Summary
本文提出了一种用优质冶炼工艺和合理的热处理方法获得具有优异综合性能的新型锰铜基合金的协议。
Abstract
锰 (锰)-铜 (铜) 基合金已被发现具有阻尼能力, 可用于减少有害的振动和噪音有效。M2052 (Mn-20Cu-5Ni-2Fe、at%) 是锰铜基合金的重要分支, 具有良好的阻尼能力和加工性能。近几十年来, 对 M2052 的性能优化进行了大量的研究, 提高了阻尼能力、机械性能、耐腐蚀性和服务温度等主要性能指标.优化是合金化、热处理、预处理和不同成型方式等, 其中合金化, 以及采用合理的热处理, 是获得完美和全面的最简单、最有效的方法.性能。为了获得具有优异性能的铸造成型 M2052 合金, 我们建议将锌和铝添加到 MnCuNiFe 合金基体中, 并采用各种热处理方法, 对显微组织、阻尼能力和服务温度进行比较。通过优化热处理方法, 得到了一种新型的铸态锰-22.68Cu-1.89Ni-1.99Fe-1.70Zn 6.16Al (.%) 合金, 其阻尼能力强, 使用温度高。与锻造技术相比, 铸坯成型工艺简单、效率高, 这种铸态合金的阻尼能力极佳。因此, 有一个适当的理由认为这是一个很好的选择, 工程应用。
Introduction
由于由齐纳发现的锰铜合金具有阻尼能力1, 因此受到了广泛的关注和研究2。锰铜合金的优点是它具有很强的阻尼能力, 特别是在低应变振幅下, 其阻尼能力不能受到磁场的干扰, 这与铁磁阻尼合金有很大的不同。锰铜基合金的高阻尼能力主要归因于内部边界的可动性, 主要包括双边界和相边界, 这是在以面为中心的立方到面-四方中产生的 (f.c.c.-f.c.t.)马氏体转化温度下的相变 (tt)3。研究发现, tt直接依赖于锰铜基合金4、5的锰含量;即锰含量越高, tt越高, 材料的阻尼能力越好。该合金含 80 at% 锰, 在固溶温度6时, 被发现具有较高的阻尼能力和最佳强度。但是, 合金中锰的浓度越高, 合金的脆性越小, 伸长率越低, 冲击韧性越大, 耐腐蚀性越差, 这就意味着合金将无法满足工程要求。以往的研究结果显示, 在适当条件下进行时效处理是解决这一问题的有效方法;例如, 含有 50-80 at% 锰的锰铜基阻尼合金, 在适当的温度范围7内, 通过时效处理, 也能获得较高的 tt和良好的阻尼能力。这是由于γ-母相分解为纳米富锰区和纳米富铜区域, 而在混溶间隙的温度范围8,9,10,它被认为是改善这一合金的 t 及其阻尼能力。显然, 它是一种有效的方法, 可以结合高阻尼能力和优良的实用性。
M2052 合金用于锻造成形, 一种具有代表性的锰铜基高阻尼合金, 具有中锰含量的克伦等。11, 在过去的几十年里得到了广泛的研究。研究人员发现, M2052 合金在阻尼能力、屈服强度和可加工性之间有很好的甜味点。与锻造技术相比, 铸件由于成型工艺简单、生产成本低、生产率高等特点而得到了广泛的应用. 影响因素 (如振荡频率、应变振幅、冷却速度、热处理温度/时间等) 研究了12、13、14、15 M2052 合金的阻尼能力、显微组织和阻尼机理. ,16,17,18。然而, M2052 合金的铸造性能较差, 例如, 结晶温度范围很广, 铸件孔隙度的发生, 集中收缩,最终导致机械铸件的性能。
本论文的目的是为工业领域提供一种可行的方法, 以获得具有优良性能的铸造锰铜基合金, 可用于机械和精密仪器行业, 减少振动, 确保产品质量。根据合金元素对相变和铸件性能的影响, 认为铝元素可以降低γ相区和γ相的稳定性, 从而使γ相更容易用微双胞胎变换成γ相。此外, 在γ相中, 铝原子的溶液可以提高合金的强度, 从而提高力学性能。铝元素是提高锰铜合金铸件性能的重要元素之一。锌元素有利于提高合金的铸造和阻尼性能。最后, 在 MnCuNiFe 季合金中加入了 2 wt% 锌和 3 wt% 铝, 研制了一种新型铸造 Mn-26Cu-12Ni-2Fe-2Zn-3Al (wt%) 合金。在此基础上, 采用了几种不同的热处理方法, 并对其效果进行了讨论。均匀化处理用于减少枝晶分离。溶液处理被用来固定杂质。时效处理用于触发调幅分解;同时, 利用各种老化时间, 寻找优化的阻尼能力和较高的服务温度参数。最后, 采用优选的热处理方法, 筛选出优越的阻尼能力, 以及较高的服务温度。
