Uma técnica disponível para a preparação de novos MnCuNiFeZnAl liga fundido com Superior serviço de capacidade e de alta temperatura de amortecimento

Resumo

Aqui nós apresentamos um protocolo para obter um romance baseados em Mn-Cu liga com excelentes performances abrangentes por uma tecnologia de fundição de alta qualidade e métodos de tratamento de calor razoável.

Resumo

Ligas de manganês (Mn) - cobre (Cu) - baseada foram encontrados para ter a capacidade de amortecimento e podem ser usadas para reduzir as vibrações prejudiciais e eficazmente o ruído. M2052 (Mn-20Cu-5Ni-2Fe, %) é um ramo importante de ligas Mn-Cu-baseado, que possui excelente capacidade de amortecimento e a capacidade de processamento. Nas últimas décadas, muitos estudos têm sido realizados sobre a otimização de desempenho de M2052, melhorando a capacidade de amortecimento, propriedades mecânicas, resistência à corrosão e temperatura de serviço, etc. os principais métodos de desempenho otimização são de liga, tratamento térmico, pré-tratamento e diferentes formas de moldagem etc., entre os quais liga, bem como adotando um razoável tratamento térmico, é o método mais simples e eficaz para obter perfeita e abrangente desempenho. Para obter a liga M2052 com excelente desempenho para o molde de fundição, propomos adicionar Zn e Al para a matriz de liga de MnCuNiFe e usar uma variedade de métodos de tratamento térmico para uma comparação na microestrutura, capacidade de amortecimento e temperatura de serviço. Assim, um novo tipo de liga de Mn-22.68Cu-1.89Ni-1.99Fe-1.70Zn-6.16Al (at.%) elenco-idade com serviço de alta temperatura e capacidade de amortecimento superior é obtido por um método de tratamento de calor otimizada. Comparado com a técnica de forjamento, molde de gesso é mais simples e mais eficiente, e a capacidade de amortecimento desta liga como multicast é excelente. Portanto, há uma razão adequada para pensar que é uma boa escolha para aplicações de engenharia.

Introdução

Since the Mn-Cu alloys were found by Zener to have damping capacity¹, they have received widespread attention and research². The advantages of Mn-Cu alloy are that it has high damping capacity, especially at low strain amplitudes, and its damping capacity cannot be disturbed by a magnetic field, which is quite different from ferromagnetic damping alloys. A alta capacidade de amortecimento das ligas Mn-Cu-baseado pode ser atribuída principalmente para a mobilidade dos limites internos, incluindo principalmente o gêmeo limites e fronteiras de fase, que são geradas no face-centered-cubic-to-face-centered-tetragonal ( f.c.c.-f.c.t) transição de fase sob a transformação de martensita temperatura (T_t)³. Verificou-se que T_t depende diretamente o teor de Mn na liga baseados em Mn-Cu^4,5; ou seja, quanto maior o Mn conteúdo, quanto maior o T_t e melhor a capacidade de amortecimento do material. A liga, que contém mais de 80 em % de manganês, foi encontrada para ter alta capacidade de amortecimento e força ideal quando saciada do sólido-solução temperatura⁶. No entanto, a maior concentração de Mn na liga causaria diretamente a liga a ser mais frágeis e têm um menor alongamento, resistência de impacto e uma pior resistência à corrosão, o que significa que a liga não cumprirá os requisitos de engenharia. Resultados da pesquisa anterior revelaram que um tratamento de envelhecimento sob condições apropriadas é uma maneira eficaz de conciliar este problema; por exemplo, Mn-Cu-baseado ligas contendo 50-80% de amortecimento Mn também pode obter uma alta T_t e capacidade de amortecimento favorável por um tratamento de envelhecimento na temperatura apropriada gama⁷. Isto é devido a decomposição da γ-fase do pai em nanoescala Mn-ricos e regiões de nanoescala rico Cu enquanto envelhecimento na faixa de temperatura da miscibilidade lacuna^8,9,10, considerada para melhorar T_t desta liga junto com sua capacidade de amortecimento. Claramente, é um método eficaz que pode combinar a alta capacidade de amortecimento com excelente trabalhabilidade.

