一種高阻尼MnCu合金及其粉末冶金制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高阻尼MnCu合金及其粉末冶金制備工藝。高阻尼MnCu合金以Mn、Cu、Al、Ni和Fe為主要成分,通過添加強(qiáng)磁性顆粒Co3B、Co2B、Fe2B、FeB和MnB中一種或幾種來提高阻尼性能，并通過添加Bi、Si、Sn和B中中的一種或幾種作為燒結(jié)輔助劑，有效提高M(jìn)nCu高阻尼合金的燒結(jié)性能。與傳統(tǒng)鑄造MnCu基阻尼合金相比，本發(fā)明提供的高阻尼MnCu合金具有更高的阻尼性能、更寬的阻尼溫度區(qū)間、更靈活的成型性等特征，同時(shí)又降低了能源的消耗。由于本發(fā)明制備的高阻尼合金的成型性更為靈活，可以減少軋制、研磨、切削等后續(xù)工序的加工量，有利于降低成本和大批量生產(chǎn)。
【專利說明】-種高阻尼MnCu合金及其粉末冶金制備工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及阻尼材料及其制備方法，特別是涉及一種高阻尼MnCu合金及其粉末 冶金制備工藝。

【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于航空、航天、汽車、電子工業(yè)等眾多領(lǐng)域中的某些動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)需要嚴(yán)格控制其振 動(dòng)和噪音，這就對(duì)材料的阻尼性能提出了更高的要求。例如通過火箭和衛(wèi)星的失效分析統(tǒng) 計(jì)表明，約有三分之二的故障與振動(dòng)和噪聲有關(guān)。阻尼材料與技術(shù)是控制結(jié)構(gòu)共振和噪聲 最有效的方法，阻尼材料是阻尼技術(shù)的基礎(chǔ)與核心，是國(guó)際上極為重視的研究領(lǐng)域。因而開 發(fā)集良好的阻尼性能、力學(xué)性能、耐熱性能于一體的結(jié)構(gòu)型高阻尼合金成為阻尼材料研究 領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
[0003] 目前得以實(shí)際應(yīng)用的阻尼合金根據(jù)阻尼機(jī)制可分為復(fù)合型、位錯(cuò)型、鐵磁型和孿 晶型四類。
[0004] 鑄鐵和Al-Zn合金是典型的復(fù)合型阻尼合金，依靠復(fù)合相中較軟的相在載荷作用 下產(chǎn)生的塑性變形耗散振動(dòng)能量。該類合金成本低、易加工，但存在阻尼性能和強(qiáng)度比較 低，適用溫度范圍窄等問題。
[0005] 位錯(cuò)型阻尼合金主要通過合金內(nèi)部位錯(cuò)在振動(dòng)載荷作用下脫開沿線釘扎的點(diǎn)缺 陷，從而產(chǎn)生附加的位錯(cuò)應(yīng)變耗散能量。位錯(cuò)型阻尼合金以Mg系合金為主，主要特點(diǎn)是比 重小、耐蝕性好、阻尼性能出色，但存在強(qiáng)度低、加工性差和價(jià)格相對(duì)昂貴等缺點(diǎn)。
[0006] 鐵磁性型阻尼合金主要基于內(nèi)部磁疇的磁-機(jī)械效應(yīng)產(chǎn)生阻尼，多為鐵基合金， 具有代表性的是Fe-Cr-Al合金(靜音合金)。這些合金具有阻尼性能和強(qiáng)度比較出色，工作 溫度也比較高，價(jià)格相對(duì)便宜等優(yōu)點(diǎn)。然而，相對(duì)于應(yīng)變振幅的變化，合金的阻尼能量的變 化也比較大，存在溫度和外部磁場(chǎng)的變化對(duì)阻尼性能影響大的缺點(diǎn)。
[0007] 孿晶型阻尼合金主要依靠孿晶界在振動(dòng)作用下的協(xié)調(diào)移動(dòng)和再取向產(chǎn)生能量損 耗和衰減，Mn-Cu合金是最具代表性的孿晶型阻尼合金，是同時(shí)具有高強(qiáng)度和較高阻尼性 能的阻尼合金，目前在船舶、機(jī)械、汽車等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。但同時(shí)該系合金也存在一些問 題，例如其阻尼性能強(qiáng)烈依賴于Μη的含量、高溫時(shí)合金阻尼性能低下(通常使用溫度不超 過80°C )等。增加 Μη含量雖然可以改善其高溫阻尼性能，但Μη含量過高不利于鑄造過程。 雖然MnCu基合金鑄件可以進(jìn)行鍛造、乳制等后續(xù)加工處理，但在生產(chǎn)形狀復(fù)雜的產(chǎn)品時(shí)， 成本會(huì)急劇升高，從而影響其實(shí)用化。