CN106916995B - 一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料及其制备方法 - Google Patents

一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高阻尼性能Cu‑Mn‑X系阻尼金属材料及其制备方法，属于铜合金材料技术领域。该材料中，Cu为43wt％‑54.7wt％，Mn为45‑55wt％，X为Zr、Cr和B，其中，Zr为0.1wt％‑1.0wt％，Cr为0.1wt％‑1.0wt％，B为0.1wt％‑1.0wt％。制备方法主要是通过合金熔炼、热加工成形、高温/低温组合时效工艺获得高阻尼性能的合金材料。该合金的比阻尼性能SDC为40％‑50％，抗拉强度为650MPa‑700MPa，延伸率为30％‑40％，具有良好的综合性能。

Description

一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料及其制备方法，属于铜合金材料技术领域。
背景技术
随着现代科技水平的不断发展，各种设备装备日趋高速化和大功率化，减震、降噪的需求变得越来越重要和迫切。阻尼合金又称为减振合金，是一种能将机械振动能转化为热能而耗散掉的新型金属功能材料。阻尼合金能够吸收震动所产生的能量，其最大的特点是共振曲线趋于扁平，振动衰减快，共振振幅小，能够起到极佳的减震、缓冲、降噪作用。其中，Cu-Mn-X系阻尼合金是发现最早、研究时间最长而且也是减振性能最为优异的阻尼合金之一。这类合金的比阻尼性能可达到S.D.C30％以上，是钢铁类金属(铸铁、碳钢、不锈钢等S.D.C为1-4％)的几十倍，也由于很多阻尼合金(Fe-Mn合金S.D.C为20-25％，Zn-Al阻尼合金S.D.C为25-27％)。Cu-Mn系阻尼合金在一定温度下具有较好的稳定性，对于干扰源的频率敏感性低，具有很高的工程价值。国际上对于Cu-Mn系阻尼合金的研究开展较早，已经研发出多种性能优异的Cu-Mn系阻尼合金，并且成功实现了批量化生产和应用。例如，英国石锰海洋公司开发的Sonoston合金、国际铜研究协会开发的Incramute合金、前苏联随即研制的ABPOPA合金等。国内在Cu-Mn系阻尼合金研究方面起步较晚，也取得了一些研究成果。在“六五”、“七五”计划期间，国内研制成功Mn-Cu系的高阻尼MC-77合金、2031阻尼合金等。但是，随着科技水平的不断发展，对于各类装备、设备的降噪、减震要求不断提高，对阻尼合金的阻尼性能也提出了更高的要求。同时，为了实现合金部件的装配、减重和机加工等多方面的优化设计，对于阻尼合金还提出了更高的力学性能要求。
发明内容
本发明针对现有的技术问题，为了提高阻尼合金材料的阻尼性能和综合力学性能，在Cu-Mn系合金的基础上，提出了新型Cu-Mn-X系阻尼合金材料的成分以及其制备方法，可以使其比阻尼性能SDC提高至40％-50％，同时兼具较好的力学性能(抗拉强度650-700MPa，延伸率30％-40％)，大大提高了合金的综合性能。
本发明基于少量合金元素对Cu-Mn系合金的相变、显微组织、晶粒尺寸等影响规律，在Cu-Mn合金的基础上，添加少量合金元素X，并且通过热变形+高温/低温组合时效工艺，制备出高阻尼性能的新型Cu-Mn-X系合金。
本发明提供了一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料，其中的X元素是指Zr、Cr、B元素，其三者的总和小于等于2wt％。加入少量合金元素X，可以净化合金、细化晶粒、提高强度，并且在不改变合金顺磁→反磁转变和马氏体相变温度的前提下，增加孪晶比例，进而也显著提高阻尼性能。
本发明的高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料，该合金的主要成分为：Cu元素为43wt％-54.7wt％，Mn元素为45-55wt％，X元素为Zr、Cr和B元素，Zr元素为0.1wt％-1.0wt％，Cr元素为0.1wt％-1.0wt％，B元素为0.1wt％-1.0wt％，并且Zr+Cr+B元素重量之和≤3.0wt％。
优选的，上述Cu-Mn-X系阻尼金属材料中，Zr+Cr+B元素重量之和≤2.0wt％。
本发明的Cu-Ni-Mn合金具有高强度、高弹性和高阻尼性能，合金的比阻尼性能SDC为40％-50％，抗拉强度为650MPa-700MPa，延伸率为30％-40％。
本发明还提供了一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，包括合金熔炼、热加工成形、高温/低温组合时效工艺。其具体工艺步骤包括：
(1)坯料熔铸：以Zr、Cr、B、Mn和Cu金属为原料，按照如下成分配比：Cu元素为43wt％-54.7wt％，Mn元素为45-55wt％，Zr元素为0.1wt％-1.0wt％，Cr元素为0.1wt％-1.0wt％，B元素为0.1wt％-1.0wt％，并且Zr+Cr+B元素重量之和≤3.0wt％，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，在金属模中浇铸成合金坯料；
(2)变形工艺：将合金坯料进行总变形量为60-80％的热轧、热挤压或者热锻造成形；成形后的合金坯料再进行固溶处理；
(3)固溶处理后的合金坯料经过表面清理；
(4)时效热处理：将清理后的合金坯料依次进行高温时效和低温时效处理。
步骤(1)中，Zr、Cr、B、Mn和Cu金属的纯度均为99.9w％以上；进行熔炼时，需要在1350℃-1450℃下保温15-30min，以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀。所述的合金坯料的厚度为50mm，宽为80-100mm。
步骤(2)中，首先将合金坯料加热到800℃-860℃下保温3-4h，使各溶质元素充分扩散均匀，随后在该温度下进行总变形量为60％-80％的热变形；固溶处理为将热轧后的合金再加热到800-850℃，保温2h，空冷至室温。
步骤(4)中，高温时效是将合金坯料加热至400℃-550℃，保温4h-8h，空冷至室温。
步骤(4)中，低温时效是将合金坯料团置于液氮温度下(-196℃)，保温1h-8h，然后自然升温至室温。
本发明的高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，可以使制备的Cu-Mn-X系阻尼合金具有良好的综合性能：比阻尼性能SDC提高至40％-50％，同时兼具较好的力学性能(抗拉强度650-700MPa，延伸率30％-40％)。
