CN114657429B - 一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn‑Cu基合金材料及其制备方法。该高阻尼Mn‑Cu基合金材料的化学原子计量式为Mn_pCu_qAl_xZn_ySn_zSi_mNi_nFe_u。本发明选择Mn‑Cu作为基体并添加微量Al元素、Fe元素、Ni元素、Zn元素、Si元素、Sn元素等，制得Mn_pCu_qAl_xZn_ySn_zSi_mNi_nFe_u合金，具有宽应变振幅的阻尼平台(Q^‑1≥0.04)，且稳定性高，同时，将该合金材料用于制备动车组车窗窗框结构时，制备得到的动车组车窗结构的减振率和隔音量均得到了显著提升。

Description

一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料及其 制备方法

技术领域

本发明属于阻尼合金材料技术领域，具体涉及一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料及其制备方法和在制备具有降噪减振作用的框体结构中的应用。

背景技术

由于轨道交通装备的日渐高速化，振动与噪声作为高铁的一个重要指标越来越受到重视。在列车高速运行过程中，车体的振动及车外空气动力噪声通过车窗向车内传递，使得车内噪声增大，不但使自身的舒适性大打折扣，而且影响乘客的身心健康和工作效率。因此，车内环境舒适性和噪声问题急需解决。同时，有调查表明，将近50％以上的轨道交通故障是由运行过程中的振动和噪声引起的，从而严重地威胁到轨道交通装备的可靠性、稳定性和精密性。

为了解决轨道交通装备的振动和噪声问题，采用阻尼材料对列车车窗进行减振降噪成为了一项越来越受关注的研究领域。

阻尼合金是众多阻尼材料中重要的分支之一。金属根据阻尼能力的强弱可分为两类：一类是铝合金、铜合金、钛合金和钢等金属，其阻尼性能低(Q^-1≤10^-2)；另一类是Mg、Fe、Ni、Zn-Al、Mn-Cu等金属材料，它们的阻尼性能较高(Q^-1≥10^-2)。目前已开发的阻尼合金根据其阻尼机理的不同可分为四种类型，分别为复相型、铁磁型、位错型和孪晶型。

锰铜系(Mn-Cu)合金是最早研究的一类阻尼合金，具有良好的阻尼性能和力学性能。这类合金在较宽的应变振幅范围(10^-6-10^-2)内可维持较高的阻尼系数(Q^-1>10^-2)。Mn-Cu合金也是孪晶型阻尼合金的代表，由于相界与孪晶界的运动可使其内耗值达到0.02-0.12，应变振幅区间为0-1000×10^-6。由于其具有的高稳定性、宽应变振幅范围等优点，从而被深入研究。

近年来，新型Mn-Cu合金的开发进展较为缓慢，为了满足Mn-Cu阻尼合金在复杂工况下的使用要求，拓宽其运用范围，迫切需要研发具有成本低、制备方法简单、适合大规模生产且具有良好综合性能的Mn-Cu基合金。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料及其制备方法，制得的Mn-Cu基合金在宽应变振幅区间内具备高阻尼性能，并且本发明制备方法制备工艺简单，原料价格低；采用该合金材料制备得到的动车组车窗结构的减振率和隔音量均显著提升。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料，其化学原子计量式为Mn_pCu_qAl_xZn_ySn_zSi_mNi_nFe_u，其中，46≤p≤73，20≤q≤49，0≤x≤2，0≤y≤3，0≤z≤3，0≤m≤1，0≤n≤6，0≤u≤3。

