CN109988978B - 一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法 - Google Patents

一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于阻尼合金领域，具体涉及一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法。包括以下步骤：步骤一、先将铁锰铬基合金在空气气氛下用氧化处理，随后炉冷至室温；步骤二、去除掉表面的氧化层；步骤三、最后在200℃～500℃处理2小时～48小时后炉冷至室温，制备得到铁基复合合金。本发明的有益技术效果在于：没有变形的过程；简单的常规热处理设备就能完成制备过程；制备的铁基复合合金在宽应变振幅下均拥有比传统方法处理的铁锰铬基合金更高的阻尼性能。

Description

一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法
技术领域
本发明属于阻尼合金领域，具体涉及一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法。
背景技术
随着工业的发展，机械部件产生的振动和噪音已经严重影响仪器的精密度和设备的使用寿命。因此，减振降噪显得十分重要。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。这类方法的缺点十分明显：体积大、重量大、安装成本高、不能从根本上解决减振降噪问题。如果采用构功能一体的阻尼合金制作振动元件将是一个十分有效的减振降噪途径，该途径不仅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。
与其他阻尼合金相比，FeMn基阻尼合金拥有优良的力学性能，其抗拉强度大于700MPa，所以自发现以来便受到广泛关注，具有广阔的应用前景。然而其存在如下问题：(1)铁锰基阻尼合金在高应变振幅下才具有高阻尼性能，而在低应变振幅下的阻尼性能并不理想。这个缺点也大大限制了铁锰基阻尼合金的实际工程应用；(2)发明专利ZL201410143007.9公开了一种提高铁锰基阻尼合金在低应变振幅下阻尼性能的方法。该方法是先将铁锰基阻尼合金固溶处理，然后再时效处理，最后室温变形。上述发明存在室温变形的过程，不适用于制备形状复杂的零件。因此，如何提高铁锰基阻尼合金在低应变振幅下的阻尼性能进一步研究难点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金及制造方法，含15～23wt％Mn、5～20％wt Cr、0～1wt％Ti、0～1wt％Nb、0～0.1wt％C、余量为Fe的阻尼合金材料，并通过高温氧化及微观控制，获得了一种高温氧化制备在宽应变振幅下拥有高阻尼性能的铁基复合合金的方法。
为解决上述技术问题，本发明一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法，高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法，包括以下步骤：
步骤一、先将铁锰铬基合金在空气气氛下用氧化处理，随后炉冷至室温；
步骤二、去除掉表面的氧化层；
步骤三、最后在200℃～500℃处理2小时～48小时后炉冷至室温，制备得到铁基复合合金。
所述步骤一中，铁锰铬基合金为含15～23wt％Mn、5～20％wt Cr、0～1wt％Ti、0～1wt％Nb、0～0.1wt％C、余量为Fe的阻尼合金材料。
所述步骤三中，铁基复合合金表面为一层铁素体，且铁素体层中铬的重量百分比含量≥5％，芯部为面心立方结构的奥氏体和密排六方结构的马氏体。
所述步骤一中，氧化处理温度为900℃～1200℃。
所述步骤一中，氧化处理时间为≥1小时。
所述步骤三中，表面的铁素体层中铬的重量百分比含量≥8％。
所述步骤一中，氧化处理温度为1000℃～1150℃。
所述步骤三中，铁锰铬基合金最后在250℃～350℃处理6小时～24小时后炉冷至室温，制备得到铁基复合合金。
本发明的有益技术效果在于：(1)没有变形的过程；(2)简单的常规热处理设备就能完成制备过程；(3)制备的铁基复合合金在宽应变振幅下均拥有比传统方法处理的铁锰铬基合金更高的阻尼性能。
附图说明
图1为在空气气氛下用1100℃处理10小时后空冷至室温，接着去除掉表面的氧化层，最后在300℃处理24小时后炉冷至室温的截面金相图；
图2为在空气气氛下用1100℃处理10小时后空冷至室温，接着去除掉表面的氧化层，最后在300℃处理24小时后炉冷至室温的对表面测试的XRD图谱
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、先将铁锰铬基合金在空气气氛下用900℃～1200℃氧化处理≥1小时，随后炉冷至室温；当热处理温度低于900℃时，铁锰铬基合金会析出第二相，这些第二相的析出不利于铁基复合合金获得高的阻尼性能；然而，热处理温度过高也将导致铁基复合合金芯部有高温铁素体的析出，此时也不利于获得高的阻尼性能。据此，本发明的氧化处理温度为900℃～1200℃；此外，铁素体与面心立方结构的奥氏体和密排六方结构的马氏体的热膨胀系数不一样，所以经高温处理冷却到室温后铁素体层内部将存在巨大的内应力；而内应力的存在将显著恶化铁素体层的阻尼性能；所以，为了降低上述冷却过程导致的内应力，本发明对热处理后的铁锰铬基合金采取炉冷至室温；，剩下的内应力还能在面心立方结构的奥氏体和密排六方结构的马氏体内引入大量的层错，从而提高铁基复合合金的阻尼性能；
步骤二、去除掉表面的氧化层；
步骤三、最后在200℃～500℃处理2小时～48小时后炉冷至室温；去除氧化皮的过程会导致铁素体的表面形成变形层，引起铁素体层阻尼性能的降低，所以这一步是为了消除铁素体变形层的负面影响。
