一种船用铁锰基高强韧阻尼合金的制作方法
【专利摘要】一种船用铁锰基高强韧阻尼合金，属于金属材料与阻尼技术领域。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。优点在于，克服了普通船板几乎不具备阻尼性能的缺陷，在保证材料良好强韧性匹配的基础上，产品的阻尼性能明显优于普通船板。由于产品通过控制常规元素含量与材料组织即可实现，故本发明的产品成本低廉，且十分容易实现工业化生产，具有广阔的应用前景。
【专利说明】
一种船用铁猛基局强初阻尼合金
技术领域
[0001] 本发明属于金属材料与阻尼技术领域，特别设及一种船用铁儘基高强初阻尼合 金〇
【背景技术】
[0002] 船舶动力机械在运行时会产生振动与噪声，振动和噪声一方面会引发船用设备故 障，造成船体结构材料的疲劳破坏，破坏船舶设备运行的稳定性和可靠性，直接影响船舶的 服役寿命和安全性；另一方面，由振动引发的噪声还会污染海洋环境，破坏海洋生态平衡； 更为重要的是，噪声在造成严重环境污染的同时还会刺激人体中枢神经和血管系统，大幅 降低航行的舒适度，恶化船员劳动条件，甚至会对人体健康产生不良影响。此外，对于军用 舰船而言，噪声还会影响舰船的战斗技术性能，噪声会通过船体福射产生水下噪声，破坏舰 船的隐蔽性;对于声学性能要求更高的潜艇来说，水下噪声过大，不仅容易暴露自身目标， 同时还会影响本身声纳设备的工作。
[0003] 由于船舶运行中产生的振动和噪声会危害船员健康，污染海洋环境，引发船用设 备与船体材料疲劳损坏，缩短船舶使用寿命，船舶噪声一直是人们关注的重点问题。在2014 年7月1日之前，大部分船级社均执行国际海事组织（IM0)制定的ΙΜ0-Α468(ΧΠ )标准一一 《船上噪声等级规则》。近年来船舶噪声问题越来越受到人们的关注，随着船舶大型化的发 展，动力设备导致的噪声问题日益严重，再加上人们对船舶舒适性要求的不断提高，因此， 国际海事组织海上安全委员会(MSC)通过多次会议讨论，于第91次会议通过了《船上噪声等 级规则》修正案，该修正案自2014年7月1日起正式实施，与原有规则相比，该修正案主要针 对船员工作和生活区域做了比较大的修改，其中规定1万吨W上船舶的住舱和医务室的噪 声限值从60分贝下调至55分贝，办公室、餐厅、娱乐和健身房的噪声限值从65分贝下调至60 分贝，其它工作区的噪声限值从90分贝下调至85分贝。规则中设及的强制规定都作为强制 性标准执行，新规则对船舶的降噪性能提出了更高的要求。
[0004] 要减少或消除船舶运行中产生的有害振动或噪音，不仅需要采用合理的船舶设计 方案，还有赖于现役船体结构材料阻尼性能的改善，即选用具有高阻尼（大内耗值)特性的 材料，W阻止和降低振动应力峰的传播，从而消除并减少有害振动和噪音的产生。同时，由 于船体材料为结构材料，需兼顾材料的强初性力学性能要求。目前得到广泛应用的阻尼合 金主要是WMn-化系合金和Ti-Ni合金等为代表的形状记忆合金类。运类材料具有很高的阻 尼本领，但由于它们多是有色金属，所W原材料较昂贵，加工工艺也较复杂，并不适用于用 量极大的船体材料。今后原材料低廉和加工工艺相对成熟的铁基材料将是船体阻尼合金的 主要发展趋势。
