DE69125473T2 - Hochfeste legierung mit hoher dämpfung - Google Patents
Hochfeste legierung mit hoher dämpfungInfo
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Description
- Diese Erfindung betrifft eine vibrationsdämpfende Legierung von hoher Festigkeit, welche eine hohe Schwingungsdämpfungsfähigkeit hat, und welche verwendet werden kann, um Komponenten von Strukturen, Maschinen etc. herzustellen und deren Schwingung und den dadurch erzeugten Lärm effektiv zu reduzieren.
- Schwingungen und Lärm, welche in unserer Lebensumgebung auftreten, sind als einer der Gründe von öffentlichem Ärgernis festgestellt worden. Eine Zunahme bei der bei einer Präzisionsmaschine geforderten Genauigkeit hat zu der Notwendigkeit Veranlassung gegeben, Mittel hervorzubringen, um die Schwingung der Maschine selbst zu verhindern. Einer der Ansätze, welche bisher ergriffen worden sind, um mit diesen Problemen und Erfordernissen zurechtzukommen, ist es ein Material mit einer hervorragend hohen Schwingungsdämpfungsfähigkeit (ein schwingungsdämpfendes Material) zum Herstellen von jedweder Komponente zu verwenden, die eine Schwingungsquelle ist.
- Es sind eine Anzahl von Legierungen entwickelt worden, welche makroskopisch gleichförmig sind und eine hohe Schwingungsdämpfungsfähigkeit haben. Die Hauptbeispiele davon sind Flockengraphitgußeisen, einige auf Eisen basierende Legierungen, eine Ng-Ni-Legierung, Cu-Mn- Legierungen und eine Ni-Ti-Legierung. Von der auf Eisen basierenden Legierung kann gesagt werden, daß sie von den Standpunkten von Festigkeit und Kosten praktisch das beste Material für jedwede Teile ist, die in einer großen Zahl verwendet werden.
- Die bekannten auf Eisen basierenden Legierungen enthalten eine Fe-Al-Legierung, wie in der japanischen Patentveröffentlichung No. 803/1977 vorgeschlagen. Von dieser Legierung wird beansprucht, daß sie eine hohe Schwingungsdämpfungsfähigkeit hat, wenn sie 2 bis 8% A1 enthält. Die japanische Patentveröffentlichung No. 28982/1981 schlägt eine auf Eisen basierende Legierung vor, die 0,4 bis 4% Si und 1,0 bis 1,5% Mn enthält und eine Ferritkorngrößenzahl von 5 oder darunter hat, und stellt fest, daß das Si und Mn, welches sie enthält, N fixiert, um jedwedes Hindernis für die Bewegung von Schwingungsenergie absorbierenden Versetzungen zu eliminieren.
- Die JP-A-51-6119 beschreibt eine Legierung vom Fe-Al-Typ, welche unter anderem Mengen von 0,1-12% Al und 0-4% Si aufweist. Spezifische Beispiele enthalten: 5,97% Al, 0,55% Si und 0,014% C; 0,66% Al, 8,10% W, 2,89% Mo, 2,09% Si, 2,21% Ge, 2,20% Mn und 0,018% C; 0,55% Al, 8,08% Ta, 1,76% Nb, 1,77% V, 2,50% Si, 1,88% Ge, 2,58% Mn und 0,018% C; bzw. 0,14% Al, 8,54% W, 2,05% Mo, 8,81% Ta, 2,44% Nb, 2,61% V, 2,89% Si, 1,58% Ge, 1,61% Mn und 0,016% C. Diese Legierungen werden für Kompressorteile verwendet.
- Die schwingungsdämpfenden Eigenschaften der hiervor beschriebenen bekannten Legierungen sind jedoch nicht notwendigerweise zufriedenstellend für die neuen Erfordernisse, welche ein sehr hohes Maß an Schwingungsdämpfung verlangen.
- Unter diesen Umständen habe ich, der Erfinder dieser Erfindung herausgefunden, daß eine durch Zugabe eines spezifischen Anteils von Al oder Si oder insbesondere beidem zu Fe hergestellte Legierung eine hervorragend hohe Schwingungsdämpfungsfähigkeit zeigt, welche bisher nicht möglich gewesen ist.
