一种高韧性铸造Fe-Cr-Mo基高阻尼合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于阻尼合金材料领域，具体涉及一种铸造 Fe-Cr-Mo基阻尼合金及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 阻尼合金是一类可在一定的条件下通过吸收能量使其具有减振、降噪等阻尼效应 的合金。在噪声振动控制技术当中，对于噪声振动源头的控制和隔振是一种积极有效的手 段，人们期待使用阻尼合金材料来加强对于噪声振动源的控制和隔振。Fe-Cr-Mo基铁磁性 阻尼合金具有较好的拉伸力学性能、优良的耐蚀性、高的阻尼特性、生产成本较其他阻尼合 金相对较低的特点，且其阻尼性能不受振动频率的影响，在温度高达400°C时仍具有较高的 阻尼性能。Fe-Cr-Mo系阻尼合金作为一种铁素体不锈钢，其微观组织为单一的铁素体相，在 热处理冷却过程中会发生σ相析出脆性转变和475°C脆性转变等问题。并且由于铁素体的 体心立方结构，在正应力的作用下合金易沿着能量较低的{100}晶面发生解理断裂。因此， Fe-Cr-Mo合金的冲击韧性较低，断裂形式也多为脆性解理断裂。这极大限制了 Fe-Cr-Mo系 阻尼合金作为结构功能一体化材料的应用范围。对于提高铁素体不锈钢韧性，目前通常采 用最大限度地控制C、N元素的含量的方法。但由于杂质元素的控制程度与熔炼工艺的发展 程度相关，受熔炼工艺影响较大，因此通过这样的途径提高铁素体不锈钢的韧性需要复杂 的工艺，成本很高，且对Fe-Cr-Mo基阻尼合金的韧性改善效果并不理想。目前还没有一种 在不影响Fe-Cr-Mo基阻尼合金阻尼性能的前提下提高其韧性的方法。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高韧性铸造 Fe-Cr-M0基高阻 尼合金及其制备方法，以在不降低阻尼性能的前提下，大幅度提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金的 韧性。
[0004] Fe-Cr-M0系高阻尼合金属于铁磁型阻尼合金，起阻尼作用的主要是合金中的铁素 体相，经过铸造成形后其晶粒十分粗大，晶粒尺寸有时超过了 lOOOum，晶界呈现单相平衡 的规则晶界。由于铁素体相为体心立方结构，在冲击应力的作用下，体心立方结构滑移系 较少，因此容易发生沿{100}晶面发生解理断裂，而粗大的铸造晶粒更加剧了脆断的程度。 由于铸造晶粒无法通过热处理的方式改善，只能通过合金化的方式改变组织的形式进行改 善。本发明采用在合金中加入Zr的方法来解决上述问题，其原理如下：
[0005] Zr原子在铁素体中溶解度极小，溶质分配系数k很高，是一种表面活性元素。在 铸造结晶过程中Zr原子富集在固液界面液相一侧，形成很大的成分过冷，因而形核细化晶 粒。同时，Zr与Fe原子形成了 Zr-Fe中间相Zr3Fe。Zr3Fe这种底心四方相析出在液相中， 在铸造结晶过程中，它随着固液相界不断推进于晶界上，并呈现蠕虫状（见图1)，阻碍晶界 推进。相比未加 Zr的Fe-Cr-Mo合金，本发明所述含Zr的Fe-Cr-Mo合金由于析出物阻碍 晶界推进而出现不规则晶界，也使得晶粒得以细化。Zr 3Fe析出物也出现在晶内，呈现球状 (见图2)。晶粒的细化有利于合金冲击韧性的提高。另一方面，在受到冲击载荷时，由于应 力作用于第二相（前述球状Zr3Fe相）粒子界面处，第二相粒子界面处因减聚力或者粒子 的断裂产生裂纹，在塑性形变的扩散作用下这些裂纹慢慢演变成球状孔洞。断裂孔洞优先 在第二相粒子处形成，孔洞随着塑性变形的进行相互连接最终形成了韧窝，从而使合金的 断口形貌为典型韧窝断口，韧性很好（见图3b)，而未加 Zr的Fe-Cr-Mo合金断裂形式为典 型的铁素体解理断裂（见图3a)，韧性较低。
[0006] 本发明所述高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，所含Zr的质量分数为0. 05~ 0· 8%〇
[0007] 上述高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，其组分及各组分的质量分数优选：Cr为 13 ~17%，Mo 为 1 ~4%，Si 为 0· 3 ~1. 5%，Mn 为 0· 3 ~1. 0%，Ni 为 0 ~2. 0%，Zr 为 0· 05~0· 8%，余量为Fe。
[0008] 上述高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，Ni的质量分数优选0. 5~2. 0%。