[0005] 铁基阻尼合金具有使用溫度范围宽，力学性能、阻尼性能好，价格低廉等优点，逐 渐受到人们的广泛关注。目前已开发并应用的铁基阻尼合金包括Fe-C、Fe-AlW及Fe-Cr-X 系阻尼合金。其中Fe-邱且尼合金主要通过提高碳当量的方法获得高阻尼值，但其力学性能 会由于碳当量的增加而下降，强度较低从而限制了Fe-邱且尼合金的应用。此外，相比其他铁 基阻尼合金，。6-邱且尼合金的阻尼性能偏低，仅为化-化系合金的1/^3甚至更低，并不适用于 船体结构。Fe-Al和Fe-Cr-X系阻尼合金均为铁磁型阻尼合金，主要依靠铁磁畴界的应力感 生运动产生阻尼，其中Fe-Al系阻尼合金存在脆性较大的显著缺点，限制了其在船舶制造中 的应用；典型的化-化-X系阻尼合金包括化-化、Fe-化-Mo、Fe-化-A1系阻尼合金，Fe-化阻尼 合金为二元合金，力学性能较差;在其基础上研发的Fe-Cr-Mo和Fe-Cr-Al系Ξ元阻尼合金 虽然具有一定的强度和较高的阻尼性能，但其初性水平较差，制造成本较高，且由于其阻尼 性能主要在中高频段（> lOOHz)才能发挥优势，因此主要应用于工业机械中。基于船体材料 的阻尼性能、力学性能和成本要求，本专利提出了一种高强初化-Μη基阻尼合金。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种船用铁儘基高强初阻尼合金，针对目前船体结构材料 阻尼性能较差的技术现状，采用合金成分设计+显微组织控制相结合的设计原理;在成分设 计方面，通过控制钢中的合金元素成分比例降低层错能W增加合金的阻尼源，同时减少钢 中的杂质元素含量W减少扩展位错的运动阻力;在显微组织控制方面，通过儘含量、成型工 艺及热处理工艺控制，提高钢中ε马氏体组织含量，减少奥氏体和α马氏体组织含量，提高钢 中主要阻尼源ε马氏体的相对比例，增加 ε马氏体可变界面与ε马氏体中堆煤层错的运动，同 时保证材料良好的强初性匹配。
[0007] 本发明通过控制化学成分及显微组织，获得具有良好强初性匹配和高阻尼性能的 船用铁儘基高强初阻尼合金。其中，在成分设计方面，本发明的技术解决方案是，所提供的 运一种船用铁儘基高强初阻尼合金，采用纯合金元素碳、娃、儘、憐、硫按照比例冶炼而成。 其化学成分的重量百分比为：C《0.02%，Si《0.02%，Μη:16.5-17.5%，S《0.005%，P《 0.01%，N《0.01%，Als《0.015%，余量:Fe。其中各元素的作用如下：
[000引碳:碳是组织控制的最主要元素，碳含量过高会使钢中渗碳体(FesC)含量增加，从 而形成对阻尼性能不利的珠光体组织;碳含量增加可W提高层错能，减少层错数量从而减 少阻尼源界面，同时碳作为间隙原子偏聚于层错区形成铃木气团，钉扎阻碍阻尼源界面移 动，均不利于材料的阻尼性能;此外，碳含量的增多不利于材料的焊接性，为了避免碳的不 利影响，碳的含量应当控制不高于0.02%;
[0009] 娃:娃的作用是脱氧和保证强度，娃可W降低层错能，但娃固溶强化了合金基体， 会造成晶格崎变，并提高了奥氏体向ε马氏体转变的驱动力，使其转变变得困难，不利于合 金阻尼性能的改善；另外，娃含量过高会降低钢的焊接性能，故娃的含量应控制不高于 0.02% ；
[0010] 儘:儘与娃一样，主要作用为脱氧和保证强度，由于本材料中碳含量极低，为保证 材料的强度，必须保证一定的儘含量;另外，儘是奥氏体相区扩大元素，儘含量增加会推迟 奥氏体向铁素体的转变，同时提高Ms点溫度，增大相变驱动力，提高ε马氏体组织转变量，是 阻尼合金中的主要添加元素;但儘含量并非越多越好，进一步增加儘含量反而会降低ε马氏 体组织转变量，获得W奥氏体为主的组织组成。综合考虑，儘的含量应控制在16.5-17.5 % 之内；
