C元素会减少γ/ε的界面面积同时抑制γ/ε界面的移动性，因此明显恶化阻尼性能。文献3“Fe-Mn合金阻尼性能的研究，丁胜，四川大学硕士学位论文”报道了Cr元素的影响，发现Cr加入虽然提高了耐腐蚀性，但使Fe-Mn合金的晶格发生畸变，略微降低阻尼性能。
经文献检索，目前对Fe-Mn阻尼合金的添加元素主要有C、N、Ti、Co、Ni和Cr，但都没有明显改善合金的阻尼性能。经文献检索未发现与本发明材料具有相同的组成成分，亦未发现与本发明相同的制备方法的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻尼性能优良，抗拉强度高，高阻尼温度区间宽的含Nb铁锰基阻尼合金。本发明的目的还在于提供一种含Nb铁锰基阻尼合金的制备方法。
本发明的含Nb铁锰基阻尼合金由质量分数为17％的Mn、0.1～1％的Nb和余量的Fe组成，且各组分的质量分数之和为100％。
本发明的含Nb铁锰基阻尼合金的优选之一为由质量分数为17％的Mn、0.1％的Nb和余量的Fe组成。
本发明的含Nb铁锰基阻尼合金的优选之二为由质量分数为17％的Mn、0.5％的Nb和余量的Fe组成。
本发明的含Nb铁锰基阻尼合金的优选之三为由质量分数为17％的Mn、1％的Nb和余量的Fe组成。
本发明的含Nb铁锰基阻尼合金的制备方法为：
(1)按照质量分数为17％的Mn、0.1～1％的Nb和余量的Fe比例称取纯度为99.99％的Fe、纯度为99.9％的Mn和纯度为99.95％的Nb；
(2)将所称取的Fe、Mn和Nb放入非自耗真空电弧熔炼炉内，抽取真空使得背底真空度达到5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成合金铸锭；
(3)将熔炼好的合金铸锭放入不锈钢管中，管内填充除氧剂并密封；放入热处理炉进行均匀化处理，处理温度为850℃，保温7小时，随后炉冷；
(4)将均匀化处理后的合金铸锭在850℃下热轧；
(5)将热轧后的薄板夹在两块厚钢板间并固定，然后放入热处理炉进行定型和固溶处理，处理温度1050℃，保温1小时，取出淬入15℃的冷水中，得到含Nb铁锰基阻尼合金。
本发明的含Nb铁锰基阻尼合金的制备方法还可以包括：
1、熔炼时将合金铸锭反复翻转熔炼五次，同时利用电磁线圈的涡流效应在起弧后对熔融合金进行磁力搅拌。
2、所述热轧每道次轧制变形量不超过5％，最后轧制成1.1～1.2mm的薄板。
3、所述不锈钢管是带外丝的304不锈钢管，所述密封是两端拧上管帽后，将管帽处缝隙用黏土、钢砖粉质量比为4:1加水混合而成的粘稠物密封。
已知Nb在传统钢材中具有细化晶粒、促进马氏体形成的作用。本发明在Fe-Mn合金中加入Nb增加晶界面积和ε马氏体的体积分数，从而改善阻尼性能。
本发明旨在改善合金的阻尼性能，保持较高的抗拉强度，同时扩大其高阻尼温度区间。
本发明的含Nb铁锰基高强高阻尼合金，室温下抗拉强度为691MPa～834MPa，延伸率可达15.7～22.6％；阻尼损耗因子tanδ最高可达0.055，高阻尼(tanδ>0.03)的温度区间扩大到25～330℃。
本发明的优点在于所制备的含Nb铁锰基高强高阻尼合金主要由Fe和Mn组成，Nb含量仅为0.1～1％，所以合金价格低廉。在850℃下可热轧成厚度仅为1.2mm的薄板，说明热加工性能优良。通过添加不同含量的Nb元素可以改善合金的阻尼性能，同时扩大其高阻尼温度区间。该制备方法相对简单，成分均匀，阻尼损耗因子tanδ最高达到了0.055，且力学性能优良，合金兼具有高强度和高阻尼特性，是一种具有应用前景的新型阻尼结构材料。
附图说明
图1是Fe-17Mn-1Nb合金的拉伸应力-应变曲线。
图2是Fe-17Mn和Fe-17Mn-1Nb合金的阻尼损耗因子(tanδ)随温度变化曲线。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
