一種船用鐵錳基高強(qiáng)韌阻尼合金的制作方法
【專利摘要】一種船用鐵錳基高強(qiáng)韌阻尼合金，屬于金屬材料與阻尼技術(shù)領(lǐng)域。其化學(xué)成分的重量百分比為：≤0.02％的碳，≤0.02％的硅，16.5?17.5％的錳，≤0.005％的硫，≤0.01％的磷，≤0.01％的氮，≤0.015％的鋁，余量為鐵。優(yōu)點(diǎn)在于，克服了普通船板幾乎不具備阻尼性能的缺陷，在保證材料良好強(qiáng)韌性匹配的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品的阻尼性能明顯優(yōu)于普通船板。由于產(chǎn)品通過控制常規(guī)元素含量與材料組織即可實(shí)現(xiàn)，故本發(fā)明的產(chǎn)品成本低廉，且十分容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種船用鐵猛基局強(qiáng)初阻尼合金
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料與阻尼技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種船用鐵儘基高強(qiáng)初阻尼合 金〇
【背景技術(shù)】
[0002] 船舶動(dòng)力機(jī)械在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，振動(dòng)和噪聲一方面會(huì)引發(fā)船用設(shè)備故 障，造成船體結(jié)構(gòu)材料的疲勞破壞，破壞船舶設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，直接影響船舶的 服役壽命和安全性；另一方面，由振動(dòng)引發(fā)的噪聲還會(huì)污染海洋環(huán)境，破壞海洋生態(tài)平衡； 更為重要的是，噪聲在造成嚴(yán)重環(huán)境污染的同時(shí)還會(huì)刺激人體中樞神經(jīng)和血管系統(tǒng)，大幅 降低航行的舒適度，惡化船員勞動(dòng)條件，甚至?xí)?duì)人體健康產(chǎn)生不良影響。此外，對(duì)于軍用 艦船而言，噪聲還會(huì)影響艦船的戰(zhàn)斗技術(shù)性能，噪聲會(huì)通過船體福射產(chǎn)生水下噪聲，破壞艦 船的隱蔽性;對(duì)于聲學(xué)性能要求更高的潛艇來說，水下噪聲過大，不僅容易暴露自身目標(biāo)， 同時(shí)還會(huì)影響本身聲納設(shè)備的工作。
[0003] 由于船舶運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲會(huì)危害船員健康，污染海洋環(huán)境，引發(fā)船用設(shè) 備與船體材料疲勞損壞，縮短船舶使用壽命，船舶噪聲一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)問題。在2014 年7月1日之前，大部分船級(jí)社均執(zhí)行國際海事組織（IM0)制定的ΙΜ0-Α468(ΧΠ )標(biāo)準(zhǔn)一一 《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》。近年來船舶噪聲問題越來越受到人們的關(guān)注，隨著船舶大型化的發(fā) 展，動(dòng)力設(shè)備導(dǎo)致的噪聲問題日益嚴(yán)重，再加上人們對(duì)船舶舒適性要求的不斷提高，因此， 國際海事組織海上安全委員會(huì)(MSC)通過多次會(huì)議討論，于第91次會(huì)議通過了《船上噪聲等 級(jí)規(guī)則》修正案，該修正案自2014年7月1日起正式實(shí)施，與原有規(guī)則相比，該修正案主要針 對(duì)船員工作和生活區(qū)域做了比較大的修改，其中規(guī)定1萬噸W上船舶的住艙和醫(yī)務(wù)室的噪 聲限值從60分貝下調(diào)至55分貝，辦公室、餐廳、娛樂和健身房的噪聲限值從65分貝下調(diào)至60 分貝，其它工作區(qū)的噪聲限值從90分貝下調(diào)至85分貝。規(guī)則中設(shè)及的強(qiáng)制規(guī)定都作為強(qiáng)制 性標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，新規(guī)則對(duì)船舶的降噪性能提出了更高的要求。
