具备优异低温韧性的复合型Fe-Mn阻尼钢及制备方法与流程

本发明涉及阻尼钢，尤其涉及一种具备优异低温韧性的复合型fe-mn阻尼钢及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，现代工业的发展需求使得大型机械的功率不断增加，同时因振动产生的有害噪声也随之增加，这种高强度的振动会导致材料疲劳，使得机械部件的工作可靠性降低，存在潜在的安全隐患甚至会导致巨大的损失。以大型军工器械为例，其核心部位特别是发动机产生的振动噪声会干扰仪器的正常工作，降低自身的隐蔽性。据美国国家权威机构的一项调查，全世界至少有十分之一的工人正处于噪声污染严重(90db以上)的工作环境中，各种复杂的噪声不仅会降低人们的生活质量，还会刺激人体中枢神经，诱发各种疾病。此外，各种噪声的来源复杂，导致降噪成本一直居高不下，因此降噪问题受到各国的普遍重视。

2、抑制机械产生的振动和噪声主要有三种方法：其一，从结构上加固，抑制振动进而降低噪声；其二，给机械装置附加隔音装置；其三，采用新型的减振材料。前两种方法会使机器大型化、重量增加，并使情况变得更加复杂，成本提高。因此，对于工作在动力状况下的机械与结构零件来说，使用高阻尼合金来降低振动的共振峰值应力，是减少有害振动和噪声的一种有效的方法。

3、目前，研究较为成熟的金属阻尼材料按照阻尼机制可分为复相型(铸铁)、超塑性型(zn-al合金)、位错型(mg及mg合金)、孪晶型(mn-cu合金)、铁磁型(fe-cr)。而fe-mn阻尼钢是近十几年才开发出的一种新型金属阻尼材料，在金属阻尼材料中，fe-mn阻尼钢的强度最高(抗拉强度大于700mpa)、成本最低(仅为mn-cu阻尼合金的1/4)，其阻尼性能随着应变振幅的增大而增加，并且不受外界磁场的影响，并且在较高服役温度下仍具有高阻尼性能。fe-mn阻尼钢非常适合在承受较大振动和冲击的部件中使用。

4、虽然fe-mn阻尼钢作为一种高mn的铁基材料，阻尼性能很高，但与传统的高阻尼mn-cu合金相比，其阻尼性能仍具有显著的劣势。因此，如何进一步提高fe-mn阻尼钢的阻尼性能，同时保证其仍具备优异的力学性能，使铁锰阻尼钢可以在控制振动和噪声的领域得到更加充分的应用，进而提高机械及建筑结构的安全性、降低噪声，是一个非常值得研究的问题。

5、授权公告号为cn112899577b的中国发明专利公开了“一种fe-mn系高强度高阻尼合金的制备方法”，采用冶炼、锻造、热轧得到2～20mm的热轧板，进一步采用退火或冷轧等步骤，得到高强度高阻尼合金。该方法虽然通过复杂的热处理及冷轧等工艺得到了抗拉强度大于900mpa的阻尼合金，但是在目前对金属材料阻尼性能要求越来越高的情况下，其合金的阻尼性能较mn-cu合金还具有一定的差距。

6、授权公告号为cn107699668b的中国发明专利公开了“一种提高铁锰阻尼合金耐腐蚀性能的方法”，通过在真空环境下进行高温热处理，使铁锰阻尼合金表面出现一层铁素体，来提高铁锰阻尼合金的耐腐蚀性能，同时还能提高阻尼性能。但该方法需要在真空环境下进行高温热处理，工艺条件苛刻，同时表面的铁素体层会严重降低阻尼合金的强度。

7、公开号为cn103966529a的中国专利申请公开了“一种高阻尼mn-fe基减振合金及其制备方法”，在氩气保护气氛的感应炉中熔炼，采用24h均匀化热处理，900～1150℃锻造，并在1000℃进行退火，最后在1000℃固溶处理得到高阻尼减振合金。此方法虽然得到的阻尼合金性能较好，但其采用均匀化热处理、退火、固溶等多次热处理工序以及锻造工序，制备流程复杂，生产成本高，仅适合小批量生产，难以实现大规模生产。

8、公开号为cn106282786a的中国专利申请公开了“一种含nb铁锰基阻尼合金及其制备方法”，采用真空电弧熔炼，依次进行均匀化热处理、热轧、定型和固溶处理，得到阻尼损耗因子达到0.055的高阻尼合金。该方法虽然得到了高阻尼的阻尼合金，但其采用电弧熔炼制备的阻尼合金重量小，应用领域十分有限，其将阻尼合金放入不锈钢管内进行热处理的工艺更是难以推广使用，因此该方法仅适用于在实验室阶段制备阻尼合金或极小尺寸的阻尼合金需求应用。

9、公开号为cn106011636a的中国专利申请公开了“一种船用铁锰基高强韧阻尼合金”，通过控制组织：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％，得到了良好强韧性匹配的船用铁锰基阻尼合金。虽然该方法得到的阻尼合金具有良好的强韧性，但其阻尼性能在高阻尼合金中仍处在较低水平，在船用领域应用仍具有非常大的困难。