本发明的优点：
1)本发明公布的新型高阻尼合金材料，是在Cu-Mn系合金的基础上添加少量合金元素X，既不改变原有合金系的相变和磁性转变，又通过细化晶粒、净化合金、强化晶界等方式，提高了合金的综合性能。
2)本发明公布的新型Cu-Mn-X合金材料的制备方法，采用高温/低温组合时效工艺，进一步增加了α铜基体(fcc结构)和马氏体的ε铜基体(fct结构)中能够产生脱钉内耗的不全位错数量，进一步提高了合金的阻尼性能和力学性能；
3)本发明公布的一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料，具有良好的综合性能：比阻尼性能SDC提高至40％-50％，同时兼具较好的力学性能(抗拉强度650-700MPa，延伸率30％-40％)，具有良好的应用前景。
具体实施方式
实施例1
一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，实施工艺步骤包括：
(1)坯料熔铸：以纯度大于99.9％的纯Zr、纯Cr、纯B、纯Mn、纯Cu金属为原料，按照成分配比：Cu元素为54.7wt％，Mn元素为45wt％，Zr元素为0.1wt％，Cr元素为0.1％，B元素为0.1wt％，在真空感应熔炼炉中1350℃下进行熔炼，保温15min，在金属模中浇铸成合金坯料；合金坯料的厚度为50mm，宽为80mm；
(2)变形工艺：将合金坯料加热到800℃下保温4h，进行总变形量为60％的热轧成形；成形后的合金坯料再进行在800℃进行2h固溶处理，空冷至室温；
(3)固溶处理后的合金坯料经过表面清理；
(4)时效热处理：将清理后的合金坯料依次进行高温时效和低温时效处理：先将合金坯料加热至400℃，保温4h-8h，空冷至室温；再将金坯料至于液氮温度下(-196℃)，保温1h，然后自然升温至室温。
合金的性能见下表1。
表1 实施例1中Cu-Mn-X系阻尼金属材料的性能
实施例2
一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，实施工艺步骤包括：
(1)坯料熔铸：以纯度大于99.9％的纯Zr、纯Cr、纯B、纯Mn、纯Cu金属为原料，按照成分配比：Cu元素为48.4wt％，Mn元素为51wt％，Zr元素为0.2wt％，Cr元素为0.2％，B元素为0.2wt％，在真空感应熔炼炉中1380℃下进行熔炼，保温30min，在金属模中浇铸成合金坯料；合金坯料的厚度为50mm，宽为90mm；
(2)变形工艺：将合金坯料加热到850℃下保温4h，进行总变形量为80％的热锻造成形；成形后的合金坯料再进行在850℃进行2h固溶处理，空冷至室温；
(3)固溶处理后的合金坯料经过表面清理；
(4)时效热处理：将清理后的合金坯料依次进行高温时效和低温时效处理：先将合金坯料加热至450℃，保温4h-8h，空冷至室温；再将金坯料至于液氮温度下(-196℃)，保温4h，然后自然升温至室温。
合金的性能见下表2。
表2 实施例2中Cu-Mn-X系阻尼金属材料的性能
实施例3
一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，实施工艺步骤包括：
(1)坯料熔铸：以纯度大于99.9％的纯Zr、纯Cr、纯B、纯Mn、纯Cu金属为原料，按照成分配比：Cu元素为43wt％，Mn元素为54wt％，Zr元素为1.0wt％，Cr元素为1.0％，B元素为1.0wt％，在真空感应熔炼炉中1450℃下进行熔炼，保温30min，在金属模中浇铸成合金坯料；合金坯料的厚度为50mm，宽为100mm；
(2)变形工艺：将合金坯料加热到860℃下保温4h，进行总变形量为80％的热挤压成形；成形后的合金坯料再进行在850℃进行2h固溶处理，空冷至室温；
(3)固溶处理后的合金坯料经过表面清理；
(4)时效热处理：将清理后的合金坯料依次进行高温时效和低温时效处理：先将合金坯料加热至550℃，保温4h-8h，空冷至室温；再将金坯料至于液氮温度下(-196℃)，保温8h，然后自然升温至室温。
合金的性能见下表3。
表3 实施例3中Cu-Mn-X系阻尼金属材料的性能
实施例4
一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，实施工艺步骤包括：
(1)坯料熔铸：以纯度大于99.9％的纯Zr、纯Cr、纯B、纯Mn、纯Cu金属为原料，按照成分配比：Cu元素为46.3wt％，Mn元素为53wt％，Zr元素为0.5wt％，Cr元素为0.1％，B元素为0.1wt％，在真空感应熔炼炉中1350℃下进行熔炼，保温30min，在金属模中浇铸成合金坯料；合金坯料的厚度为50mm，宽为85mm；
(2)变形工艺：将合金坯料加热到830℃下保温4h，进行总变形量为80％的热轧成形；成形后的合金坯料再进行在820℃进行2h固溶处理，空冷至室温；
(3)固溶处理后的合金坯料经过表面清理；
(4)时效热处理：将清理后的合金坯料依次进行高温时效和低温时效处理：先将合金坯料加热至500℃，保温4h-8h，空冷至室温；再将金坯料至于液氮温度下(-196℃)，保温3h，然后自然升温至室温。
合金的性能见下表4。
表4 实施例4中Cu-Mn-X系阻尼金属材料的性能
实施例5
一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，实施工艺步骤包括：
(1)坯料熔铸：以纯度大于99.9％的纯Zr、纯Cr、纯B、纯Mn、纯Cu金属为原料，按照成分配比：Cu元素为45wt％，Mn元素为53wt％，Zr元素为1.0wt％，Cr元素为0.5％，B元素为0.5wt％，在真空感应熔炼炉中1350℃下进行熔炼，保温30min，在金属模中浇铸成合金坯料；合金坯料的厚度为50mm，宽为85mm；
(2)变形工艺：将合金坯料加热到830℃下保温4h，进行总变形量为80％的热轧成形；成形后的合金坯料再进行在820℃进行2h固溶处理，空冷至室温；
(3)固溶处理后的合金坯料经过表面清理；
(4)时效热处理：将清理后的合金坯料依次进行高温时效和低温时效处理：先将合金坯料加热至520℃，保温4h-8h，空冷至室温；再将金坯料至于液氮温度下(-196℃)，保温8h，然后自然升温至室温。
合金的性能见下表5。
表5 实施例4中Cu-Mn-X系阻尼金属材料的性能
综上所述，本发明制备方法主要是通过合金熔炼、热加工成形、高温/低温组合时效工艺获得高阻尼性能的合金材料，该合金的比阻尼性能SDC为40％-50％，抗拉强度650MPa-700MPa，延伸率30％-40％，具有良好的综合性能。