[0004] 要減少或消除船舶運(yùn)行中產(chǎn)生的有害振動(dòng)或噪音，不僅需要采用合理的船舶設(shè)計(jì) 方案，還有賴于現(xiàn)役船體結(jié)構(gòu)材料阻尼性能的改善，即選用具有高阻尼（大內(nèi)耗值)特性的 材料，W阻止和降低振動(dòng)應(yīng)力峰的傳播，從而消除并減少有害振動(dòng)和噪音的產(chǎn)生。同時(shí)，由 于船體材料為結(jié)構(gòu)材料，需兼顧材料的強(qiáng)初性力學(xué)性能要求。目前得到廣泛應(yīng)用的阻尼合 金主要是WMn-化系合金和Ti-Ni合金等為代表的形狀記憶合金類。運(yùn)類材料具有很高的阻 尼本領(lǐng)，但由于它們多是有色金屬，所W原材料較昂貴，加工工藝也較復(fù)雜，并不適用于用 量極大的船體材料。今后原材料低廉和加工工藝相對(duì)成熟的鐵基材料將是船體阻尼合金的 主要發(fā)展趨勢。
[0005] 鐵基阻尼合金具有使用溫度范圍寬，力學(xué)性能、阻尼性能好，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，逐 漸受到人們的廣泛關(guān)注。目前已開發(fā)并應(yīng)用的鐵基阻尼合金包括Fe-C、Fe-AlW及Fe-Cr-X 系阻尼合金。其中Fe-邱且尼合金主要通過提高碳當(dāng)量的方法獲得高阻尼值，但其力學(xué)性能 會(huì)由于碳當(dāng)量的增加而下降，強(qiáng)度較低從而限制了Fe-邱且尼合金的應(yīng)用。此外，相比其他鐵 基阻尼合金，。6-邱且尼合金的阻尼性能偏低，僅為化-化系合金的1/^3甚至更低，并不適用于 船體結(jié)構(gòu)。Fe-Al和Fe-Cr-X系阻尼合金均為鐵磁型阻尼合金，主要依靠鐵磁疇界的應(yīng)力感 生運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼，其中Fe-Al系阻尼合金存在脆性較大的顯著缺點(diǎn)，限制了其在船舶制造中 的應(yīng)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，F(xiàn)e-化阻尼 合金為二元合金，力學(xué)性能較差;在其基礎(chǔ)上研發(fā)的Fe-Cr-Mo和Fe-Cr-Al系Ξ元阻尼合金 雖然具有一定的強(qiáng)度和較高的阻尼性能，但其初性水平較差，制造成本較高，且由于其阻尼 性能主要在中高頻段（> lOOHz)才能發(fā)揮優(yōu)勢，因此主要應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械中?；诖w材料 的阻尼性能、力學(xué)性能和成本要求，本專利提出了一種高強(qiáng)初化-Μη基阻尼合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種船用鐵儘基高強(qiáng)初阻尼合金，針對(duì)目前船體結(jié)構(gòu)材料 阻尼性能較差的技術(shù)現(xiàn)狀，采用合金成分設(shè)計(jì)+顯微組織控制相結(jié)合的設(shè)計(jì)原理;在成分設(shè) 計(jì)方面，通過控制鋼中的合金元素成分比例降低層錯(cuò)能W增加合金的阻尼源，同時(shí)減少鋼 中的雜質(zhì)元素含量W減少擴(kuò)展位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力;在顯微組織控制方面，通過儘含量、成型工 藝及熱處理工藝控制，提高鋼中ε馬氏體組織含量，減少奧氏體和α馬氏體組織含量，提高鋼 中主要阻尼源ε馬氏體的相對(duì)比例，增加 ε馬氏體可變界面與ε馬氏體中堆煤層錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，同 時(shí)保證材料良好的強(qiáng)初性匹配。
