一种高机械品质因数弹性合金及其制造方法技术

一种高机械品质因数弹性合金及其制造方法，属于弹性合金技术领域。合金的成分按重量百分含量为：C≤0.005％，Ni：19.10～21.50％，Co：9.00～12.00％，Mo：3.00～6.00％，Ti：0.40～1.20％，余量为Fe及不可避免的杂质。合金采用真空感应炉熔炼，锻造成60～90mm×60～90mm的方坯，然后热轧成棒材；成品棒材经1050～1150℃和810～860℃两步固溶处理后，再在480～620℃时效2～8h，空冷至室温。优点在于，具有高机械品质因数，而且具有低频率温度系数，应用于惯性导航构件、谐振子等高精密元器件。

【技术实现步骤摘要】
一种高机械品质因数弹性合金及其制造方法
本专利技术属于弹性合金
，特别涉及一种高机械品质因数弹性合金及其制造方法。
技术介绍
现代航空航天、船舶、汽车等工业飞速发展，使惯性导航构件、机械滤波器谐振子、谐振腔振子、陀螺谐振子等精密元器件日益实现小型化、轻量化、高精度和高灵敏度，这对精密元器件用弹性合金的机械品质因数和均匀稳定性提出了更高的要求。机械品质因数，即Q值，表示谐振子在一个振动周期内能量的衰减程度。在相同的参数条件下，器件的Q值越高，其可维持的振幅就越大，越有利于提高器件的灵敏度，降低噪声水平。此外，精密元器件需要在不同的环境温度下工作，当弹性合金的频率温度系数βf很大时，器件的中心谐振频率随着温度的变化将会有很大的漂移，导致器件不能正常的工作。因此，弹性合金必须同时具有高Q值和低βf值才能确保器件的可靠性和稳定性。在现行的行业标准或军用标准中，弹性合金的Q值普遍偏低，难以满足高精度器件的使用要求。大部分FeNi系恒弹性合金的Q值一般在10000～25000之间，3J1、3J2、3J3高弹性合金的Q值一般低于10000，具有马氏体基体的3J33高弹性合金的Q值一般在25000～30000之间，但频率温度系数为10-4数量级，温度稳定性差。虽然冷变形+时效处理可显著提高弹性合金的Q值，但合金纵向和径向的均匀稳定性差，不适于制造具有对称结构或薄壁厚的谐振子器件，这是因为合金材料的径向和周向的非均匀性会引起频率裂解，形成干扰信号，导致器件性能下降。因此，亟需开发出具有更高机械品质因数兼具有低频率温度系数、均匀性和温度稳定性良好的弹性合金，以满足高精密元器件的使用要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高机械品质因数弹性合金及其制造方法，解决现有弹性合金不能兼具高机械品质因数和低频率温度系数，以及均匀性和温度稳定性不佳的问题。本专利技术提供一种机械品质因数Q≥38000、频率温度系数∣βf(-40～+80℃)∣≤20×10-6/℃、且具有良好均匀性和温度稳定性的弹性合金及其棒材的制造方法。一种高机械品质因数弹性合金，成分按重量百分含量为：C≤0.005％，Ni：19.10～21.50％，Co：9.00～12.00％，Mo：3.00～6.00％，Ti：0.40～1.20％，余量为Fe及不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中包括以下组分，其重量百分含量为：Si≤0.05％，Mn≤0.05％，P≤0.0050％，S≤0.0020％，N≤0.0050％，O≤0.0020％，Al≤0.15％。优选的，在所述成分含量中，Ni：19.20～20.20％，Co：9.60～11.50％。在所述合金成分中：Ni是使合金具有板条状马氏体基体组织的基础，这种马氏体组织具有高密度位错，而且，随Ni含量增加，还可适当增加合金中奥氏体的含量，改善合金韧性的同时，还能调节合金的频率温度系数。Mo和Ti主要形成金属间化合物析出相，主要有Ni3Mo、Ni3Ti和Fe2(Mo,Ti)，析出相与马氏体中的位错相互缠绕交错，阻碍了位错的运动，使合金具有高的机械品质因数。Co的作用一方面是提高马氏体相变点Ms，另一方面可以抑制马氏体中位错亚结构的回复，保证合金中具有大量析出相形核的位置，使析出相更加细小和弥散均匀分布，促进合金强化的同时，能够显著提高合金的机械品质因数。合金的性能除依赖于合金成分外，还决定于合金的组织结构。合金的组织结构由合金的冶炼、热加工和热处理工艺决定。