一种环保型锌铝阻尼合金及其制备方法与流程

本发明属于合金领域，具体涉及一种环保型锌铝阻尼合金及其制备方法。

背景技术：

随着现在工业越来越快速的发展，震动和噪声严重影响着机械设备运行的稳定性和可靠性。同时，建筑结构的抗震防灾安全性要求也越来越高，减震降噪成为众多领域急需解决的关键性工程问题。解决减震降噪问题的核心就是寻找高性能的阻尼材料。金属阻尼器是一种构造简单、造价低廉的耗能装置，被广泛地使用。现在人们使用的金属阻尼器主要有软钢阻尼器、铅阻尼器、形状记忆合金阻尼器。软钢阻尼器包括平面外及平面内屈服耗能钢板阻尼器两种，由于加工硬化和震后性能退化，在每次地震后都需要复检，甚至更换。铅阻尼器虽然金属塑性很好、刚度低、高阻尼等特点，但是铅阻尼器的恢复性较差，同时铅是一种对人体有害的材料。形状记忆合金阻尼器结构比较复杂，同时形状记忆合金阻尼器易受环境和温度的影响。因此，寻找一种具有不易加工硬化、具有较低的屈服极限的环保型阻尼材料显得尤为重要。

室温塑性锌铝系合金具有低屈服应力、高延展性、无工作硬化、耐磨性好、减震能力高以及无污染等特性，低屈服应力可使阻尼器能较早的进入耗能状态，高延展性和无工作硬化可提高阻尼器的使用寿命，减少震后的维修和更换工作。因此锌铝系阻尼合金具有非常大的市场竞争力。随着工业化的加速发展，减震降噪的要求进一步提高，市场迫切需要一种高阻尼性能的锌铝阻尼材料。孔令俊在硕士论文《室温下大尺寸Zn-22Al合金的力学性能研究及减震性能分析》中探索锌铝合金的减震性能，对锌铝合金的阻尼性能研究做出了前瞻性工作。专利CN101139673介绍了一种锌铝系合金阻尼性能的改善技术，即Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能减振合金及其制备方法和热处理工艺。专利CN1045278提出了采用锌铝系减振合金取代原有的铸铁或普通铸造铝合金制造汽车变速器箱体，能明显降低了变速器的噪声，提高汽车箱体的使用性能，但是硅含量较高，合金材料脆性加大，不能很好地发挥合金的阻尼效果。杨斌在期刊《锌铝合金的研究进展》中提到，在锌铝系合金中加入钛和稀土，可以明显的细化枝晶组织，促使各相分布均匀，有效提高合金的抗拉强度和阻尼性能，但钛-稀土中间合金的添加量以及热处理工艺对整个合金材料阻尼性能的影响研究较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有阻尼材料脆性大、易加工硬化等缺陷，提供一种无硅无铅、对环境无污染的环保型锌铝系阻尼合金新材料的制备方法，用于机械、建筑工程的耗能器制作。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种环保型锌铝阻尼合金，其原料按质量百分比计为：15%~27%的Al、0.01%~0.1%的Ti、0.1%~0.2%的稀土，0.02%~0.62的Cu，0.01%~0.5的Mg，余量为Zn，上述重量百分比之和为100%。

在Zn-Al合金中，钛-稀土中间合金颗粒的熔点较高且含量相较于锌铝较少，铝元素的熔点比锌元素的熔点高，铝的含量相对较少，在熔炼过程中，合金液表面会形成一层抗氧化能力很强的致密保护层，铝的抗氧化能力与锌相当，因此上述环保型锌铝阻尼合金的制备方法包含以下步骤：

（1）采用电阻炉熔炼，通过模具浇铸制备出合金锭。先将坩埚在300℃干燥预热30min，先加入铝金属块，熔炼温度为700~800℃，加入覆盖剂。

（2）铝块全部熔化后加入钛和稀土中间合金，等钛-稀土中间合金全部熔化后再加入铜块和镁块，熔化后加入锌块，熔炼温度降为600~650℃，加锌后补加覆盖剂，待合金完全熔化后，用钟罩依次压入锌合金专用精炼剂、除气剂、清渣剂，待温度降到550~600℃，浇铸于钢模具中。