进一步地，化学原子计量式中46＜p≤73，20≤q≤48，x＝0，y＝0，z＝0，m＝0，n＝5，u＝2。

进一步地，化学原子计量式中，p＝73，q＝20(Mn₇₃Cu₂₀Ni₅Fe₂)。

进一步地，化学原子计量式中46＜p≤73，20＜q≤48，x＝1.5，y＝3，z＝0或1，m＝0或1，n＝0，u＝0。

进一步地，化学原子计量式中p＝46.5，q＝49，x＝1.5，y＝3，z＝0，m＝0，n＝0，u＝0(Mn_46.5Cu₄₉Al_1.5Zn₃)。

进一步地，化学原子计量式中p＝46.5，q＝48，x＝1.5，y＝3，z＝0，m＝1，n＝0，u＝0(Mn_46.5Cu₄₈Al_1.5Zn₃Si₁)。

进一步地，化学原子计量式中p＝46.5，q＝48，x＝1.5，y＝3，z＝1，m＝0，n＝0，u＝0(Mn_46.5Cu₄₈Al_1.5Zn₃Sn₁)。

进一步地，化学原子计量式中46＜p≤73，20＜q≤48，x＝1.5，y＝0，z为0～3的整数，m、n和u取值均为0。

进一步地，化学原子计量式中p＝54.5，q＝43或44，x＝1.5，y＝0，z为0～3的整数，m、n和u取值均为0。

进一步地，化学原子计量式中p＝54.5，q＝44，x＝1.5，y＝0，z＝0，m、n和u取值均为0(Mn_54.5Cu₄₄Al_1.5)。

进一步地，化学原子计量式中p＝54.5，q＝43，x＝1.5，y＝0，z＝1，m、n和u取值均为0(Mn_54.5Cu₄₃Al_1.5Sn₁)。

进一步地，化学原子计量式中p＝54.5，q＝42，x＝1.5，y＝0，z＝2，m、n和u取值均为0(Mn_54.5Cu₄₂Al_1.5Sn₂)。

进一步地，化学原子计量式中p＝54.5，q＝41，x＝1.5，y＝0，z＝3，m、n和u取值均为0(Mn_54.5Cu₄₁Al_1.5Sn₃)。

上述高阻尼Mn-Cu基合金材料的制备方法为：按照Mn_pCu_qAl_xZn_ySn_zSi_mNi_nFe_u的化学计量比，将Mn、Cu、Si、Al、Zn、Ni、Fe和Sn单质放入真空感应熔炼炉中，抽真空后熔炼一段时间，充入氩气，在充氩条件下浇铸得到不同含量以及配比的Mn-Cu基的合金铸锭，对铸锭进行750℃-850℃的锻造热处理得到锻件。后进行高温固溶以及时效处理并空冷至室温，得到高阻尼Mn-Cu基合金。

进一步地，Mn、Cu、Si、Al、Zn、Ni、Fe和Sn单质的纯度均大于99.9％；抽真空为抽至真空度小于4.5×10^-3Pa；氩气的纯度为99.99％

进一步地，熔炼的时间为20-40min。

进一步地，对熔炼出的铸锭进行750℃-850℃的锻造热处理。

进一步地，固溶处理的温度为800-910℃，时间为0-4h。

进一步地，时效处理的温度为400-600℃，时间为0-16h。

上述高阻尼Mn-Cu基合金材料，或制备方法制备得到的高阻尼Mn-Cu基合金材料在制备具有降噪减振作用的框体结构中的应用。

本发明的有益效果：

1、本发明选择Mn-Cu作为基体并添加微量Si元素、Sn元素等，制得Mn_pCu_qAl_xZn_ySn_zSi_mNi_nFe_u合金，其原料价格低，制备工艺简单，可以实现大规模生产。对制备得到的Mn_pCu_qAl_xZn_ySn_zSi_mNi_nFe_u合金进行阻尼测试表明，添加Si元素和Sn元素的样品都具有宽应变振幅的阻尼平台(Q^-1≥0.04)，且稳定性高。而且，Mn_pCu_qAl_xZn_ySn_zSi_mNi_nFe_u合金由于采用了微合金化处理，使FCC-FCT转变的相变温度高于室温，并触发了更多的FCT马氏体形成，从而保证该合金在室温下具有优异的阻尼性能。

2、采用本申请技术方案制备得到的合金材料制备的动车组车窗窗框结构的振动能量级相对于普通铝合金车窗有了明显降低，特别是在中高频程时，振动能量级降低更为显著，从而使车窗窗框结构隔振和隔声效果显著。此外，采用本申请合金材料制备得到的车窗窗框再与原有的橡胶相配合，可显著提升动车组车窗窗框的减振率和隔音量。

附图说明

图1为Mn₇₃Cu₂₀Ni₅Fe₂、Mn_46.5Cu₄₉Al_1.5Zn₃、Mn_46.5Cu₄₈Al_1.5Zn₃Si₁、Mn_46.5Cu₄₈Al_1.5Zn₃Sn₁合金的内耗曲线；

图2为Mn_54.5Cu₄₄Al_1.5、Mn_54.5Cu₄₃Al_1.5Sn₁、Mn_54.5Cu₄₂Al_1.5Sn₂、Mn_54.5Cu₄₁Al_1.5Sn₃合金的内耗曲线；

