CN113355603A - 一种结构功能一体化高碳阻尼减振钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结构功能一体化高碳阻尼减振钢及其制备方法，属于结构功能一体化工程材料技术领域。本发明的高碳阻尼减振钢，其化学成分的质量百分比为：C≥1.2％，Si：1.5%‑1.7％，Mn：0.20%‑0.22％，Ni：2.15%‑2.25％，Al：0.25%‑0.27％，余量：Fe。本发明高碳阻尼减振钢的制备方法包括冶炼铸造‑轧制‑热处理工艺。本发明钢合金种类少，合金成分含量低，具有较高强度、较高冲击功和优良减振性能，能够起到降低生产成本和减振降噪作用。本发明对于结构功能一体化高碳减振阻尼钢的推广应用，有着重要的意义。

Description

一种结构功能一体化高碳阻尼减振钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高碳阻尼减振钢及制备方法，属于结构功能一体化工程材料技术领域。
背景技术
随着科学技术的不断发展，人们对工作环境的要求也不断提高，而噪声作为工作中的常见污染源受到了日益受到人们的重视，因此开发出满足工作性能的减振材料成为当前材料发展的一个关键方向[文献一：杜国芳，单长吉，蔡彦，杨海涛．浅谈减振降噪材料[J]．科学技术创新，2018(32)：189-190]。海洋舰船中减振降噪是一项十分重要的任务，开发出具有减振性的高性能材料是一项亟待解决的问题。
目前减振降噪的思路主要可分为三类：一类是通过设计零部件或改变机械结构使得振动源与周围结构部件相隔离，以达到阻止振动向周围进行辐射传播的目的，或者使振动在传播前耗散掉，这样的设计势必会增加结构体积，使得成本提高 [文献二：李湘洲.减振合金(一)[J]. 金属世界，1995,(5):10-11]。第二类是在材料表面设计涂层，以达到不改变材料性能的前提下获得减振效果[文献三： Chen Yu gang,Zhu Qing yu,Zhai Jing yu.Experimental investigation on fatigue of blade specimen subjected toresonance and effect of a damping hard coating treatment[J]. Journal ofCentral South University,2021,28(2)]。第三类则是直接改变材料本身性能，或设计出新的结构材料，来同时满足使用要求和减振要求，降低生产成本，这是目前减振材料的主要设计思路[文献四：Jaydeep M. Karandikar, Christopher T. Value of information-based experimental design:Application to process damping in milling[J].Precision Engineering,2014,38:799-808]。
钢具有综合性能优良、生产成本低、应用范围广的特点，目前的结构材料仍以钢为主。经文献调研，舰船用泵的底座通常用Q235和Q345钢等碳结构钢作为结构材料，其阻尼内耗因子Q-1小于0.01，减振性能不好，需要找到其替换结构功能一体化钢材料[文献五：于学勇,刘立,杨莉,郭国林.减振铸铁、铁锰系合金和铁铬铝系合金的阻尼机制研究[J].热加工工艺,2016,45(04):79-80+83.]。铁磁性阻尼合金Fe-Cr系和Fe-Mn系合金是目前研究最多的减振材料，但由于其较高的合金含量导致焊接性较差且生产成本高[文献六：AlanMohamed, Mikhail Yu Zadorozhnyy, Dmitry Saveliev, Ivan Chudakov, IgorGolovin. Damping capacity, magnetic and mechanical properties of Fe-18Cralloy[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2020,494.