- Die schwingungsdämpfende Legierung dieser Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert.
- Figuren 1 bis 5 sind Diagramme, die die Bereiche der Anteile von Al und Si in der Legierung dieser Erfindung definieren; und
- Figur 6 ist ein Diagramm, das die Umrißlinien der Werte der inneren Reibungzeigt, wie sie für Fe-Al-Si- Legierungen festgestellt wurden.
- Das folgende ist eine Erläuterung der Gründe für die bei der Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung vorgenommenen Beschränkungen.
- Die meisten der auf Eisen beruhenden vibrationsdämpfenden Legierungen beruhen für die Absorption von Vibrationsenergie auf der magneto-mechanischen Hysterese, die aus der irreversiblen Bewegung von Wänden magnetischer Bezirke durch Schwingung resultiert. Diese Charakteristik steht in enger Beziehung zu den magnetischen Eigenschaften der Legierung. Auf der anderen Seite ist bekannt, daß die magnetischen Eigenschaften, so wie die Permeabilität, der ternären Fe-Al-Si-Legierungen charakteristisch mit deren Verschiedenheit in der Zusammensetzung variieren, wie es, zum Beispiel, berichtet wurde von Yamamoto in Collection of Papers of The Society of Electrical Engineering, Vol 5 (1944), Seite 175. Die Werte der inneren Reibung (Q&supmin;¹) von diesen Legierungen wurde als ein Maß von deren Vibrationsdämpfungseigenschaften bestimmt, und es wurden die Resultate erhalten, wie sie in Figur 6 gezeigt sind. Es ist daraus offensichtlich, daß der Zusatz von spezifischen Anteilen von Al und Si zu Fe so hohe Vibrationsdämpfungseigenschaften ermöglicht, wie sie durch die Zugabe von nur einem von diesen nicht erhalten werden können.
- Die Vibrationsdämpfungslegierungen werden fast ausschließlich zum Herstellen von strukturellen Elementen oder Komponenten von Maschinen verwendet, und es wird als solches von ihnen gefordert, daß sie zumindest den minimalen Festigkeitswert besitzen, wie er durch die JIS spezifiziert ist. Dies ist der Grund, warum diese Erfindung definiert, daß die Legierung mindestens 1 Gew.-% Al enthält. Daher wurden die Tests, von welchen die Resultate in Figur 6 gezeigt sind, an Legierungen ausgeführt, die ungefähr 1,2 Gew.-% Mn enthalten, ausschließlich solcher, die 1 Gew.-% oder weniger Al enthalten.
- Silizium kann die vibrationsdämpfenden Eigenschaften der Legierung stabilisieren. Selbst wenn die Anteile von Al und Si innerhalb der in Figur 6 gezeigten Bereiche sind, bringt eine leichte Variation in der Zusammensetzung der Legierung einen großen Unterschied in deren Eigenschaften hervor, wenn der Anteil von Si nicht mehr als 0,5 Gew.-% ist. Daher ist definiert, daß der Anteil von Si mehr als 0,5 Gew.-% ist.
- Basierend auf den obigen Resultaten spezifiziert diese Erfindung die Anteile von Al und Si so, wie sie in Figur 1 definiert sind, um einen 4 x 10&supmin;³ überschreitenden Q&supmin;¹-Wert als vibrationsdämpfende Eigenschaften der Legierung (der Wert von deren innerer Reibung) zu erhalten, wie in Figur 2 definiert, um einen 6 x 10&supmin;³ überschreitenden Q&supmin;¹-Wert zu erhalten, wie in Figur 3 definiert, um einen 8 x 10&supmin;³ überschreitenden Q&supmin;¹-Wert zu erhalten, wie in Figur 4 definiert, um einen 1,0 x 10&supmin;² überschreitenden Q&supmin;¹-Wert zu erhalten, und wie in Figur 5 definiert, um einen 1,2 x 10&supmin;² überschreitenden Q&supmin;¹-Wert zu erhalten.