M2052 liga usada para forjar uma representante baseados em Mn-Cu amortecimento de alta-liga com teor médio de Mn, desenvolvido pela Kawahara et al , formando ¹¹, tem sido extensivamente estudada nas últimas décadas. Os pesquisadores descobriram que a liga de M2052 tem um bom ponto de doce entre capacidade de amortecimento, força de rendimento e trabalhabilidade. Comparado com a técnica de forjamento, fundição tem sido amplamente utilizado até agora devido ao processo de moldagem simples, baixos custos de produção e alta produtividade, etc os fatores influentes (por exemplo, frequência de oscilação, amplitude de tensão, refrigeração velocidade, tempo/temperatura de tratamento térmico, etc.) sobre a capacidade de amortecimento, microestrutura e umedece o mecanismo de liga de M2052 têm sido estudados por alguns pesquisadores^{12,13,14,15 ,16,17,18}. No entanto, o desempenho de fundição de liga de M2052 é inferior, por exemplo, uma ampla gama de temperatura de cristalização, a ocorrência de porosidade de fundição e encolhimento concentrado, , eventualmente tendo por resultado a mecânica insatisfatória Propriedades dos castings.

The purpose of this paper is to provide the industrial field with a feasible method of obtaining a cast Mn-Cu based alloy with excellent properties which can be used in machinery and in the precision instruments industry to reduce vibration and ensure the product qualidade. De acordo com o efeito de elementos sobre a transformação de fase e o desempenho de fundição de liga, Al elemento é considerado para reduzir o γ-fase a região e a estabilidade da fase γ , o que pode fazer com mais facilidade a fase γ transformar em um γ' fase com microgêmeos. Além disso, a solução de átomos de Al na fase γ irá aumentar a força da liga, que pode melhorar as propriedades mecânicas. Also, Al element is one of the important elements which can improve the casting properties of Mn-Cu alloy. Elemento de Zn é benéfico para melhorar o casting e propriedades da liga de amortecimento. Finalmente, 2 wt % Zn e 3 wt % Al foram adicionados para a liga de MnCuNiFe quaternária neste trabalho e um novo elenco liga Mn-26Cu-12Ni-2Fe-2Zn-3Al (% em peso) foi desenvolvida. Além disso, vários métodos diferentes de tratamento térmico são utilizados neste trabalho e seus efeitos distintos são discutidos como segue. O tratamento de homogeneização foi usado para reduzir a segregação dendrito. O tratamento da solução foi usado para a imobilização de impurezas. O tratamento do envelhecimento é usado para provocar a decomposição spinodal; Entretanto, os vários tempos de envelhecimento são utilizados para procurar os parâmetros de otimização para uma temperatura de serviço elevado e excelente capacidade de amortecimento. Em última análise, um método preferível tratamento térmico foi exibido para uma superior capacidade de amortecimento, bem como uma temperatura de serviço elevado.

Verifica-se que o atrito interno máximo (Q^-1) e a mais alta temperatura de serviço pode ser alcançada simultaneamente por envelhecimento a liga a 435 ° C por 2 h. Por causa da simplicidade e eficiência deste método de preparação, pode ser produzida uma romance como elenco Mn Cu-liga à base de amortecimento com excelente desempenho, que é de importante significado prático para a sua aplicação de engenharia. Este método é particularmente apropriado para a preparação de fundição de liga de amortecimento alto Mn-Cu-baseada que pode ser usada para redução de vibração.

Protocolo

1. preparação de matérias-primas

1. Pesar todas as matérias-primas necessárias com uma balança electrónica por percentagem em massa (65% Mn eletrolítico, 26% eletrolítico Cu, 2% Fe puro industrial, 2% Ni eletrolítico, 3% Al eletrolítico e 2% Zn eletrolítico), conforme mostrado na Figura 1.
   Nota: Todas estas matérias-primas foram comercialmente disponíveis.