[0007] 本發(fā)明通過控制化學(xué)成分及顯微組織，獲得具有良好強(qiáng)初性匹配和高阻尼性能的 船用鐵儘基高強(qiáng)初阻尼合金。其中，在成分設(shè)計(jì)方面，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，所提供的 運(yùn)一種船用鐵儘基高強(qiáng)初阻尼合金，采用純合金元素碳、娃、儘、憐、硫按照比例冶煉而成。 其化學(xué)成分的重量百分比為：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:碳是組織控制的最主要元素，碳含量過高會(huì)使鋼中滲碳體(FesC)含量增加，從 而形成對(duì)阻尼性能不利的珠光體組織;碳含量增加可W提高層錯(cuò)能，減少層錯(cuò)數(shù)量從而減 少阻尼源界面，同時(shí)碳作為間隙原子偏聚于層錯(cuò)區(qū)形成鈴木氣團(tuán)，釘扎阻礙阻尼源界面移 動(dòng)，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，為了避免碳的不 利影響，碳的含量應(yīng)當(dāng)控制不高于0.02%;
[0009] 娃:娃的作用是脫氧和保證強(qiáng)度，娃可W降低層錯(cuò)能，但娃固溶強(qiáng)化了合金基體， 會(huì)造成晶格崎變，并提高了奧氏體向ε馬氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力，使其轉(zhuǎn)變變得困難，不利于合 金阻尼性能的改善；另外，娃含量過高會(huì)降低鋼的焊接性能，故娃的含量應(yīng)控制不高于 0.02% ；
[0010] 儘:儘與娃一樣，主要作用為脫氧和保證強(qiáng)度，由于本材料中碳含量極低，為保證 材料的強(qiáng)度，必須保證一定的儘含量;另外，儘是奧氏體相區(qū)擴(kuò)大元素，儘含量增加會(huì)推遲 奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，同時(shí)提高M(jìn)s點(diǎn)溫度，增大相變驅(qū)動(dòng)力，提高ε馬氏體組織轉(zhuǎn)變量，是 阻尼合金中的主要添加元素;但儘含量并非越多越好，進(jìn)一步增加儘含量反而會(huì)降低ε馬氏 體組織轉(zhuǎn)變量，獲得W奧氏體為主的組織組成。綜合考慮，儘的含量應(yīng)控制在16.5-17.5 % 之內(nèi)；
[0011] 硫:硫是合金冶煉中不可或缺的元素，但硫不僅對(duì)鋼的強(qiáng)度、焊接性能不利，且硫 在鋼中易形成夾雜，不僅不利于材料的阻尼性能與力學(xué)性能，還易于誘發(fā)點(diǎn)蝕，降低材料的 耐蝕性，故硫含量越低越好，一般應(yīng)控制在ο. 005 % w下；
[0012] 憐:憐是鐵素體相區(qū)形成元素，可W與a-Fe有限固溶，縮小奧氏體相區(qū)，且憐在鋼 中易形成區(qū)域偏析，不利于材料的阻尼性能；另外，憐的含量過高會(huì)惡化焊接性能，降低材 料初性，故憐的含量應(yīng)控制在0.01 % W下；
[0013] 侶:侶的作用主要為脫氧，但是侶含量過高容易增加鋼中的氧化侶夾雜，不僅不利 于材料的阻尼性能和力學(xué)性能，還易于成為腐蝕源，降低材料的耐蝕性，故侶的含量應(yīng)控制 在 0.015%?下；
[0014] 氮:氮在鋼中易形成第二相粒子，會(huì)增大擴(kuò)展位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力，少量的氮對(duì)材料阻 尼性能影響不大;但當(dāng)鋼中氮含量較高時(shí)，其二相粒子會(huì)使擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，從而降低材 料的阻尼性能，在應(yīng)變量較大的情況下，氮含量的影響尤為明顯，故鋼中的氮含量應(yīng)控制在 0.01% W下。