- Mangan ist ein antiferromagnetisches Element, und obwohl es bei der Verbesserung der vibrationsdämpfenden Eigenschaften der Legierung von keinem Nutzen ist, wird es in dem Anteil von mindestens 0,1 Gew.-% hinzugefügt, um die Festigkeit der Legierung sicherzustellen. Von der Zugabe eines zu großen Anteils von Mn wird jedoch erwartet, daß sie eine Reduzierung in den vibrationsdämpfenden Eigenschaften der Legierung hervorbringt. TABELLE 2 zeigt die Resultate der Untersuchungen, die ausgeführt wurden, um zu sehen, welchen Effekt der Anteil von Mn auf die vibrationsdämpfenden Eigenschaften der Legierung haben würde. Wie davon offensichtlich ist, gibt es keine Reduzierung in den vibrationsdämpfenden Eigenschaften, wenn der Anteil von Mn nicht größer als die Summe der Anteile von Al und Si ist. Daher ist definiert, daß der Anteil von Mn im Bereich von 0,1 Gew.-% bis zu der Summe der Anteile von Al und Si liegt.
- Auch für die anderen Verunreinigungen sind Beschränkungen aus den Gründen wünschenswert, die hiernach erläutert werden.
- Es ist wünschenswert C bei nicht mehr als 0,01 Gew.-% zu halten, weil es ein Element ist, das eine Zwischengitterfestkörperlösung bildet und die Mobilität der Wände der magnetischen Bezirke und dadurch die vibrationsdämpfenden Eigenschaften der Legierung herabsetzt.
- Es ist auch wünschenswert N bei nicht mehr als 0,01 Gew.-% zu halten, weil es die vibrationsdämpfenden Eigenschaften der Legierung aus dem gleichen Grund herabsetzt, wie es oben in Bezug auf Kohlenstoff erläutert wurde.
- Es ist auch wünschenswert O bei nicht mehr als 0,01 Gew.-% zu halten, weil es die vibrationsdämpfenden Eigenschaften herabsetzt, wie es C und N tun.
- Es ist wünschenswert P bei nicht mehr als 0,01 Gew.-% zu halten, weil es in der Korngrenze der Legierung ausgeschieden wird und deren Bearbeitbarkeit herabsetzt.
- Es ist wünschenswert S bei nicht mehr als 0,01 Gew.-% zu halten, weil es die Heißbearbeitbarkeit der Legierung herabsetzt.
- Wie aus dem vorangehenden offensichtlich ist, hat die Legierung dieser Erfindung hervorragend hohe Vibrationsdämpfungseigenschaften und Festigkeit und ist als ein Material zum Verhindern von Schwingung und Lärm nützlich.
- Die Werte der inneren Reibung, Q&supmin;¹, der erfindungsgemäßen Legierungen und von Vergleichslegierungen mit den in TABELLE 1 gezeigten chemischen Zusammensetzungen (welche 10 bis 30 ppm C und 2 bis 26 ppm N enthielten) wurden als ein Maß für deren vibrationsdämpfende Eigenschaften bestimmt. Eine Bramme von jeder Legierung, die durch Gießen der geschmolzenen Legierung in eine Form hergestellt wurde, wurde auf eine Temperatur von 1200ºC bis 1250ºC erhitzt und auf eine Dicke von 6 mm heißgewalzt. Aus dem gewalzten Erzeugnis wurde ein Blech mit einer Dicke von 0,8 mm, einer Breite von 10 mm und einer Länge von 100 mm ausgeschnitten und bei 1050ºC in einem Vakuum geglüht, um ein Probestück von jeder Legierung herzustellen. Das Probestück wurde mit einer Frei-Frei-Querschwingungsmethode in einem Vakuum zum Schwingen veranlaßt, eine Freischwingungsabklingmethode wurde verwendet, um dessen innere Reibung zu bestimmen. Die Resultate sind in TABELLE 1 gezeigt.
