CN108315616A - 一种多元Mn-Cu基阻尼合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多元Mu‑Cu基阻尼合金及其制备方法,以重量百分比计包括:Mn 45~70 wt.%、Zn 2~5 wt.%、Al 1~3 wt.%、Sn 0.5~4 wt.%、Si 0.1~0.5 wt.%、Cr 1~4 wt.%、Ni 1~4 wt.%、余量为Cu;本发明铸造缺陷少、阻尼性能高、力学性能和耐腐蚀性能好,制备方法简单,易于实施并且生产成本低、利于推广,具有更为广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料及其制备方法,具体涉及一种多元Mn-Cu基阻尼合金及其制备方法。
背景技术
在科学技术日益发展的今天,振动和噪声已经是一个较为突出的问题,减振降噪技术也越来越受到包括航空航天部件、军用舰艇、民用交通工具、机械设备和家电等众多领域的关注;Mn-Cu合金是较早研究和开发的一类功能结构材料,由于其具有优异的阻尼性能和较好的力学性能而受到广泛的关注;Mn-Cu合金从高温冷却至低温的过程中,会发生顺磁-反铁磁和FCC-FCT马氏体转变,这两种相变使其晶体点阵产生了足够大的畸变而存在内应力,通过应力的释放随即在马氏体相中产生孪晶结构;有研究表明,Mn-Cu合金内部的孪晶界面的应力感生运动,母相与马氏体相界面、马氏体与马氏体相界面在外部周期应力作用下的驰豫行为,可将外部振动能转化为热能耗散掉,因而赋予其较高的阻尼性能。
然而,Mn-Cu合金的铸造性能、耐腐蚀性能较差,这在一定程度上限制了其更为广泛的应用;合金化是提高合金铸造性能和耐腐蚀性能,以及改善其阻尼性能和力学性能的最有效手段之一;通常,一些合金化元素在提高合金铸造性能和耐腐蚀性能的同时,也会降低其阻尼性能或力学性能;而且,一些改善合金阻尼性能的元素会对其力学性能不利,反之亦然;因此多元合金化成为了提高该类合金综合性能的必然趋势。
发明内容
本发明提供了一种铸造缺陷少、阻尼性能高、力学性能和耐腐蚀性能好的多元Mn-Cu基阻尼合金及其制备方法。
本发明采用的技术方案是:一种多元Mu-Cu基阻尼合金,以重量百分比计包括:Mn45~70wt.%、Zn 2~5wt.%、Al 1~3wt.%、Sn 0.5~4wt.%、Si 0.1~0.5wt.%、Cr 1~4wt.%、Ni 1~4wt.%、余量为Cu。
进一步的,以重量百分比计包括:Mn 50.5wt.%、Cu 42.9wt.%、Zn 2.0wt.%、Al1.5wt.%、Sn 1.0wt.%、Si 0.1wt.%、Cr 1.0wt.%、Ni 1.0wt.%。
进一步的,以重量百分比计包括:Mn 59.5wt.%、Cu 32.2wt.%、Zn 2.0wt.%、Al1.5wt.%、Sn 2.0wt.%、Si 0.3wt.%、Cr 1.5wt.%、Ni 1.0wt.%。
进一步的,以重量百分比计包括:Mn 68.5wt.%、Cu 21.3wt.%、Zn 2.0wt.%、Al1.5wt.%、Sn 3.0wt.%、Si 0.2wt.%、Cr 2.0wt.%、Ni 1.5wt.%。
一种多元Mn-Cu基阻尼合金的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按照多元Mn-Cu基阻尼合金的目标成分配比称取各原材料;
步骤2:将上述原材料按照易挥发难易程度从高到低,而从上到下放置进行真空熔炼,得到合金铸锭,经电火花加工得到所需试样;
步骤3:对步骤2得到的试样在800~900℃条件下,固溶处理2~24h,随后进行水冷淬火;
步骤4:对步骤3中处理后的试样在380~480℃条件下,时效处理0.5~10h,随后进行水冷淬火,即得所需要的多元Mn-Cu基阻尼合金。
进一步的,所述步骤4中得到的多元Mn-Cu基阻尼合金中具有γMnCu枝晶。