结果表明, 最大内摩擦 (Q-1) 和最高的服务温度可以同时通过老化的合金在435°c 2 h。由于这种制备方法的简便性和有效性, 提出了一种性能优良的铸态锰铜基阻尼合金, 对其工程应用具有重要的现实意义。该方法特别适用于铸造锰铜基高阻尼合金的制备, 可用于减振。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 原料的制备
- 按质量百分比 (65% 电解锰、26% 电解铜、2% 工业纯铁、2% 电解镍、3% 电解铝和2% 电解锌) 称量所有所需原材料, 如图 1所示。
注: 所有这些原材料都是商用的。
图 1: 原材料的介绍.所用材料包括 65 wt% 电解锰、26 wt% 电解铜、2 wt% 工业纯铁、2 wt% 电解镍、2 wt% 电解锌和 3 wt% 电解铝.请单击此处查看此图的较大版本.
2. 熔炼铸造工艺
注: 砂铸件的详细步骤如图 2所示。
图 2: 砂铸造和成型步骤.主要工艺包括制模、模具制作和铸件操作。请单击此处查看此图的较大版本.
- 准备图案, 根据产品图纸制作图案, 并确保图案的尺寸扩展到一定程度, 对收缩和加工余量负责。
注: 这项工作中使用的花纹材料是木材 (图 3), 因为木材图案轻便, 工作容易, 成本低, 生产周期短。
图 3: 铸造模具中使用的花纹.这些木材模式被用来获得铸件的形状。请单击此处查看此图的较大版本.
- 准备成型砂, 将石英砂与 4%-8% 硅酸钠混合在一起。
注: 砂直径约0.4 毫米, 颗粒均匀。 - 用手完成主要成型工艺。
- 首先, 在成型瓶中放入两种图案。
- 然后, 在模具周围捣扁成型砂, 并从沙子中提取图案后, 滚过烧瓶。
- 最后, 用铸膜刷砂模表面, 提高铸件表面质量, 减少铸件缺陷。
注: 模压砂模如图 4所示。 - 要获得干砂模具, 将模具放入烤箱中180摄氏度, 在铸件前烘烤超过8小时, 以增强其强度和渗透性, 促进熔体充填, 保证铸件产品的质量。
图 4: 模压砂模.它有两个腔, 其表面已经覆盖了涂层。请单击此处查看此图的较大版本.
3. 熔融感应
注: 使用中频真空感应熔炼炉。
- 打开炉盖, 将20.8 公斤锰, 8.32 公斤铜, 0.64 公斤镍, 0.64 公斤铁, 0.64 公斤锌, 和0.96 公斤的铝材料, 在坩埚中连续, 最后覆盖材料与冰晶石。
- 从烤箱取出铸造模, 放入炉内;调整其位置, 以成功浇筑。关闭盖子, 真空炉, 然后打开热分配系统开始熔化的合金。
- 当金属开始融化时, 用氩把炉子填满93帕负压, 以抑制熔化金属的飞溅。
- 合金熔化后, 将其精炼几分钟, 以减少有害杂质和气体含量。
注: 熔炼过程通常包括冶炼和精炼。
4. 铸造合金
- 精炼过程后, 将熔融金属顺利倒入铸件模具中。
- 熔化后的金属完全固化后, 打破真空, 取出铸件模具。
- 当模具温度降至低水平时, 从铸件模具中取出铸件。
5. 铸件的前处理
注: 模压零件的 macrophotograph 如图 5所示。
- 使用直线切割机从铸件中切割试样。
注: x 射线衍射仪 (XRD) 测量和金相观察的试样在 10 x 10 x 1 毫米3。为动态热力学分析 (DMA) 的样品拥有 0.8 x 10 x 35 毫米3的维度。
图 5: 模塑件在砂模和拆卸部分.两个铸件一次成型。请单击此处查看此图的较大版本.