[0009] 本发明所述高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的制备方法，按照本发明所述高 韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的组分及组分配比称取原料，采用真空感应熔炼、浇注得 到合金铸件，再对合金铸件进行阻尼化热处理即可，真空感应熔炼时Zr源在精炼末期于真 空条件下加入。
[0010] 上述高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的制备方法，所述Zr源为海绵锆、锆铁合 金和锆镍合金中的一种。
[0011] 上述高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的制备方法，所述真空感应熔炼中精炼 是在1600~1650°C下精炼10~20min (视真空感应炉的容量而定，容量大时精炼时间取大 值）。
[0012] 上述高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的制备方法，所述阻尼化热处理是将合 金铸件在1000°C~1050°C下保温40~80min，保温结束后随炉冷却至100°C以下取出即 可。
[0013] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0014] 1、本发明针对Fe-Cr-Mo基阻尼合金韧性低的问题提供了一种含Zr的高韧性 Fe-Cr-Mo基阻尼合金，为提高Fe-Cr-Mo基阻尼合金的韧性开创了一种可行有效且工艺简 单的新方法。
[0015] 2、本发明通过在Fe-Cr-Mo基阻尼合金中添加微量Zr元素，大幅度提高Fe-Cr-Mo 基阻尼合金的韧性，另一方面，由于固溶的Zr原子和Fe原子之间的交换耦合作用，使得 磁畴壁的移动能力增加，阻尼性能也有一定的提高（见实施例1和对比例1)。因此本发 明能在不降低Fe-Cr-Mo合金阻尼性能的同时提高其韧性，得到一种高韧性高阻尼性能的 Fe-Cr-Mo基阻尼合金。
[0016] 3、本发明所述方法采用铸造的方法制备Fe-Cr-Mo基阻尼合金，通过添加适量Si、 Mn元素改善了金属流动性能，因而铸造性能良好，对于复杂外形的铸件也能方便制得，同时 也避免了采用锻件焊接的方式获得机械构件时，阻尼性能因焊缝的存在难以发挥减震降噪 作用的问题。
[0017] 4、本发明所述方法采用真空感应熔炼的方式进行熔炼，可提高合金的纯净度，C、N 等杂质元素含量很低，通过热处理工艺消除铸造应力，避免热处理过程中脆性相的析出，降 低了合金发生σ相析出脆性和475°C脆性的可能。
【附图说明】
[0018] 图1为实施例1制备的高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的晶界析出相的SEM 图。
[0019] 图2为实施例1制备的高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金的晶内析出相（韧窝 孔洞内的析出相）的SEM图。
[0020] 图3为实施例1制备的高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金和对比例1制备的铸 造 Fe-Cr-Mo基阻尼合金的断口形貌图（a为对比例1制备的铸造 Fe-Cr-Mo基阻尼合金，b 为实施例1制备的高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金）。
[0021] 图4为实施例1制备的高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金和对比例1制备的铸 造 Fe-Cr-Mo基阻尼合金的阻尼性能随应变振幅的变化曲线。
【具体实施方式】
[0022] 下面通过实施例对本发明所述高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金及其制备方法 做进一步说明。
[0023] 实施例1
[0024] 本实施例所述高韧性铸造 Fe-Cr-Mo基高阻尼合金，合金中各组分及组分的质量 百分含量如下：Cr 为 16%，Mo 为 2%，Si 为 0· 3%，Mn 为 L 0%，Ni 为 L 6%，Zr 为 0· 2%， 余量为Fe。
[0025] 制备方法：
[0026] (1)将按照合金组分配比称取好的工业纯铁（C含量< 0. 006% )、结晶硅Si-U金 属铬JCr99-A、工业纯钼Mo-I、电解镍Ni9996加入真空感应熔炼炉的坩埚中，在真空熔炼炉 中放置好铸型，抽真空至〇. 3Pa后开始送电加热，待金属全部熔化