[0011] 硫:硫是合金冶炼中不可或缺的元素，但硫不仅对钢的强度、焊接性能不利，且硫 在钢中易形成夹杂，不仅不利于材料的阻尼性能与力学性能，还易于诱发点蚀，降低材料的 耐蚀性，故硫含量越低越好，一般应控制在ο. 005 % w下；
[0012] 憐:憐是铁素体相区形成元素，可W与a-Fe有限固溶，缩小奥氏体相区，且憐在钢 中易形成区域偏析，不利于材料的阻尼性能；另外，憐的含量过高会恶化焊接性能，降低材 料初性，故憐的含量应控制在0.01 % W下；
[0013] 侣:侣的作用主要为脱氧，但是侣含量过高容易增加钢中的氧化侣夹杂，不仅不利 于材料的阻尼性能和力学性能，还易于成为腐蚀源，降低材料的耐蚀性，故侣的含量应控制 在 0.015%?下；
[0014] 氮: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% W下。
[0015] 在显微组织控制方面，本发明的主要解决方案是控制材料中ε马氏体、α马氏体和 奥氏体组织，即材料中ε马氏体组织含量不低于70%，α马氏体+奥氏体组织含量不高于 30%。
[0016] ε马氏体:低层错能的面屯、立方晶体除全位错容易分解为两个化ockley不全位错 夕h在两个不全位错之间还存在一片堆煤层错区，运种缺陷组态即扩展位错。在应力作用 下，扩展位错可W滑移，合金的层错能越低，扩展位错越容易滑移。但是合金为了降低自身 系统能量，层错区有晶格崎变的化ockley不全位错线上易于偏聚各类杂质原子、空位等缺 陷。由于扩展位错滑移时，需要两个不全位错与层错区原子的同时运动，受运些杂质原子、 空位缺陷的影响，层错区原子的运动显著落后于不全位错的运动，于是产生了内耗也即阻 尼。Fe-Mn合金中的层错是靠化ockley不全位错在滑移面上滑移形成的，而丫 A相界面、ε马 氏体可变界面、奥氏体中堆煤层错和ε马氏体中堆煤层错等4种界面在振动过程中的运动同 样与Shockley不全位错运动密切相关，认为其是化-Μη合金的主要阻尼源。其中，由于ε马氏 体也是W层错形核，靠不全位错的扩展而长大，认为ε马氏体是Fe-Mn合金中最主要的阻尼 源，细、薄ε马氏体有助于增加单位体积内阻尼界面总面积，可显著提高合金内耗。因此，应 控制ε马氏体组织的含量不低于70%。
[0017] α马氏体+奥氏体:Fe-Mn合金主要包括α马氏体、ε马氏体和奥氏体Ξ种组织，各组 成组织的相对含量随儘含量、成型工艺及热处理工艺的不同变化很大。其中，ε马氏体组织 是Fe-Mn合金的主要阻尼源，α马氏体和奥氏体对合金阻尼性能的贡献远低于ε马氏体。因 此，为获得材料良好的阻尼性能，必须提高对材料阻尼性能贡献大的ε马氏体组织含量，减 少α马氏体和奥氏体组织的相对含量。因此，应控制α马氏体和奥氏体组织的含量不高于 30%。
[0018] 本发明主要控制钢中儘含量为16.5-17.5%，通过儘的固溶强化保证材料的强度， 并为马氏体组织转变提供化学成分基础;采用控社控冷工艺，获得均匀细小的原始组织，为 材料的强初性提供组织基础;采用固溶热处理工艺，降低钢中对阻尼性能和力学性能不利 的杂质元素影响，控制钢中ε马氏体组织含量不低于70%，α马氏体和奥氏体组织含量不高 于30%，从而获得具有良好强初性匹配和高阻尼性能的化-Μη合金。
[0019] 本发明的有益效果是，所提供的一种船用铁儘基高强初阻尼合金，克服了传统阻 尼合金力学性能差、造价昂贵W及传统船体材料阻尼性能差等多种缺陷，通过化学成分及 显微组织控制，使材料具有良好的强初匹配、高的阻尼性能、成本低廉、易于推广的特点。
【附图说明】
