Сплав высокого демпфирования на основе железа с регламентированным уровнем демпфирующих и механических свойств и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к сплавам высокого демпфирования на основе системы железо - алюминий, а также к изделиям, выполненным из них, и может быть использовано при изготовлении холодно- и горячекатаных листов, сортового проката, прутков и поковок, используемых в качестве конструкционных материалов, а также при изготовлении элементов конструкций и деталей крепежа. Технический результат изобретения заключается в улучшении механических свойств (σ_0,2 и σ_в) сплава высокого демпфирования и изделий, выполненных из него, при сохранении высокого уровня демпфирующих свойств. Сущность изобретения заключается в том, что сплав высокого демпфирования с регламентированным уровнем демпфирующих и механических свойств содержит углерод, алюминий, марганец, титан, медь и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,010-0,035, алюминий 4,0-8,0, марганец 0,25-0,95, титан 0,01-0,55, ниобий 0,01-0,15, медь 0,01-0,20, железо остальное, при этом суммарное содержание углерода и меди определено зависимостью Σ(5C+1,5Cu) = 0,06-0,45%; а содержание алюминия, марганца, титана и меди связано соотношением: при этом [А1-Σ(Mn+ Ti+Cu)]=3,5-6,5%. 2 с.п.ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам высокого демпфирования на основе системы железо-алюминий, а также к изделиям, выполненным из них, и может быть использовано при изготовлении холодно- и горячекатаных листов, сортового проката, прутков и поковок, используемых в качестве конструкционных материалов, а также при изготовлении элементов конструкций и деталей крепежа. Известен высокопрочный демпфирующий сплав на основе железа (ЕР 0495121В1, МКИ C 22 C 38/06, 1991 г.), содержащий алюминий, кремний, марганец, не более 0,01 мас.% углерода (далее по тексту везде используются мас.%), не более 0,01% азота, не более 0,01% кислорода, не более 0,01% фосфора, не более 0,01% серы, более 0,5% кремния, при этом для достижения высоких вибродемпфирующих свойств соотношение концентраций алюминия и кремния в сплаве должно быть таковым, чтобы оно удовлетворяло области оптимальных концентраций на тройной диаграмме железо-алюминий-кремний, ограниченной прямыми линиями, последовательно соединяющими следующие точки: A4(7,05% алюминия, 0,95% кремния), B4(6,50% алюминия, 1,10% кремния), C4(4,70% алюминия, 2,75% кремния), D4(2,25% алюминия, 2,45% кремния), E4(1,00% алюминия, 3,60% кремния), F4(1,00% алюминия, 0,50% кремния и более), G4(7,50% алюминия, 0,50% кремния и более) и A4, а содержание марганца в сплаве должно быть не менее 0,1% и не более суммы концентраций алюминия и кремния. После отжига при температуре 1050^oC в вакууме этот сплав имеет следующие механические и вибропоглощающие свойства: предел прочности при растяжении σ_в = 420 - 700 МПа, уровень внутреннего трения Q^-1 = 0,2-2,0% (что эквивалентно, при переводе на единицы логарифмического декремента колебаний в соответствии с общепризнанными в мире методиками, уровню δ = 0,6-6,0% [Ю. К. Фавстов, Ю.Н. Шульга, А.Г. Рахштадт, Металловедение высокодемпфирующих сплавов. М., Металлургия, 1980; James D.W., High damping alloys for engineering application., Mater. Sci. Eng., 1969, N 4, pp. 1-8]). Недостатком этого сплава является недостаточно высокий уровень депфирующих свойств.