此外為了保證MnCu合金的阻尼性能，固溶處理過程 必不可少，但這會(huì)造成晶粒粗化(甚至超過50微米)，從而影響其力學(xué)性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對(duì)MnCu阻尼合金在阻尼性能與鑄造成型性不足的缺陷，研發(fā) 一種高阻尼MnCu合金及其粉末冶金制備工藝。本發(fā)明采用粉末冶金的制備方法，通過添加 強(qiáng)磁性顆粒提高M(jìn)nCu基體合金的阻尼性能，同時(shí)通過添加燒結(jié)輔助劑改善MnCu阻尼合金 的燒結(jié)與成型性能，最終獲得一種高Μη、孿晶型與強(qiáng)磁型阻尼機(jī)制相結(jié)合、高強(qiáng)度、具有優(yōu) 良燒結(jié)成型性能的高阻尼MnCu合金。
[0009] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種高阻尼MnCu合金，其特征在于：高阻尼MnCu合 金由基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑制備而成；基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié) 輔助劑中各材料成分所占高阻尼MnCu合金的質(zhì)量百分比如下：基體合金粉末為Μη :40? 80%，Cu :10?50%，Al、Ni和Fe中任意一種或幾種：2?10% ;強(qiáng)磁性顆粒為Co3B、Co2B、Fe2B、 FeB和MnB中的任意一種或幾種：2?20% ;燒結(jié)輔助劑為Bi、Si、Sn和B中的任意一種或幾 種：2?10%。
[0010] 本發(fā)明的一種高阻尼MnCu合金的粉末冶金制備工藝，其特征在于：包括如下工藝 步驟： 步驟一.按照質(zhì)量百分比將基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑在球磨機(jī)中充 分混合，球磨介質(zhì)為酒精，酒精體積是基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑總體積的 1. 5 ?2. 5 倍； 步驟二.將混合后的原料送入冷壓成型機(jī)壓制成型； 步驟三.將壓制成型后的原料送入真空燒結(jié)爐，在真空或Ar氣氛中進(jìn)行燒結(jié)； 步驟四.最后送入真空退火爐，在真空中進(jìn)行固溶處理。
[0011] 本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果是：由于添加強(qiáng)磁性顆粒，磁性顆粒內(nèi)部磁疇壁的 磁-機(jī)械效應(yīng)有助于提高基體MnCu合金的阻尼性能，同時(shí)具有與振幅相關(guān)的高阻尼效應(yīng)。 此外，高硬度硼化物顆粒的引入還有助于強(qiáng)化MnCu基體合金。通過添加作為燒結(jié)輔助劑成 分，有效提高了高阻尼MnCu合金的燒結(jié)與成型性能。本發(fā)明提供的高阻尼MnCu合金具有更 高的阻尼性能、更寬的阻尼溫度區(qū)間、更靈活的成型性等特征，同時(shí)又降低了能源的消耗。
[0012] 本發(fā)明采用的燒結(jié)輔助劑元素均為低熔點(diǎn)元素。低熔點(diǎn)助劑可在較低燒結(jié)溫度下 與MnCu合金粉體表面反應(yīng)生成液相，從而提高燒結(jié)產(chǎn)物的致密性，顯著提高燒結(jié)效率；此 夕卜，上述助劑與Mn、Cu、Ni等基體元素的相互溶解度極低，即使在其熔點(diǎn)以上也基本不會(huì)發(fā) 生固溶，因而輔助劑的引入不改變燒結(jié)阻尼合金的最終相組成，從而不對(duì)合金的阻尼性能 與力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。與傳統(tǒng)鑄造阻尼合金相比，本發(fā)明制備的高阻尼合金的成型性 更為靈活，可以減少軋制、研磨、切削等后續(xù)工序的加工量，有利于降低成本和大批量生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例3制備的高阻尼MnCu合金與傳統(tǒng)鑄造 M2052阻尼合金的阻 尼性能曲線圖； 圖中：--為實(shí)施例3,0. 1Hz曲線，-·-為實(shí)施例3,1. 0Hz曲線，-▲-為實(shí)施例 3,10. 