CN116144972A - 一种阻尼铜合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种阻尼铜合金材料，其质量百分比组成包括：铁：1.0～6.0％；镍:0.5～6.5％；锰:40～70％；铝：0.5～6.5％；锌:0.5‑3.5％，磷:0.5‑1.5％，余量为铜和不可避免的杂质；其制备步骤包括：配料(纯Cu、Cu‑Fe中间合金、纯镍、纯锌、纯锰)—熔化—保温—降温—Cu‑P中间合金和纯铝熔化—保温—浇注成型；本发明通过添加强化元素铁、磷、镍等，在保持材料高强度和高延伸率的同时，还能保持优异的阻尼减振效果，适用于机械、装备、航天、交通等领域的减振部件、精密仪器减振垫片、铁路桥梁等阻尼桩等。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属材料技术领域，具体涉及一种阻尼铜合金材料及其制备方法。
背景技术
随着现代科技水平的不断发展，各种设备装备日趋高速化和大功率化，减震、降噪的需求变得越来越重要和迫切。例如，高速电子设备中产生的宽频带随机激振会引起结构的多共振峰响应，从而使电子器件失效，仪器仪表失灵，严重时甚至造成灾难性后果。据统计，在机器制造业中，近80％的事故和设备的损坏是由共振造成。火箭、卫星失效分析表明，约2/3的故障与振动和噪音有关。飞机在长期使用过程中由于振动的影响，常出现方向舵、机尾罩萌生裂纹、空速管断裂、天线的精度下降、座舱噪音等问题，严重影响着其可靠性和寿命。汽车的传动装置、动力装置受震动的影响也很明显，直接影响到驾驶速度和汽车的使用寿命以及驾驶员的生命安全。降低舰艇尤其是潜艇的噪声可减少被敌方声纳发现的机会。振动和噪声问题不仅影响机械设备和军事设备的安全性、隐蔽性、精度和使用寿命，对人们的身心健康也有很大危害，造成严重的环境污染问题。
噪声所造成的污染和危害越来越受到人们的重视。由此也对阻尼材料的减振、降噪性能提出了更高的要求。在汽车工业中，阻尼材料的使用增强了汽车的密闭性，降低振动，减少噪音，提高了轿车的舒适性；在建筑工程中，阻尼材料的应用，一方面可以降低风振带来的危害，另一方面可以使建筑物的固有周期与地地震周期发生偏移，从而将这些自然危害降低到最小，保证了人们的生命财产安全；在机械工业中，采用阻尼材料可以最大限度地降低机械噪声和减轻机械振动，使其平稳、安静地运转，提高工作效率，延长设备的使用寿命；在兵器工业中，坦克传动部分(变速箱、传动箱)的振动是一个复杂振动，频率范围较宽，高性能阻尼锌铝合金和减振耐磨表面熔敷材料技术的应用，大大减轻了主战坦克传动部分产生的振动和噪声；在现代航天、航空工业中，阻尼材料主要用于制造火箭、导弹、喷气机等控制盘或陀螺仪的外壳，阻尼材料的使用，可以提高卫星、航天飞船发回信息的准确性和导弹命中的精确性，目前已被广泛应用于航天仪表中；在舰船领域中，阻尼材料用于制造推进器、传动部件和舱室隔板，有效地降低了来自于机械零件啮合过程中表面碰撞产生的振动和噪声。阻尼材料可在不改变舰船原有设计和设备的条件下进行有效减振降噪，从而可使舰船有效避开雷达和声纳的远程探测。显然，减振降噪成为材料研究及装备制造部门学者迫切需要解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的发明者们通过大量的研究和实验确认，通过在铜基体中引入强化元素P，并通过固溶时效热处理后得到大量的孪晶组织，利用孪晶界面间的滑移驰豫从而将机械振动能转化为热能而耗散掉的新型金属功能材料。
本发明提供一种具有优异减振阻尼和力学性能的铜合金材料及其制备方法，使其用于机械、装备、航天、交通等领域。
具体的说，本发明的第一方面，是提供一种阻尼铜合金材料，所述的阻尼铜合金材料，组成按质量百分比计包括：铁(Fe)：1.0～6.0％；镍(Ni):0.5～6.5％；锰(Mn):40～70％；铝(Al)：0.5～6.5％；锌(Zn):0.5-3.5％，磷(P):0.5-1.5％，余量为铜和不可避免的杂质。