Известна сталь, имеющая высокие вибродемпфирующие свойства и хорошую свариваемость ([ЕР] 0540792A1, МКИ C 22 C 38/06, 1991 г.), содержащая не более 0,02% углерода, не более 0,02% кремния, не более 0,08% марганца, от 0,05 до 1,5% меди, от 1,0 до 7,0% алюминия, не более 0,008% азота, от 0,05 до 1,5% никеля. После горячей прокатки на листы толщиной 25 мм и отжига при температуре 575^oC эта сталь имеет следующий уровень демпфирующих и механических свойств: внутреннее трение Q^-1 = 1,2-2,0% (что соответствует δ=4,0-6,5%), условный предел текучести σ_0,2 = 340-450 МПа, предел прочности при растяжении σ_в = 420 - 570 МПа, относительное удлинение Δ = 26-33%. Недостатками этого сплава являются недостаточно высокое демпфирование и недостаточно высокие прочностные характеристики.

Известны изделия в виде холоднокатаных листов толщиной 0,8 и 2,0 мм, использующиеся с целью изготовления элементов конструкции из демпфирующего сплава на основе железа в соответствии с (ЕР) 0495123 A1 (МКИ C 22 C 38/06, 1991 г.). Изделия выполнены из сплава, содержащего алюминий и кремний в виде основных легирующих элементов, а для достижения высоких вибродемпфирующих свойств соотношение концентраций алюминия и кремния в сплаве должно быть таковым, чтобы оно удовлетворяло области оптимальных концентраций на тройной диаграмме железо- алюминий-кремний, ограниченной прямыми линиями, последовательно соединяющими следующие точки: A4(7,05% алюминия, 0,95% кремния), B4(6,50% алюминия, 1,10% кремния), C4(4,70% алюминия, 2,75% кремния), D4(2,25% алюминия, 2,45% кремния), E4(0% алюминия, 4,50% кремния, AO(0% алюминия, 0% кремния), BO(8,00% алюминия, 0% кремния) и A4, при этом содержание марганца в сплаве не должно быть менее 0,1%, а концентрация таких элементов, как углерод, азот, кислород, фосфор и сера не должна превышать 0,01%. После прокатки изделия подвергалась отжигу при температуре 1050^oC, и уровень внутреннего трения материала составлял Q^-1 =0,4-2,1% (что соответствует уровню δ = 1,2-6,6%). Недостатком данного сплава и изделий из него являются резкие ограничения по содержанию углерода (не более 0,01 мас.%), что предопределяет существенные технологические трудности при металлургическом производстве сплава и, соответственно, высокую себестоимость сплава и изделий из него.

Известны изделия, выполненные из сплавов на основе железа, содержащих алюминий (2%), хром (5%) и углерод (не более 0,01%) в виде плоских деталей размером 50х50х4 мм и использующиеся с целью снижения звукоизлучения при ударном нагружении изготавливаемых из этих сплавов деталей за счет увеличения демпфирующей способности сплавов путем специальной термообработки изделий с повторным нагревом до температур ~1100^oC (патент СССР 1161573A описание, МКИ C 21 D 8/00, 1985 г.). Использование этих изделий позволяет снизить на 5-16 децибел суммарный уровень звукового давления, возникающего при ударном нагружении деталей конструкции. Недостатком этих изделий является их высокая стоимость вследствие повышенного содержания хрома в сплаве.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является известный сплав высокого демпфирования следующего состава, мас.%: Углерод - 01 - 0,1 Алюминий - 4,0 - 12,0 Марганец - 0,3 - 3,0 Титан - 0,010 - 1,0 Железо - Остальное при этом [Al- Σ (Mn+Ti)] = 3,5-8,5%, а также изделия, выполненные из него (патент РФ N 2005804, МКИ C 22 C 38/14, опубл. БИ 1994 N 1, прототип сплава и изделия).

Изделия в виде пластин толщиной 1,5 мм, выполненные из этого сплава, после холодной деформации и термообработки обладают следующими демпфирующими и механическими свойствами: логарифмический декремент колебаний δ = 25 - 30%, условный предел текучести σ_0,2 = 260 - 300 МПа, предел прочности при растяжении σ_в = 430 - 500 МПа.

Недостатком этого сплава и изделий, выполненных из него, является недостаточно высокий уровень механических свойств.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении демпфирующего сплава на основе железа и изделий из него с регламентированным уровнем демпфирующих и механических свойств.