6. 热处理
- 将抛光标本分为七组, 并保持标本 #1 免受治疗, 保持作为一个铸造状态进行比较。把其他人放在盒式电阻烘箱中, 进行不同的热处理。
- 融汇标本 #2 和 #5 在850摄氏度24小时, 随后, 在冷水中淬火, 在435摄氏度, 标本 #2 4 h 和标本 #5 2 h。
- 溶液处理标本 #3 和 #6 在900°c 1 小时, 然后, 在冷水中淬火, 然后再老化435摄氏度, 标本 #3 4 h 和标本 #6 2 h。
- 年龄标本 #4 和 #7 分别为4小时和2小时435摄氏度。
7. 阻尼容量测试
- 使用动态机械分析 (DMA) 测量试样的阻尼能力17。
注: 测试模式为室温下的应变扫描。 - 在测试过程中, 检测应力与应变之间的相角δ (如图 6所示)。
- 用 Q-1表征阻尼能力, 可由以下公式确定。
Q-1 =棕褐色δ
图 6: DMA 的夹具结构和测试原理.(a) 此面板显示 DMA 的双悬臂夹具。(b) 此面板显示了所应用的正弦应力与应变的关系以及由此产生的相位滞后。公式可以计算应力与应变之间的滞后值, 以及模量。请单击此处查看此图的较大版本.
8. 样品表征
-
电解抛光及金相观察
- 对于一个枝晶显微组织观察, 在高氯酸和绝对酒精的混合溶液中蚀刻所有标本约1分钟, 1:27。
- 然后用丙酮清洗标本, 用鼓风机烘干试样, 用金相显微镜观察树枝状结构。
-
相结构表征
- 用 X 射线衍射 (XRD) 和 CuKα辐射12,22表征试样的相结构和晶格参数。
注: 使用扫描速度在 2°/分钟。在 XRD 测量之前, 要仔细地准备试样, 除去任何表面应力。
- 用 X 射线衍射 (XRD) 和 CuKα辐射12,22表征试样的相结构和晶格参数。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
图 7显示了 MnCuNiFeZnAl 合金试样 #1 #7 和铸 M2052 的应变振幅的阻尼能力依赖性。结果表明, 试样 #1 的阻尼能力高于铸造 M2052 合金 (如图 7a所示) 和传统的锻造 M2052 高阻尼合金在前文20、21中所述。此外, 原铸 MnCuNiFeZnAl 合金的阻尼能力可以进一步改善, 随后, 均质老化, 溶液老化和老化处理 (如图 7b和7c所示), 其中老化处理对于 2 h 可以导致最高的阻尼能力。当应变振幅ε为 2 x 10-4时, 试样的 Q-1值 #1 #7 列在表 1中。此外, 在将试样 #4 与试样 #7 进行比较时, 发现 Q-1可以通过较短的老化时间显著提高 (如图 7d所示)。此外, 与锻造相比, 砂铸造和 2 h 的老化更简单、经济、高效。
图 7: Q-1的依赖性对铸 MnCuNiFeZnAl 合金试样的应变振幅 #1 #7 和铸 M2052。对于 Q−1的应变振幅依赖性的测量, 测试频率和温度分别为1赫兹和25摄氏度。这一数字已由刘等人修改。18.请点击这里查看这个数字的更大版本.
| 标本 | 1 # | 2 # | 3 # | 4 # | 5 # | 6 # | 7 # |
| Q−1 | 3.0 x 10−2 | 4.7 x 10−2 | 4.9 x 10−2 | 3.9 x 10−2 | 4.5 x 10-2 | 4.7 x 10-2 | 5.0 x 10-2 |
表 1: Q-1应变振幅时试样 #1 #7 值ε = 2 x 10-4.
