CN107699668B

CN107699668B - 一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法

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Publication number: CN107699668B
Application number: CN201710858158.6A
Authority: CN
Inventors: 彭华备; 钱柄男; 王勇宁; 文玉华
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-06-25
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: CN107699668A

Abstract

本发明公开了一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法，属阻尼合金领域。本发明不仅能显著提高铁锰阻尼合金的耐腐蚀性能，而且还能提高其阻尼性能。所述铁锰阻尼合金的各元素含量的重量百分比为，Mn 15~23%，Ti 0~1%，Nb 0~1%，C 0~0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质，具体方法如下：将铁锰阻尼合金在真空度环境下用900℃~1250℃处理≥30分钟，随后炉冷至室温。用该方法制备的铁锰阻尼合金的表面有一层铁素体，该铁素体层平均厚度≥15微米。

Description

一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法

技术领域

本发明涉及阻尼合金领域，具体涉及一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法。铁锰阻尼合金经该方法处理后不仅耐腐蚀性能得到显著提高，而且阻尼性能也得到了提高。

背景技术

随着近年来工业的快速发展，各类机械都朝着大功率和高速度方向发展，这导致机械在运动过程中产生的振动和噪声问题越来越突出。振动和噪声不仅严重影响仪器的精密度和设备的使用寿命，同时对生态环境存在污染。因此，减振降噪已成为亟待解决的重要工程问题。通常的减振降噪方法都是根据振动的动力学原理，通过特殊设计或增加构件质量等方法来减少振动能量向周围部件辐射传播，或者在振动能量传出前就耗散掉。这类方法存在体积大、重量大、安装成本高、不能从根本上解决减振降噪的问题。如果采用阻尼合金制作振动元件，不会增加构件本身的质量，同时还具有很好的减振降噪效果，从而达到从源头控制振动和噪声的目的。

与其他阻尼合金相比，铁锰基阻尼合金拥有优良的力学性能（抗拉强度＞700MPa），阻尼性能随应变振幅的增加而明显提高等特点，所以自发现以来便受到广泛关注。但是，铁锰基阻尼合金存在耐腐蚀性能不佳的缺点。这个缺点也大大限制了铁锰基阻尼合金的实际工程应用。因此，如何提高铁锰阻尼合金的耐腐蚀性能是目前亟待解决的问题。

针对铁锰阻尼合金耐腐蚀性能不佳的缺点，人们主要采用合金化的方法来解决。黄姝珂等通过添加Cr元素提高了铁锰阻尼合金的耐腐蚀性能，但是也降低了合金的阻尼性能（四川大学学报, 2007, 39: 123-127）。Wu等也研究了0~12wt%的Cr对Fe-17Mn合金的阻尼和耐腐蚀性能的影响，结果表明：Cr含量越高合金的阻尼性能也就越差；当Cr含量为6wt%时，合金的耐腐蚀性能最好；当Cr含量为12wt%时，合金的耐腐蚀性能反而最差（MaterialsScience and Technology, 33: 1019-1025）。于学勇等在铁锰阻尼合金中添加0.4~0.9wt%的钛元素提高了耐点腐蚀的能力（专利申请号：201010208644.1）。但是，钛的加入反而会降低Fe-17Mn合金的阻尼性能。刘亚军等则采用在铁锰阻尼合金冶炼时加入含有稀土元素的添加剂的途径提高合金的耐腐蚀性能（专利申请号：201611099827.8和201611099831.4）。然而，含有稀土元素的添加剂增加了铁锰阻尼合金的制备成本。上面的方法不仅增加了制备成本，同时也存在降低铁锰阻尼合金阻尼性能的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法。此外，该方法还能提高铁锰阻尼合金的阻尼性能。

当金属材料内同时存在两种及以上物相时，由于不同物相的电位高低不同，在腐蚀介质的环境下就构成了原电池。而原电池的存在会加快金属材料的腐蚀速度。铁锰阻尼合金的室温组织由密排六方结构的马氏体和面心立方结构的奥氏体两相组成。两相共存会导致原电池的形成，这也就是铁锰阻尼合金耐腐蚀性能不佳的主要原因。如果我们能在铁锰阻尼合金表面形成一层单相的组织，则会避免原电池的形成，从而解决其耐腐蚀性能不佳的问题。

