一种船用铁锰基高强韧阻尼合金制造技术

一种船用铁锰基高强韧阻尼合金，属于金属材料与阻尼技术领域。其化学成分的重量百分比为：≤0.02％的碳，≤0.02％的硅，16.5‑17.5％的锰，≤0.005％的硫，≤0.01％的磷，≤0.01％的氮，≤0.015％的铝，余量为铁。优点在于，克服了普通船板几乎不具备阻尼性能的缺陷，在保证材料良好强韧性匹配的基础上，产品的阻尼性能明显优于普通船板。由于产品通过控制常规元素含量与材料组织即可实现，故本发明专利技术的产品成本低廉，且十分容易实现工业化生产，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属材料与阻尼
，特别涉及一种船用铁锰基高强韧阻尼合金。
技术介绍
船舶动力机械在运行时会产生振动与噪声，振动和噪声一方面会引发船用设备故障，造成船体结构材料的疲劳破坏，破坏船舶设备运行的稳定性和可靠性，直接影响船舶的服役寿命和安全性；另一方面，由振动引发的噪声还会污染海洋环境，破坏海洋生态平衡；更为重要的是，噪声在造成严重环境污染的同时还会刺激人体中枢神经和血管系统，大幅降低航行的舒适度，恶化船员劳动条件，甚至会对人体健康产生不良影响。此外，对于军用舰船而言，噪声还会影响舰船的战斗技术性能，噪声会通过船体辐射产生水下噪声，破坏舰船的隐蔽性；对于声学性能要求更高的潜艇来说，水下噪声过大，不仅容易暴露自身目标，同时还会影响本身声纳设备的工作。由于船舶运行中产生的振动和噪声会危害船员健康，污染海洋环境，引发船用设备与船体材料疲劳损坏，缩短船舶使用寿命，船舶噪声一直是人们关注的重点问题。在2014年7月1日之前，大部分船级社均执行国际海事组织(IMO)制定的IMO-A468(XⅡ)标准——《船上噪声等级规则》。近年来船舶噪声问题越来越受到人们的关注，随着船舶大型化的发展,动力设备导致的噪声问题日益严重,再加上人们对船舶舒适性要求的不断提高,因此,国际海事组织海上安全委员会(MSC)通过多次会议讨论，于第91次会议通过了《船上噪声等级规则》修正案，该修正案自2014年7月1日起正式实施，与原有规则相比，该修正案主要针对船员工作和生活区域做了比较大的修改，其中规定1万吨以上船舶的住舱和医务室的噪声限值从60分贝下调至55分贝，办公室、餐厅、娱乐和健身房的噪声限值从65分贝下调至60分贝，其它工作区的噪声限值从90分贝下调至85分贝。规则中涉及的强制规定都作为强制性标准执行，新规则对船舶的降噪性能提出了更高的要求。要减少或消除船舶运行中产生的有害振动或噪音，不仅需要采用合理的船舶设计方案，还有赖于现役船体结构材料阻尼性能的改善，即选用具有高阻尼(大内耗值)特性的材料，以阻止和降低振动应力峰的传播，从而消除并减少有害振动和噪音的产生。同时，由于船体材料为结构材料，需兼顾材料的强韧性力学性能要求。目前得到广泛应用的阻尼合金主要是以Mn-Cu系合金和Ti-Ni合金等为代表的形状记忆合金类。这类材料具有很高的阻尼本领，但由于它们多是有色金属，所以原材料较昂贵，加工工艺也较复杂，并不适用于用量极大的船体材料。今后原材料低廉和加工工艺相对成熟的铁基材料将是船体阻尼合金的主要发展趋势。铁基阻尼合金具有使用温度范围宽，力学性能、阻尼性能好，价格低廉等优点，逐渐受到人们的广泛关注。目前已开发并应用的铁基阻尼合金包括Fe-C、Fe-Al以及Fe-Cr-X系阻尼合金。其中Fe-C阻尼合金主要通过提高碳当量的方法获得高阻尼值，但其力学性能会由于碳当量的增加而下降，强度较低从而限制了Fe-C阻尼合金的应用。此外，相比其他铁基阻尼合金，Fe-C阻尼合金的阻尼性能偏低，仅为Fe-Cr系合金的1/3甚至更低，并不适用于船体结构。Fe-Al和Fe-Cr-X系阻尼合金均为铁磁型阻尼合金，主要依靠铁磁畴界的应力感生运动产生阻尼，其中Fe-Al系阻尼合金存在脆性较大的显著缺点，限制了其在船舶制造中的应用；典型的Fe-Cr-X系阻尼合金包括Fe-Cr、Fe-Cr-Mo、Fe-Cr-Al系阻尼合金，Fe-Cr阻尼合金为二元合金，力学性能较差；在其基础上研发的Fe-Cr-Mo和Fe-Cr-Al系三元阻尼合金虽然具有一定的强度和较高的阻尼性能，但其韧性水平较差，制造成本较高，且由于其阻尼性能主要在中高频段(＞100Hz)才能发挥优势，因此主要应用于工业机械中。基于船体材料的阻尼性能、力学性能和成本要求，本专利提出了一种高强韧Fe-Mn基阻尼合金。