Figura 1 : Apresentação de matérias-primas. Os materiais usados incluem 65% em peso Mn eletrolítico, 26% em peso eletrolítico Cu, 2% em peso industrial Fe puro, 2% em peso Ni eletrolítico, 2 wt % Zn eletrolítico e 3% em peso eletrolítico Al por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. fundição e processo

Nota: Os passos detalhados de areia de fundição são mostrados na Figura 2.

Figura 2 : Areia de fundição e moldagem passos. O processo principal inclui uma operação de fundição, moldes e padrão de fabricação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

1. Para preparar os padrões, fazer padrões de acordo com o desenho de produto e certifique-se de que o tamanho do padrão é expandido em certa medida, ser responsabilizada por encolhimento e subsídios de usinagem.
   Nota: O padrão material utilizado neste trabalho é de madeira ( Figura 3) como um padrão de madeira é leve, fácil de trabalhar, e tem um ciclo de produção curto e baixo custo.

Figura 3 : Os testes padrões usados no molde fundição. Esses padrões de madeira foram usados para obter a forma dos castings. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Para preparar a areia de moldagem, misture a areia de quartzo com silicato de sódio 4% - 8%.
   Nota: O diâmetro de areia é de cerca de 0,4 mm e as partículas são uniformes.
3. Conclua o processo de moldagem principal pelas mãos.
   1. Primeiro, coloque dois padrões no recipiente de moldagem.
   2. Em seguida, vire o frasco após forçamento da areia de moldagem em torno dos padrões e retirar os padrões da areia.
   3. Finalmente, escove a superfície do molde de areia com fundição de revestimento para melhorar a qualidade de superfície da carcaça e reduzir defeitos de fundição.
      Nota: O molde de areia moldado é mostrado na Figura 4.
   4. Para obter um molde de areia seco, coloque o molde em um forno a 180 ° C e asse por mais de 8 h antes de aumentar a sua resistência e permeabilidade, facilitar o enchimento do derretimento e garantir a qualidade dos produtos fundição casting.

Figura 4 : O molde de areia moldado. Tem duas cavidades e sua superfície foi coberta com um revestimento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. indução de derretimento

Nota: Utilize uma indução de média frequência vácuo fornalha de derretimento.

1. Abra a tampa do forno, coloque 20,8 kg de Mn, 8,32 kg de Cu, 0,64 kg de Ni, 0,64 kg de Fe, 0,64 kg de Zn e 0,96 kg de materiais Al no cadinho sucessivamente e cobrir os materiais com criolita, finalmente.
2. Retire o molde de carcaça do forno e colocá-lo na fornalha; ajuste a sua posição para uma bem sucedida derramando. Feche a tampa do forno a vácuo e em seguida, abra o sistema de distribuição de calor para iniciar a fusão da liga.
3. Quando os metais começarem a derreter, encha a fornalha com argônio a uma pressão negativa de 93-KPa, para inibir a salpicos de metal fundido.
4. Após a liga tem derretido, refiná-lo durante alguns minutos para reduzir as impurezas prejudiciais e conteúdo de gás.
   Nota: O processo de derretimento inclui frequentemente da fundição e refino.

4. fundição de liga

1. Despeje o metal fundido suavemente o molde de carcaça após o processo de refino.
2. Depois que o metal fundido é completamente solidificado, quebrar o vácuo e retire o molde de fundição.
3. Retire as carcaças do molde de fundição quando a temperatura do molde cai para um nível baixo.

5. pré-tratamento dos Castings

Nota: O macrophotograph da peça moldada é mostrado na Figura 5.

1. Corte de espécimes de casting usando uma máquina de corte linear.
   Nota: As amostras para as medições de difratômetro (XRD) de raio-x e a observação metalográfica são em 10 x 10 x 1 mm³. As amostras para a análise dinâmica termomecânico (DMA) possuem uma dimensão de 0,8 x 10 x 35 mm³.