文献七：BingnanQian, Huabei Peng, Yuhua Wen. A novel sandwich Fe-Mn damping alloy withferrite shell prepared by vacuum annealing[J]. Smart Materials andStructures,2018,27(4).]。铸铁中的石墨与基体的强度、弹性模量存在巨大的差异，所产生的应变不连续，受到周期应力的作用时，基体和石墨的界面上就会产生粘性流动以协调应变，从而消耗能量，产生内耗，所以铸铁减振性能优良。但由于石墨的强度、硬度和范性很低[文献八：何志，罗锡裕．铁－石墨材料的减振减摩性能[J] ．钢铁研究学报，1996(S1)：31-33.]，所以铸铁力学性能较差[文献九：王敬丰,魏文文,潘复生,汤爱涛,丁培道.金属阻尼材料研究的新进展及发展方向[J].材料导报,2009,23(13):15-19.]。如果利用钢而不是铸铁作为结构件，同时通过石墨化过程析出大量的石墨，钢在力学性能优良的同时，其减振性能就能大幅度提高，从而起到减振降噪的作用，满足使用需求。经文献调研发现，目前现有的铁基阻尼合金及阻尼钢种类较少，主要有以下几种：
（1）“一种具有高阻尼特性的铁基减振合金及其制备方法”（公布号：CN103966506A），“一种高阻尼铁基合金及其制备方法”（申请号：CN107574383A），“一种具备高导热特性的铁基高阻尼合金及其制备方法” （申请号：CN106756595A）这三篇专利中所发明的阻尼铁基合金，兼具高强度和高阻尼特性，但是其合金元素含量高，具有较高的生产成本。
（2）“一种含Nb复合型低合金阻尼钢及其制备方法”（申请号：CN107338401A），该发明中的钢合金元素含量少，机械性能优良，但其阻尼性能不够，满足不了高阻尼材料的要求。
（3）“阻尼钢及其制备方法”（申请号：CN112662942A），该发明的阻尼钢主要通过向钢中添加Mg元素，改善钢的阻尼性能，切削性能和力学性能。
以上几种发明的具体成份如表1，本发明的复相型高碳阻尼减振钢，具有优良的力学性能和减振性能，且合金元素种类少，含量低，生产成本低，便于回收，有利于产业化推广。经文献检索，未发现与本发明材料具有相同的组成成份，亦未发现与本发明相同的制备方法的相关报道。
表1
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发明内容
本发明提供一种高碳阻尼减振钢及其制备工艺。
一种高碳阻尼减振钢，其化学成分质量百分比为： C：≥1.2％，Si：1.5%-1.7％，Mn：0.20%-0.22％，Ni：2.15%-2.25％，Al：0.25%-0.27％，余量：Fe。
铸铁中加入的元素按照其各自对石墨化的作用差异，排列数序依次如下：铝、碳、硅、钛、镍、铜、铌、钨、锰、硫、铬、钒、铁、镁、硼。其中，铌为中性元素，其前面的为石墨化元素，后面的为反石墨化元素，各元素的位置离铌越远，其作用越强。因此，本发明从铸铁具有较好的减振性能但力学性能较差入手，本着降低成本的原则，设计如上合金成份。其中，碳和硅都是很强的石墨化元素，其中硅可以提高碳在铁之间的活度，提高共晶温度，缩小γ相区，使得共晶碳浓度左移。镍既可以促进石墨化，又能够作为软相提高基体塑韧性。锰作为碳化物形成元素，阻碍石墨化，但其能够与硫生成化合物夹杂MnS，抵消硫的强反石墨化作用，从而达到间接促进石墨化的目的。
本发明的另一方面是提供一种采用上述配方制备高碳阻尼减振钢的工艺，具体如下：
（1）按照所述高碳阻尼减振钢的化学组分进行配料，采用真空熔炼、重力铸造得到铸锭；
（2）对所述铸锭经高温均匀化后，采用控制轧制过程的温度进行轧制。具体步骤如下：工序1：将铸锭切割成板坯，加热到1150℃保温1.5-2.5小时进行均匀化处理，初轧温度为1080℃，先进行多道次粗轧，每道次轧制保持合适的下压量和轧制温度；工序2：工序2：进行多道次精轧，每次轧制保持合适的下压量和轧制温度，最终总下压量大于等于70%，即得到所需钢板；工序3：轧制完成后，立即将钢板放入预先准备好的740℃的退火炉中，进行随炉冷却至室温后取出；
（3）将轧板在750℃-850℃保温一段时间后进行炉冷处理，使轧板石墨化，即得到所述高碳阻尼减振钢。