本发明的含Nb铁锰基高强高阻尼合金，由质量分数为17％的Mn、0.1～1％的Nb和余量的Fe组成，并且上述各组分的质量分数之和为100％。
本发明的含Nb铁锰基高强高阻尼合金制备方法和具体步骤如下：
(1)按照表1所列的各组成元素的质量百分含量称取纯度为99.99％的Fe、纯度为99.9％的Mn和纯度为99.95％的Nb；
表1组成元素的质量分数
(2)将第一步中称取的Fe、Mn和Nb原料放入非自耗真空电弧熔炼炉内，抽取真空使得背底真空度达到5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成纽扣状铸锭，熔炼时需将合金反复翻转熔炼五次，同时利用电磁线圈的涡流效应在起弧后对熔融合金进行磁力搅拌以保证样品成分均匀；
(3)将熔炼好的合金铸锭放入带外丝的304不锈钢管中，管内填充除氧剂，两端拧上管帽后，将管帽处缝隙用黏土、钢砖粉质量比为4:1加水混合而成的粘稠物密封，之后依次放入热处理炉进行均匀化处理，处理温度为850℃，保温7小时，随后炉冷；
(4)将均匀化处理后的铸锭在850℃下热轧，每道次轧制变形量不超过5％，最后轧制成厚约1.2mm的薄板；
(5)将轧制后的薄板夹在两块厚钢板间，钢板用螺丝紧固，然后一起放入热处理炉进行定型和固溶处理，处理温度1050℃，保温1小时，取出淬入15℃的冷水中，得到含Nb铁锰基高强高阻尼合金。
采用电火花切割方法，在上述制得的含Nb铁锰基高强高阻尼合金中切取哑铃状拉伸试样，用砂纸磨去表面的切割痕迹和氧化皮，在Instron-3365型电子万能试验机上进行室温拉伸测试，应变速率为0.5％/min；在上述制得的含Nb铁锰基高强高阻尼合金中切取尺寸为18mm×13mm×1mm的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹和氧化皮，在DMA Q800上测试其阻尼性能，频率1Hz，应变振幅0.2％。
本发明的优点在于所制备的含Nb铁锰基高强高阻尼合金主要由Fe和Mn组成，Nb含量仅为0.1～1％，所以合金价格低廉。在850℃下可热轧成厚度仅为1.2mm的薄板，说明热加工性能优良。通过添加不同含量的Nb元素可以改善合金的阻尼性能，同时扩大其高阻尼温度区间。该制备方法相对简单，成分均匀，阻尼损耗因子tanδ最高达到了0.055，且力学性能优良，合金兼具有高强度和高阻尼特性，是一种具有应用前景的新型阻尼结构材料。
实施例1：制备Fe-17Mn-0.1Nb合金。
(1)按照Fe(82.9％)、Mn(17％)和Nb(0.1％)的质量百分含量称取纯度为99.99％的Fe、纯度为99.9％的Mn和纯度为99.95％的Nb；
(2)将第一步中称取的Fe、Mn和Nb原料放入非自耗真空电弧熔炼炉内，抽取真空使得背底真空度达到5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成纽扣状铸锭，熔炼时需将合金反复翻转熔炼五次，同时利用电磁线圈的涡流效应在起弧后对熔融合金进行磁力搅拌以保证样品成分均匀；
(3)将熔炼好的合金铸锭放入带外丝的304不锈钢管中，管内填充除氧剂，两端拧上管帽后，将管帽处缝隙用黏土、钢砖粉质量比为4:1加水混合而成的粘稠物密封，之后依次放入热处理炉进行均匀化处理，处理温度为850℃，保温7小时，随后炉冷；
(4)将均匀化处理后的铸锭在850℃下热轧，每道次轧制变形量不超过5％，最后轧制成厚约1.2mm的薄板；
(5)将轧制后的薄板夹在两块厚钢板间，钢板用螺丝紧固，然后一起放入热处理炉进行定型和固溶处理，处理温度1050℃，保温1小时，取出淬入15℃的冷水中，得到Fe-17Mn-0.1Nb高强高阻尼合金。
