[发明专利]一种提高锰铜烧结阻尼合金组织和性能均匀性的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种气氛烧结多孔结构锰铜高阻尼合金的方法。是通过以草酸铜做为铁元素供体，利用草酸铜的热解特性及其分解产物改善烧结工艺过程，实现大尺寸规格材料均匀烧结目的。

技术背景

锰铜合金作为孪晶型阻尼材料的代表，已被广泛使用在生活生产的各个领域。锰铜阻尼合金材料具有γ相组织的锰铜合金的反铁磁转变，形成点阵畸变，触发微孪晶，若点阵畸变诱发了马氏体相变，则将形成马氏体孪晶，母相与热弹性马氏体相界面的移动和热弹性马氏体孪晶亚结构的移动消耗能量，产生高阻尼现象。锰铜阻尼合金材料具有无磁性，低温阻尼性能很好并且强度和韧性很好的特点。如果成分热处理得当，其阻尼性能最高可达到橡胶水平。而且锰铜合金材料具有良好的变形能力，可很好的应用于阻尼合金支架、阻尼合金垫片、轴承、超传导线圈、电弓架、阻尼合金薄板等这些零部件上，主要应用的锰铜阻尼合金的成分见表1。

表1 实用化锰铜阻尼合金的成分范围(质量百分比)

除了美国的Incramute合金外，其余锰铜合金中都含有元素Fe，其范围在1.0～4.0％之间。锰铜合金中添加Fe主要是为了改进合金的机械性能，过量的铁会对合金阻尼性能有不利的影响，所以Fe的含量不应超过4.0％。适量铁对合金的阻尼性能影响主要表现在以下两点：可能使全位错在低温时分解成扩展位错，这种位错可以成为应力诱发马氏体的核胚，从而使合金中ε马氏体数量增加。同时，Fe的存在还可以促进应力诱发ε马氏体相变，促进Mn-Cu合金的调幅分解，促进晶界的析出，提高合金的阻尼性能。

多孔金属具有密度低、强度高、吸声性能高等优点逐渐引起人们的注意，金属材料的多孔化已经被证实是提升金属材料阻尼性能的非常有效途径之一。Mikio Fukuhara等人研究了烧结Mn-(5、10、15、20)Cu合金的阻尼性能，并与铸造M2052合金进行比较，Mn粉的纯度为99％，粒度为16μm，Cu粉的纯度为99％，粒度为7μm，混合后在氢气环境下30MPa的压力在950℃温度下烧结1h。加热和冷却速度分别为0.043和0.028℃/s，热处理制度为：850℃×1h+450℃×6h。多孔Mn-Cu合金的阻尼性能随温度变化(-50～200℃)受的影响比较小，烧结Mn-Cu合金可以弥补高Mn合金难加工的问题。大同特殊钢公司申请的Mn系减振合金的制造方法专利(特开2005-68483)(P2005-68483A)是利用Mn粉和Cu-Ni-Fe-Si粉末按照一定的配比混合烧结得到的MnCu合金的烧结密度5.9g/cm³，减震系数可达到0.4。

粉末冶金方法制备多孔锰铜合金的基本工艺为采用单质或合金化的混合粉末为原料，制成压坯后在870～950℃在气氛或真空烧结、然后800～950℃固溶处理和300～500℃长时间时效处理。单质Mn元素与Cu元素扩散形成的一定浓度固溶体在871℃以上温度会出现瞬态液相，从而起到液相烧结的作用，获得较高强度的合金；但烧结温度超过950℃会造成液相过多而不利于烧结体的形状稳定性。由于氢、氮等气氛中都富有一定成分的水分压，会造成锰的表面氧化而阻碍烧结，真空烧结有利于减轻锰的氧化作用；加压烧结或氩等惰性气体保护烧结也有类似作用。单质锰的导热系数只有7.82W/m.℃，纯铜为401W/m.℃。由于锰粉的低导热性，并且其表面或多或少有吸附的氧或水分子，大尺寸压坯往往表层附近压制密度高于芯部密度等特点，造成在加热烧结过程中坯料中心与表面存在较大的温差，表面层较早地达到烧结温度而致密度提高，芯部达不到烧结温度或需要很长的保温时间，使得大尺寸的锰铜合金烧结体的组织和性能极不均匀，形成“外熟内生”的状态。

随着材料纳米技术的迅速进步和应用研究领域的不断扩大，已经有纳米技术在粉末冶金制品中应用的报道。纳米材料具有极高的表面活性，提高了粉末颗粒界面的反应速度与传质扩散能力，从而降低粉末冶金制品的烧结温度，促进了致密化程度的提高。纳米铜粉粒径为40～60nm，添加量为0.5％时，铁基粉末冶金烧结温度由传统的工艺温度1180℃降低到920℃，可达到同样的烧结效果。