CN112899577A - 一种Fe-Mn系高强度高阻尼合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种Fe‑Mn系高强度高阻尼合金的制备方法，属于阻尼材料领域。本发明提供的Fe‑Mn系高强度高阻尼合金包括以下质量百分含量的元素组分：C 0～0.1％，Mn 15～30％，Nb 0.1～1％，余量为Fe。通过冶炼、凝固铸造、热加工(锻/轧)、退火等步骤后，可制得抗拉强度≥700MPa、0.1％振幅下对数衰减系数(δ)≥0.12的高强度高阻尼性能；热轧合金板材再经过酸洗、冷轧和退火后，可制得抗拉强度≥900MPa、0.1％振幅下对数衰减系数(δ)≥0.09高强度高阻尼性能。

Description

一种Fe-Mn系高强度高阻尼合金的制备方法
技术领域
本发明涉及阻尼合金领域，特别是指一种Fe-Mn系高强度高阻尼合金及其制备方法。与现有的阻尼合金相比，用该工艺方法制备Fe-Mn合金的阻尼性能和力学性能更好。
背景技术
噪声污染作为日趋突出的生态问题被民众和社会日趋重视，因此可有效减少振动和噪音的高强阻尼材料愈发受到关注，并具有广阔的应用前景。Fe-Mn合金具有高强度、高阻尼性能且生产成本较低，在目前常用的阻尼合金材料中具有显著的优势。
现有的研究表明，Fe-Mn合金中阻尼性能和力学性能彼此相互制约。例如发明专利ZL201410143007.9公开了一种提高高强度Fe-Mn基阻尼合金阻尼性能的方法。该方法先将Fe-Mn基合金固溶处理，然后再时效处理，最后室温变形，但是该方法制备的Fe-Mn阻尼合金力学性能较低，其中屈服强度只有300MPa。发明专利CN201610629730.7公开了一种含1％(wt)Nb元素Fe-Mn阻尼合金及其制备方法。该方法虽然使用热轧工艺，但是长时间固溶处理工艺恶化合金的力学性能，最大抗拉强度只有670MPa。该合金在变温区的阻尼损耗因子虽然较高，但是Nb溶质元素易偏析在晶界和层错等缺陷处，对不全位错移动产生钉扎，恶化阻尼性能，使得常温条件下阻尼性能不突出，限制了阻尼合金的推广使用。发明专利CN201710858255.5公开了一种宽变振幅高阻尼的铁基复合合金及其制备方法。该方法提供的铁基复合合金的表面是一层铁素体，芯部是奥氏体和ε马氏体。该方法制备的合金在宽应变振幅下具有良好的阻尼性能，但是该合金大量的铁素体使得材料力学性能较差，且该方法无变形工艺，只适合单独零件加工，无法与当今金属材料主流的轧制变形工艺相结合。因此，亟需一种制备Fe-Mn系高强度高阻尼材料的工艺方法。
发明内容
为了克服现有方法制备的Fe-Mn系阻尼合金强度不足的问题，本发明提供了Fe-Mn系高强度高阻尼合金及其制备方法。该方法通过钢的冶炼与凝固、铸锭开坯后的热连轧，并在750～950℃高温区间直接退火1～300分钟后冷至室温，获得抗拉强度≥700MPa，屈服强度≥400MPa的高强热轧阻尼合金；热连轧后，经酸洗和冷轧至厚1～3mm，将冷轧板以≥10℃加热至650～800℃保温1～200分钟后水冷至室温，获得屈服强度≥640MPa，抗拉强度≥900MPa冷轧板。通过退火温度和时间调控再结晶程度，Nb、C元素抑制再结晶晶粒长大，使材料具有未再结晶和再结晶复合组织结构。未再结晶区的板块状ε马氏体组织提供优异的力学性能，再结晶区的奥氏体和片层状马氏体提供优异的阻尼性能。制备出一种高强度高阻尼Fe-Mn基合金。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种Fe-Mn系高强度高阻尼合金的制备方法，合金质量百分含量的元素组分：C 0～0.1％，Mn 15～30％，Nb0.1～1％，P≤0.02wt％，S≤0.02wt％，余量为Fe；制备步骤如下：