Claims (6)

1.一种高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)坯料熔铸：以Zr、Cr、B、Mn和Cu金属为原料，按照如下成分配比：Cu元素为43wt％-54.7wt％，Mn元素为51-55wt％，Zr元素为0.1wt％-1.0wt％，Cr元素为0.1wt％-1.0wt％，B元素为0.1wt％-1.0wt％，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，在金属模中浇铸成合金坯料；
(2)变形工艺：将合金坯料加热到800℃-860℃下保温3-4h，随后在该温度下将合金坯料进行总变形量为60-80％的热轧、热挤压或者热锻造成形；成形后的合金坯料再进行固溶处理；
(3)固溶处理后的合金坯料经过表面清理；
(4)时效热处理：将清理后的合金坯料依次进行高温时效和低温时效处理，所述的高温时效温度为400℃-550℃，保温时间为4h-8h，空冷至室温；所述的低温时效温度为-196℃，保温时间为1h-8h，自然升温至室温。
2.根据权利要求1所述的高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，其特征在于：Cu-Mn-X系阻尼金属材料中，Zr+Cr+B的重量之和≤2.0wt％。
3.根据权利要求1所述的高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，其特征在于：Zr、Cr、B、Mn和Cu金属的纯度均为99.9wt％以上。
4.根据权利要求1所述的高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，其特征在于：所述的熔炼温度为1350℃-1450℃，时间为15-30min。
5.根据权利要求1所述的高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，其特征在于：所述的合金坯料的厚度为50mm，宽为80-100mm。
6.根据权利要求1所述的高阻尼性能Cu-Mn-X系阻尼金属材料的制备方法，其特征在于：所述的固溶处理温度为800-850℃，保温时间为2h，空冷至室温。
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