图 8显示了铸态 MnCuNiFeZnAl 合金试样 #1 和 #5 #7 的金相显微图。在铸态冷却过程中, 铜原子间锰原子的缓慢扩散速度会形成一个严重的树枝状离析, 最终导致树突状组织的形成。由于锰比铜更容易受到腐蚀, 在观测到的树突状结构中的暗区是富锰的枝晶, 它们有几毫米长和几微米宽, 而光区则为富铜区域。当温度降低时, 富锰的枝晶主要从富锰地区的液相沉淀, 然后形成富铜区间。相比之下, 试样 #5 暗富锰树突的尺寸明显小于试样 #1, 表明试样 #5 的枝晶分离在一定程度上减弱。同样, 试样 #6 的枝晶分离也在一定程度上减弱, 但仍略优于试样 #5, 因为在溶液时效处理过程中保持时间较短。然而, 标本 #7 和标本 #1 的 dendritical 显微组织没有明显的差异。结果表明, 均质老化和溶液时效处理可以削弱宏观锰的分离, 但直接时效处理对其无明显影响。这些结论也可以从成分 EDS 分析中得出。在调幅分解前, 铸 MnCuNiFeZnAl 合金中富锰枝晶的锰含量平均为 79.23 at%, 锰含量显著降低到 68.20 at% 后, 样品在850°c 为 24 h 和 73.42 at% 后, 溶液治疗在900摄氏度为1小时。
图 8: 在不同热处理条件下铸态 MnCuNiFeZnAl 合金的金相显微照片.可以看出不同标本的树突状结构。这一数字已由刘等人修改。18.请点击这里查看这个数字的更大版本.
根据温度依赖性阻尼能力曲线, 随着温度升高, 阻尼能力急剧下降。阻尼能力急剧下降的温度通常被定义为服务温度, 这是在工程领域使用的阻尼合金最关键的指标之一。表 2列出了标本 #1 和 #5 #7 的服务温度。可以清楚地看到, 老化在435°c 为 2 h 可能导致最佳的服务温度。
| 标本 | 1 # | 5 # | 6 # | 7 # |
| 服务温度 (°c) | 43 | 50 | 55 | 70 |
表 2: 试样的服务温度 #1 和 #5 #7。
锰铜基合金的高阻尼能力与俱乐部 c-俱乐部 t 马氏体转化过程中产生的γ相有关。通常, γ相的量与锰含量有关。大量学者7、22、23、24研究了锰铜基合金晶格参数、晶格畸变和锰含量之间的关系。根据试样 #1 和 #5 #7 的 c/a 值, 利用中、铝所述公式估算了调幅分解后各试样纳米富锰区的锰含量。17. 样品 #1 和 #5 #7 的 C锰分别为 84.18 at%、84.75 at%、85.08 at% 和 85.35 at%, 在调幅分解后, 在纳米富锰地区。很明显, 试样 #7 具有最高的 C锰, 这意味着铸态 MnCuNiFeZnAl 合金具有优越的阻尼能力, 同时, 在2小时的435摄氏度的老化下, 其服务温度也较高。
晶格畸变 (a/c-1), Q-1 (在一个应变振幅的ε = 2 x 10-4), 和 MnCuNiFeZnAl 合金的服务温度不同的热处理, 相应的标本 #1 和 #5 #7, 是图 9中绘制。显然, 晶格畸变与 Q-1和服务温度成正比;即晶格畸变越大, 阻尼能力越强, 服务温度越高。
图 9: 晶格畸变 (a/c-1) 与 Q-1的关系(ε = 2 x 10-4) 和 MnCuNiFeZnAl 合金在不同热处理条件下的服务温度。这一数字已由刘等人修改。18.请点击这里查看这个数字的更大版本.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
为保证这种铸态锰铜基合金具有优异的阻尼能力和优良的力学性能, 必须保证铸件具有稳定的化学成分、高纯度和良好的晶体结构。因此, 对冶炼、浇注、热处理工艺进行严格的质量控制是必要的。
首先, 必须选择合适的合金成分。认为添加的合金元素可以促进γ母相的分解, 这将有助于产生更多的马氏体微双胞胎25。此外, 还需要考虑某些合金元素来改善机械和铸件性能。最后的合金将结合优越的阻尼能力和优良的机械性能。
其次, 需要一个合理的熔融过程, 这与合金的铸造特性有关。在铸造锰铜合金熔炼过程中应考虑以下几个关键点: (1) 先加入高熔点合金, 再加入低熔点合金, 按顺序将坩埚中的金属原料喂入, 以防止严重的燃烧损失。(2) 采用真空熔融法, 确保合金中的气体和杂质含量较低。同时, 将惰性气体注入炉内, 控制真空熔炼过程中的压力, 减少金属液体的挥发。(3) 当无气泡从熔融金属表面逸出时, 进入精炼期。精炼期的目的是清除任何气体和挥发性夹杂物。
更重要的一步是热处理工艺的选择。在获得了具有优异性能的铸态 MnCuNiFeZnAl 合金后, 还选择了适合该合金的热处理工艺, 以进一步提高其阻尼能力。通过对实验结果的分析, 发现通过短时时效处理, 阻尼能力能达到极值。铸 MnCuNiFeZnAl 合金的最终热处理工艺非常简单有效。
最后, 通过对新型铸造锰-22.68Cu-1.89Ni-1.99Fe-1.70Zn 6.16Al (at%) 合金的研究, 研究了热处理对阻尼能力和服务温度的影响。也就是说, 最大程度的纳米锰离析可以通过435摄氏度的老化达到2小时, 导致 tt增加, 最终显著改善阻尼能力 (Q-1 = 5.0 x 10-2) 和服务温度 (70 °c), 与原来的铸态合金相比。
