CN107012417B - 一种高强度高阻尼MnCu基合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度高阻尼MnCu基合金的制备方法，属于合金制备技术领域。一种高强度高阻尼MnCu基合金的制备方法，将MnCu基母合金在‑600T2/m～600T2/m的梯度磁场下于1000～1180℃保温0.5～1小时后冷却至室温，得到半固态凝固合金；将所得半固态凝固合金进行热轧，然后经冷轧处理后，进行固溶处理；将固溶处理所得样品置于0.01～20T磁场中，在温度为350～550℃下保温0.5～16小时后冷却至室温，获得目标MnCu基合金。本发明所述方法制备的MnCu基合金比现有技术制备的相同Mn含量合金在保持延伸率基本不降低的情况下抗拉强度提高10～20％，阻尼内耗值提高5％～15％。

Description

一种高强度高阻尼MnCu基合金的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度高阻尼MnCu基合金的制备方法，属于合金制备技术领域。
背景技术
具有高强度、高寿命和耐高温等特点的阻尼合金,是用于降低振源和噪声源的一类重要功能材料，在需要抑制噪音和保护环境的精密仪器、航空航天高端装备、国防军事和汽车等领域具有重要应用。孪晶型γMn基阻尼合金由于较高的应用温度、较好的耐腐蚀性，以及容易加工等优势而受到青睐。然而，由于阻尼性能与力学性能通常相互制约，目前正在应用的γMn基阻尼合金因阻尼性能和力学性能匹配不足使其使用条件和范围受到限制，探索研究改善阻尼材料阻尼和力学性能的新方法，提高其性能和应用范围具有重要的理论和应用价值。
孪晶型γMnCu基阻尼合金是研究最广泛的高阻尼合金之一，代表性的有Incramute(英国/Mn-37Cu-4.25Al-3Fe-1.5Ni)、Sonoston(美国/58Cu-40Mn-2Al)、ABPOPA合金(苏联/Mn-Cu-Al-Fe-Ni-Zn)、M2052(日本/Mn-20Cu-5Ni-2Fe)、MC-77(上海交通大学)、2310(华东船舶工业学院/Mn-Cu-Al-Fe-Ni-Zn)和ZMnD-1J(哈尔滨理工大学/Mn-Cu-Al-Zn)等牌号合金产品。这类合金主要以Mn的面心立方结构(fcc)γ相为基体，在尼尔温度以下显示反铁磁性，当合金由γ相区快速淬冷时，fcc晶格转变为面心正方晶格(fct)，形成极细的{101}面马氏体孪晶亚结构。由于顺磁-反铁磁转变温度与fcc-fct马氏体相变温度十分接近，在外力和正方度引起的晶格歪扭作用下移动孪晶界，而出现弛豫型衰减能的峰值，实现高阻尼性。γMnCu基阻尼合金的顺磁-反铁磁转变温度与fcc-fct马氏体相变温度受成分影响很大，应用的阻尼合金Mn含量一般不超过70wt％，如要使中低Mn合金获得高阻尼，必须经过亚稳互溶区(400-600℃)时效产生调幅分解形成纳米级富Mn相和富Cu相，降温时在富Mn区发生反铁磁有序化与晶格耦合，继而诱发合金发生马氏体相变。因此，马氏体孪晶结构的控制是同步提高合金力学和阻尼性能的关键所在。
中国发明专利201510893405.7提出利用深冷处理提高马氏体转变量，可提高锻造MnCu基阻尼合金的阻尼性能。谢晋武等发表在功能材料46(2015)13087的论文“枝晶偏析对MnCu合金阻尼性能的影响”也提出通过优化合金凝固过程，发现缓慢冷却形成的具有显著Mn成分偏析的凝固枝晶组织在调幅分解中可通过提高合金的马氏体相变点而促进在室温形成孪晶结构，实现高温阻尼性。通过优化亚稳态富Mn相的调幅分解、晶粒尺寸、位错密度以及孪晶织构等获得高Mn含量纳米级富Mn富集区，细化孪晶，也可以提高合金马氏体转变温度。通过Ni、Ce、Al、Zn和Fe等多组元掺杂也可以进一步提高γMnCu基合金的阻尼性能。其中添加Fe尽管降低了阻尼性能，但可以降低合金成本和提高力学性能，而备受关注。因此，高阻尼γMnCu基合金的组织控制可归纳为：1)控制合金凝固过程，形成Mn成分偏析的枝晶组织；2)利用元素掺杂和热处理制度等手段促进低温亚稳互溶区富Mn相的调幅分解，提高马氏体相变温度。如能通过双重手段控制凝固和调幅分解过程，利用扩散偏聚机制，促进形成富Mn相的富集区，可达到优化提高γMnCu基合金阻尼性能的目的。同时若能结合Fe或Ni元素掺杂的强化作用，提高γMnCu基合金的力学性能，在有效降低阻尼合金生产成本的同时提高其实用性。