10、公开号为cn115404412a的中国专利申请公开了”一种含mo高强高韧耐蚀铁锰阻尼合金及制备方法“，钢中添加0.2-1.2％mo元素，采用经转炉或电炉冶炼，1080-1240℃保温时间为1-4小时，加热后进行轧制，开轧温度为1030-1170℃，终轧温度为760-910℃，水冷至室温；随后，700-1000℃热处理，保温时间为30min-90min，水冷至室温得到目标铁锰阻尼合金。该方法工艺简单，性能优良，但mo的添加显著提高了合金成本，且其合金的阻尼性能在高阻尼合金中仍处在较低水平。

11、授权公告号为cn 112662942 b的中国发明专利公开了一种“阻尼钢及其制备方法”，成分以质量百分比计包括c：≤0.015％、si：0.1～0.3％、mn：0.6～2.5％、p：≤0.01％、s：0.15～0.55％、al：0.01％～0.03％、[n]：≤0.01％、[o]：0.002～0.005％、mg：0.001～0.003％、余量的fe以及不可避免的杂质。该钢通过添加一定量mg元素及s元素，获得优良的阻尼性能，并具有优良切削性能和力学性能。其产品是一种铁素体和珠光体组织的阻尼钢，虽然利用s元素获得mns夹杂，利用mg元素形成晶内铁素体，获得了一定的阻尼性能，但其阻尼性能仍处于较低水平，且mns夹杂会极大地恶化力学性能，在实际应用中具有巨大缺陷。

技术实现思路

1、本发明提供了一种具备优异低温韧性的复合型fe-mn阻尼钢及制备方法，采用高锰成分并添加一定量的硫元素，使fe-mn阻尼钢既具有ε马氏体组织也具有mns相，产品既具备不全位错及层错界面运动的阻尼机制，也具有复相型阻尼机制，在两种阻尼机制的共同作用下最终获得与传统mn-cu合金相当的高阻尼性能；通过高温区快速轧制及再次加热后长时间保温，使钢中长条状的mns相转变为短棒状或椭圆状，使钢具有良好的力学性能尤其是优异的低温韧性，产品可作为一种低温环境下的结构功能一体化材料应用。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、一种具备优异低温韧性的复合型fe-mn阻尼钢，钢中化学成分按重量百分比计为si≤0.5％，mn：13.5％～32.5％，s：0.05％～0.85％，(mn-12.5％)/s≥5，p≤0.015％，余量为fe和不可避免的杂质元素；钢中具有ε马氏体组织及mns相，mns相弥散分布于组织中，并且mns相的形态为长宽比小于3的短棒状或椭圆状。

4、一种具备优异低温韧性的复合型fe-mn阻尼钢的制备方法，生产过程包括熔炼、铸造、轧制及热处理；其中，轧制采用快速高温轧制工艺，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥1000℃，轧后水冷至室温；热处理过程具体为：轧后钢板在950～1050℃温度下保温x min，x为保温时间，且x＝(t×5min/mm)+120min，t为钢板厚度；保温后的钢板经水淬到室温，随后在180～220℃温度下进行去应力退火，保温时间为180～240min，最后炉冷至室温。

5、进一步的，所述复合型fe-mn阻尼钢的屈服强度≥345mpa，抗拉强度≥500mpa，断后延伸率≥35％，-20℃冲击吸收功≥200j；阻尼值

6、进一步的，所述熔炼采用电炉或转炉熔炼。

7、进一步的，所述铸造采用连铸或模铸。

8、进一步的，所述轧制采用中厚板轧机进行轧制，轧后钢板厚度为8～60mm。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

10、1)本发明通过在高温区快速轧制，减少长条形的条带状mns相的生成，轧后快速冷却至室温；通过再次加热到950～1050℃并进行长时间的保温，使钢中长条状的mns相的形态逐渐发生转变，大部分长条状的mns相转变为短棒状或近椭圆状的形态。具有这种形态的mns相对于阻尼钢的低温韧性的危害大大降低，使复合型fe-mn阻尼钢具有良好的低温韧性；

11、2)本发明通过热处理过程，成功地将mns相的形态控制为长宽比小于3的短棒状或椭圆状，将mns相对钢的低温韧性的危害降到最低，同时弥散分布的mns相能够充分发挥其复相阻尼机制，与fe-mn型阻尼机制有机结合，极大地提高了fe-mn阻尼钢的阻尼性能。

12、3)本发明所述复合型fe-mn阻尼钢既具有fe-mn阻尼钢的ε马氏体组织，也具有mns相，使得复合型fe-mn阻尼钢既具备不全位错及层错界面运动的阻尼机制，即不受外加磁场影响，随应变增大而逐渐增大的阻尼特性；同时mns相的存在具有复相型阻尼机制，在这两种阻尼机制的共同作用下，最终获得了不输于传统mn-cu合金的高阻尼性能；

13、4)本发明所述复合型fe-mn阻尼钢的屈服强度≥345mpa，抗拉强度≥500mpa，断后延伸率≥35％，-20℃冲击吸收功≥200j；阻尼值即本发明所述复合型fe-mn阻尼钢具备优异的阻尼性能，同时还具备优异的低温韧性，可作为一种低温环境下的结构功能一体化材料应用。