本发明的有益效果是:
(1)本发明通过添加Zn和Al提高合金的熔铸性能以减少铸造缺陷;
(2)本发明通过添加Sn和Si提高合金内部界面活化程度以提高其阻尼性能,制备得到的多元Mn-Cu基阻尼合金室温内耗值(即Q-1值)为0.02~0.18;
(3)本发明通过添加Sn、Ni和Cr提高合金的耐腐蚀性能,制备得到的多元Mn-Cu基阻尼合金在5%NaCl溶液中100h内的平均腐蚀增重速率小于0.05g·m-2·h-1;
(4)本发明制备的多元Mn-Cu基阻尼合金抗拉强度为500~680MPa;
(5)本发明制备方法简单,易于实施并且生产成本低、利于推广,具有更为广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的多元Mn-Cu基阻尼合金的OM像。
图2为本发明实施例2制备的多元Mn-Cu基阻尼合金的OM像。
图3为本发明实施例3制备的多元Mn-Cu基阻尼合金的OM像。
图4为本发明实施例1制备的多元Mn-Cu基阻尼合金的室温拉伸曲线。
图5为本发明实施例2制备的多元Mn-Cu基阻尼合金的室温拉伸曲线。
图6为本发明实施例1制备的多元Mn-Cu基阻尼合金的阻尼-应变曲线。
图7为本发明实施例2制备的多元Mn-Cu基阻尼合金的阻尼-应变曲线。
图8为本发明实施例3制备的多元Mn-Cu基阻尼合金的阻尼-应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种多元Mu-Cu基阻尼合金,以重量百分比计包括:Mn 45~70wt.%、Zn 2~5wt.%、Al 1~3wt.%、Sn 0.5~4wt.%、Si 0.1~0.5wt.%、Cr 1~4wt.%、Ni 1~4wt.%、余量为Cu。
一种多元Mn-Cu基阻尼合金的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按照多元Mn-Cu基阻尼合金的目标成分配比称取各原材料;
步骤2:将上述原材料按照易挥发难易程度从高到低,而从上到下放置进行真空熔炼,得到合金铸锭,经电火花加工得到所需试样;
步骤3:对步骤2得到的试样在800~900℃条件下,固溶处理2~24h,随后进行水冷淬火;
步骤4:对步骤3中处理后的试样在380~480℃条件下,时效处理0.5~10h,随后进行水冷淬火,即得所需要的多元Mn-Cu基阻尼合金。
最终得到的多元Mn-Cu基阻尼合金中具有γMnCu枝晶,随着固溶时间的延长合金的偏析现象越来越小,当固溶时间足够长的情况下γMnCu枝晶形貌会消失。
实施例1
一种多元Mn-Cu基阻尼合金的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按照Mn 50.5wt.%、Cu 42.9wt.%、Zn 2.0wt.%、Al 1.5wt.%、Sn1.0wt.%、Si 0.1wt.%、Cr 1.0wt.%、Ni 1.0wt.%成分配比称取各原材料(原材料采用单质Mn块、Cu块、Zn块、Al块、Sn块、Si块、Cr块和Ni块,各原材料的纯度要尽量高)。
步骤2:将步骤1中的原材料放入真空感应熔炼炉中的坩埚内,并按照熔点由低到高的顺序自下而上摆放;将真空感应熔炼炉抽真空至1×10-3~1×10-1Pa,向真空感应熔炼炉中充入纯度为99.999vol.%的氩气进行熔炼,得到合金铸锭;采用电火花加工方法将上述合金铸锭切割成尺寸为10×10×60mm3的试样,将其表面打磨干净并吹干得到所需试样。
步骤3:对步骤2得到的试样在850℃条件下,保温2h进行固溶处理,随后水冷淬火;
步骤4:对步骤3中处理后的试样在430℃条件下,时效处理0.5h,随后进行水冷淬火,即得所需要的多元Mn-Cu基阻尼合金。