0Hz 曲線；-□-為 Μ2052,0· 1Hz 曲線，-〇-為 M2052,1. 0Hz 曲線，-Λ -為 M2052， 10. 0Hz 曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明： 基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑在球磨機(jī)中充分混合時(shí)間為l-2h，冷壓成型 機(jī)成型壓力為290?300MPa，燒結(jié)溫度為850?1000°C，燒結(jié)在真空或Ar (-個(gè)大氣壓） 中，燒結(jié)時(shí)間為1-1. 5h，在真空中固溶時(shí)間為5-10h。
[0015] 實(shí)施例1 :基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑中各材料成分所占高阻尼 MnCu合金的質(zhì)量百分比如下：基體合金粉末為Mn :80%，Cu :10%，F(xiàn)e :6% ;強(qiáng)磁性顆粒為 C〇3B :2% ;燒結(jié)輔助劑為Bi :2%?；w合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑在球磨機(jī)中充分 混合時(shí)間為lh，冷壓成型機(jī)成型壓力為290MPa，燒結(jié)溫度為1000°C，在真空中燒結(jié)，燒結(jié)時(shí) 間為lh，固溶時(shí)間為6h。
[0016] 實(shí)施例2 :基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑中各材料成分所占高阻尼 MnCu合金的質(zhì)量百分比如下：基體合金粉末為Mn :75%，Cu :15%，A1 :2% ;強(qiáng)磁性顆粒為 C〇2B :5% ;燒結(jié)輔助劑為Si :3%?；w合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑在球磨機(jī)中充分 混合時(shí)間為1. 2h，冷壓成型機(jī)成型壓力為300MPa，燒結(jié)溫度為950°C，在真空中燒結(jié)，燒結(jié) 時(shí)間為lh，固溶時(shí)間為7h。
[0017] 實(shí)施例3 :基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑中各材料成分所占高阻尼 MnCu合金的質(zhì)量百分比如下：基體合金粉末為Mn :69%，Cu :10%，Ni :5% ;強(qiáng)磁性顆粒為MnB :12% ;燒結(jié)輔助劑為Bi :4%?；w合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑在球磨機(jī)中充分混合 時(shí)間為1. 5h，冷壓成型機(jī)成型壓力為295MPa，燒結(jié)溫度為950°C，燒結(jié)氣氛為Ar (-個(gè)大氣 壓），燒結(jié)時(shí)間為1. 5h，固溶時(shí)間為9h。
[0018] 實(shí)施例4:基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑中各材料成分所占高阻尼 MnCu合金的質(zhì)量百分比如下：基體合金粉末為Mn :55%，Cu :20%，A1 :2%，Ni :3% ;強(qiáng)磁性顆粒 為C〇3B :6%，F(xiàn)eB :6 % ;燒結(jié)輔助劑為Sn :4%、Si :4%。基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助 劑在球磨機(jī)中充分混合時(shí)間為2h，冷壓成型機(jī)成型壓力為300MPa，燒結(jié)溫度為900°C，燒結(jié) 氣氛為Ar (-個(gè)大氣壓），燒結(jié)時(shí)間為lh，固溶時(shí)間為8h。
[0019] 實(shí)施例5 :基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑中各材料成分所占高阻尼 MnCu合金的質(zhì)量百分比如下：基體合金粉末為Mn :40%，Cu :35%，Ni :2% ;強(qiáng)磁性顆粒為 C〇3B :6%，C〇2B :6%，F(xiàn)e2B :6% ;燒結(jié)輔助劑為B :5%?；w合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑 在球磨機(jī)中充分混合時(shí)間為2h，冷壓成型機(jī)成型壓力為290MPa，燒結(jié)溫度為930°C，燒結(jié)氣 氛為Ar (-個(gè)大氣壓），燒結(jié)時(shí)間為1. 5h，固溶時(shí)間為10h。