- Figur 6 ist eine Darstellung der Werte der inneren Reibung der in TABELLE 1 gezeigten ternären Fe-Al-Si- Legierungen durch Umrißlinien. Jede Kurve wurde durch Auftragen von Punkten gleicher innerer Reibung gezeichnet, und die in dem Quadrat an jeder Kurve erscheinende Ziffer bezeichnet den Wert der inneren Reibung, wenn sie mit 10&supmin;³ multipliziert wird.
- TABELLE 2 zeigt die Resultate einer Untersuchung, die durchgeführt wurde, um die Effekte zu sehen, welche unterschiedliche Anteile von Mn in Legierungen auf deren vibrationsdämpfende Eigenschaften haben würden. Durch Wiederholung des oben beschriebenen Prozesses wurden Probe stücke hergestellt, und die Werte der inneren Reibung als ein Maß für deren vibrationsdämpfende Eigenschaften wurden durch Wiederholung der oben beschriebenen Methode bestimmt. Tabelle 1 Tabelle 2
- Die Legierung dieser Erfindung ist nützlich als Material für jedwede Komponente einer Struktur, Maschine oder dergleichen, von der gefordert wird, daß sie fest ist und keine Schwingung oder keinen Lärm erzeugen soll.
Claims (5)
1. Vibrationsdämpfende Legierung hoher Festigkeit,
enthaltend
nicht mehr als 0,01 Gew.-% C, nicht mehr als 0,01
Gew.-% N, nicht mehr als 0,01 Gew.-% O, nicht mehr als 0,01
Gew.-% P, nicht mehr als 0,01 Gew.-% S,
mehr als 0,50 Gew.-% Si, diejenigen Anteile von
Al und Si, welche in den Bereich in Figur 1 fallen, der
durch die Linien definiert ist, die die Punkte A&sub4; (Al: 7,05
Gew.-%; Si: 0,95 Gew.-%), B&sub4; (Al: 6,5 Gew.-%; Si: 1,10
Gew.-%), C&sub4; (Al: 4,70 Gew.-%; Si: 2,75 Gew.-%), D&sub4; (Al:
2,25 Gew.-%; Si: 2,45 Gew.-%), E&sub4; (Al: 1,00 Gew.-%; Si:
3,60 Gew.-%), F&sub4; (Al: 1,00 Gew.-%; Si: mehr als 0,50
Gew.-%) und G&sub4; (Al: 7,50 Gew.-%; Si: mehr als 0,50 Gew.-%)
verbinden,
und den Anteil von Mn, welcher in einem Bereich
von 0,1 Gew.-% zu der Summe der Anteile von Al und Si
liegt,
wobei das Übrige ihrer Zusammensetzung Fe und
unvermeidbare Verunreinigungen sind.
2. Vibrationsdämpfende Legierung hoher Festigkeit,
enthaltend
nicht mehr als 0,01 Gew.-% C, nicht mehr als 0,01
Gew.-% N, nicht mehr als 0,01 Gew.-% O, nicht mehr als .0,01
Gew.-% P, nicht mehr als 0,01 Gew.-% S,
mehr als 0,50 Gew.-% Si, diejenigen Anteile von
Al und Si, welche in den Bereich fallen, der in Figur 2
durch die Linien definiert ist, die die Punkte A&sub6; (Al: 7,45
Gew.-%; Si: 0,55 Gew.-%), B&sub6; (Al: 3,30 Gew.-%; Si: 1,50
Gew.-%), C&sub6; (Al: 1,00 Gew.-%; Si: 2,75 Gew.-%), D&sub6; (Al:
1,00 Gew.-%; Si: mehr als,0,50 Gew.-%), E&sub6; (Al: 7,50 Gew.-
%; Si: mehr als 0,50 Gew.-%) verbinden,
und den Anteil von Mn, welcher in einem Bereich
von 0,1 Gew.-% zu der Summe der Anteile von Al und Si
liegt,
wobei das Übrige ihrer Zusammensetzung Fe und
unvermeidbare Verunreinigungen sind.