[0015] 在顯微組織控制方面，本發(fā)明的主要解決方案是控制材料中ε馬氏體、α馬氏體和 奧氏體組織，即材料中ε馬氏體組織含量不低于70%，α馬氏體+奧氏體組織含量不高于 30%。
[0016] ε馬氏體:低層錯(cuò)能的面屯、立方晶體除全位錯(cuò)容易分解為兩個(gè)化ockley不全位錯(cuò) 夕h在兩個(gè)不全位錯(cuò)之間還存在一片堆煤層錯(cuò)區(qū)，運(yùn)種缺陷組態(tài)即擴(kuò)展位錯(cuò)。在應(yīng)力作用 下，擴(kuò)展位錯(cuò)可W滑移，合金的層錯(cuò)能越低，擴(kuò)展位錯(cuò)越容易滑移。但是合金為了降低自身 系統(tǒng)能量，層錯(cuò)區(qū)有晶格崎變的化ockley不全位錯(cuò)線上易于偏聚各類雜質(zhì)原子、空位等缺 陷。由于擴(kuò)展位錯(cuò)滑移時(shí)，需要兩個(gè)不全位錯(cuò)與層錯(cuò)區(qū)原子的同時(shí)運(yùn)動(dòng)，受運(yùn)些雜質(zhì)原子、 空位缺陷的影響，層錯(cuò)區(qū)原子的運(yùn)動(dòng)顯著落后于不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，于是產(chǎn)生了內(nèi)耗也即阻 尼。Fe-Mn合金中的層錯(cuò)是靠化ockley不全位錯(cuò)在滑移面上滑移形成的，而丫 A相界面、ε馬 氏體可變界面、奧氏體中堆煤層錯(cuò)和ε馬氏體中堆煤層錯(cuò)等4種界面在振動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)同 樣與Shockley不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，認(rèn)為其是化-Μη合金的主要阻尼源。其中，由于ε馬氏 體也是W層錯(cuò)形核，靠不全位錯(cuò)的擴(kuò)展而長大，認(rèn)為ε馬氏體是Fe-Mn合金中最主要的阻尼 源，細(xì)、薄ε馬氏體有助于增加單位體積內(nèi)阻尼界面總面積，可顯著提高合金內(nèi)耗。因此，應(yīng) 控制ε馬氏體組織的含量不低于70%。
[0017] α馬氏體+奧氏體:Fe-Mn合金主要包括α馬氏體、ε馬氏體和奧氏體Ξ種組織，各組 成組織的相對(duì)含量隨儘含量、成型工藝及熱處理工藝的不同變化很大。其中，ε馬氏體組織 是Fe-Mn合金的主要阻尼源，α馬氏體和奧氏體對(duì)合金阻尼性能的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)低于ε馬氏體。因 此，為獲得材料良好的阻尼性能，必須提高對(duì)材料阻尼性能貢獻(xiàn)大的ε馬氏體組織含量，減 少α馬氏體和奧氏體組織的相對(duì)含量。因此，應(yīng)控制α馬氏體和奧氏體組織的含量不高于 30%。
[0018] 本發(fā)明主要控制鋼中儘含量為16.5-17.5%，通過儘的固溶強(qiáng)化保證材料的強(qiáng)度， 并為馬氏體組織轉(zhuǎn)變提供化學(xué)成分基礎(chǔ);采用控社控冷工藝，獲得均勻細(xì)小的原始組織，為 材料的強(qiáng)初性提供組織基礎(chǔ);采用固溶熱處理工藝，降低鋼中對(duì)阻尼性能和力學(xué)性能不利 的雜質(zhì)元素影響，控制鋼中ε馬氏體組織含量不低于70%，α馬氏體和奧氏體組織含量不高 于30%，從而獲得具有良好強(qiáng)初性匹配和高阻尼性能的化-Μη合金。
[0019] 本發(fā)明的有益效果是，所提供的一種船用鐵儘基高強(qiáng)初阻尼合金，克服了傳統(tǒng)阻 尼合金力學(xué)性能差、造價(jià)昂貴W及傳統(tǒng)船體材料阻尼性能差等多種缺陷，通過化學(xué)成分及 顯微組織控制，使材料具有良好的強(qiáng)初匹配、高的阻尼性能、成本低廉、易于推廣的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0020] 圖1-5為部分典型組織示例圖，其中：
[0021] 圖1為普通船用B級(jí)板放大100倍的金相組織圖，主要組織為鐵素體+珠光體組織；