[0020] 图1-5为部分典型组织示例图，其中：
[0021] 图1为普通船用B级板放大100倍的金相组织图，主要组织为铁素体+珠光体组织；
[0022] 图2为普通Fe-Mn合金放大100倍的金相组织图，主要组织为奥氏体组织；
[0023] 图3为实施例1成分材料放大500倍的金相组织图，主要组织为奥氏体+ε马氏体。
[0024] 图4为实施例2成分材料放大500倍的金相组织图，主要组织为奥氏体+ε马氏体。
[0025] 图5为实施例3成分材料放大500倍的金相组织图，主要组织为奥氏体+ε马氏体。
[0026] 图6-8为实施例典型组织X畑定性、定量分析示例图，其中：
[0027] 图6为实施例1成分材料典型组织X畑图谱，主要组织为0.4 % α马氏体+29.0 %奥氏 体巧0.6%6马氏体；
[002引图7为实施例1成分材料典型组织X畑图谱，主要组织为1.4 % α马氏体+25.9 %奥氏 体巧2.7%6马氏体；
[0029] 图8为实施例1成分材料典型组织邸D图谱，主要组织为0.2%α马氏体+26.3%奥氏 体巧3.5%6马氏体。
【具体实施方式】
[0030] W下通过具体的实施例对发明作进一步的说明。运些实施例仅用于解释的目的， 本发明保护范围不限于运些实施例中。对比例及各实施例的具体化学成分及组织组成见表 1〇
[0031 ]表1对比例及各实施例化学成分与组织组成
[0032]
[0033] 将上述实施例的船用铁儘基高强初阻尼合金分别加工为Μ12ΧΦ 5mm的拉伸试样、 10 X 10 X 55mm的V形缺口冲击试样，2 X 10 X 80mm的阻尼性能DMA测试试样，分别测试上述实 施例的强度、初性与阻尼性能，结果如表2所示。
[0034] 表2材料的力学性能与阻尼性能
[0035]
[0036] 对比例1为普通船板，其化学成分及组织组成均不满足发明要求，虽然材料力学性 能良好，但几乎不具有阻尼性能；
[0037] 对比例2为实验钢，其化学成分满足发明要求，但其组织由100%的奥氏体组成，不 满足发明要求，材料力学性能良好，但几乎不具有阻尼性能，其阻尼性能与普通船板相当；
[0038] 由表2可见，各实施例的力学性能与普通船板相当，初性还要略优于普通船板，但 其阻尼性能均较普通船板大幅提高，随实施例中化学成分在发明要求范围内Μη含量的控 制、C+N总量的降低W及组织中ε马氏体含量的增加，其阻尼性能最高可达船用普通船板的8 倍。
[0039] 上述发明实施例的船用铁儘基高强初阻尼合金，在保证材料良好强初性匹配的基 础上，阻尼性能明显优于普通船板材料。由于本发明的产品通过控制常规元素含量与材料 组织即可实现，故本发明的产品成本低廉，且十分容易实现工业化生产，具有广阔的应用前 旦
【主权项】
1. 一种船用铁锰基高强韧阻尼合金，其特征在于，化学成分的重量百分比要求为《 0.02% ,Si^0.02%,Mn：16.5-17.5% ,S^0.005% ,Ρ^Ο.ΟΙ% ,Ν^Ο.ΟΙ% ,Als^0.015% , 余量:Fe;显微组织控制要求为:材料中ε马氏体组织含量不低于70%，α马氏体+奥氏体组织 含量不高于30%。
【文档编号】C22C38/04GK106011636SQ201510967832
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年12月21日
【发明人】李健, 苏航, 柴锋, 赵刚, 杨才福
【申请人】钢铁研究总院, 中联先进钢铁材料技术有限责任公司