高阻尼MnCu基合金的制備工藝研究

邢長軍，孫國強(qiáng)，姚春發(fā)，寧小智，吳林

（鋼鐵研究總院，100081）

設(shè)備噪聲多數(shù)是機(jī)械零部件之間的振動(dòng)造成，為降低振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，近來設(shè)備制造多采用高阻尼減振合金[1]。高阻尼減振合金近幾年研究較多，如Sonoston、Incramute、2130[2-5]等，并在實(shí)際工程中得到一些應(yīng)用。按傳統(tǒng)熔煉方法例如中頻爐熔煉該類合金，但化學(xué)成分不穩(wěn)定，力學(xué)性能不合格，不容易控制氧含量，氧含量過高，會(huì)導(dǎo)致冶煉的合金無法鍛造成型，廢品率極高，直接造成該類合金成本提高，應(yīng)用受限。本文通過對(duì)比不同坩堝和熔煉方法，獲得一種成份均勻、性能穩(wěn)定且較低成本的熔煉方法。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本文采用的MuCu合同成份如表1所示。

表1 MuCu合金成份，wt%

MnCu合金中采用Mn元素為基體元素，由于Mn元素在高溫下具有較高的化學(xué)活性，極易氧化成高熔點(diǎn)的MnO。另外，Mn具有較高的蒸汽壓，比Cu、Ni、Fe高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，會(huì)引起熔煉過程中的污染及Mn損失。合金中的Ni、Fe與Cu的密度相差懸殊易形成比重偏析，且Mn-Cu高阻尼合金的凝固溫度范圍比較寬，收縮率大表面張力比較大，縮松縮孔的傾向較大，成材率較低。如按傳統(tǒng)熔煉工藝極易造成成份偏析。所以本實(shí)驗(yàn)采用真空感應(yīng)熔煉爐和二次熔煉工藝制備MuCu基合金。

2 聯(lián)合熔煉法制備MnCu合金

使用50Kg和200Kg真空感應(yīng)熔煉爐，坩堝直接采用氧化鋁預(yù)制坩堝。按表1合金成份配入量計(jì)算，130Kg鑄錠需個(gè)組份重量Mn：91.65Kg，Cu：28.99Kg，Ni：6.76Kg，F(xiàn)e：2.6Kg。熔 煉完成后對(duì)鑄錠進(jìn)行熱加工和力學(xué)性能測(cè)試。

具體熔煉工藝如下：

將原料Mn和Cu用烘烤爐去潮去濕，純鐵拋丸處理表面氧化皮。由于Mn極易氧化成高熔點(diǎn)的MnO，如果原料濕氣較重，在熔煉過程中加劇合金液的吸氣，合金中夾雜物含量會(huì)增多，影響材料的加工性能和力學(xué)性能。

用50Kg真空感應(yīng)熔煉爐將全部的Ni和Fe以及11.65KgMn和18.99KgCu熔煉成φ100中間合金。裝料時(shí)Mn裝入坩堝底部，中間位置放入Ni和Fe，然后在裝入Mn至坩堝4/5處，剩余的Mn和Cu放入二次加料室。熔煉時(shí)先抽真空至20Pa左右，再低功率緩慢加熱。當(dāng)真空度達(dá)10Pa以內(nèi)后高功率送電，當(dāng)出現(xiàn)黑色煙霧時(shí)停止抽真空并充入氬氣，此時(shí)黑色煙霧為Mn的揮發(fā)物，充入氬氣可避免Mn的大量揮發(fā)。待坩堝內(nèi)物料全部熔化后再分批次將Mn加入坩堝內(nèi)，加入過程中要不停搖晃坩堝，加速M(fèi)n的熔化。最后加入Cu，由于Cu的熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好，添加時(shí)保持低功率，同時(shí)搖動(dòng)坩堝，盡量保證均勻性。熔煉完成后澆鑄在φ100模具內(nèi)。澆鑄完成后靜置20min出爐。

將50Kg爐熔煉的直徑φ100中間合金垂直裝入200Kg爐中，盡量放在坩堝中心位置，然后將Mn沿棒四周均勻的裝入爐中，當(dāng)Mn裝入高度達(dá)坩堝高度2/3處時(shí)，將余下的Cu裝入坩堝內(nèi)，再次將Mn均勻裝入至坩堝高度4/5處，剩余的Mn放入二次加料室。

抽真空，真空度達(dá)到100Pa左右時(shí)，以50KW低功率送電，烘烤坩堝和原料；當(dāng)真空度達(dá)到10Pa以下，且10分鐘左右無大幅變動(dòng)時(shí)，以20KW/5min緩慢提高功率到160KW，同時(shí)關(guān)注爐內(nèi)狀況，當(dāng)爐內(nèi)逐漸出現(xiàn)黑色煙霧時(shí)，立即停止抽空并向爐內(nèi)充入氬氣，以防止錳揮發(fā)。

待坩堝中出現(xiàn)鋼液后，功率降至120KW；爐內(nèi)物料全部化清后，停電降溫至表面結(jié)殼，再將二次加料室內(nèi)剩余Mn加入坩堝內(nèi)，功率升至120KW。