图3为Mn_54.5Cu₄₄Al_1.5、Mn_54.5Cu₄₃Al_1.5Sn₁、Mn_54.5Cu₄₂Al_1.5Sn₂、Mn_54.5Cu₄₁Al_1.5Sn₃相对模量系数曲线；

图4为Mn₇₃Cu₂₀Ni₅Fe₂合金所制作的动车车窗窗框结构与铝合金制作的动车车窗窗框结构的振动能量级曲线。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料，该Mn-Cu基合金的化学式为Mn₇₃Cu₂₀Ni₅Fe₂，其制备方法如下：

按照Mn₇₃Cu₂₀Ni₅Fe₂的化学计量比，将Mn、Cu、Ni和Fe单质放入真空感应熔炼炉中，并抽真空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入高纯氩气进行熔炼，为保证合金成分均匀，熔炼40min，后浇铸得到铸锭。对铸锭进行750℃的锻造热处理得到锻件。锻件经900℃高温固溶处理1h后空冷至室温，再经435℃时效处理4h后空冷至室温，最终得到Mn-Cu基阻尼合金。

采用多功能内耗仪(型号MFP1000)对制备得到的该Mn-Cu基阻尼合金样品进行内耗测试，测试过程中选用1.5×1.5×40mm条状样品，频率为1Hz，应变振幅为0-1000×10^-6，其结果如图1所示。

从图1中可以看出，Mn₇₃Cu₂₀Ni₅Fe₂合金的阻尼性能与应变振幅呈成正相关关系，但阻尼性能较低而且对应变振幅不敏感。在Q^-1＝400×10^-6时，其内耗值为Q^-1≈0.010。

实施例2

一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料，该Mn-Cu基合金的化学式为Mn_46.5Cu₄₉Al_1.5Zn₃，其制备方法如下：

按照Mn_46.5Cu₄₉Al_1.5Zn₃的化学计量比，将Mn、Cu、Al和Zn单质放入真空感应熔炼炉中，并抽真空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入高纯氩气进行熔炼，为保证合金成分均匀，熔炼40min，后浇铸得到铸锭。对铸锭进行800℃的锻造热处理得到锻件。锻件经830℃高温固溶处理2h后空冷至室温，再经400℃时效处理3h后空冷至室温，最终得到Mn-Cu基阻尼合金。

对制备得到的该Mn-Cu基阻尼合金样品进行内耗测试(测试过程同实施例1)，其结果如图1所示。

从图1中可以看出，Mn_46.5Cu₄₉Al_1.5Zn₃合金的阻尼性能与应变振幅呈成正相关关系，但阻尼性能较低而且对应变振幅不敏感。在Q^-1＝400×10^-6时，其内耗值为Q^-1≈0.016。

实施例3

一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料，该Mn-Cu基合金的化学式为Mn_46.5Cu₄₈Al_1.5Zn₃Si₁，其制备方法如下：

按照Mn_46.5Cu₄₈Al_1.5Zn₃Si₁的化学计量比，将Mn、Cu、Al、Zn和Si单质放入真空感应熔炼炉中，并抽真空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入高纯氩气进行熔炼，为保证合金成分均匀，熔炼40min，后浇铸得到铸锭。对铸锭进行760℃的锻造热处理得到锻件。锻件经830℃高温固溶处理2h后空冷至室温，再经400℃时效处理3h后空冷至室温，最终得到高阻尼Mn-Cu基合金。

对制备得到的该Mn-Cu基阻尼合金样品进行了内耗测试(测试过程同实施例1)，其结果如图1所示。

从图1中可以看出，Mn_46.5Cu₄₈Al_1.5Zn₃Si₁合金的阻尼性能与应变振幅呈成正相关关系。在Q^-1＝400×10^-6时，其内耗值为Q^-1≈0.072，相对于相同热处理条件下的Mn-Cu-Al-Zn合金，内耗值增加约350％。

实施例4

一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料，该Mn-Cu基合金的化学式为Mn_46.5Cu₄₈Al_1.5Zn₃Sn₁，其制备方法如下：

按照Mn_46.5Cu₄₈Al_1.5Zn₃Sn₁的化学计量比，将Mn、Cu、Al、Zn和Sn单质放入真空感应熔炼炉中，并抽真空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入高纯氩气进行熔炼，为保证合金成分均匀，熔炼40min，后浇铸得到铸锭。对铸锭进行850℃的锻造热处理得到锻件。锻件经830℃高温固溶处理2h后空冷至室温，再经400℃时效处理3h后空冷至室温，最终得到高阻尼Mn-Cu基合金。