进一步地，步骤（2）工序1所述的粗轧的轧制道次为3-5次，每道次压下量为4-20mm；粗轧截止温度为800℃。
进一步地，步骤（2）工序2所述精轧轧制道次为3-5次，每道次压下量为1-5mm，精轧初始温度为780℃，精轧截止温度为740℃。
有益效果：针对目前减振材料研究种类较少、成本较高、无法大批量应用于实际生产的现状，本发明高碳阻尼减振钢中加入了促进石墨化的元素Si、Ni、Al等，成分不含Co，Ni的使用量减少，大幅降低使用成本。组织中析出大量石墨，提高了材料的减振性能，经热处理后，使该材料具有较好的综合力学性能和减振性能。
附图说明
图1 实施例1中高碳阻尼减振钢在扫描电镜下的微观组织形貌照片；
图2a 实施例1中高碳阻尼减振钢中石墨的透射电镜组织示意图中抛光后石墨的形态；
图2b 实施例1中高碳阻尼减振钢中石墨的透射电镜组织示意图中进行FIB加工示意图；
图2c 实施例1中高碳阻尼减振钢中石墨的透射电镜组织示意图中透射下的组织示意图；
图2d 实施例1中高碳阻尼减振钢中石墨的透射电镜组织示意图中相应点的能谱图；
图3a 实施例1中高碳阻尼减振钢拉伸断口的低倍扫描图；
图3b 实施例1中高碳阻尼减振钢拉伸断口的高倍扫描图；
图4a 实施例1中高碳阻尼减振钢冲击断口的低倍扫描图；
图4b 实施例1中高碳阻尼减振钢冲击断口的高倍扫描图；
图5 实施例1中高碳阻尼减振钢振动速度频谱。
具体实施方式
以下结合实施例，示例性说明本发明。但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下的全部技术方案，因此不能理解为对本发明技术方案的限定。一些不偏离本发明构思的非实质性改动，例如相同或相似的成分或工艺微调等，均属本发明权利保护范围。
实施例1：
步骤一：一种高碳阻尼减振钢，钢中主要元素质量百分比含量为： C：1.2％，Si：1.6％，Mn：0.210％，Ni：2.2％，Al：0.260％，余量：Fe。按照上述的化学成份进行配料，采用真空感应炉进行熔炼，随后进行重力铸造制备出360kg钢铸锭。
步骤二：将制备好的铸锭经高温均匀化后进行热轧，具体如下：工序1：将铸锭切割成厚度60mm的板坯，加热到1150℃保温2小时，初轧温度为1080℃，先进行四道次粗轧，下压量依次为15，10，7，5mm，轧制温度依次为1080℃，1010℃，950℃，800℃，最终轧制成厚度为26mm的钢板；工序2：进行四道次精轧，下压量依次为4，3，3，2mm，轧制温度依次为780℃，770℃，760℃，740℃，最终轧制成11mm的钢板；工序3：轧制完成后，立即将轧板放入预先准备好的740℃的退火炉中，进行随炉冷却至室温后取出。
步骤三：将轧板在750℃保温12h后进行炉冷处理，使轧板石墨化，即得到所述高碳减振阻尼钢板。
采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜表征减振钢热处理态组织。图1为扫描电镜下减振钢热处理态组织，其组织为铁素体+珠光体+石墨，组织中大量的石墨沿着轧制方向呈直线分布的状态。为了更好的观察石墨组织，所以对试样进行聚焦离子束（FIB）纳米加工，然后用透射电镜观察石墨的细微结构。图2 a表示试样抛光后石墨的形态，石墨以颗粒状分布在基体中。图2b是图2a中石墨所处的位置经过聚焦离子束切割加工，焊接到铜环上。图2c为透射电镜下石墨和铁素体基体之间的界面，上部为铁素体基体，下部为石墨，石墨片高倍观察发现有多道 “划痕”。图2d为石墨区域图能谱图，其中铜的峰为铜环引起的，可见，石墨片中主要成分为碳。
对热处理钢板进行准静态拉伸测试、冲击功测试。测试结果为：抗拉强度674MPa，延伸率19.0%，室温冲击功59.6J。图3a、图3b为扫描电镜下钢的拉伸断口形貌，断口中有大量的韧窝。图4a、图4b为扫描电镜下钢的冲击断口形貌，断面有一定的分层现象，出现了大量弥散分布的“黑点”。
对热处理钢板进行阻尼性能测试。图5为高碳阻尼减振钢振动速度频谱, 根据振动速度频谱，按照半功率宽带法即可计算高碳阻尼减振钢的内耗因子Q-1,其结果为Q-1=0.0216。
实施例2：
