CN115323274B - 一种提高高强高韧Fe-Mn阻尼合金阻尼性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高高强高韧Fe‑Mn阻尼合金阻尼性能的方法，在Fe‑Mn阻尼合金的冶炼过程中，加入一定量的Ti、Nb元素，Nb、Ti添加按质量百分比计满足：4C(wt％)+0.02％≤Ti+1/2Nb(wt％)≤5.21C(wt％)+0.013％。优点是：利用Ti和Nb与Fe‑Mn阻尼合金中的碳元素形成碳化物析出，降低碳元素在阻尼合金中的固溶量，Fe‑Mn阻尼合金晶体结构中间隙原子的溶度下降，柯氏气团溶度下降，位错运动的阻碍降低，不全位错的可逆运动的阻力减小，因此Fe‑Mn阻尼合金的阻尼性能得到显著的提升。

Description

一种提高高强高韧Fe-Mn阻尼合金阻尼性能的方法

技术领域

本发明涉及一种提高高强高韧Fe-Mn阻尼合金阻尼性能的方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，振动、冲击和噪声的控制日益成为一个复杂而迫切的问题，因此对于减振降噪技术的研究，引起了许多部门的普遍重视，尤其在航海、航天和航空、核工业等领域。阻尼合金就是在这种条件下应运而生的，阻尼合金是指具有结构材料应有的强度并能通过阻尼过程(内耗)把振动能较快的转变为热能消耗掉的合金。近年来，我国在这方面作了很多努力，已开发出数十种阻尼合金，形成了一个新兴的功能材料领域。阻尼合金可用于军事工程、航空航天、建筑、船舶、汽车、工程机械等领域的减振降噪。

Fe-Mn基合金是近十几年才开发出的一种新型阻尼合金，是上述几类阻尼合金中强度最高(抗拉强度大于700MPa)、成本最低的(仅为Mn—Cu阻尼合金的1/4)，其阻尼性能随着应变振幅的增大而增加，并且不受外界磁场的影响。这种合金非常适合承受较大振动和冲击的部件使用。Fe-Mn阻尼合金作为一种高Mn的铁基材料，在实际生产中往往以锰铁作为原料进行冶炼，故合金中不可避免地将会存在一定含量的碳元素，而碳元素将显著地降低Fe-Mn阻尼合金的阻尼性能，因此关于降低Fe-Mn阻尼合金中碳含量以及提高含碳Fe-Mn阻尼合金阻尼性能的研究是具有重大意义的。

现有技术中，专利公开号为CN103898401A，公布了一种提高高强度铁锰基阻尼合金阻尼性能的方法，属阻尼合金领域，能显著提高高强度铁锰基阻尼合金的阻尼性能，尤其是其低应变振幅下的阻尼性能。具体方法如下：先将铁锰基阻尼合金在800℃～1100℃固溶处理10分钟～2小时，然后在50℃～400℃时效处理10分钟～10小时，最后室温变形1％～10％。该方法从热处理工艺及变形工艺着手，提高阻尼合金的阻尼性能，但处理工艺较为复杂，具有较大的局限性。专利公开号为CN106282786A的专利，公布了一种含Nb铁锰基阻尼合金及其制备方法，该方法使得Fe-17Mn合金的最大阻尼损耗因子tanδ达到0.055，高阻尼的温度区间达到25～330℃，同时保持室温抗拉强度达到691～834MPa，延伸率为15.7～22.6％。该方法利用电弧熔炼从而得到高纯度的Fe-Mn阻尼合金，但电弧熔炼制备材料尺寸较小，具有很大的局限性，该工艺难以应用到实际生产中。

在上述公开的专利中，合金成分中都未有碳元素存在，然而在Fe-Mn阻尼合金实际生产中，难以避免会混入相当的碳元素，众所周知，碳元素固溶在Fe-Mn阻尼合金中，将会极大地降低其阻尼性能。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种工艺简单易实现的提高高强高韧Fe-Mn阻尼合金阻尼性能的方法，适用于生产具有较高C含量的铁锰阻尼合金。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种提高高强高韧Fe-Mn阻尼合金阻尼性能的方法，在Fe-Mn阻尼合金的冶炼过程中，加入一定量的Ti、Nb元素，使得合金中的C元素与Ti、Nb形成强碳化物析出，Nb、Ti添加按质量百分比计满足：

4C(wt％)+0.02％≤Ti+1/2Nb(wt％)≤5.21C(wt％)+0.013％。

所述的Fe-Mn阻尼合金的化学成分质量百分比为：C:0.01％～0.4％，Mn:13％～27％，Si≤0.25％，P≤0.015％，S≤0.012％，余为铁及不可避免的微量的化学元素。

在Fe-Mn阻尼合金的轧制过程中，终轧温度在950℃以上，轧后采取水冷，快速冷却至室温；在Fe-Mn阻尼合金的回火处理中，回火温度为80～600℃，保温时间为5min～240min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