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种船用铁锰基高强韧阻尼合金，针对目前船体结构材料阻尼性能较差的技术现状，采用合金成分设计+显微组织控制相结合的设计原理；在成分设计方面，通过控制钢中的合金元素成分比例降低层错能以增加合金的阻尼源，同时减少钢中的杂质元素含量以减少扩展位错的运动阻力；在显微组织控制方面，通过锰含量、成型工艺及热处理工艺控制，提高钢中ε马氏体组织含量，减少奥氏体和α马氏体组织含量，提高钢中主要阻尼源ε马氏体的相对比例，增加ε马氏体可变界面与ε马氏体中堆垛层错的运动，同时保证材料良好的强韧性匹配。本专利技术通过控制化学成分及显微组织，获得具有良好强韧性匹配和高阻尼性能的船用铁锰基高强韧阻尼合金。其中，在成分设计方面，本专利技术的技术解决方案是，所提供的这一种船用铁锰基高强韧阻尼合金，采用纯合金元素碳、硅、锰、磷、硫按照比例冶炼而成。其化学成分的重量百分比为：C≤0.02％，Si≤0.02％，Mn：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：碳：碳是组织控制的最主要元素，碳含量过高会使钢中渗碳体(Fe3C)含量增加，从而形成对阻尼性能不利的珠光体组织；碳含量增加可以提高层错能，减少层错数量从而减少阻尼源界面，同时碳作为间隙原子偏聚于层错区形成铃木气团，钉扎阻碍阻尼源界面移动，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，为了避免碳的不利影响，碳的含量应当控制不高于0.02％；硅：硅的作用是脱氧和保证强度，硅可以降低层错能，但硅固溶强化了合金基体，会造成晶格畸变，并提高了奥氏体向ε马氏体转变的驱动力，使其转变变得困难，不利于合金阻尼性能的改善；另外，硅含量过高会降低钢的焊接性能，故硅的含量应控制不高于0.02％；锰：锰与硅一样，主要作用为脱氧和保证强度，由于本材料中碳含量极低，为保证材料的强度，必须保证一定的锰含量；另外，锰是奥氏体相区扩大元素，锰含量增加会推迟奥氏体向铁素体的转变，同时提高Ms点温度，增大相变驱动力，提高ε马氏体组织转变量，是阻尼合金中的主要添加元素；但锰含量并非越多越好，进一步增加锰含量反而会降低ε马氏体组织转变量，获得以奥氏体为主的组织组成。综合考虑，锰的含量应控制在16.5-17.5％之内；硫：硫是合金冶炼中不可或缺的元素，但硫不仅对钢的强度、焊接性能不利，且硫在钢中易形成夹杂，不仅不利于材料的阻尼性能与力学性能，还易于诱发点蚀，降低材料的耐蚀性，故硫含量越低越好，一般应控制在0.005％以下；磷：磷是铁素体相区形成元素，可以与α-Fe有限固溶，缩小奥氏体相区，且磷在钢中易形成区域偏析，不利于材料的阻尼性能；另外，磷的含量过高会恶化焊接性能，降低材料韧性，故磷的含量应控制在0.01％以下；铝：铝的作用主要为脱氧，但是铝含量过高容易增加钢中的氧化铝夹杂，不仅不利于材料的阻尼性能和力学性能，还易于成为腐蚀源，降低材料的耐蚀性，故铝的含量应控制在0.015％以下；氮：氮在钢中易形成第二相粒子，会增大扩展位错的运动阻力，少量的氮对材料阻尼性能影响不大；但当钢中氮含量较高时，其二相粒子会使扩展位错运动困难，从而降低材料的阻尼性能，在应变量较大的情况下，氮含量的影响尤为明显，故钢中的氮含量应控制在0.01％以下。在显微组织控制方面，本专利技术的主要解决方案是控制材料中ε马氏体、α马本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船用铁锰基高强韧阻尼合金，其特征在于，化学成分的重量百分比要求为：C≤0.02％，Si≤0.02％，Mn：16.5‑17.5％，S≤0.005％，P≤0.01％，N≤0.01％，Als≤0.015％，余量：Fe；显微组织控制要求为：材料中ε马氏体组织含量不低于70％，α马氏体+奥氏体组织含量不高于30％。

【技术特征摘要】
1.一种船用铁锰基高强韧阻尼合金，其特征在于，化学成分的重量百分比要求为：C≤0.02％，Si≤0.02％，Mn：16.5-17.5％，S≤0.005％，P...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，苏航，柴锋，赵刚，杨才福，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，中联先进钢铁材料技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11