3. Vibrationsdämpfende Legierung hoher Festigkeit,
enthaltend
nicht mehr als 0,01 Gew.-% C, nicht mehr als 0,01
Gew.-% N, nicht mehr als 0,01 Gew.-% O, nicht mehr als 0,01
Gew.-% P, nicht mehr als 0,01 Gew.-% S,
mehr als 0,50 Gew.-% Si, diejenigen Anteile von
Al und Si, welche in den Bereich fallen, der in Figur 3
durch die Linien definiert ist, die die Punkte A&sub8; (Al: 5,35
Gew.-%; Si: mehr als 0,50 Gew.-%), B&sub8; (Al: 5,35 Gew.-%; Si:
0,80 Gew.-%), C&sub8; (Al: 3,30 Gew.-%; Si: 1,00 Gew.-%), D&sub8;
(Al: 2,30 Gew.-%; Si: 1,40 Gew.-%), E&sub8; (Al: 1,00 Gew.-%;
Si: 2,35 Gew.-%) und F&sub8; (Al: 1,00 Gew.-%; Si: mehr als 0,50
Gew.-%) verbinden,
und denjenigen Anteil von Mn, welcher in einem
Bereich von 0,1 Gew.-% zu der Summe der Anteile von Al und
Si liegt,
wobei das Übrige ihrer Zusammensetzung Fe und
unvermeidbare Verunreinigungen sind.
4. Vibrationsdämpfende Legierung hoher Festigkeit,
enthaltend
nicht mehr als 0,01 Gew.-% C, nicht mehr als 0,01
Gew.-% N, nicht mehr als 0,01 Gew.-% O, nicht mehr als 0,01
Gew.-% P, nicht mehr als 0,01 Gew.-% S,
mehr als 0,50 Gew.-% Si, diejenigen Anteile von
Al und Si, welche in den Bereich fallen, der in Figur 4
durch die Linien definiert ist, die die Punkte A&sub1;&sub0; (Al:
4,60 Gew.-%; Si: mehr als 0,50 Gew.-%), B&sub1;&sub0; (Al: 4,60 Gew.-
%; Si: 0,70 Gew.-%), C&sub1;&sub0; (Al: 3,20 Gew.-%; Si: 0,90 Gew.-
%), D&sub1;&sub0; (Al: 2,55 Gew.-%; Si: 1,15 Gew.-%), E&sub1;&sub0; (Al: 1,00
Gew.-%; Si: 2,15 Gew.-%) und F&sub1;&sub0; (Al: 1,00 Gew.-%; Si: mehr
als 0,50 Gew.-%) verbinden,
und denjenigen Anteil von Mn, welcher in einem
Bereich von 0,1 Gew.-% zu der Summe der Anteile von Al und
Si liegt,
wobei das Übrige ihrer Zusammensetzung Fe und
unvermeidbare Verunreinigungen sind.
5. Vibrationsdämpfende Legierung hoher Festigkeit,
enthaltend
nicht mehr als 0,01 Gew.-% C, nicht mehr als 0,01
Gew.-% N, nicht mehr als 0,01 Gew.-% O, nicht mehr als 0,01
Gew.-% P, nicht mehr als 0,01 Gew.-% S,
mehr als 0,50 Gew.-% Si, diejenigen Anteile von
Al und Si, welche in den in Figur 5 durch die Linien
definierten Bereich fallen, die die Punkte A&sub1;&sub2; (Al: 4,00 Gew.-
%; Si: mehr als 0,50 Gew.-%), B&sub1;&sub2; (Al: 4,00 Gew.-%; Si:
0,70 Gew.-%), C&sub1; (Al: 2,40 Gew.-%; Si: 0,95 Gew.-%), D&sub1;&sub2;
(Al: 1,00 Gew.-%; Si: 1,90 Gew.-%), E&sub1;&sub2; (Al: 1,00 Gew.-%;
Si: 1,30 Gew.-%) und F&sub1;&sub2; (Al: 2,05 Gew.-%; Si: mehr als
0,50 Gew.-%) verbinden,
und denjenigen Anteil von Mn, welcher in einem
Bereich von 0,1 Gew.-% zu der Summe der Anteile von Al und
Si liegt,
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unvermeidbare Verunreinigungen sind.
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