Технический результат изобретения заключается в улучшении механических свойств (σ_0,2 и σ_в) сплава высокого демпфирования и изделий, выполненных из него, при сохранении высокого уровня демпфирующих свойств.

Указанный технический результат достигается тем, что сплав высокого демпфирования на основе железа, содержащий углерод, алюминий, марганец, титан, дополнительно содержит медь и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас%: Углерод - 0,010 - 0,035 Алюминий - 4,0 - 8,0 Марганец - 25 - 0,95
Титан - 0,01 - 0,55
Ниобий - 0,01 - 0,15
Медь - 0,01 - 0,20
Железо - Остальное
при этом суммарное содержание углерода и меди определено зависимостью Σ(5C+1,5Cu) = 0,06 - 0,45%,
а содержание алюминия, марганца, титана и меди связано соотношением: при этом [Al - Σ (Mn+Ti+Cu)] = 3,5- 6,5%.

Технический результат достигается также тем, что изделия выполняют из сплава высокого демпфирования вышеуказанного состава, при этом они обладают следующим уровнем демпфирующих и механических свойств:
логарифмический декремент колебаний δ 15 -30%,
условный предел текучести σ_0,2 340 - 430 МПа,
предел прочности при растяжении σ_в 480 - 600 МПа,
относительное удлинение Δ 15 - 25%.

Наличие в сплаве алюминия, марганца, титана, ниобия, меди и углерода в указанных пределах обеспечивает высокие механические и демпфирующие свойства сплава, причем содержание этих элементов должно соответствовать вышеуказанным зависимостям. При значении величины [Al - Σ (Mn+Ti+Cu)] меньше 3,5% резко снижаются демпфирующие свойства сплава, а ее возрастание до величины более 6,5% приводит к увеличению хрупкости материала. Содержание в предлагаемом сплаве 4,0 - 8,0% Al обеспечивает высокие значения логарифмического декремента колебаний благодаря формированию особого структурного состояния материала. При содержании Al меньше 4% демпфирующие свойства сплава резко снижаются. Рост содержания Al свыше 8% приводит к возрастанию хрупкости сплава и ухудшает его технологичность. Повышенный уровень механических свойств сплава по сравнению с прототипом достигается путем добавочного легирования медью, при этом содержание легирующих элементов должно удовлетворять соотношению Σ (5 C+1,5 Cu) = 0,06-0,45%. При уменьшении величины Σ (5 C+1,5 Cu) меньше 0,06% механические свойства сплава резко ухудшаются, а рост этой величины свыше 0,45% приводит к возрастанию хрупкости материала.

Введение в сплав с регламентированным содержанием (C+Cu) ниобия (0,01 - 0,15%) обеспечивает модификацию структуры сплава и повышает его технологичность. При содержании Nb менее 0,01 не наблюдается модификация структуры и технологичность сплава остается на прежнем уровне. При содержании Nb более 0,15% демпфирующие свойства сплава ухудшаются в результате формирования интерметаллидных фаз.

Содержание марганца в количестве 0,25 - 0,95% является необходимым для обеспечения высоких демпфирующих свойств материала и его технологичности.

Уменьшение содержания марганца ниже указанного предела приводит к снижению демпфирующих свойств сплава в результате развития ликвационной неоднородности. При содержании Mn более 0,95% в сплаве с регламентированным содержанием (C+Cu) демпфирующая способность также снижается из-за уменьшения магнитной восприимчивости сплава.

Титан является эффективным упрочнителем твердого раствора и его содержание в количестве 0,01 - 0,55% необходимо для поддержания высокого уровня механических свойств. Введение титана также благоприятно сказывается на демпфирующих свойствах сплава. При содержании Ti менее 0,01% снижаются прочностные характеристики материала и ухудшаются его демпфирующие свойства из-за повышения коэрцитивной силы. Введение в сплав с регламентированным содержанием (C+Cu) более 0,55% Ti приводит к недопустимому возрастанию хрупкости сплава.