(1)合金的冶炼与凝固：通过感应炉、电炉等冶炼装置，冶炼获得上述成分范围的钢液，之后浇注入铸造装置凝固得到板坯或得到铸锭后锻造成板坯；
(2)将步骤(1)中的板坯进行热轧：板坯由热轧机经3～20道次轧制，最终轧制厚度约为2～20mm，后空冷至室温；
(3)将步骤(2)中得到的热轧板进行两种热处理：一是在750～950℃高温区间直接退火1～300分钟后冷至室温；二是在500～650℃低温区间软化退火1～20小时后冷至室温；
(4)将步骤(3)中低温区间软化退火的热轧板酸洗，并冷轧至1～3mm；
(5)对步骤(4)中得到的冷轧板进行退火处理；加热至650～800℃保温1～200分钟后水冷至室温。
进一步地，按照步骤(2)热轧工艺中终轧温度控制在≥950℃，热轧总压下率≥70％，可以保证在热轧过程中发生动态再结晶且NbC可以析出。
进一步地，按照步骤(2)中的热轧板组织主要为ε马氏体、残余奥氏体，以及少量的α'马氏体。其中ε马氏体形貌分为板块状和片层状，残余奥氏体由细小晶粒组成。
进一步地，按照步骤(3)所述步骤(3)热轧板在高温区直接退火时发生部分再结晶，再结晶分数在30～70％之间，退火时间(t,min)在750～950℃范围内随退火温度(T,℃)升高而下降，退火时间范围为3695-7.1T+0.003T2≤t≤3064-5.4T+0.002T2。冷却后组织由非再结晶区的块状ε马氏体、再结晶区的奥氏体和片层状ε马氏体组成。材料的抗拉强度≥700MPa，屈服强度≥400MPa，总延伸率≥25％；振幅0.1％时阻尼性能对数衰减系数(δ)≥0.12。
进一步地，按照步骤(5)的冷轧板在保温时发生部分再结晶，再结晶分数在30～70％之间。退火时间(t,min)在650～800℃范围内随退火温度(T,℃)升高而下降，退火时间范围为2044-5T+0.003T2≤t≤3155-7.5T+0.004T2。冷却后组织由非再结晶区的块状ε马氏体、再结晶区的奥氏体和片层状ε马氏体组成。其屈服强度≥640MPa，抗拉强度≥900MPa，总延伸率≥20％，振幅0.1％时阻尼性能对数衰减系数(δ)≥0.09。
另外，钢中可另加以下一种或多种元素(质量百分含量)，进一步提高钢的性能：Cr0.1～3.5％，Si 0.2～3.0％，Ti 0.02～0.35％，V 0.02～0.35％。
本发明的有益效果是：该制备方法通过钢的冶炼、凝固铸造、热加工(锻/轧)、退火等步骤后，制得抗拉强度≥700MPa高强度高阻尼性能热轧Fe-Mn合金。以及经过酸洗和室温冷轧至1～3mm厚，然后在650～800℃某一温度保温1～200分钟后立即水冷，制得抗拉强度≥900MPa冷轧高强度高阻尼Fe-Mn合金。该工艺通过控制再结晶程度实现未再结晶区的板块状ε马氏体和再结晶区的奥氏体和片层状ε马氏体复合组织结构，显著提高了Fe-Mn合金的高力学性能，同时还保证优异的阻尼性能。
附图说明
图1为本发明实施例中C-1-3组合金热轧后升温至950℃保温10分钟后立即水冷至常温EBSD质量图；
图2为本发明实施例中C-2-2组合金冷轧后升温至700℃保温60分钟后立即水冷至常温EBSD质量图；
图3为本发明实施例中各样品发生30-70％再结晶分数时，热轧板高温退火和冷轧板退火时间在不同退火温度的优选取值范围。
图4为本发明实施例中C组热轧初始板和热轧、冷轧退火板应变振幅与对数衰减系数关系图；
图5为本发明实施例中C组热轧初始板和热轧、冷轧退火板拉伸实验获得的典型工程应力-应变曲线。
具体实施方式