采用光学金相显微镜对尺寸为8×8×8mm3的合金试样进行组织观察,其OM像如图1所示(合金组织主要由γMnCu枝晶构成,且存在较为明显的偏析);采用电子万能力学试验机对合金试样(尺寸按GB/T228-2002要求执行)进行力学性能测试,其拉伸曲线如图4所示(抗拉强度σb约为541MPa;屈服强度σ0.2约为293MPa);采用多功能倒扭摆内耗仪对尺寸为1.5×1.5×50mm3的合金试样进行阻尼性能测试,其阻尼-应变曲线如图6所示(在应变振幅为10-3下的Q-1值约为0.09);对尺寸为10×10×1mm3的合金试样进行恒温腐蚀试验(腐蚀介质为5%NaCl溶液,温度为30℃,腐蚀时间为100h),其平均腐蚀增重速率约为0.0352g·m-2·h-1;可见,合金具有较平衡的综合性能。
实施例2
一种多元Mn-Cu基阻尼合金的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按照Mn 59.5wt.%、Cu 32.2wt.%、Zn 2.0wt.%、Al 1.5wt.%、Sn2.0wt.%、Si 0.3wt.%、Cr 1.5wt.%、Ni 1.0wt.%成分配比称取各原材料(原材料采用单质Mn块、Cu块、Zn块、Al块、Sn块、Si块、Cr块和Ni块,各原材料的纯度要尽量高)。
步骤2:将步骤1中的原材料放入真空感应熔炼炉中的坩埚内,并按照熔点由低到高的顺序自下而上摆放;将真空感应熔炼炉抽真空至1×10-3~1×10-1Pa,向真空感应熔炼炉中充入纯度为99.999vol.%的氩气进行熔炼,得到合金铸锭;采用电火花加工方法将上述合金铸锭切割成尺寸为10×10×60mm3的试样,将其表面打磨干净并吹干得到所需试样。
步骤3:对步骤2得到的试样在850℃条件下,保温2h进行固溶处理,随后水冷淬火;
步骤4:对步骤3中处理后的试样在430℃条件下,时效处理1h,随后进行水冷淬火,即得所需要的多元Mn-Cu基阻尼合金。
采用光学金相显微镜对尺寸为8×8×8mm3的合金试样进行组织观察,其OM像如图2所示(合金组织主要由γMnCu枝晶构成,且存在较为明显的偏析);采用电子万能力学试验机对合金试样(尺寸按GB/T228-2002要求执行)进行力学性能测试,其拉伸曲线如图5所示(抗拉强度σb约为553MPa;屈服强度σ0.2约为295MPa);采用多功能倒扭摆内耗仪对尺寸为1.5×1.5×50mm3的合金试样进行阻尼性能测试,其阻尼-应变曲线如图7所示(在应变振幅为10-3下的Q-1值约为0.067);对尺寸为10×10×1mm3的合金试样进行恒温腐蚀试验(腐蚀介质为5%NaCl溶液,温度为30℃,腐蚀时间为100h),其平均腐蚀增重速率约为0.0289g·m-2·h-1;可见,合金具有较平衡的综合性能。
实施例3
一种多元Mn-Cu基阻尼合金的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按照Mn 68.5wt.%、Cu 21.3wt.%、Zn 2.0wt.%、Al 1.5wt.%、Sn3.0wt.%、Si 0.2wt.%、Cr 2.0wt.%、Ni 1.5wt.%成分配比称取各原材料(原材料采用单质Mn块、Cu块、Zn块、Al块、Sn块、Si块、Cr块和Ni块,各原材料的纯度要尽量高)。
步骤2:将步骤1中的原材料放入真空感应熔炼炉中的坩埚内,并按照熔点由低到高的顺序自下而上摆放;将真空感应熔炼炉抽真空至1×10-3~1×10-1Pa,向真空感应熔炼炉中充入纯度为99.999vol.%的氩气进行熔炼,得到合金铸锭;采用电火花加工方法将上述合金铸锭切割成尺寸为10×10×60mm3的试样,将其表面打磨干净并吹干得到所需试样。
步骤3:对步骤2得到的试样在850℃条件下,保温10h进行固溶处理,随后水冷淬火;
步骤4:对步骤3中处理后的试样在430℃条件下,时效处理2h,随后进行水冷淬火,即得所需要的多元Mn-Cu基阻尼合金。