（3）将制备出的锌铝阻尼合金进行如下方式的热处理：在330~360℃下保温36~72小时，出炉后在0~10℃之间冰水混合物中进行淬火冷却到室温，然后室温时效3天。室温时效处理后再进一步将淬火态的合金置于热处理炉中，在360℃下保温0.5~1小时，之后出炉在330~360℃进行热轧，轧制过程中温度浮动不能超过10℃，然后回炉在330~360℃下保温5~10分钟，进一步轧制，合金的压下率为25%~70%。之后将合金板放置在空气中自然冷却。

本发明与论文文献和专利技术相比，具有如下有益效果：在Zn-Al合金中，加入微量的Ti和稀土元素，通过合金化和热处理，在合金熔炼的高温阶段能与铝生成高熔点的TiAl₃等金属化合物，具有很强的变质细化作用，细化了基体晶粒组织，使原合金中硬相组织形态由粗大块、棒状形态改为均匀分布的星态。由于稀土元素化学性质比较活泼，能与氧、氮、氢等杂质分别形成比重轻、熔点高的化合物，这些化合物容易和熔渣一起从液态金属中排除出去，增加合金的纯度。同时增加了相界面的数量和位错的密度，大大提高了减震阻尼作用。而且，本发明的阻尼合金还具有不易加工硬化、环保无污染等优点。

通过在330~360℃下进行固溶处理，保证了原子的充分扩散，同时可以消除合金中因为非平衡结晶形成的网状共晶体；经过0~10℃之间冰水混合物中淬火处理，合金转化为β过饱和固溶体，会发生一系列的固态分解和析出，细化Zn-Al合金组织，增加相界面的数量和提高相界面的可动性，从而提高合金的阻尼性能；室温时效3天可以获得细晶组织，提高合金的内耗值，稳定合金的组织，提高制备成的零件精度；经过热轧处理，并自然冷却，可以减少合金材料微观孔洞以及组织疏松，减少合金缺陷，热轧空冷后，合金会发生固态相变，新相可以形核于晶界或者亚晶界，会产生细小的晶粒，提高合金材料的阻尼性能。

附图说明：

图 1是本发明实施例1中的锌铝阻尼合金的金相组织图；

图 2是本发明实施例1中在动态力学分析仪（DMA）上采用三点弯曲法测试的合金阻尼与温度的关系，测试频率f为20Hz。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明加以详细描述，但本发明的保护范围，不限于下述的实施例。

实施例1

一种环保型锌铝阻尼合金ZADAMP#1的制备方法，其含有以下重量百分比的成分：20%的Al、0.5%的Ti-RE中间合金，0.5%的Cu，0.4%的Mg，余量为Zn。其制备过程包括以下步骤：

（1）先将坩埚在300℃干燥预热30min，先加入Al金属块和覆盖剂，因为纯Al的熔点为660.32℃，而熔炼温度通常比熔点高50~150℃，所以设定熔炼炉温度为700~800℃℃并保温一段时间。

（2）铝块全部熔化后加入钛和稀土中间合金颗粒，待金属块熔化后再加入铜块和镁块，熔化后加入锌块，加锌块后补加覆盖剂，将熔炼炉温度调到600~650℃并保温一段时间，待Zn全部熔化，对合金液进行充分搅拌，静置后依次加入适量锌合金专用精炼剂、除气剂、清渣剂，并用钟罩依次将试剂压入熔体中距底部1/3处来回缓慢搅动，待溶剂气化，带出熔体中的气体与夹渣物，使其与合金液分离漂浮在液面上。

（3）待反应完全后，将合金液静置3~5min，然后进行充分搅拌并扒渣，用热电偶测试坩埚中熔液的温度，当温度在550~600℃时把合金液浇铸到事先准备好的模具中冷却并成型。