Figura 5 : As peças moldadas em areia molde e as partes removidas. Duas peças fundidas foram moldadas de uma só vez. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

6. tratamento térmico

1. Divida os espécimes polidos em sete grupos e mantenha o espécime #1 sem tratamento, mantendo um estado como molde para comparação. Coloque os outros em um forno de resistência de tipo caixa para diferentes tratamentos térmicos.
2. Homogeneizar as amostras #2 e #5 a 850 ° C por 24 h e, posteriormente, saciá-los em água fria antes de envelhecimento-los em 435 ° C, espécime #2 para 4h e espécime #5 por 2 h.
3. Solução-tratamento de espécimes #3 e #6 a 900 ° C, durante 1 h e, posteriormente, saciá-los em água fria antes de envelhecimento-los em 435 ° C, espécime #3 para 4 h e espécime #6 para 2 h.
4. Idade espécimes #4 e #7 435 ° c por 4 h e 2 h, respectivamente.

7. teste de capacidade de amortecimento

1. Use uma análise mecânica dinâmica (DMA) para medir a capacidade de amortecimento dos espécimes¹⁷.
   Nota: O modo de teste é varredura de tensão à temperatura ambiente.
2. Durante o ensaio, detecta o δ de ângulo de fase entre o stress e a tensão (como mostrado na Figura 6).
3. Caracteriza a capacidade de amortecimento pela Q^-1, pode ser determinado pela seguinte fórmula.
   Q ^-1 = tan δ

Figura 6 : A construção do dispositivo elétrico e teste princípio da DMA. (a) este painel mostra o dispositivo elétrico do cantilever dobro de DMA. (b) este painel mostra a relação da tensão senoidal aplicada para a tensão e o lag fase resultante. Os valores do GAL entre o stress e a tensão, bem como o módulo de elasticidade, podem ser calculados por fórmulas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

8. Caracterização da amostra

1. Polimento eletrolítico e observação metalográfica
   1. Para uma observação de microestrutura do dendrito, condicione todos os espécimes para cerca de 1 minuto em uma solução mista de ácido perclórico e álcool absoluto às 01:27.
   2. Em seguida, limpar os espécimes com acetona, secar a amostra com um ventilador e observar a estrutura dendrítica, com um microscópio metalográfico.
2. Caracterização de estrutura de fase
   1. Caracteriza a estrutura de fase e os parâmetros da estrutura dos espécimes por difração de raios x (XRD) com de^12,de radiação CuKα²².
      Nota: Use uma velocidade de digitalização em 2°/min. Antes da medição de XRD, prepare os espécimes cuidadosamente, removendo qualquer superfície stress.

Resultados

A Figura 7 mostra a dependência da capacidade de amortecimento na amplitude da tensão para a liga de MnCuNiFeZnAl como-fundido espécimes #1 - #7 e M2052 como molde. Os resultados mostram que a capacidade de amortecimento do espécime #1 é maior do que de conversão M2052 liga (como mostrado na Figura 7a) e o tradicional forjada M2052 amortecimento de alta liga, mencionada nos artigos anteriores^20,...

Discussão

Para garantir que este tipo de liga de Mn-Cu-baseado como-fundido possui tanto a capacidade de amortecimento superior e excelentes propriedades mecânicas, é necessário garantir que as carcaças têm uma composição química estável, um elevado grau de pureza e uma estrutura de cristal excelente. Portanto, o controle estrito da qualidade é necessário para os processos de fundição, derramando e tratamento térmico.

Em primeiro lugar, é necessário escolher os ingredientes apropriados p...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
manganese	Daye Nonferrous Metals Group Holdings Co., Ltd.	DJMnB	produced by electrolysis
copper	Daye Nonferrous Metals Group Holdings Co., Ltd.	Cu-CATH-2	produced by electrolysis
Nickel	Daye Nonferrous Metals Group Holdings Co., Ltd.	Ni99.99	produced by electrolysis
Iron	Ningbo Jiasheng Metal Materials Co., Ltd.	YT01	industrial pure Fe
Zinc	Daye Nonferrous Metals Group Holdings Co., Ltd.	0#	produced by electrolysis
Aluminum	Daye Nonferrous Metals Group Holdings Co., Ltd.	Al99.90	produced by electrolysis