本发明要解决的技术问题是提供一种Fe-Mn系高强度高阻尼合金及其制备方法。通过对合金成分与加工工艺进行调控，在保证材料高强度、高延伸率的同时，大幅度提高材料的阻尼性能，具体步骤如下：
(1)合金的冶炼与凝固：通过感应炉、电炉等冶炼装置，冶炼获得上述成分范围的钢液，之后浇注入铸造装置凝固得到板坯或得到铸锭后锻造成板坯；
(2)将步骤(1)中的板坯进行热轧：板坯由热轧机经3～20道次轧制，最终轧制厚度约为2～20mm，后空冷至室温；
(3)将步骤(2)中得到的热轧板进行两种热处理：一是在750～950℃高温区间直接退火1～300分钟后冷至室温；二是在500～650℃低温区间软化退火1～20小时后冷至室温；
(4)将步骤(3)中低温区间软化退火的热轧板酸洗，并冷轧至1～3mm；
(5)对步骤(4)中得到的冷轧板进行退火处理；将冷轧板以≥10℃加热至650～800℃保温1～200分钟后水冷至室温。
实施例1：
表1发明合金的化学成分(wt％)
Figure BDA0002903870250000041
本实施例试验采用表1所示的A、B、C、D四种化学成分，由感应炉冶炼，浇注成铸坯后在1200℃进行3小时固溶处理。采用锻造机对铸坯进行锻造，锻造温度应始终保持在950～1150℃之间。锻造完成后对锻坯进行3小时固溶处理，固溶温度1200℃。将固溶过后的锻坯经轧机热轧至厚度为4mm，控制开轧温度为1100℃，终轧温度为950℃，随后空冷至室温。将得到的热轧板按照退火温度和工艺分为1和2两种方式，分别记为第1组和第2组。其中第1组将热轧板加热至750～950℃高温区保温1～300分钟，后水冷至室温；第2组将热轧板升温至500～650℃低温区间软化退火1～20小时后冷至室温。第一组可以获得高强度高阻尼性能的热轧Fe-Mn阻尼合金。性能见表2。
将第2组获得的热轧板冷轧至2mm厚，后加热至650～800℃，保温1～200分钟后水冷至室温。该工艺可获得高阻尼高强度的冷轧Fe-Mn合金。性能见表3。在上述Fe-Mn-Nb合金成分基础上，还可通过合金化的手段进一步提高阻尼性能和强度，如添加适量的Si、Cr可降低合金层错能，促进冷却时的ε马氏体相变，增加ε/γ相界面分数以提高合金的阻尼性能；也可加入少量V、Ti等微合金元素形成细小粒子通过析出强化提高强度，因此表2和表3中的D组成分由于含有Si、Cr、V、Ti，其热轧和冷轧退火板的屈服强度、抗拉强度和对数衰减系数均增加。本实施例中退火温度随退火温度升高而下降，保证再结晶分数在30～70％。
通过对微观组织表征发现，由图1EBSD质量图可以看出C-1-3样品组织只发生部分再结晶，再结晶的奥氏体晶粒水冷时生成片层状ε马氏体，而未再结晶区为板块状ε马氏体。再结晶区由于位错密度低，且γ/ε相界面可移动性好，为材料提供优异的阻尼性能；未再结晶区的板块状ε马氏体由于位错密度高，为材料提供优异的力学性能。由图2EBSD质量图可以看出C-2-2冷轧退火后再结晶晶粒尺寸变小，组织发生部分再结晶，再结晶的奥氏体晶粒内生成片层状ε马氏体，而未再结晶区为高密度位错的板块状ε马氏体。由实验数据得到各材料发生30-70％再结晶时，总结出各退火温度所对应的优化退火时间范围，见图3，即退火温度升高导致相同再结晶程度下退火时间减短，而冷轧板由于应变存储能高得多，所需退火时间较热轧板明显更短。由图4各样品应变振幅与对数衰减系数关系图和表2、表3可以看出热轧和冷轧退火板在振幅0.1％具有高阻尼性能，热轧板对数衰减系数δ≥0.12和冷轧板δ≥0.09。由图5各样品工程应力-应变曲线和表2可知热轧退火板抗拉强度大于700MPa；由表3可知冷轧退火板抗拉强度大于900MPa。非再结晶区域的位错强化是本合金获得高强度的主要强化机制。