當(dāng)物料全部化清后進(jìn)入精煉期，精煉期需前后傾動(dòng)坩堝，同時(shí)每隔2min進(jìn)行60KW-120KW功率變換，精煉時(shí)間20min，通過功率變換使鋼液攪拌，以保證成份均勻性。

精煉完成后，停電降溫。當(dāng)鋼液出現(xiàn)掛壁現(xiàn)象后繼續(xù)送電升溫，同時(shí)加入終脫氧劑。

終脫氧完成后，鋼液澆入鑄錠模。澆鑄完成后靜置30min后出爐。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同坩堝制備MnCu合金成份分析

熔煉完畢后對(duì)鑄錠冒口處取樣進(jìn)行成分分析，具體成份如表2所示。其中S表示石墨坩堝，M表示鎂砂坩堝，A表示氧化鋁預(yù)制坩堝。

表2 不同坩堝熔煉MuCu合金成份，wt%

從表2可以看出，采用石墨坩堝熔煉MnCu合金時(shí)，在熔煉過程中容易帶入C元素，配入0.02%的碳，熔煉后碳含量增加0.1%，超出目標(biāo)范圍，判定石墨坩堝不適合冶煉此類合金。另外兩種坩堝均可以達(dá)到目標(biāo)成份要求，但經(jīng)過坩堝清理時(shí)發(fā)現(xiàn)，鎂砂坩堝熔煉3爐后坩堝壁出現(xiàn)鉆鋼現(xiàn)象，坩堝壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常使用壽命。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，人工打結(jié)燒制的鎂砂坩堝坩堝壁有細(xì)小的微裂紋，而Cu含量超過20%時(shí)，鋼液流動(dòng)性非常好，從而造成鉆鋼現(xiàn)象，所以鎂砂坩堝也不適合制備含Cu量高的合金。

氧化鋁預(yù)制坩堝成份合格，經(jīng)3爐冶煉后坩堝壁表面正常，未出現(xiàn)鉆鋼現(xiàn)象，經(jīng)對(duì)比最終確定氧化鋁預(yù)制坩堝適宜熔煉MnCu合金。

3.2 微觀組織分析

本文選用石墨坩堝和氧化鋁坩堝熔煉的MnCu合金進(jìn)行微觀組織分析，如圖1所示。通過金相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，石墨坩堝熔煉的MnCu合金含有較多的夾雜物，通過能譜分析發(fā)現(xiàn)黑色點(diǎn)狀物為石墨坩堝帶入的未熔的碳以及MnO，而氧化鋁坩堝熔煉的MnCu合金純凈度較高，只有少量的MnO夾雜，滿足實(shí)驗(yàn)所需純凈度。

圖1 不同坩堝制備的MnCu合金微觀組織

3.3 氧化鋁坩堝制備MnCu合金成份均勻性分析

為分析此次熔煉工藝對(duì)成份均勻性影響，對(duì)A-1批次鑄錠進(jìn)行上中下成份分析，具體成份如表3所示。

表3 不同部位成份，wt%

從表4可以看出，經(jīng)聯(lián)合熔煉后，合金成份均勻性得到較大改善，Mn元素最大偏差0.12%，Cu元素最大偏差0.05%，Ni元素最大偏差0.03%，Mn元素偏差是由于Mn含量較高時(shí)校測(cè)偏差較大，因此可以判定所有元素偏差均滿足目標(biāo)要求。

3.4 力學(xué)性能分析

將氧化鋁坩堝熔煉的MnCu合金鑄錠采用鍛造開坯+熱軋的熱加工工藝，圖2為MnCu合金鍛造開坯和熱軋完成后的形貌，可以看出，MnCu合金經(jīng)熱加工變形后整體形貌完成，未出現(xiàn)嚴(yán)重開裂現(xiàn)象，成材率較高。

從熱軋完成的板料中取樣，經(jīng)820℃固溶+450℃時(shí)效處理后加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，同時(shí)與Q235鋼力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)值如表4所示。

表4 MnCu合金與Q235的力學(xué)性能對(duì)比

從表4可以看出，MnCu合金的彈性模量較小，約為Q235的三分之一，且具有優(yōu)越的熱加工性能和力學(xué)性能，能夠用做結(jié)構(gòu)件材料，滿足結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能要求。

4 小結(jié)

（1）對(duì)比不同材質(zhì)坩堝熔煉MnCu合金，從經(jīng)濟(jì)性和耐久性以及純凈度方面對(duì)比，氧化鋁坩堝更適合熔煉高M(jìn)n基阻尼合金。

（2）采用聯(lián)合熔煉工藝制備MnCu阻尼合金，合金成份均勻性較好，具有良好的熱加工性能，成品率較高。

（3）采用氧化鋁坩堝和二次熔煉工藝制備出來的MnCu合金，經(jīng)常規(guī)固溶時(shí)效處理后，材料的性能優(yōu)于Q235鋼，滿足結(jié)構(gòu)件材料的使用要求。