CN112662942A - 阻尼钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻尼钢及其制备方法，成分以质量百分比计包括C：≤0.015％、Si：0.1～0.3％、Mn：0.6～2.5％、P：≤0.01％、S：0.15～0.55％、Al：0.01％～0.03％、[N]：≤0.01％、[O]：0.002～0.005％、Mg：0.001～0.003％、余量的Fe以及不可避免的杂质。该钢通过添加一定量Mg元素及S元素，获得优良的阻尼性能，并具有优良切削性能和力学性能。

Description

阻尼钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钢及其制备方法，具体涉及一种阻尼钢及其制备方法。

背景技术

由于工业的发展，对减振和降噪的需求越来越突出。对结构而言，振动主要会导致结构疲劳、噪声以及震动的危害。由于通过增大系统重量和体积、改善结构设计等手段减振降噪会增加部件的重量，从源头上已知振动和噪音变得极为重要。因此发展出阻尼合金。阻尼合金由于兼有优良的阻尼性能和力学性能，因而在航空航天、军事工业、汽车、建筑和海洋工程等方面有着广泛的应用。表征材料阻尼性能的物理参数主要有比阻尼SDC、阻尼损耗因子tanδ、对数衰减率δ和内耗值Q-1，一般认为SDC大于20％或tanδ超过0.03的合金即为高阻尼合金。

Fe-Mn合金是一类新型的阻尼合金，是几类阻尼合金(Mn-Cu基、Mg基、Ni-Ti基和Zn-Al基)中强度最高、价格较低的，而且其阻尼性能随着应变振幅的增大而增加。Fe-Mn基合金非常适合制作承受较大振动和冲击的机械设备与零部件。按照阻尼机理，阻尼合金可分为复相型阻尼合金(灰口铸铁和Zn-Al合金)、位错型阻尼合金(Mg基)、孪晶型阻尼合金(Mn-Cu、Ni-Ti)、铁磁性型阻尼合金(Fe-Cr基、Fe-Co基、Fe-Al基以及Co-Ni基合金)。而对于Fe-Mn系阻尼合金来说，其阻尼机制的研究还不成熟，仅有的研究者认为合金的主要阻尼源包括：(1)γ/ε相界面的移动；(2)ε氏体可变界面的移动；(3)奥氏体中堆垛层错的运动；(4)ε马氏体中堆垛层错的运动。

目前Fe-Mn系阻尼合金的阻尼机制尚在研究之中，但大多研究者认为其阻尼性能与合金内的ε马氏体相关，韩国的Seung-Han Baik等人指出影响Fe-Mn的阻尼性能的关键因素是ε马氏体数量和形态。并且在Fe-Mn二元合金中，Mn含量为17％时阻尼性能最好。

中国专利CN 106282786 A“含Nb铁锰基阻尼合金及其制备方法”提出一种含Nb铁锰基阻尼合金，其质量分数为17％的Mn、0.1～1％的Nb和余量Fe。控制Mn元素为17％提升阻尼性能，同时向钢中添加Nb元素。

中国专利CN 106011636 A“一种船用铁锰基高强韧阻尼合金”其化学成分的重量百分比为：≤0.02％的碳，≤0.02％的硅，16.5-17.5％的锰，≤0.005％的硫，≤0.01％的磷，≤0.01％的氮，≤0.015％的铝，余量为铁。主要控制钢中锰含量为16.5-17.5％。

中国专利CN 107338401 A“一种含Nb复合型低合金阻尼钢及其制备方法”其化学成分的重量百分比要求为：C≤0.15％，Si≤0.2％，Mn:0.5～2.0％，S:0.2～0.6％，Nb:0.01～0.06％，余量：Fe。采用向钢中添加Nb元素提升阻尼性能。

目前对Fe-Mn阻尼合金的添加元素主要有C、N、Ti、Co、Ni和Cr，还没有向钢中添加Mg元素的相关研究和报道。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种阻尼钢，该钢的阻尼性能优良，并且具有优良切削性能和力学性能。

本发明的另一目的是提供一种上述阻尼钢的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种阻尼钢，成分以质量百分比计包括C：≤0.015％、Si：0.1～0.3％、Mn：0.6～2.5％、P：≤0.01％、S：0.15～0.55％、Al：0.01％～0.03％、[N]：≤0.01％、[O]：0.002～0.005％、Mg：0.001～0.003％、余量的Fe以及不可避免的杂质。

