新型高性能 MnCuNiFeZnAl 合金的制备及高温性能研究
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。
Protocol
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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. , (1948).
- Jensen, J. W., Walsh, D. F. Manganese-Copper damping alloys. Bulletin 624. , (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).
