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