其中，钢的成分中Mn/S为3.0～5.0。

该钢的成分设计中加入了一定量Mg元素，机理是通过Mg元素形成细小弥散氧化物，发挥氧化物冶金的作用，诱导形成晶内铁素体，细化晶粒，增加晶界。另外，细小弥散的氧化物促使硫化物在氧化物上析出，形成更多的复合硫化物。弥散分布的复合夹杂物与基体之间存在更多的相界面及晶界面。在外力作用下发生弹性或塑性变形时，相界面及晶界面会成为吸收能量主要区域，更多的相界面及晶界面能吸收大量的振动产生的能量，并且由于两相的不同，在界面处易形成点缺陷及线缺陷，这些缺陷之间的相互作用，能消耗大量的振动能量，这些作用造成材料内耗的增加。通过增加晶界及弥散分布的夹杂物与组织之间的界面等缺陷，提升阻尼性能。同时，外围包裹的MnS夹杂在切削过程中能发生软化，形成积削瘤，保护刀具，使产品切削性能增加。具体的，各元素的作用如下：

碳是影响钢中组织的最主要元素，碳含量的增加使合金强化。但碳可显著增大马氏体转变时的切变阻力，强烈降低Ms温度。同时含碳量增加，碳作为间隙原子，对马氏体界面阻尼源起到强烈的钉扎作用。均不利于材料的阻尼性能，为了保证钢的阻尼性能和力学性能，碳的含量应当控制不高于0.15％。

硅分别增加了钢中γ奥氏体和ε马氏体中的层错几率和Shockley不全位错数量，但由于Si原子的原子半径偏小，造成很大的晶格畸变，产生很多空位缺陷，使得Shockley不全位错运动困难，所以降低了合金的阻尼性能；另外，硅可以固溶强化钢基体，因此，硅的含量应控制在0.1-0.3％。

锰一部分与钢中S元素结合，在Mg元素作用下，形成以镁铝尖晶石为核心的MnS夹杂物，形成晶内铁素体，另外，锰固溶于钢中，锰是奥氏体相区扩大元素，锰含量增加会推迟奥氏体向铁素体的转变，同时提高Ms点温度，增大相变驱动力，提高ε马氏体组织转变量，但锰含量并非越多越好，进一步增加锰含量反而会降低ε马氏体组织转变量，获得以奥氏体为主的组织组成。综合考虑，锰的含量应控制在0.6～2.5％之内。

磷是铁素体相区形成元素，可以与α-Fe有限固溶，缩小奥氏体相区，且磷在钢中易形成区域偏析，不利于材料的阻尼性能；另外，磷的含量过高会恶化焊接性能，降低材料韧性，故磷的含量应控制在0.01％以下。

铝与氧和镁形成细小弥散的镁铝尖晶石，其外围包裹较软的MnS，有利于细化晶粒，增加阻尼性能，同时，复合硫化物有利于改善切削性能。另外，铝与镁结合，改善硫化物形态，使二类硫化物转变为一类硫化物，降低夹杂物造成的点蚀。故控制铝含量在0.01～0.03％。

硫元素能改善钢的加工性能，同时，通过控制Mn/S，以及加入的镁，利用氧化物冶金原理，使得形成晶内铁素体，细化晶粒，提升钢的阻尼性能。故硫含量越低越好，一般应控制在0.15％～0.55％。

氮在钢中易形成第二相粒子，会增大扩展位错的运动阻力，少量的氮对材料阻尼性能影响不大；但当钢中氮含量较高时，其二相粒子会使扩展位错运动困难，从而降低材料的阻尼性能，在应变量较大的情况下，氮含量的影响尤为明显，故钢中的氮含量应控制在0.01％以下。

镁能形成在高温钢液中尺寸细小、成分稳定、分布弥散的MgO·Al₂O₃夹杂物，为铁素体转变提供了异质形核点。这是因为MgO·Al₂O₃中存在Mg空位，可以吸收Mn元素，使得其周围出现贫Mn，促进了针状铁素体的形核。起到细化晶粒的作用。因此，镁能细化晶粒，使晶界密度增大，而晶界对温度特别敏感，在高温下，晶界会与位错一起产生滑移，此时晶界由于粘滞性流动引起能量损耗，即晶界阻尼，因而加Mg能有效提高阻尼性能。较多的Mg会使钢成本增加，因此，考虑镁对阻尼性能的改善及成本，本发明中Mg含量为0.001％-0.003％。