综上所述，本领域仍在探寻一种方法既能获得高强度也能取得高阻尼MnCu基合金的工艺方法，同时已有文献中并没有涉及利用磁场控制γMnCu基合金组织与性能的技术报道。
发明内容
本发明针对解决高强度与高阻尼间的矛盾关系，利用不同类型磁场控制合金凝固和热处理过程，促进富Mn相富集区的形成，提高马氏体相变，细化孪晶组织。同时利用不同阶段磁场的取向排列作用，促进孪晶的取向排列，在细化孪晶间距提高强度的同时，提高其阻尼性能。
本发明的目的是针对现有技术的问题，提出一种高强度高阻尼MnCu基合金的制备方法。
一种高强度高阻尼MnCu基合金的制备方法，包括下述工艺步骤：
将MnCu基母合金在-600T2/m～600T2/m的梯度磁场(不含0T2/m)下于1000～1180℃保温0.5～1小时后以1～5℃/分的冷却速率冷却至室温，得到半固态凝固合金；将所得半固态凝固合金于700～800℃进行热轧，然后经冷轧处理后，于750～850℃进行固溶处理；将固溶处理所得样品置于0.01～20T磁场中，在温度为350～550℃下保温0.5～16小时后，以0.5～5℃/分的冷却速率冷却至室温，获得目标MnCu基合金。
本发明所述“梯度磁场”是指磁场沿轴向或径向具有磁感应强度梯度，特别的在本发明中以磁感应强度与磁感应强度梯度的乘积来定义“梯度磁场”的大小和不同，即合金样品在此“梯度磁场”下会受到磁化力的作用。特别的选择磁感应强度B与重力方向平行，沿此方向有梯度grad B，此时以B·grad B来表示此“梯度磁场”。
上述技术方案中，优选所述热轧条件为750～800℃。
上述技术方案中，优选所述冷轧条件为道次压下量为10～70％，进一步优选为30～70％，最优选为40～70％。
上述技术方案中，优选所述固溶处理时间为0.5～4h，进一步优选为0.5～3h，最优选为0.5～2h。
上述技术方案中，优选将固溶处理所得样品置于0.1～16T磁场中，进一步优选为1～12T，最优选为8～10T。
上述技术方案中，优选冷却速率为0.5～2℃/分，进一步优选为0.5～1.5℃/分，最优选为0.5～1℃/分。
进一步地，将MnCu基母合金在-600T2/m～600T2/m的梯度磁场(不含0T2/m)下于1000～1180℃保温0.5～1小时后以1～5℃/分的冷却速率冷却至室温，得到半固态凝固合金，其中，优选冷却速率为0.5～2℃/分，进一步优选为0.5～1.5℃/分，最优选为0.5～1℃/分。
进一步地，将固溶处理所得样品置于0.01～20T磁场中，在温度为350～550℃下保温0.5～16小时后，以0.5～5℃/分的冷却速率冷却至室温，获得目标MnCu基合金，其中，优选冷却速率为0.5～2℃/分，进一步优选为0.5～1.5℃/分，最优选为0.5～1℃/分。
进一步地，所述MnCu基母合金按下述方法制得：按目标MnCu基合金组成质量百分比，采用纯度≥99.9wt％的电解Mn片、无氧铜棒、纯Fe与电解Ni，采用在高真空电弧熔炼后吸铸或在真空感应炉中熔炼金属模中浇铸或类似的冶炼方式制备MnCu基母合金，
其中，目标MnCu基合金成分及组成为：Cu的质量百分比为15％～23％，Fe的质量百分比为0％～3％，Ni的质量百分比为0％～6％，余量为Mn。
更进一步地，所述MnCu基母合金采用高真空电弧炉在0.25～0.75标准大气压氩气或氮气保护下吸铸；或采用真空感应熔炼炉在0.25～0.75标准大气压氩气或氮气保护下在铜模或其它金属模具中浇铸而成。
本发明的另一目的是提供由上述方法制得的MnCu基合金，所述MnCu基合金，其中Cu的质量百分比为15％～23％，Fe的质量百分比为0％～3％，Ni的质量百分比为0％～6％，余量为Mn，MnCu基合金的抗拉强度为410～655MPa，延伸率为25％～35％，阻尼内耗值为27％～37％。
本发明的有益效果为：本发明所述制备方法施加梯度磁场控制γMnCu基阻尼合金在半固态凝固中初生Mn枝晶，结合稳恒强磁场控制亚稳互溶区内富Mn相的时效热处理，基于强磁场对溶质分配和调幅分解的共同作用，综合调控孪晶型γMnCu合金马氏体相变及其力学和阻尼性能。