铁锰阻尼合金的各元素含量的重量百分比为，Mn 15~23%，Ti 0~1%，Nb 0~1%，C 0~0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质。显然，锰是铁锰阻尼合金中最重要的基本组成元素。在高温真空环境下，由于锰的蒸汽压高导致其极易挥发。所以，在真空环境下进行高温处理时，由于锰原子从表面的大量挥发，铁锰阻尼合金的表面将形成一层锰含量显著低于芯部的贫锰层。而锰是奥氏体形成元素，它的减少将导致铁素体的形成。因此，本发明通过真空热处理的方法便能在铁锰阻尼合金表面获得一层单相铁素体的组织，避免原电池的形成，进而显著提高其耐腐蚀性能。此外，铁素体与密排六方结构的马氏体和面心立方结构的奥氏体的热膨胀系数不一样，所以经高温处理冷却到室温后密排六方结构的马氏体和面心立方结构的奥氏体内将存在巨大的内应力。而内应力的存在将会引入更多的层错，从而提高铁锰阻尼合金的阻尼性能。总之，本发明不仅能显著提高铁锰阻尼合金的耐腐蚀性能，而且还能提高其阻尼性能。

这种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的具体方法如下：将铁锰阻尼合金在真空环境下用900℃~1250℃处理≥30分钟，随后炉冷至室温。上述方法制备的铁锰阻尼合金的表面有一层铁素体。热处理温度越高，锰的蒸汽压也越高，这样更有利于真空热处理下锰从合金表面的挥发，从而保证表层铁素体的形成。据此，本发明的热处理温度为900℃~1250℃。为了保证铁锰阻尼合金同时拥有高的耐腐蚀性能和高的阻尼性能，上述铁素体层的平均厚度≥15微米；铁锰阻尼合金最好在真空度≤1Pa的环境下处理，最佳为真空度≤2.0×10^-1Pa的环境下处理；铁锰阻尼合金最好在真空环境下用1000℃~1200℃处理；铁锰阻尼合金最好在真空环境下处理≥2小时。

本发明具有如下优点：（1）常规真空热处理设备就能完成制备过程。（2）能处理各类形状和尺寸的零件。（3）制备的铁锰阻尼合金同时拥有高的耐腐蚀性能和高的阻尼性能。

附图说明

图1为实施例8在真空度为5.0×10^-2Pa用1100℃处理10小时后空冷至室温的截面金相图。说明铁锰阻尼合金经过上述处理后在表面形成了一层铁素体层。

图2为实施例8在真空度为5.0×10^-2Pa用1100℃处理10小时后空冷至室温的对表面测试的XRD图谱。说明铁锰阻尼合金经过上述处理后表面的确形成了一层铁素体层。

图3为对比例1、实施例6和实施例8的阻尼性能（Q^-1）与应变振幅（γ）的关系。说明本发明制备的有铁素体层的铁锰合金的阻尼性能高于没有铁素体层的铁锰合金，这也表明本发明解决了合金化的方法导致铁锰阻尼合金阻尼性能下降的问题。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。值得指出的是，给出的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明的内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明保护范围。

阻尼性能测试。在TAQ800型动态机械分析仪上进行，采用双悬臂模式测量合金阻尼性能（Q^-1）随应变（γ）的变化。振动频率为1Hz，测量温度为30℃。

微观组织表征。合金的金相采用OLYMPUS GX51型光学显微镜观察。经打磨后的金相试样在20%HClO₄+80%CH₃COOH（体积分数）溶液中电解抛光，然后在NH₄HF₂和K₂S₂O₅质量比为1:1.2的水溶液中腐蚀。X射线衍射（XRD）图谱在Philips X' Pert Pro MPD型X射线衍射仪上进行，靶材为Cu靶，扫描速度为2°/min。

耐蚀性能测试。腐蚀实验采用失重法，在高温高压（121℃、2atm），湿度为100%的水蒸气氛围下腐蚀，腐蚀试样尺寸40mm×5mm×2mm。腐蚀速率计算公式为k_w=（g₀-g₁）/At，公式中k_w腐蚀速率；g₀为腐蚀前的质量；g₁为腐蚀后的质量；A为接触面积；t为腐蚀时间。腐蚀速率越小说明耐腐蚀性能越强。