对应于上述阻尼钢，本发明提供的制备方法所采用的技术方案包括如下步骤：

(1)在氩气保护下，对原料进行1600±10℃感应加热彻底融化，控制除Mg元素外的其他元素达到成分设计目标要求；

(2)按成分设计比例加入Si-Mg合金调整Mg元素达到目标要求，充分搅拌融化混匀；

(3)铸造成坯。

有益效果：该阻尼钢是以复相型为主的复合型阻尼合金，材料组织主要是以细小MnS为核心的晶内铁素体，在晶界处有MnS及渗碳体，形成与基体铁素体组织所不同的第二相。由于晶界处的MnS以及渗碳体，铁素体以细小MnS为核心，形成晶内铁素体，使得晶粒细化，晶界增多。较于单相组织，存在更多的相界面及晶界面，在外力作用下发生弹性或塑性变形时，相界面及晶界面会成为吸收能量主要区域，更多的相界面及晶界面能吸收大量的振动产生的能量，并且由于两相组织的不同，极易在界面处形成点缺陷及线缺陷，这些缺陷之间的相互作用，能消耗大量的振动能量，这些作用造成材料内耗的增加，使得该钢具备极佳的阻尼性能。同时，外围包裹的MnS夹杂在切削过程中能发生软化，形成积削瘤，保护刀具，使产品切削性能增加。

附图说明

图1为本发明实施例1样品金相图；

图2为本发明实施例2样品金相图；

图3为对比例样品金相图；

图4为本发明实施例和对比例的样品阻尼性能比对图；

图5为本发明实施例3-5的样品阻尼性能。

具体实施方式

下面，结合实施例和对比例对本发明所能带来的技术效果做具体说明。各案例的成分如表1所示。

表1实施例与对比例化学成分表(wt％)

上述两个实施例的制备方法如下：

(1)将原材料加入到真空感应电炉内，并采用氧化镁坩埚盛装；

(2)感应加热到1600±10℃，在氩气保护下保温30分钟使彻底融化，融化后控制除Mg元素外的其他元素达到目标要求；

(3)后加入Si-Mg合金调整Mg元素含量达到表1，充分搅拌后并保温10分钟；

(4)随后进行铁模或者砂模铸造；冷却到室温，脱模，并清理铸坯表面。

对比例的制备步骤与实施例相似，区别在于对比例不加入Si-Mg合金。

对上述三个案例得到的样品进行金相晶粒度检测及阻尼性能检测。如图1-3所示，实施例和对比例样品腐蚀后检测金相组织均为铁素体+珠光体。但是对比例由于加入了Mg，晶粒明显有所不同，常温下晶粒度明显细化。如图4所示，在加入Mg后样品阻尼性能得到明显提升。

同时，为了验证在本发明限定范围内，均能达到如期效果，还另外设置了几组实施例，具体成分如下：

表2实施例化学成分表(wt％)

以上三组实施例采用的制备方法也与实施例1、2相同。

对上述三组实施例的样品进行检测，如图5所示，这三组实施例也具有优异的阻尼性能。

Claims (8)

1.一种阻尼钢，其特征在于，成分以质量百分比计包括C：≤0.015％、Si：0.1～0.3％、Mn：0.6～2.5％、P：≤0.01％、S：0.15～0.55％、Al：0.01％～0.03％、[N]：≤0.01％、[O]：0.002～0.005％、Mg：0.001～0.003％、余量的Fe以及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的阻尼钢，其特征在于，成分中Mn/S为3.0～5.0。

3.根据权利要求1所述的阻尼钢，其特征在于，金相组织为珠光体和晶内铁素体。

4.根据权利要求3所述的阻尼钢，其特征在于，所述晶内铁素体以细小MnS为核心，且在晶界处有MnS及渗碳体分布形成第二相。

5.根据权利要求1所述的阻尼钢，其特征在于，钢的组织中包含有弥散分布的细小MgO·Al₂O₃夹杂物。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的阻尼钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在氩气保护下，对原料进行1600±10℃感应加热彻底融化，控制除Mg元素外的其他元素达到成分设计目标要求；

(2)按成分设计比例加入Si-Mg合金调整Mg元素达到目标要求，充分搅拌融化混匀；

(3)铸造成坯。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用氧化镁坩埚盛装原料钢，加入到真空感应电炉内加热。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，采用模铸方式成坯，冷却到室温后脱模。

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