本发明所述方法施加梯度磁场控制γMnCu基阻尼合金在半固态凝固中初生Mn枝晶，结合稳恒强磁场控制亚稳互溶区内富Mn相的时效热处理，基于强磁场对溶质分配和调幅分解的共同作用，综合调控孪晶型γMnCu合金马氏体相变及其力学和阻尼性能。同时可通过Fe和Ni掺杂并结合磁场作用调控孪晶型γMnCuNiFe合金马氏体相变及其力学和阻尼性能。通过实施以上发明内容，制备的MnCu基合金比现有技术制备的相同Mn含量合金在保持延伸率基本不降低的情况下抗拉强度提高10～20％，阻尼内耗值提高5％～15％。
附图说明
图1本发明工艺流程图。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
本发明实施例中采用的高真空电弧炉型号为ZFH-300-70。
本发明实施例中采用的真空感应熔炼炉型号为TG100A-25。
本发明实施例采用JMTD-12T100超导磁体。
本发明实施例中采用JSD-20T52超导磁体。
本发明实施例中采用的真空热处理炉型号为VHT-II。
本发明实施例中采用SANS-CMT5105电子万能试验机进行应力—应变曲线测试并获得抗拉强度。
本发明一个优选的实施方式为：
(1)母合金制备：采用纯度≥99.9wt％的电解Mn片、无氧铜棒、纯Fe与电解Ni，采用在高真空电弧熔炼后吸铸或在真空感应炉中熔炼金属模中浇铸或类似的冶炼方式制备MnCu基母合金；
(2)梯度磁场下半固态合金凝固：将制备好的MnCu基母合金置于600T2/m～600T2/m的梯度磁场(不含0T2/m)下在1000～1180℃液固两相区保温0.5～1小时，以1～5℃/分冷却到室温，得到半固态凝固合金。
(3)冷轧和固溶处理：将步骤(2)所得半固态凝固合金经700～800℃热轧，然后经冷轧处理后，进行750～850℃的固溶处理。
(4)稳恒磁场时效处理：将步骤(3)所得样品置于0.01～20T磁场中，在温度为350～550℃条件下，保温0.5～16小时后，以0.5～5℃/分的冷却速率冷却至室温，获得MnCu基高阻尼性能合金。
实施例1
(1)母合金制备：采用纯度≥99.9wt％的电解Mn片和无氧铜棒，采用真空感应炉熔炼金属，在0.5标准大气压氩气保护下浇铸在铜模中制备Mn-15％Cu母合金；
(2)梯度磁场下半固态合金凝固：将制备好的MnCu基母合金置于92.1T2/m的梯度磁场下在1000℃液固两相区保温0.5小时，以5℃/分的冷却速率冷却到室温，得到半固态凝固合金。
(3)冷轧和固溶处理：将步骤(2)所得半固态凝固合金经750℃热轧，然后经道次压下量为40％的冷轧处理后，于850℃下进行固溶处理1h。
(4)稳恒磁场时效处理：将步骤(3)所样品置于20T磁场中，在温度为450℃条件下，保温4小时后，以5℃/分的冷却速率冷却至室温，获得MnCu基高阻尼性能合金。
制备获得的Mn-15％Cu合金的抗拉强度为410MPa，延伸率为35％，阻尼内耗值为31％。
对比例1
合金制备过程和成分与实施例1相同，在第(2)步中不施加梯度磁场，在第(4)步中不施加稳恒磁场，其余处理与实施例1相同，制备获得的Mn-15％Cu合金的抗拉强度为372MPa，延伸率为36％，阻尼内耗值为28％。
可见，利用本发明实施例1所得的Mn-15％Cu合金相比对比例1合金的抗拉强度提高10％，阻尼内耗值提高11％。
实施例2
(1)母合金制备：采用纯度≥99.9wt％的电解Mn片、无氧铜棒和纯Fe，采用高真空电弧熔炼后吸铸制备Mn-22％Cu-2％Fe母合金；
(2)梯度磁场下半固态合金凝固：将制备好的Mn-22％Cu-2％Fe母合金置于600T2/m的梯度磁场下在1050℃液固两相区保温0.8小时，以2℃/分的冷却速率冷却到室温，得到半固态凝固合金。
(3)冷轧和固溶处理：将步骤(2)所得半固态凝固合金经800℃热轧，然后经道次压下量为50％的冷轧处理后，于800℃下进行固溶处理2h。
(4)稳恒磁场时效处理：将步骤(3)所得样品置于12T磁场中，在温度为550℃条件下，保温16小时后，以1℃/分的冷却速率冷却至室温，获得Mn-23％Cu-2％Fe高阻尼性能合金。