（4）由于锌和铝的密度相差较大，凝固过程中固相和液相的成分差异较大，故铸态组织存在较为严重的成分偏析，所以在浇铸成型时要适当提高合金的冷却速度。本发明采用的是在钢模表面上喷水的方法来提高合金液的冷却速率，同时也能抑制树枝晶生成，从而获得较为细小的铸态组织，为后期获得超细晶粒组织做好准备。

（5）锌铝合金在凝固过程中，在铸型底面会出现底缩现象。本发明采用在模具底部加放冷铁的方法来减弱铸件底缩缺陷。铸造过程所采用的模具是自制钢模具或定制的石墨模具，其中钢模具和制备过程中所有与合金液直接接触的含Fe工具，都须在浇铸开始前清洗干净后涂上ZnO、水玻璃和水的混合悬浊液保护层并烘干，以免钢模中的Fe元素与合金液反应，对合金成分造成污染。

（6）石墨模具浇铸前要加热到200~300℃并保温一段时间，以彻底去除石墨模具的水分，保持干燥状态。

（7）将制备出的锌铝阻尼合金进行如下方式的热处理：在360℃下保温48小时，出炉后在0~10℃之间冰水混合物中进行淬火冷却到室温，然后室温时效3天。室温时效处理后再进一步将淬火态的合金置于热处理炉中，在360℃下保温0.5~1小时，之后出炉在360℃进行热轧，轧制过程中温度浮动不能超过10℃，然后回炉在360℃下保温5~10分钟，进一步轧制，合金的压下率为70%。之后将合金板放置在空气中自然冷却。热处理后合金材料的各项性能测试数据如表1所示。可以看出，合金材料表现出了优异力学性能，可以很好的发挥材料的阻尼效果。

表 1 ZADAMP#1合金经过热处理后材料的性能

从图1中合金的金相显微组织照片图可以看出，合金组织弥散着细小等轴的颗粒与片层两相共析组织，组织分布均匀，由于晶粒细小，难以分辨出晶界和晶粒尺寸，细晶组织能提高合金的内耗值，提高材料的阻尼性能；图2是用动态力学分析仪（DMA）采用三点弯曲法测试的合金阻尼与温度的关系，从图2中可以看出，在Zn-Al合金作为阻尼材料的使用温度范围内，合金的阻尼损耗因子tan δ随着温度的升高而不断的增加，合金的阻尼性能逐渐提高，在60℃时，阻尼损耗因子可达5.413×10^-2。

实施例2

一种环保型锌铝阻尼合金ZADAMP#2的制备方法，其含有以下重量百分比的成分：15%的Al、0.3% Ti-RE中间合金，0.25%的Cu，0.34%的Mg，余量为Zn。其制备过程（1）~（6）如实施例1步骤所示。

步骤（7）：将制备出的锌铝阻尼合金进行如下方式的热处理：在330℃下保温36小时，出炉后在0~10℃之间冰水混合物中进行淬火冷却到室温，然后室温时效3天。室温时效处理后再进一步将淬火态的合金置于热处理炉中，在330℃下保温0.5~1小时，之后出炉在330℃下进行热轧，轧制过程中温度浮动不能超过10℃，然后回炉在330℃下保温5~10分钟，进一步轧制，合金的压下率为25%。之后将合金板放置在空气中自然冷却。

实施例3

一种环保型锌铝阻尼合金ZADAMP#3的制备方法，其含有以下重量百分比的成分：27.5%的Al、0.01%的Ti、0.2%的稀土，余量为Zn。其制备过程（1）~（6）如实施例1步骤所示。

步骤（7）：将制备出的锌铝阻尼合金进行如下方式的热处理：在350℃下保温48小时，出炉后在0~10℃之间冰水混合物中进行淬火冷却到室温，然后室温时效3天。室温时效处理后再进一步将淬火态的合金置于热处理炉中，在350℃下保温0.5~1小时，之后出炉在350℃进行热轧，轧制过程中温度浮动不能超过10℃，然后回炉在350℃下保温5~10分钟，进一步轧制，合金的压下率为70%。之后将合金板放置在空气中自然冷却。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。