对制备得到的该Mn-Cu基阻尼合金样品进行了内耗测试(测试过程同实施例1)，其结果如图1所示。

从图1中可以看出，Mn_46.5Cu₄₈Al_1.5Zn₃Sn₁合金阻尼性能随着应变振幅的升高而增大。在Q^-1＝400×10^-6时，其内耗值为Q^-1≈0.061，相对于相同热处理条件下的Mn-Cu-Al-Zn合金，内耗值增加约280％

实施例5

一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料，该Mn-Cu基合金的化学式为Mn_54.5Cu₄₄Al_1.5，其制备方法如下：

按照Mn_54.5Cu₄₄Al_1.5的化学计量比，将Mn、Cu和Al单质放入真空感应熔炼炉中，并抽真空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入高纯氩气进行熔炼，为保证合金成分均匀，熔炼40min，后浇铸得到铸锭。对铸锭进行820℃的锻造热处理得到锻件。锻件经850℃高温固溶处理2h后空冷至室温，再经410℃时效处理4h后空冷至室温，最终得到Mn-Cu基阻尼合金。

对制备得到的该Mn-Cu基阻尼合金样品进行了内耗测试(测试过程同实施例1)和模量系数测试。模量系数测试所用仪器和实验条件与阻尼性能测试相同，实验所得模量为合金的相对模量系数，相对模量系数最低点所在的温度代表Mn-Cu合金的FCC-FCT转变温度(T_t)，其结果分别如图2和图3所示。

从图2中可以看出，Mn_54.5Cu₄₄Al_1.5合金的阻尼性能与应变振幅呈成正相关关系，但阻尼性能较低。在Q^-1＝400×10^-6时，其内耗值为Q^-1≈0.020。如图3所示，Mn_54.5Cu₄₄Al_1.5合金试样的T_t温度在-9.9℃附近，远低于室温。

实施例6

一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料，该Mn-Cu基合金的化学式为Mn_54.5Cu₄₃Al_1.5Sn₁，其制备方法如下：

按照Mn_54.5Cu₄₃Al_1.5Sn₁的化学计量比，将Mn、Cu、Al和Sn单质放入真空感应熔炼炉中，并抽真空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入高纯氩气进行熔炼，为保证合金成分均匀，熔炼40min，后浇铸得到铸锭。对铸锭进行800℃的锻造热处理得到锻件。锻件经850℃高温固溶处理2h后空冷至室温，再经410℃时效处理4h后空冷至室温，最终得到Mn-Cu基阻尼合金。

对制备得到的该Mn-Cu基阻尼合金样品进行了内耗测试(测试过程同实施例1)和模量系数测试(测试过程同实施例5)，其结果分别如图2和图3所示。

从图2中可以看出，Mn_54.5Cu₄₃Al_1.5Sn₁合金的阻尼性能与应变振幅呈成正相关关系，而在高应变区段阻尼增加缓慢。在Q^-1＝400×10^-6时，其内耗值为Q^-1≈0.076，相对于未添加Sn元素的Mn-Cu-Al基合金，内耗值增加约760％。

对比图3，Mn_54.5Cu₄₃Al_1.5Sn₁合金出现了明显的模量软化行为，该合金试样的T_t温度在51.9℃附近，Sn元素的添加使该合金的相变温度T_t获得显著提高，增大了相变过冷度，从而促使降温时获得更多的FCT相，保证室温下该合金具有宽应变振幅区间(400×10^-6-1000×10^-6)的高阻尼平台(Q^-1≥0.06)。

实施例7

一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料，该Mn-Cu基合金的化学式为Mn_54.5Cu₄₂Al_1.5Sn₂，其制备方法如下：

按照Mn_54.5Cu₄₂Al_1.5Sn₂的化学计量比，将Mn、Cu、Al和Sn单质放入真空感应熔炼炉中，并抽真空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入高纯氩气进行熔炼，为保证合金成分均匀，熔炼40min，后浇铸得到铸锭。对铸锭进行850℃的锻造热处理得到锻件。锻件经850℃高温固溶处理2h后空冷至室温，再经410℃时效处理4h后空冷至室温，最终得到Mn-Cu基阻尼合金。