制备获得的Mn-23％Cu-2％Fe合金的抗拉强度为558MPa，延伸率为25％，阻尼内耗值为27％。
对比例2
合金制备过程和成分与实施例2相同，在第(2)步中不施加梯度磁场，在第(4)步中不施加稳恒磁场，其余处理与实施例2相同，制备获得的Mn-23％Cu-2％Fe合金的抗拉强度为470MPa，延伸率为22％，阻尼内耗值为25％。
可见，利用本发明实施例2所得的Mn-23％Cu-2％Fe合金相比对比例2合金的抗拉强度提高19％，阻尼内耗值提高8％。
实施例3
(1)母合金制备：采用纯度≥99.9wt％的电解Mn片、无氧铜棒、纯Fe和电解Ni，采用真空连铸氮气保护制备Mn-20％Cu-3％Fe-6％Ni母合金；
(2)梯度磁场下半固态合金凝固：将制备好的Mn-20％Cu-3％Fe-6％Ni母合金置于-600T2/m的梯度磁场下在1180℃液固两相区保温1小时，以1℃/分的冷却速率冷却到室温，得到半固态凝固合金。
(3)冷轧和固溶处理：将步骤(2)所得半固态凝固合金经700℃热轧，然后经道次压下量为70％的冷轧处理后，于750℃下进行固溶处理2h。
(4)稳恒磁场时效处理：将步骤(3)所得样品置于0.01T磁场中，在温度为350℃条件下，保温0.5小时后，以0.5℃/分的冷却速率冷却至室温，获得Mn-20％Cu-3％Fe-6％Ni高阻尼性能合金。
制备获得的Mn-20％Cu-3％Fe-6％Ni合金的抗拉强度为655MPa，延伸率为32％，阻尼内耗值为37％。
对比例3
中国发明专利201410214956.1实施例1提及的成分为Mn71.17％，Ni2.23％，Al2.68％，Fe2.27％，C0.005％，Si0.08％，P0.017％，S0.0043％，N0.030％，O0.006％，余为Cu合金的抗拉强度为594MPa，延伸率为35％，阻尼内耗值为32％
采用本发明的实施例3相比对比例3中合金在保持延伸率基本不降低的情况下抗拉强度提高10％，阻尼内耗值提高15％。

Claims (4)

1.一种高强度高阻尼MnCu基合金的制备方法，其特征在于：包括下述工艺步骤：
将MnCu基母合金在-600T2/m～600T2/m的梯度磁场，不含0T2/m下，于1000～1180℃保温0.5～1小时后以1～5℃/分的冷却速率冷却至室温，得到半固态凝固合金；将所得半固态凝固合金于700～800℃进行热轧，然后经冷轧处理后，于750～850℃进行固溶处理；将固溶处理所得样品置于0.01～20T磁场中，在温度为350～550℃下保温0.5～16小时后，以0.5～5℃/分的冷却速率冷却至室温，获得目标MnCu基合金，
其中，目标MnCu基合金成分及组成为：Cu的质量百分比为15％～23％，Fe的质量百分比为0％～3％，Ni的质量百分比为0％～6％，余量为Mn。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述MnCu基母合金按下述方法制得：按目标MnCu基合金组成质量百分比，采用纯度≥99.9wt％的电解Mn片、无氧铜棒、纯Fe与电解Ni，采用在高真空电弧熔炼后吸铸或在真空感应炉中熔炼金属模中浇铸制备MnCu基母合金，
其中，目标MnCu基合金成分及组成为：Cu的质量百分比为15％～23％，Fe的质量百分比为0％～3％，Ni的质量百分比为0％～6％，余量为Mn。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述MnCu基母合金采用高真空电弧炉在0.25～0.75标准大气压氩气或氮气保护下吸铸；或采用真空感应熔炼炉在0.25～0.75标准大气压氩气或氮气保护下在铜模中浇铸而成。
4.权利要求1～3任一项所述方法制得的高强度高阻尼MnCu基合金，其特征在于：所述MnCu基合金，其中，Cu的质量百分比为15％～23％，Fe的质量百分比为0％～3％，Ni的质量百分比为0％～6％，余量为Mn，MnCu基合金的抗拉强度为410～655MPa，延伸率为25％～35％，阻尼内耗值为27％～37％。
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