表2 1组热轧板不同退火工艺的力学性能和振幅0.1％对数衰减系数(δ)
Figure BDA0002903870250000061
表3 2组冷轧板进行不同退火工艺的力学性能和0.1％振幅对数衰减系数(δ)
Figure BDA0002903870250000071
本发明热轧退火和冷轧退火工艺获得的材料具有高强度和高阻尼性能，打破了Fe-Mn阻尼合金高强度和高阻尼难以组合的矛盾，且工艺简单，有望投入实际生产中。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种Fe-Mn系高强度高阻尼合金的制备方法，其特征在于合金质量百分含量的元素组分：C 0～0.1％，Mn 15～30％，Nb 0.1～1％，P≤0.02wt％，S≤0.02wt％，余量为Fe；制备步骤如下：
(1)合金的冶炼与凝固：通过感应炉、电炉冶炼装置，冶炼获得上述成分范围的钢液，之后浇注入铸造装置凝固得到板坯或得到铸锭后锻造成板坯；
(2)将步骤(1)中的板坯进行热轧：板坯由热轧机经3～20道次轧制，最终轧制厚度约为2～20mm，后空冷至室温；
(3)将步骤(2)中得到的热轧板进行两种热处理：一是在750～950℃高温区间直接退火1～300分钟后冷至室温；二是在500～650℃低温区间软化退火1～20小时后冷至室温；
(4)将步骤(3)中低温区间软化退火的热轧板酸洗，并冷轧至1～3mm；
(5)对步骤(4)中得到的冷轧板进行退火处理；将冷轧板以≥10℃加热至650～800℃保温1～200分钟后水冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种Fe-Mn系高强度高阻尼合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)热轧工艺的终轧温度控制在≥950℃，热轧总压下率≥70％，以保证热轧过程中发生动态再结晶且NbC可以析出。
3.根据权利要求1所述的一种Fe-Mn系高强度高阻尼合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)热轧板在高温区直接退火时发生部分再结晶，再结晶分数在30～70％之间，退火时间(t,min)在750～950℃范围内随退火温度(T,℃)升高而下降，退火时间范围为3695-7.1T+0.003T2≤t≤3064-5.4T+0.002T2；冷却后组织由非再结晶区的块状ε马氏体、再结晶区的奥氏体和片层状ε马氏体组成；材料的抗拉强度≥700MPa，屈服强度≥400MPa，总延伸率≥25％；振幅0.1％时阻尼性能对数衰减系数(δ)≥0.12。
4.根据权利要求1所述的一种Fe-Mn系高强度高阻尼合金的制备方法，特征在于：所述步骤(5)的冷轧板退火时发生部分再结晶，再结晶分数在30～70％之间；退火时间(t,min)在650～800℃范围内随退火温度(T,℃)升高而下降，退火时间范围为2044-5T+0.003T2≤t≤3155-7.5T+0.004T2；冷却后组织由非再结晶区的块状ε马氏体、再结晶区的奥氏体和片层状ε马氏体组成；其屈服强度≥640MPa，抗拉强度≥900MPa，总延伸率≥20％，振幅0.1％时阻尼性能对数衰减系数(δ)≥0.09。
5.根据权利要求1所述的一种Fe-Mn系高强度高阻尼合的制备方法，其特征在于：钢中另加以下多种元素，进一步提高钢的性能：Cr 0.1～3.5％，Si 0.2～3.0％，Ti 0.02～0.35％，V 0.02～0.35％。
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