对制备得到的该Mn-Cu基阻尼合金样品进行了内耗测试(测试过程同实施例1)和模量系数测试(测试过程同实施例5)，其结果分别如图2和图3所示。

从图2中可以看出，Mn_54.5Cu₄₂Al_1.5Sn₂合金的阻尼性能与应变振幅呈成正相关关系，而在高应变区段阻尼增加缓慢。在Q^-1＝400×10^-6时，其内耗值为Q^-1≈0.057，相对于未添加Sn元素的Mn-Cu-Al基合金，内耗值增加约600％。

对比图3，Mn_54.5Cu₄₂Al_1.5Sn₂合金的T_t温度在41.1℃附近，相对于Mn_54.5Cu₄₄Al_1.5合金，该合金的相变温度T_t获得显著提高，为更多的FCT马氏体的形成创造了条件，保证室温下该合金具有宽应变振幅区间(500×10^-6-1000×10^-6)的高阻尼平台(Q^-1≥0.05)。

实施例8

一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料，该Mn-Cu基合金的化学式为Mn_54.5Cu₄₁Al_1.5Sn₃，其制备方法如下：

按照Mn_54.5Cu₄₁Al_1.5Sn₃的化学计量比，将Mn、Cu、Al和Sn单质放入真空感应熔炼炉中，并抽真空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入高纯氩气进行熔炼，为保证合金成分均匀，熔炼40min，后浇铸得到铸锭。对铸锭进行800℃的锻造热处理得到锻件。锻件经850℃高温固溶处理2h后空冷至室温，再经410℃时效处理4h后空冷至室温，最终得到Mn-Cu基阻尼合金。

对制备得到的该Mn-Cu基阻尼合金样品进行了内耗测试(测试过程同实施例1)和模量系数测试(测试过程同实施例5)，其结果分别如图2和图3所示。

从图2中可以看出，Mn_54.5Cu₄₁Al_1.5Sn₃金的阻尼性能与应变振幅呈成正相关关系，而在高应变区段阻尼增加缓慢。在Q^-1＝400×10^-6时，其内耗值为Q^-1≈0.039。

对比图3，Mn_54.5Cu₄₁Al_1.5Sn₃合金出现了明显的模量软化行为，该合金试样的T_t温度在48.5℃附近，为更多的FCT马氏体的形成创造了条件，但伴随着Sn含量的增加，该合金阻尼性能相对于Mn_54.5Cu₄₃Al_1.5Sn₁有着明显的降低。

实施例9

将本申请实施例1制备得到的合金材料支撑动车车窗窗框结构，并对其进行相应的振动能量级测试，其结果见图4。

如图4所示，Mn₇₃Cu₂₀Ni₅Fe₂合金车窗窗框的振动能量级相对于普通铝合金车窗有了明显降低，特别是在中高频程时，振动能量级降低更为显著。表明采用该合金材料制备得到的窗框具有很好的减振吸能作用，可以有效的降低动车组在高速运行过程中车窗出现的振动，也能够起到良好的隔音效果。

需要说明的是，本实施例仅选用了本申请技术方案制备得到的实施例1的产品，而采用本申请技术方案制备得到的与实施例1合金材料性质接近或相同的合金材料在应用动车组上时，其也能发挥与实施例1的合金材料相同的效果。

Claims (4)

1.一种用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料，其特征在于，其化学原子计量式为Mn_pCu_qAl_xZn_ySn_zSi_mNi_nFe_u，其中，p＝46.5，q＝48或49，x＝1.5，y＝3，z＝0，m＝1，n＝0，u＝0。

2.权利要求1所述用于制备动车车窗窗框的高阻尼Mn-Cu基合金材料的制备方法，其特征在于，按材料的化学原子计量将Mn、Cu、Si、Al、Zn、Ni、Fe和Sn单质置于保护气体环境中真空熔炼20-40min后，将其制成Mn-Cu合金铸锭，再于750℃-850℃对合金铸锭进行锻造热处理，然后再进行固溶处理和时效处理，最后冷却至室温即可。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为800～910℃，时间为0～4h；所述时效处理的温度为400～600℃，时间为0～16h。

4.权利要求1所述的高阻尼Mn-Cu基合金材料，或权利要求2或3所述制备方法制得的高阻尼Mn-Cu基合金材料在制备具有降噪减振作用的框体结构中的应用。

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