用该方法制备的铁基复合合金的表面有一层含铬铁素体层，且铁素体层中铬的重量百分比含量≥5％，芯部为面心立方结构的奥氏体和密排六方结构的马氏体。
铁锰铬基合金是一种含15～23wt％Mn、5～20％wt Cr、0～1wt％Ti、0～1wt％Nb、0～0.1wt％C、余量为Fe的阻尼合金材料。
复合合金表面为一层铁素体，且铁素体层中铬的重量百分比含量≥5％，芯部为面心立方结构的奥氏体和密排六方结构的马氏体。为了使该铁基复合合金拥有最佳的阻尼性能，表面的铁素体层中铬的重量百分比含量≥8％；铁锰铬基合金最好先在空气气氛下用1000℃～1150℃处理；铁锰铬基合金最后最好在250℃～350℃处理6小时～24小时。
铁磁型阻尼合金的组织以铁素体为主，其在低应变振幅(≤2.0×10-4)下具有高的阻尼性能，而当应变振幅超过2.0×10-4时阻尼性能迅速衰减。与之相反，铁锰基阻尼合金的组织由面心立方结构的奥氏体和密排六方结构的马氏体组成，在低应变振幅(≤2.0×10-4)下阻尼性能较低，而在高应变振幅(≥6.0×10-4)下才具有高的阻尼性能。如果将上述两种阻尼合金复合为一体，让铁素体组织提供低应变振幅下的高阻尼性能，而面心立方结构的奥氏体加密排六方结构的马氏体的组织则提供中高应变振幅下的高阻尼性能，这样就能获得在宽应变振幅下均拥有高阻尼性能的新型铁基复合阻尼合金。
锰是铁锰基阻尼合金中最重要的基本组成元素之一。而在空气的气氛下进行高温处理时，锰将被优先氧化，这将导致靠近氧化层的基体中锰含量显著下降，从而形成了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。所以，经过适当温度空气氧化处理的铁锰基合金的氧化层和基体存在一层铁素体层。据此，本发明通过空气下高温氧化处理的方法获得这层铁素体层，然后去掉氧化层，最终获得表面有一层贫锰的铁素体层，而芯部仍为面心立方结构的奥氏体和密排六方结构的马氏体的铁基复合合金。此外，铬是保证铁素体拥有高阻尼性能的重要元素。因此，为了确保该铁素体层在低应变振幅(≤2.0×10-4)下拥有高的阻尼性能，其应含有一定量的铬元素。据此，本发明适用的对象是铁锰铬基合金，具体各元素含量的重量百分比为，Mn 15～23％，Cr 5～20％，Ti 0～1％，Nb 0～1％，C 0～0.1％，余量为Fe及不可避免的杂质。
阻尼性能测试：在TAQ800型动态机械分析仪(DMA)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：合金的金相采用光学显微镜观察，X射线衍射(XRD)图谱表征物相。铁素体层中铬含量的表征：采用电子探针显微分析仪表征了铁素体层中铬元素的重量百分比含量。
实施例1至10和对比例1至6选取的铁锰铬基合金的成分如表1和表2所示。实施例1至10是先在空气气氛下用900℃～1200℃氧化处理2小时～300小时，随后炉冷至室温；接着用砂纸磨掉表面氧化层(出现金属光泽时则停止研磨)；最后在200℃～500℃处理2小时～48小时后炉冷至室温。为了对比本发明的效果，同时避免氧化层的形成，对比例1至6则是在氩气保护下用900℃～1100℃处理1小时～5小时，随后炉冷至室温。采用金相和XRD表征了实施例5，见图1和图2，结果表明：本发明制备的铁基复合合金的表面的确有一层铁素体层存在。采用电子探针显微分析仪表征了实施例1至10的铁素体层中铬元素的含量，如表1所示，结果表明：铬的重量百分比含量≥6.4％。阻尼性能的测试结果则表明(如表3所示)：在低应变振幅(γ≤2×10-4)时，本发明所制备的实施例1至10的铁基复合合金的阻尼性能(Q-1)显著高于对比例1至6的铁锰铬基阻尼合金，且达到了铁磁型FeCr基阻尼合金的水平；在中高应变振幅(γ＞2×10-4)时，实施例1至10的铁基复合合金的阻尼性能也显著高于对比例1至6的铁锰铬基阻尼合金。上述阻尼性能测试结果很好的证明了本发明所制备的铁基复合合金在宽应变振幅下均拥有高的阻尼性能。此外，本发明没有变形的过程，简单的常规热处理设备就能完成制备过程，所以制备成本低。
表1实施例1至10的成分及其制备方法
Figure BDA0001532632380000061
表2对比例1至6的成分及其制备方法
Figure BDA0001532632380000071
表3实施例1至10和对比例1至6的阻尼性能
Figure BDA0001532632380000072

Claims (4)

1.一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、先将铁锰铬基合金在空气气氛下用氧化处理，随后炉冷至室温；
铁锰铬基合金为含15～23wt％Mn、5～20％wt Cr、0～1wt％Ti、0～1wt％Nb、0～0.1wt％C、余量为Fe的阻尼合金材料；
氧化处理温度为900℃～1200℃，氧化处理时间为≥1小时；
步骤二、去除掉表面的氧化层；
步骤三、最后在200℃～500℃处理2小时～48小时后炉冷至室温，制备得到铁基复合合金；铁基复合合金表面为一层铁素体，且铁素体层中铬的重量百分比含量≥5％，芯部为面心立方结构的奥氏体和密排六方结构的马氏体。
2.根据权利要求1所述的一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法，其特征在于：所述步骤三中，表面的铁素体层中铬的重量百分比含量≥8％。
3.根据权利要求1所述的一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法，其特征在于：所述步骤一中，氧化处理温度为1000℃～1150℃。
4.根据权利要求1所述的一种高温氧化制备宽应变振幅高阻尼铁基复合合金的方法，其特征在于：所述步骤三中，铁锰铬基合金最后在250℃～350℃处理6小时～24小时后炉冷至室温，制备得到铁基复合合金。
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