采用光学金相显微镜对尺寸为8×8×8mm3的合金试样进行组织观察,其OM像如图3所示(合金组织主要由γMnCu枝晶构成,且存在较为明显的偏析);采用电子万能力学试验机对合金试样(尺寸按GB/T228-2002要求执行)进行力学性能测试,其抗拉强度σb约为586MPa,屈服强度σ0.2约为365MPa;采用多功能倒扭摆内耗仪对尺寸为1.5×1.5×50mm3的合金试样进行阻尼性能测试,其阻尼-应变曲线如图8所示(在应变振幅为10-3下的Q-1值约为0.039);对尺寸为10×10×1mm3的合金试样进行恒温腐蚀试验(腐蚀介质为5%NaCl溶液,温度为30℃,腐蚀时间为100h),其平均腐蚀增重速率约为0.0176g·m-2·h-1;可见,合金具有较平衡的综合性能。
本发明提供一种多元Mn-Cu基阻尼合金,由Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Si、Cr、Ni元素组成;在大量的实验基础之上,优化了多元合金成分(特别是Sn、Si、Cr、Ni元素的配比),提高了合金的综合性能,即在合金铸造性能、阻尼性能、力学性能和耐腐蚀性能之间取得了较好的平衡;通过添加Zn和Al提高合金的熔铸性能以减少铸造缺陷;通过添加Sn和Si提高合金内部界面活化程度以提高其阻尼性能;通过添加Sn、Ni和Cr提高合金的耐腐蚀性能;同时,Ni和Cr还具有固溶强化租用,从而使合金获得了较为平衡的综合性能;本发明制备的多元Mn-Cu基合金铸造性能优良,室温内耗值(即Q-1值)为0.02~0.18,一般Q-1值大于0.01即视为高阻尼态;其抗拉强度为500~680MPa,耐腐蚀性能较好(在5%NaCl溶液中100h内的平均腐蚀增重速率小于0.05g·m-2·h-1);并且本发明的制备方法易于实施且成本低,利于推广,具有更为广泛的应用前景。
Claims (6)
1.一种多元Mu-Cu基阻尼合金,其特征在于,以重量百分比计包括:Mn 45~70wt.%、Zn2~5wt.%、Al 1~3wt.%、Sn 0.5~4wt.%、Si 0.1~0.5wt.%、Cr 1~4wt.%、Ni 1~4wt.%、余量为Cu。
2.根据权利要求1所述的一种多元Mn-Cu基阻尼合金,其特征在于,以重量百分比计包括:Mn 50.5wt.%、Cu 42.9wt.%、Zn 2.0wt.%、Al 1.5wt.%、Sn 1.0wt.%、Si 0.1wt.%、Cr 1.0wt.%、Ni 1.0wt.%。
3.根据权利要求1所述的一种多元Mn-Cu基阻尼合金,其特征在于,以重量百分比计包括:Mn 59.5wt.%、Cu 32.2wt.%、Zn 2.0wt.%、Al 1.5wt.%、Sn 2.0wt.%、Si 0.3wt.%、Cr 1.5wt.%、Ni 1.0wt.%。
4.根据权利要求1所述的一种多元Mn-Cu基阻尼合金,其特征在于,以重量百分比计包括:Mn 68.5wt.%、Cu 21.3wt.%、Zn 2.0wt.%、Al 1.5wt.%、Sn 3.0wt.%、Si 0.2wt.%、Cr 2.0wt.%、Ni 1.5wt.%。
5.如权利要求1所述的一种多元Mn-Cu基阻尼合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:按照多元Mn-Cu基阻尼合金的目标成分配比称取各原材料;
步骤2:将上述原材料按照易挥发难易程度从高到低,而从上到下放置进行真空熔炼,得到合金铸锭,经电火花加工得到所需试样;
步骤3:对步骤2得到的试样在800~900℃条件下,固溶处理2~24h,随后进行水冷淬火;
步骤4:对步骤3中处理后的试样在380~480℃条件下,时效处理0.5~10h,随后进行水冷淬火,即得所需要的多元Mn-Cu基阻尼合金。
6.根据权利要求5所述的一种多元Mn-Cu基阻尼合金的制备方法,其特征在于,所述步骤4中得到的多元Mn-Cu基阻尼合金中具有γMnCu枝晶。
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