这种方法虽然仅用于铸造锰铜基高阻尼合金, 但其建模材料较便宜, 模具制造工艺简单, 产品阻尼能力和机械性能高, 具有以下优点,等此外, 该方法适用于不同批次的生产, 用于小批量生产和大批量生产。因此, 该方法对提高减振效果具有重要意义, 有助于拓宽其工业应用范围。由于该方法的优点, 可以代替锻造工艺, 在某些地区生产高阻尼产品。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
我们感谢中国国家自然科学基金 (11076109)、香港学者计划 (XJ2014045、G-YZ67)、四川省 "1000 人才计划"、四川大学人才引进计划 (YJ201410), 四川大学创新与创新实验项目 (20171060, 20170133)。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| manganese | Daye Nonferrous Metals Group Holdings Co., Ltd. | DJMnB | produced by electrolysis |
| copper | Daye Nonferrous Metals Group Holdings Co., Ltd. | Cu-CATH-2 | produced by electrolysis |
| Nickel | Daye Nonferrous Metals Group Holdings Co., Ltd. | Ni99.99 | produced by electrolysis |
| Iron | Ningbo Jiasheng Metal Materials Co., Ltd. | YT01 | industrial pure Fe |
| Zinc | Daye Nonferrous Metals Group Holdings Co., Ltd. | 0# | produced by electrolysis |
| Aluminum | Daye Nonferrous Metals Group Holdings Co., Ltd. | Al99.90 | produced by electrolysis |
References
- Zener, C. Elasticity and anelasticity of metals. , University of Chicago Press. (1948).
- Jensen, J. W., Walsh, D. F. Manganese-Copper damping alloys. Bulletin 624. , U.S. Department of the Interior, Bureau of Mines. Washington, DC. (1965).
- Wang, X. Y., Peng, W. Y., Zhang, J. H. Martensitic twins and antiferromagnetic domains in gamma-MnFe(Cu) alloy. Materials Science and Engineering A. 438, 194-197 (2006).
- Wang, X. Y., Zhang, J. H. Structure of twin boundaries in Mn-based shape memory alloy: a HRTEM study and the strain energy driving force. Acta Materialia. 55 (15), 5169-5176 (2007).
- Yin, F. X., Ohsawa, Y., Sato, A., Kawahara, K. Decomposition behavior of the gamma(Mn) solid solution in a Mn-20Cu-8Ni-2Fe (at%) alloy studied by a magnetic measurement. Materials Transactions,JIM. 40 (5), 451-454 (1999).
- Dean, R. S., Potter, E. V., Long, J. R. Properties of transitional structures in Copper-Manganese alloys. Metallurgical and Materials Transactions, ASM. 34, 465-500 (1945).
- Yin, F. X., Ohsawa, Y., Sato, A., Kawahara, K. Temperature dependent damping behavior in a Mn-18Cu-6Ni-2Fe alloy continuously cooled in different rates from the solid solution temperature. Scripta Materialia. 38 (9), 1314-1346 (1998).