碳元素在金属材料中，常常作为一种间隙原子，在Fe-Mn阻尼合金晶体结构中也是一种间隙原子，间隙原子在晶体结构中会引起轻微的晶格畸变，且易偏聚在位错周围，形成柯氏气团，柯氏气团对位错运动具有显著的阻碍影响。Fe-Mn阻尼合金的阻尼机制主要为肖克利不全位错的往复运动，将机械能转化为内能耗散掉，因此不全位错的可动性是Fe-Mn阻尼合金具有阻尼性能的关键因素，然而在位错运动的过程中，柯氏气团将会起到钉扎作用，阻碍位错的运动，导致Fe-Mn阻尼合金阻尼性能显著降低。

本发明利用Ti和Nb与Fe-Mn阻尼合金中的碳元素形成碳化物析出，降低碳元素在阻尼合金中的固溶量，Fe-Mn阻尼合金晶体结构中间隙原子的溶度下降，柯氏气团溶度下降，位错运动的阻碍降低，不全位错的可逆运动的阻力减小，因此Fe-Mn阻尼合金的阻尼性能得到显著的提升。本发明中通过强碳化物Nb和Ti的添加，降低合金中碳元素的固溶浓度，得到NbC和TiC析出，不仅提高了Fe-Mn阻尼合金的阻尼性能，同时也提高合金的强度。Nb、Ti元素的添加，在合金的熔炼过程即可完成，实现简单，且提升阻尼性能显著。

附图说明

图1是实施例与对比例的阻尼性能和应变振幅的关系图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

一种提高高强高韧Fe-Mn阻尼合金阻尼性能的方法，该Fe-Mn阻尼合金的化学成分质量百分比为：C:0.01％～0.4％，Mn:13％～27％，Si≤0.25％，P≤0.015％，S≤0.012％，余为铁及不可避免的微量的化学元素。在Fe-Mn阻尼合金的冶炼过程中，加入一定量的Ti、Nb元素，使得合金中的C元素与Ti、Nb形成强碳化物析出，Nb、Ti添加按质量百分比计满足：

4C(wt％)+0.02％≤Ti+1/2Nb(wt％)≤5.21C(wt％)+0.013％

该式不仅考虑了形成强碳化物所需的Ti、Nb元素的含量，也利用实际试验检验，将熔炼过程中不可避免混入的N元素及其他可能造成Ti、Nb元素损耗的因素包含在内。满足该公式的Ti、Nb元素添加量，能够使得合金中的C元素完全以强碳化物的形式析出，不再固溶在合金组织中，最大限度地降低其对于合金阻尼性能的影响。

在Fe-Mn阻尼合金的轧制过程中，终轧温度在950℃以上，轧后采取水冷，快速冷却至室温。在奥氏体完全再结晶区温度以上轧制，然后快速冷却至室温，能够得到细小等轴状的奥氏体晶粒，有利于合金的阻尼性能，也能降低在非再结晶区轧制及冷却过程中，碳化物在位错等缺陷处聚集状析出。在Fe-Mn阻尼合金的回火处理中，回火温度为80～600℃，保温时间为5min～240min。该回火工艺能够有利于合金中的碳化物均匀弥散地在组织中析出，既能有效地提高阻尼合金的强度，也可以降低C元素对合金阻尼性能的影响。

实施例及对比例的Fe-Mn阻尼合金化学成分见表1，表2是本发明各实施例和对比例的制备工艺参数，实施例及对比例的性能检测结果见表3。

表1本发明各实施例及对比例的化学成分及重量百分比含量列表

实施例1～4添加了Nb、Ti元素，而对比例未添加Nb、Ti元素。

表2本发明各实施例与对比例的制备工艺参数

表3本发明各实施例及对比例的力学、阻尼测试结果

从表3中可以看出，实施例1～4通过添加Nb、Ti强碳化物元素，阻尼性能得到了显著的提高，同时合金的强度也明显得到了提升。此外，从图1中可以看出，本发明实施例阻尼性能随应变的增加而增大，且阻尼性能远高于对比例。

Claims (1)

1.一种提高高强高韧Fe-Mn阻尼合金阻尼性能的方法，其特征在于，在Fe-Mn阻尼合金的冶炼过程中，加入一定量的Ti、Nb元素，使得合金中的C元素与Ti、Nb形成强碳化物析出，Nb、Ti添加按质量百分比计满足：

4C(wt％)+0.02％≤Ti+1/2Nb(wt％)≤5.21C(wt％)+0.013％；

所述的Fe-Mn阻尼合金的化学成分质量百分比为：C:0.01％～0.4％，Mn:13％～27％，Si≤0.25％，P≤0.015％，S≤0.012％，余为铁及不可避免的微量的化学元素；

在Fe-Mn阻尼合金的轧制过程中，终轧温度在950℃以上，轧后采取水冷，快速冷却至室温；在Fe-Mn阻尼合金的回火处理中，回火温度为80～600℃，保温时间为5min～240min。

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