对比例1和实施例1至10选取的铁锰阻尼合金的各元素的重量百分比为：Mn17.5%，C 0.02%，余为Fe和不可避免的杂质。为了对比本发明的效果，对比例1仅在氩气保护下用1100℃处理1小时，随后炉冷至室温。实施例1至10则是在真空度为1.9×10^-1~5.2×10^-3的环境下用900℃~1200℃处理0.25小时~100小时，随后炉冷至室温。采用金相和XRD表征了实施例8，见图1和图2，结果表明：本发明制备的铁锰阻尼合金的表面的确有一层铁素体层存在。表1的数据清楚地表明：（1）对比例1表面没有铁素体层形成，而实施例1至10的表面形成了4.9微米~86.4微米的铁素体层。（2）表面有铁素体层的铁锰阻尼合金的腐蚀速率均低于表面没有铁素体层的铁锰阻尼合金，这说明铁素体层的形成能提高铁锰阻尼合金的耐腐蚀性能。（3）当铁素体层的平均厚度≥15微米时，铁锰阻尼合金的腐蚀速率更低，这说明此时铁锰阻尼合金的耐腐蚀性能更好。此外，阻尼性能的测试结果也表明（图3）：有铁素体层的铁锰阻尼合金的阻尼性能高于没有铁素体层的合金，这说明本发明也解决了合金化的方法导致铁锰阻尼合金阻尼性能下降的问题。

对比例2和实施例11至12选取的铁锰阻尼合金的各元素的重量百分比为：Mn16.1%，Ti 0.5%，C 0.06%，余为Fe和不可避免的杂质。为了对比本发明的效果，对比例2仅在氩气保护下用1150℃处理2小时，随后炉冷至室温。实施例11是在真空度为4.3×10^-2的环境下用1150℃处理2小时，实施例12是在真空度为8.7×10^-2的环境下用1200℃处理5小时，随后炉冷至室温。表1的数据清楚地表明：对比例2表面没有铁素体层形成，而实施例11的表面形成了29.3微米的铁素体层，实施例12的表面形成了66.8微米的铁素体层；实施例11和12的腐蚀速率显著低于对比例2，这说明铁素体层的形成能显著提高铁锰阻尼合金的耐腐蚀性能。

对比例3和实施例13至14选取的铁锰阻尼合金的各元素的重量百分比为：Mn18.6%，Nb 0.3%，C 0.03%，余为Fe和不可避免的杂质。为了对比本发明的效果，对比例3仅在氩气保护下用1200℃处理2小时，随后炉冷至室温。实施例13是在真空度为7.9×10^-2的环境下用1200℃处理2小时，实施例14是在真空度为4.1×10^-2的环境下用1200℃处理5小时，随后炉冷至室温。表1的数据清楚地表明：对比例3表面没有铁素体层形成，而实施例13的表面形成了31.3微米的铁素体层，实施例14的表面形成了52.8微米的铁素体层；实施例13和14的腐蚀速率显著低于对比例3，这说明铁素体层的形成能显著提高铁锰阻尼合金的耐腐蚀性能。

表1 对比例1至3和实施例1至14的制备方法及铁素体层平均厚度和腐蚀速率

Claims

1.一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法，所述铁锰阻尼合金的各元素含量的重量百分比为，Mn 15~23%，Ti 0~1%，Nb 0~1%，C 0~0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质，其特征在于，将铁锰阻尼合金在真空环境下用1000℃~1250℃处理≥30分钟，随后炉冷至室温；该方法制备的铁锰阻尼合金表面的铁素体层平均厚度≥15微米。

2.根据权利要求1所述的一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法，其特征在于，将铁锰阻尼合金在真空度≤1Pa的环境下处理。

3.根据权利要求2所述的一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法，其特征在于，将铁锰阻尼合金在真空度≤2.0×10^-1Pa的环境下处理。

4.根据权利要求1所述的一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法，其特征在于，将铁锰阻尼合金在真空环境下用1000℃~1200℃处理。

5.根据权利要求1所述的一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法，其特征在于，将铁锰阻尼合金在真空环境下处理≥2小时。