进一步地，所述不可避免的杂质的质量百分比总计≤0.5％。
进一步地，强化元素磷(P)的作用不得不加以考虑，其含量控制在0.5-1.5％。
本发明的阻尼合金属于孪晶型阻尼合金，合金中与热弹性马氏体相变有关的相变孪晶晶界或母相与马氏体的相界，在振动外应力的作用下发生移动产生非弹性应变而使应力松弛，从而将外加振动能以热能耗散，形成对振动的阻尼衰减。由此可以看出，任何有助于孪晶晶界数量的增多及不对孪晶晶界移动产生阻力的措施均可以提高材料的阻尼性能。因此强化元素P的作用不得不加以考虑，一方面该元素在是铜合金的有效脱氧剂，元素磷的加入，能提高合金的强度、硬度、弹性极限、弹性模量和疲劳强度，改善耐蚀性能和铸造时的流动性；另一方面，由于会形成在组织中会出现铜与铜的磷化物(Cu3P)，能起到细化晶粒，提高材料力学性能，同时，P在铜中的加入量不宜过高，这样可以避免尽量少析出相分布在晶界上。
本发明第二方面，是提供了本发明第一方面所述的阻尼铜合金材料的制备方法，主要为非真空熔铸添加合金元素的制备工艺，包括：先按照配比称取纯Cu、Cu-Fe中间合金、Cu-P中间合金、纯镍、纯锌、纯铝、纯锰，使用非真空感应炉熔炼。
具体步骤包括：(1)备料：按照质量配比取纯Cu、Cu-Fe中间合金、Cu-P中间合金、纯镍、纯锌、纯铝、纯锰作为原料，将非真空感应炉和原料烘干；(2)熔炼：将取纯Cu、Cu-Fe中间合金、纯镍、纯锌、纯锰置于石墨坩埚采用非真空感应炉进行熔炼，其中，先加入复合盐覆盖剂(如专利CN101817066B公开的铜合金熔炼用覆盖剂，采用氯化钙、氯化钾等混合物制成的复合盐作为覆盖剂)加热至1150℃～1180℃，保温1～1.5h后降温至1130℃～1150℃，加入Cu-P中间合金和纯铝保温20～45min，待合金全部融化后调低温度降至1100℃～1150℃时，随后浇注成型。
在本发明中，所使用主要原材料的规格如下：纯铜块，T1或T2级，纯度≥99.9wt.％；纯镍块，纯度≥99.9wt.％；纯锌块，纯度≥99.9wt.％；纯铝块，纯度≥99.9wt.％；纯锰块，纯度≥99.9wt.％。采用Cu-P中间合金(优选Cu-5P中间合金)，采用Cu-Fe中间合金(优选Cu-5Fe中间合金)，辅助原材料为复合盐覆盖剂。Zn、P、Al等元素都极易在空气中烧损，熔炼过程中金属烧损率为Zn:3％、P:10％、Al:10％。
铝、镍以及具有脱氧和强化作用磷和元素的加入，一方面形成金属间化合物随着时效处理后析出通过阻止位错的迁移进而提高材料的强度，而铁元素由于在铜中具备了析出强化作用，所以一方面在凝固过程中作为外来形核核心提高凝固组织的形核速率，从而细化晶粒；另一方面在随后的热处理及时效过程中，会以强化相的形式析出，分布于晶内或晶界上，存在于晶界上的析出相则对材料的阻尼性能存在不利的影响，因此其添加量不宜过大。
本发明的有益技术效果：
1、本发明通过添加强化元素，采用固溶强化时效工艺得到的一种阻尼铜合金材料，可以获得较为优异的阻尼性能，并保持较高的强度和较好的延伸率；
2、本发明所得到的阻尼铜合金材料，其抗拉强度500-670MPa，延伸率最高可以达到40％，其阻尼系数最高可以达到S.D.C：45％，内耗值Q-1：1.19-1.75x10-2；
3、本发明与非金属类阻尼材料橡胶相比，具有较高的强度和寿命；与弹簧类阻尼装置相比，具有较高的强度和体积，同时也因为其具有较高的强度，可以同时作为结构件使用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
其生产工艺流程方法为：
(1)配料：按照质量比取纯铜(如选用T1或T2牌号)，取纯Cu、Cu-Fe中间合金、Cu-P中间合金、纯镍、纯锌、纯锰、纯铝作为原料。
(2)熔炼：将纯铜块、Cu-Fe中间合金、纯镍、纯锌、纯锰一起放入非真空感应炉中，加热至1150℃～1180℃，保温1～1.5h后降温至1130℃～1150℃，加入Cu-P中间合金和纯铝保温20～45min，待合金全部融化后调低温度降至1120℃时，随后浇注成型。