采用电火花切割方法，在上述制得的Fe-17Mn-0.1Nb高强高阻尼合金中切取哑铃状拉伸试样，用砂纸磨去表面的切割痕迹和氧化皮，在Instron-3365型电子万能试验机上进行室温拉伸测试，应变速率为0.5％/min；在上述制得的Fe-17Mn-0.1Nb高强高阻尼合金中切取尺寸为18mm×13mm×1mm的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹和氧化皮，在DMAQ800上测试其阻尼性能，频率1Hz，应变振幅0.2％。
实施例2：制备Fe-17Mn-0.5Nb合金。
(1)按照Fe(82.5％)、Mn(17％)和Nb(0.5％)的质量百分含量称取纯度为99.99％的Fe、纯度为99.9％的Mn和纯度为99.95％的Nb；
(2)将第一步中称取的Fe、Mn和Nb原料放入非自耗真空电弧熔炼炉内，抽取真空使得背底真空度达到5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成纽扣状铸锭，熔炼时需将合金反复翻转熔炼五次，同时利用电磁线圈的涡流效应在起弧后对熔融合金进行磁力搅拌以保证样品成分均匀；
(3)将熔炼好的合金铸锭放入带外丝的304不锈钢管中，管内填充除氧剂，两端拧上管帽后，将管帽处缝隙用黏土、钢砖粉质量比为4:1加水混合而成的粘稠物密封，之后依次放入热处理炉进行均匀化处理，处理温度为850℃，保温7小时，随后炉冷；
(4)将均匀化处理后的铸锭在850℃下热轧，每道次轧制变形量不超过5％，最后轧制成厚约1.2mm的薄板；
(5)将轧制后的薄板夹在两块厚钢板间，钢板用螺丝紧固，然后一起放入热处理炉进行定型和固溶处理，处理温度1050℃，保温1小时，取出淬入15℃的冷水中，得到Fe-17Mn-0.5Nb高强高阻尼合金。
采用电火花切割方法，在上述制得的Fe-17Mn-0.5Nb高强高阻尼合金中切取哑铃状拉伸试样，用砂纸磨去表面的切割痕迹和氧化皮，在Instron-3365型电子万能试验机上进行室温拉伸测试，应变速率为0.5％/min；在上述制得的Fe-17Mn-0.5Nb高强高阻尼合金中切取尺寸为18mm×13mm×1mm的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹和氧化皮，在DMAQ800上测试其阻尼性能，频率1Hz，应变振幅0.2％。
实施例3：制备Fe-17Mn-1Nb合金。
(1)按照Fe(82％)、Mn(17％)和Nb(1％)的质量百分含量称取纯度为99.99％的Fe、纯度为99.9％的Mn和纯度为99.95％的Nb；
(2)将第一步中称取的Fe、Mn和Nb原料放入非自耗真空电弧熔炼炉内，抽取真空使得背底真空度达到5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成纽扣状铸锭，熔炼时需将合金反复翻转熔炼五次，同时利用电磁线圈的涡流效应在起弧后对熔融合金进行磁力搅拌以保证样品成分均匀；
(3)将熔炼好的合金铸锭放入带外丝的304不锈钢管中，管内填充除氧剂，两端拧上管帽后，将管帽处缝隙用黏土、钢砖粉质量比为4:1加水混合而成的粘稠物密封，之后依次放入热处理炉进行均匀化处理，处理温度为850℃，保温7小时，随后炉冷；
(4)将均匀化处理后的铸锭在850℃下热轧，每道次轧制变形量不超过5％，最后轧制成厚约1.2mm的薄板；
(5)将轧制后的薄板夹在两块厚钢板间，钢板用螺丝紧固，然后一起放入热处理炉进行定型和固溶处理，处理温度1050℃，保温1小时，取出淬入15℃的冷水中，得到Fe-17Mn-1Nb高强高阻尼合金。