[0020] 以上實(shí)施例經(jīng)采用球磨機(jī)械合金化手段充分混合-冷壓成型后-液相燒結(jié)-固 溶處理等一系列技術(shù)路線，最終獲得相對(duì)密度不低于90%、成型性能與力學(xué)性能良好的燒結(jié) MnCu基阻尼合金。這是傳統(tǒng)鑄造方法制備的MnCu阻尼合金所不具備的性能。
[0021] 以上實(shí)施例獲得的高阻尼合金在0. 5Hz-100Hz的振動(dòng)頻率范圍及-50°C?300°C 的溫度范圍內(nèi)，其阻尼值(對(duì)數(shù)衰減率)為0.02?1。致密度可根據(jù)用途進(jìn)行調(diào)節(jié)，在常壓 無法得到90%以上的燒結(jié)致密度時(shí)，可采用熱等靜壓燒結(jié)。
[0022] 以上實(shí)施例燒結(jié)的合金經(jīng)測(cè)定的物理、力學(xué)、阻尼特性參數(shù)見表1。其中密度采用 阿基米德方法測(cè)定，硬度采用維氏硬度(加載載荷500g);對(duì)數(shù)衰減率采用自由共振方法測(cè) 定，測(cè)試頻率為40Hz ;縱波、橫波衰減率采用超聲波方法測(cè)定，超聲波頻率為2MHz。
[0023] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種高阻尼MnCu合金，其特征在于：高阻尼MnCu合金由基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒 和燒結(jié)輔助劑制備而成；基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑中各材料成分所占高阻 尼MnCu合金的質(zhì)量百分比如下：基體合金粉末為Μη :40?80%，Cu :10?50%，Al、Ni和Fe 中任意一種或幾種：2?10% ;強(qiáng)磁性顆粒為Co3B、Co2B、Fe2B、FeB和MnB中的任意一種或幾 種：2?20% ;燒結(jié)輔助劑為Bi、Si、Sn和B中的任意一種或幾種：2?10%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高阻尼MnCu合金的粉末冶金制備工藝，其特征在于：包 括如下工藝步驟： 步驟一.按照質(zhì)量百分比將基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑在球磨機(jī)中充 分混合，球磨介質(zhì)為酒精，酒精體積是基體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑總體積的 1. 5 ?2. 5 倍； 步驟二.將混合后的原料送入冷壓成型機(jī)壓制成型； 步驟三.將壓制成型后的原料送入真空燒結(jié)爐，在真空或Ar氣氛中進(jìn)行燒結(jié)； 步驟四.最后送入真空退火爐，在真空中進(jìn)行固溶處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高阻尼MnCu合金的粉末冶金制備工藝，其特征在于：基 體合金粉末、強(qiáng)磁性顆粒和燒結(jié)輔助劑在球磨機(jī)中充分混合時(shí)間為l_2h。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高阻尼MnCu合金的粉末冶金制備工藝，其特征在于：冷 壓成型機(jī)成型壓力為290?300MPa。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高阻尼MnCu合金的粉末冶金制備工藝，其特征在于：燒 結(jié)溫度為850?1000°C，燒結(jié)時(shí)間為1-1. 5h。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高阻尼MnCu合金的粉末冶金制備工藝，其特征在于：在 真空中固溶時(shí)間為5-10h。
【文檔編號(hào)】C22C22/00GK104120314SQ201410395840
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】謝志峰, 余黎明, 冀璞光 申請(qǐng)人:天津銀龍高科新材料研究院有限公司