实施例1
具体的过程为：按照表1成分配料,磷(P)：0.5-1.5％。
表1一种阻尼铜合金材料的成分组成(wt.％)
将纯铜块、Cu-Fe中间合金、纯镍、纯锌、纯锰一起放入非真空感应炉中，加热至1150℃，保温1h后降温至1130℃，加入Cu-P中间合金和纯铝保温20min，待合金全部融化后调低温度降至1100℃时，随后浇注成型。所制备的成品性能如表2所示。
表2实施例性能
实施例2
具体的过程为：按照表3成分配料,磷(P)：0.5-1.5％。
表3一种阻尼铜合金材料的成分组成(wt.％)
将纯铜块、Cu-Fe中间合金、纯镍、纯锌、纯锰一起放入非真空感应炉中，加热至1180℃，保温1.5h后降温至1160℃，加入Cu-P中间合金和纯铝保温45min，待合金全部融化后调低温度降至1140℃时，随后浇注成型。所制备的成品性能如表4所示。
表4实施例性能
实施例3
具体的过程为：按照表5成分配料,磷(P)：0.5-1.5％。
表5一种阻尼铜合金材料的成分组成(wt.％)
将纯铜块、Cu-Fe中间合金、纯镍、纯锌、纯锰一起放入非真空感应炉中，加热至1160℃，保温1.4h后降温至1140℃，加入Cu-P中间合金和纯铝保温40min，待合金全部融化后调低温度降至1120℃时，随后浇注成型。所制备的成品性能如表6所示。
表6实施例性能
实施例中材料性能变化的因素在于合金制备工艺参数的差别和成分的变化。
本发明通过添加铁、镍、锌、锰以及磷等合金元素，最终获得了良好的阻尼性能的铜合金材料。
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种阻尼铜合金材料，其特征在于，所述材料组成按质量百分比计包括：铁：1.0～6.0％；镍:0.5～6.5％；锰:40～70％；铝：0.5～6.5％；锌:0.5-3.5％，磷:0.5-1.5％，余量为铜和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种阻尼铜合金材料，其特征在于，所述不可避免的杂质的质量百分比总计≤0.5％。
3.根据权利要求1所述的一种阻尼铜合金材料材料，其特征在于，强化元素磷(P)的作用不得不加以考虑，其含量控制在0.5-1.5％。
4.一种权利要求1-3任一所述一种阻尼铜合金材料的制备方法，包括步骤：
(1)备料：按照质量配比取纯Cu、Cu-Fe中间合金、Cu-P中间合金、纯镍、纯锌、纯铝、纯锰作为原料，将非真空感应炉和原料烘干；
(2)熔炼：将取纯Cu、Cu-Fe中间合金、纯镍、纯锌、纯锰置于石墨坩埚采用非真空感应炉进行熔炼，其中，先加入复合盐覆盖剂，加热至1150℃～1180℃，保温1～1.5h后降温至1130℃～1150℃，加入Cu-P中间合金和纯铝保温20～45min，待合金全部融化后调低温度降至1100℃～1150℃时，随后浇注成型。
5.根据权利要求4所述的制备方法，所述的覆盖剂为，采用氯化钙、氯化钾混合物制成的复合盐。
6.根据权利要求4所述的制备方法，所述原料的规格如下：纯铜块，纯度≥99.9wt.％；纯镍块，纯度≥99.9wt.％；纯锌块，纯度≥99.9wt.％；纯铝块，纯度≥99.9wt.％；纯锰块，纯度≥99.9wt.％。
7.根据权利要求6所述的制备方法，采用Cu-P中间合金，采用Cu-Fe中间合金，辅助原材料为复合盐覆盖剂。Zn、P、Al等元素都极易在空气中烧损，熔炼过程中金属烧损率为Zn:3％、P:10％、Al:10％。
8.根据权利要求7所述的制备方法，采用Cu-P中间合金为Cu-5P中间合金，采用Cu-Fe中间合金为Cu-5Fe中间合金。
9.根据权利要求7所述的制备方法，Zn、P或Al元素都极易在空气中烧损，熔炼过程中金属烧损率为Zn:3％、P:10％、Al:10％。
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