- Findik, F. Improvements in spinodal alloys from past to present. Materials and Design. 42 (42), 131-146 (2012).
- Yan, J. Z., Li, N., Fu, X., Zhang, Y. The strengthening effect of spinodal decomposition and twinning structure in MnCu-based alloy. Materials Science and Engineering A. 618, 205-209 (2014).
- Soriano-Vargas, O., Avila-Davila, E. O., Lopez-Hirata, V. M., Cayetano-Castro, N., Gonzalez-Velazquez, J. L. Effect of spinodal decomposition on the mechanical behavior of Fe-Cr alloys. Materials Science and Engineering A. 527 (12), 2910-2914 (2010).
- Yin, F. X. Damping behavior characterization of the M2052 alloy aimed for practical application. Acta Metallurgica Sinica. 39 (11), 1139-1144 (2003).
- Yin, F. X., Ohsawa, Y., Sato, A., Kohji, K. Decomposition of high temperature gamma(Mn) phase during continuous cooling and resultant damping behavior in Mn74.8Cu19.2Ni4.0Fe2.0 and Mn72.4Cu20.0Ni5.6Fe2.0 alloys. Materials Transactions, JIM. 39 (8), 841-848 (1998).
- Sakaguchi, T., Yin, F. X. Holding temperature dependent variation of damping capacity in a MnCuNiFe damping alloy. Scripta Materialia. 54 (2), 241-246 (2006).
- Tanji, T., et al. Measurement of damping performance of M2052 alloy at cryogenic temperatures. Journal of Alloys and Compounds. 355 (1-2), 207-210 (2003).
- Yin, F. X., Iwasaki, S., Sakaguchi, T., Nagai, K. Susceptibility of damping behavior to the solidification condition in the as-cast M2052 high-damping alloy. Key Engineering Materials. 319, 67-72 (2006).
- Yin, F. X., Ohsawa, Y., Sato, A., Kawahara, K. Characterization of the strain-amplitude and frequency dependent damping capacity in the M2052 alloy. Materials Transactions, JIM. 42 (3), 385-388 (2001).
- Zhong, Z. Y., et al. Mn segregation dependence of damping capacity of as-cast M2052 alloy. Materials Science and Engineering A. 660, 97-101 (2016).
- Liu, W. B., et al. Novel cast-aged MnCuNiFeZnAl alloy with good damping capacity and high service temperature toward engineering application. Materials Design. 106, 45-50 (2016).
- Cowlam, N., Shamah, A. M. A diffraction study of y-Mn-Cu alloys. Journal of Physics F: Metal Physics. 11 (1), 27-43 (1981).
- Yan, J. Z., et al. Effect of pre-deformation and subsequent aging on the damping capacity of Mn-20 at.%Cu-5 at.%Ni-2 at.%Fe alloy. Advanced Engineering Materials. 17 (9), 1332-1337 (2015).
- Zhang, Y., Li, N., Yan, J. Z., Xie, J. W. Effect of the precipitated second phase during aging on the damping capacity degradation behavior of M2052 alloy. Advances in Materials Research. 873, 36-41 (2014).
- Yin, F. X., Ohsawa, Y., Sato, A., Kawahara, K. X-ray diffraction characterization of the decomposition behavior of gamma(Mn) phase in a Mn-30 at.% Cu alloy. Scripta Materialia. 40 (9), 993-998 (1999).
- Yin, F. X., Ohsawa, Y., Sato, A., Kawahara, K. Phase decomposition of the gamma phase in a Mn-30 at.% Cu alloy during aging. Acta Materialia. 48 (6), 1273-1282 (2000).
- Ritchie, I. G., Sprungmann, K. W., Sahoo, M. Internal-friction in Sonoston - a high damping Mn/Cu-based alloy for marine propeller applications. Journal De Physique. 46 (C-10), 409-412 (1985).
- Kawahara, K., Sakuma, N., Nishizaki, Y. Effect of Fourth Elements on Damping Capacity of Mn-20Cu-5Ni Alloy. Journal of the Japan Institute of Metals. 57 (9), 1097-1100 (1993).