采用电火花切割方法，在上述制得的Fe-17Mn-1Nb高强高阻尼合金中切取哑铃状拉伸试样，用砂纸磨去表面的切割痕迹和氧化皮，在Instron-3365型电子万能试验机上进行室温拉伸测试，应变速率为0.5％/min，测得的应力-应变曲线如图1所示，合金的抗拉强度达到691MPa，延伸率为20％左右。在上述制得的Fe-17Mn-1Nb高强高阻尼合金中切取尺寸为18mm×13mm×1mm的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹和氧化皮，在DMA Q800上测试其阻尼性能即阻尼损耗因子随温度变化曲线，频率1Hz，应变振幅0.2％，测试结果如图2所示。图2同时给出了不含Nb的Fe-17Mn合金的测试结果作为比较，可见Fe-17Mn-1Nb的最大阻尼损耗因子tanδ高达0.055，比Fe-17Mn(最大tanδ＝0.038)提高了45％，高阻尼(tanδ>0.03)的温度区间扩大到25～330℃。

Claims (8)

1.一种含Nb铁锰基阻尼合金，其特征是：是按照如下方法制备得到的由质量分数为17％的Mn、0.5％的Nb和余量的Fe组成的合金，所述制备方法为：
(1)按照质量分数为17％的Mn、0.5％的Nb和余量的Fe比例称取纯度为99.99％的Fe、纯度为99.9％的Mn和纯度为99.95％的Nb；
(2)将所称取的Fe、Mn和Nb放入非自耗真空电弧熔炼炉内，抽取真空使得背底真空度达到5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成合金铸锭；
(3)将熔炼好的合金铸锭放入不锈钢管中，管内填充除氧剂并密封；放入热处理炉进行均匀化处理，处理温度为850℃，保温7小时，随后炉冷；
(4)将均匀化处理后的合金铸锭在850℃下热轧；
(5)将热轧后的薄板夹在两块厚钢板间并固定，然后放入热处理炉进行定型和固溶处理，处理温度1050℃，保温1小时，取出淬入15℃的冷水中。
2.根据权利要求1所述的含Nb铁锰基阻尼合金，其特征是：熔炼时将合金铸锭反复翻转熔炼五次，同时利用电磁线圈的涡流效应在起弧后对熔融合金进行磁力搅拌。
3.根据权利要求1所述的含Nb铁锰基阻尼合金，其特征是：所述热轧每道次轧制变形量不超过5％，最后轧制成1.1～1.2mm的薄板。
4.根据权利要求1所述的含Nb铁锰基阻尼合金，其特征是：所述不锈钢管是带外丝的304不锈钢管，所述密封是两端拧上管帽后，将管帽处缝隙用黏土、钢砖粉质量比为4:1加水混合而成的粘稠物密封。
5.一种含Nb铁锰基阻尼合金，其特征是：是按照如下方法制备得到的由质量分数为17％的Mn、1％的Nb和余量的Fe组成的合金，所述制备方法为：
(1)按照质量分数为17％的Mn、1％的Nb和余量的Fe比例称取纯度为99.99％的Fe、纯度为99.9％的Mn和纯度为99.95％的Nb；
(2)将所称取的Fe、Mn和Nb放入非自耗真空电弧熔炼炉内，抽取真空使得背底真空度达到5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成合金铸锭；
(3)将熔炼好的合金铸锭放入不锈钢管中，管内填充除氧剂并密封；放入热处理炉进行均匀化处理，处理温度为850℃，保温7小时，随后炉冷；
(4)将均匀化处理后的合金铸锭在850℃下热轧；
(5)将热轧后的薄板夹在两块厚钢板间并固定，然后放入热处理炉进行定型和固溶处理，处理温度1050℃，保温1小时，取出淬入15℃的冷水中，得到含Nb铁锰基阻尼合金。
6.根据权利要求5所述的含Nb铁锰基阻尼合金，其特征是：熔炼时将合金铸锭反复翻转熔炼五次，同时利用电磁线圈的涡流效应在起弧后对熔融合金进行磁力搅拌。
7.根据权利要求5所述的含Nb铁锰基阻尼合金，其特征是：所述热轧每道次轧制变形量不超过5％，最后轧制成1.1～1.2mm的薄板。
8.根据权利要求5所述的含Nb铁锰基阻尼合金，其特征是：所述不锈钢管是带外丝的304不锈钢管，所述密封是两端拧上管帽后，将管帽处缝隙用黏土、钢砖粉质量比为4:1加水混合而成的粘稠物密封。
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