步骤一：一种高碳阻尼减振钢，钢中主要元素质量百分比含量为： C：1.2％，Si：1.6％，Mn：0.210％，Ni：2.2％，Al：0.260％，余量：Fe。按照上述的化学成份进行配料，采用真空感应炉进行熔炼，随后进行重力铸造制备出360kg钢铸锭。
步骤二：将制备好的铸锭经高温均匀化后进行热轧，具体如下：工序1：将铸锭切割成厚度60mm的板坯，加热到1150℃保温2小时，初轧温度为1080℃，先进行四道次粗轧，下压量依次为15，10，7，5mm，轧制温度依次为1080℃，1010℃，950℃，800℃，最终轧制成厚度为26mm的钢板；工序2：进行四道次精轧，下压量依次为4，3，3，2mm，轧制温度依次为780℃，770℃，760℃，740℃，最终轧制成11mm的钢板；工序3：轧制完成后，立即将轧板放入预先准备好的740℃的退火炉中，进行随炉冷却至室温后取出。
步骤三：将轧板在810℃保温4h后进行炉冷处理，使轧板石墨化，即得到所述高碳减振阻尼钢板。
步骤四：对热处理钢板进行准静态拉伸测试、冲击功测试、阻尼性能测试。测试结果为：抗拉强度664MPa，延伸率17.7%，室温冲击功25.0J，内耗因子Q-1=0.0200。
实施例3：
步骤一：一种高碳阻尼减振钢，钢中主要元素质量百分比含量为：C：1.2％，Si：1.6％，Mn：0.210％，Ni：2.2％，Al：0.260％，余量：Fe。按照上述的化学成份进行配料，采用真空感应炉进行熔炼，随后进行重力铸造制备出360kg钢铸锭。
步骤二：将制备好的铸锭经高温均匀化后进行热轧，具体如下：工序1：将铸锭切割成厚度60mm的板坯，加热到1150℃保温2小时，初轧温度为1080℃，先进行四道次粗轧，下压量依次为15，10，7，5mm，轧制温度依次为1080℃，1010℃，950℃，800℃，最终轧制成厚度为26mm的钢板；工序2：进行四道次精轧，下压量依次为4，3，3，2mm，轧制温度依次为780℃，770℃，760℃，740℃，最终轧制成11mm的钢板；工序3：轧制完成后，立即将轧板放入预先准备好的740℃的退火炉中，进行随炉冷却至室温后取出。
步骤三：将轧板在850℃保温4h后进行炉冷处理，使轧板石墨化，即得到所述高碳减振阻尼钢板。
步骤四：对热处理钢板进行准静态拉伸测试、冲击功测试、阻尼性能测试。测试结果为：抗拉强度576MPa，延伸率15.6%，室温冲击功28.1J，内耗因子Q-1=0.0175。

Claims (4)

1.一种结构功能一体化高碳阻尼减振钢，其特征在于，其化学成分的质量百分比为： C≥1.2％，Si：1.5%-1.7％，Mn：0.20%-0.22％，Ni：2.15%-2.25％，Al：0.25%-0.27％，余量：Fe。
2.一种如权利要求1所述结构功能一体化高碳阻尼减振钢的制备方法，其特征在于具体工艺步骤如下：
1) 冶炼铸造工艺：真空熔炼和重力铸造方法；
2) 轧制工艺：对冶炼钢锭，经高温均匀化后进行轧制；
具体步骤如下：
工序1：将铸锭切割成板坯，加热到1150℃保温进行均匀化处理，初轧温度为1080℃，先进行多道次粗轧，每道次轧制保持合适的下压量和轧制温度；
工序2：进行多道次精轧，每次轧制保持合适的下压量和轧制温度，最终总下压量大于等于70%，即得到所需钢板；
工序3：轧制完成后，立即将轧板放入预先准备好的740℃的退火炉中，进行随炉冷却至室温后取出轧板；
3) 热处理工艺：将轧板在750℃-850℃保温一段时间后进行炉冷处理，使轧板石墨化，即得到所述高碳阻尼减振钢。
3.一种如权利要求2所述结构功能一体化高碳阻尼减振钢的制备方法，其特征在于步骤2）工序1所述的粗轧的轧制道次为3-5次，每道次压下量为4-20mm；粗轧截止温度为800℃。
4.一种如权利要求2所述结构功能一体化高碳阻尼减振钢的制备方法，其特征在于步骤2）工序2所述精轧轧制道次为3-5次，每道次压下量为1-5mm，精轧初始温度为780℃，精轧截止温度为740℃。
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CN115074636A (zh) * 2022-07-21 2022-09-20 北京科技大学 一种高碳阻尼减振钢的制备方法及其熔炼铸造装置

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