[0022] 圖2為普通Fe-Mn合金放大100倍的金相組織圖，主要組織為奧氏體組織；
[0023] 圖3為實(shí)施例1成分材料放大500倍的金相組織圖，主要組織為奧氏體+ε馬氏體。
[0024] 圖4為實(shí)施例2成分材料放大500倍的金相組織圖，主要組織為奧氏體+ε馬氏體。
[0025] 圖5為實(shí)施例3成分材料放大500倍的金相組織圖，主要組織為奧氏體+ε馬氏體。
[0026] 圖6-8為實(shí)施例典型組織X畑定性、定量分析示例圖，其中：
[0027] 圖6為實(shí)施例1成分材料典型組織X畑圖譜，主要組織為0.4 % α馬氏體+29.0 %奧氏 體巧0.6%6馬氏體；
[002引圖7為實(shí)施例1成分材料典型組織X畑圖譜，主要組織為1.4 % α馬氏體+25.9 %奧氏 體巧2.7%6馬氏體；
[0029] 圖8為實(shí)施例1成分材料典型組織邸D圖譜，主要組織為0.2%α馬氏體+26.3%奧氏 體巧3.5%6馬氏體。
【具體實(shí)施方式】
[0030] W下通過具體的實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的說明。運(yùn)些實(shí)施例僅用于解釋的目的， 本發(fā)明保護(hù)范圍不限于運(yùn)些實(shí)施例中。對(duì)比例及各實(shí)施例的具體化學(xué)成分及組織組成見表 1〇
[0031 ]表1對(duì)比例及各實(shí)施例化學(xué)成分與組織組成
[0032]
[0033] 將上述實(shí)施例的船用鐵儘基高強(qiáng)初阻尼合金分別加工為Μ12ΧΦ 5mm的拉伸試樣、 10 X 10 X 55mm的V形缺口沖擊試樣，2 X 10 X 80mm的阻尼性能DMA測試試樣，分別測試上述實(shí) 施例的強(qiáng)度、初性與阻尼性能，結(jié)果如表2所示。
[0034] 表2材料的力學(xué)性能與阻尼性能
[0035]
[0036] 對(duì)比例1為普通船板，其化學(xué)成分及組織組成均不滿足發(fā)明要求，雖然材料力學(xué)性 能良好，但幾乎不具有阻尼性能；
[0037] 對(duì)比例2為實(shí)驗(yàn)鋼，其化學(xué)成分滿足發(fā)明要求，但其組織由100%的奧氏體組成，不 滿足發(fā)明要求，材料力學(xué)性能良好，但幾乎不具有阻尼性能，其阻尼性能與普通船板相當(dāng)；
[0038] 由表2可見，各實(shí)施例的力學(xué)性能與普通船板相當(dāng)，初性還要略優(yōu)于普通船板，但 其阻尼性能均較普通船板大幅提高，隨實(shí)施例中化學(xué)成分在發(fā)明要求范圍內(nèi)Μη含量的控 制、C+N總量的降低W及組織中ε馬氏體含量的增加，其阻尼性能最高可達(dá)船用普通船板的8 倍。
[0039] 上述發(fā)明實(shí)施例的船用鐵儘基高強(qiáng)初阻尼合金，在保證材料良好強(qiáng)初性匹配的基 礎(chǔ)上，阻尼性能明顯優(yōu)于普通船板材料。由于本發(fā)明的產(chǎn)品通過控制常規(guī)元素含量與材料 組織即可實(shí)現(xiàn)，故本發(fā)明的產(chǎn)品成本低廉，且十分容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前 旦
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種船用鐵錳基高強(qiáng)韌阻尼合金，其特征在于，化學(xué)成分的重量百分比要求為《 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;顯微組織控制要求為:材料中ε馬氏體組織含量不低于70%，α馬氏體+奧氏體組織 含量不高于30%。
【文檔編號(hào)】C22C38/04GK106011636SQ201510967832
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年12月21日
【發(fā)明人】李健, 蘇航, 柴鋒, 趙剛, 楊才福
【申請(qǐng)人】鋼鐵研究總院, 中聯(lián)先進(jìn)鋼鐵材料技術(shù)有限責(zé)任公司