Введение в сплав более 0,035% C или 0,2% Cu приводит к ухудшению демпфирующих свойств вследствие уменьшения подвижности стенок магнитных доменов и роста гистерезисных потерь. При содержании в сплаве менее 0,01% C или 0,01% Cu происходит недопустимое снижение прочностных свойств материала.

Выполнение изделий из предложенного сплава обеспечивает высокий уровень их свойств - как механических, так и демпфирующих.

Пример 1. Сплав, содержащий 5,6% алюминия, 0,01% углерода, 0,25% марганца, 0,02% титана, 0,01% ниобия, 0,02% меди, остальное железо и примеси, выплавлялся в открытой индукционной печи емкостью 50 кг и разливался на слитки массой 17 кг. Передел металла на холоднокатаные листы толщиной 1,0 и 2,0 мм производился по схеме: ковка на сутунку - горячая прокатка на листы толщиной 6,0 и 3,0 мм - термообработка - травление - холодная прокатка до требуемой толщины. После механической обработки (изготовление образцов для испытаний механических свойств и демпфирующей способности) проводили термообработку в вакууме с выдержкой при температурах 820-1020^oC и последующим медленным охлаждением. Демпфирующую способность материала в диапазоне амплитуд Δ l/l= 10^-5 - 10^-3) определяли на установке ЦНИИчермет, собранной по схеме обратного изгибного маятника, на стандартных образцах сложного сечения и листах толщиной 2,0 мм. После вышеприведенной обработки предлагаемый сплав и изделия, выполненные из него, обладают следующим уровнем свойств: логарифмический декремент колебаний δ 15 - 30%, условный предел текучести σ_0,2 до 380 МПа, предел прочности при растяжении σ_в до 530 МПа, относительное удлинение Δ до 30%.

Пример 2. Сплав, содержащий 5,4% алюминия, 0,025% углерода, 0,25% марганца, 0,16% титана, 0,01% ниобия, 0,18% меди, остальное железо и примеси, выплавлялся в открытой индукционной печи емкостью 50 кг и разливался на слитки массой 17 кг. Передел металла на холоднокатаные листы толщиной 1,0 и 2,0 мм производился по схеме: ковка на сутунку - горячая прокатка на листы толщиной 6,0 и 2,5 мм - термообработка - травление - холодная прокатка до требуемой толщины. После механической обработки (изготовление образцов для испытаний механических свойств и демпфирующей способности) проводили термообработку в вакууме с выдержкой при температурах 820-1050^oC и последующим медленным охлаждением. Демпфирующую способность материала определяли вышеописанным методом. После металлургического передела и термообработки предлагаемый сплав и изделия, выполненные из него, обладают следующим уровнем свойств: логарифмический декремент колебаний δ до 16%, условный предел текучести σ_0,2 до 430 МПа предел прочности при растяжении σ_в до 600 МПа и относительное удлинение Δ до 20%.

Формула изобретения

1. Сплав высокого демпфирования на основе железа с регламентированным уровнем демпфирующих и механических свойств, содержащий углерод, алюминий, марганец, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,010 - 0,035
Алюминий - 4,0 - 8,0
Марганец - 0,25 - 0,95
Титан - 0,01 - 0,55
Ниобий - 0,01 - 0,15
Медь - 0,01 - 0,20
Железо - Остальное
при этом суммарное содержание углерода и меди определено зависимостью Σ(5C + 1,5Cu) = 0,06 - 0,45%; а содержание алюминия, марганца, титана и меди связано соотношением [Al - Σ(Mn + Ti + Cu)] = 3,5 - 6,5%.

2. Изделие, выполненное из сплава высокого демпфирования на основе железа с регламентированным уровнем демпфирующих и механических свойств, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1 и имеет следующие свойства: логарифмический декремент колебаний δ 15 - 30%; условный предел текучести σ_0,2 340 - 430 МПа; предел прочности при растяжении σ_в 480 - 600 МПа; относительное удлинение Δ 15 - 25%.