一种高机械品质因数弹性合金的制造方法，具体步骤及参数如下：1、采用真空感应炉冶炼合金，将得到的合金铸锭在1150～1200℃均匀化退火，保温时间10～15h；2、将步骤1得到的铸锭经1150～1200℃加热后，锻造成60～90mm×60～90mm方坯；3、将步骤2得到方坯经1120～1180℃加热后，热轧成Φ25mm～40mm棒材；4、将步骤3得到的棒材在1050～1150℃进行固溶处理，保温时间0.5～1h，水淬至室温，然后在810～860℃再次进行固溶处理，保温时间1～1.5h，空冷至室温；5、将步骤4得到的棒材在480～620℃时效处理2～8h，空冷至室温，即得到具有高机械品质因数的弹性合金。所述方法制备的弹性合金棒材的机械品质因数Q≥38000，频率温度系数∣βf(-40～+80℃)∣≤20×10-6/℃。在上述弹性合金棒材的制备方法中：均匀化退火可以减轻或消除铸造枝晶偏析，避免合金在后续热加工过程中形成条带组织；通过锻造开坯和变形率为65～94％的热轧加工，使合金具有均匀细小的晶粒组织；采取两步固溶处理工艺调控马氏体向奥氏体的逆转相变过程，进一步均匀和细化晶粒组织，并适当降低马氏体向奥氏体的逆转变温度；最后采取合理的时效处理工艺，使合金弥散析出金属间化合物强化相的同时，发生逆转奥氏体转变，同时控制逆转奥氏体的体积分数在20～40％范围内。这种组织结构不仅使合金具有更高的机械品质因数，而且可以在升温过程中补偿弹性模量的衰减，产生弹性反常效应，从而显著降低合金的频率温度系数，有利于提高机械品质因数的稳定性。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术在具有板条状马氏体组织基体的弹性合金成分基础上，适当增加Ni含量，并辅以添加Mo、Co、Ti等强化元素，结合采取钢锭均匀化退火、足够变形率的热轧、两步调控相变固溶处理，以及合理的时效处理工艺等措施，明显提高了合金棒材纵向和横向的均匀性，并增加了合金中逆转奥氏体的体积分数，从而显著提高合金的机械品质因数，同时频率温度系数达到10-5～10-6数量级。本专利技术的优点在于：为满足高精密元器件对弹性合金的机械品质因数和频率温度系数的要求，通过合理的合金化学成分设计，充分发挥各合金元素的作用，结合真空感应炉冶炼、热轧、固溶处理及时效处理工艺，生产出一种具有高机械品质因数且具有低频率温度系数的弹性合金。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步说明，并与3J33高弹性合金、3J59恒弹性合金的成分和性能进行比较。本专利技术弹性合金实施例的化学成分重量百分比含量如表1所示：表1各实施例中合金的化学成分(wt.％)本专利技术合金采用真空感应炉冶炼，经均匀化退火、锻造开坯、热轧成棒材，再制成弹性测试样品。所述实施例和比较例均采用真空感应炉冶炼，在加热温度为1150～1200℃的条件下，锻造成方坯，再经1120～1180℃热轧成棒材。具体参数如下：实施例1合金铸锭在1150℃均匀化退火15h后，在1200℃锻造成60mm×60mm方坯，再经1150℃热轧成Φ25mm的棒材。成品棒材热处理工艺：在1050℃加热保温1h，水淬至室温；再在820℃加热1.2h，空冷至室温；最后在480℃时效处理8h，空冷至室温。实施例2合金铸锭在1180℃均匀化退火12h后，在1160℃锻造成70mm×70mm方坯，再经1180℃热轧成Φ30mm的棒材。成品棒材热处理工艺：在1100℃加热保温0.5h，水淬至室温；再在810℃加热1.5h，空冷至室温；最后在520℃时效处理6h，空冷至室温。实施例3合金铸锭在1200℃均匀化退火10h后，在1150℃锻造成90mm×90mm方坯，再经1120℃热轧成Φ40mm的棒材。成品棒材热处理工艺：在1150℃加热保温0.5h，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高机械品质因数弹性合金，其特征在于，成分按重量百分含量为：C≤0.005％，Ni：19.10～21.50％，Co：9.00～12.00％，Mo：3.00～6.00％，Ti：0.40～1.20％，余量为Fe及不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种高机械品质因数弹性合金，其特征在于，成分按重量百分含量为：C≤0.005％，Ni：19.10～21.50％，Co：9.00～12.00％，Mo：3.00～6.00％，Ti：0.40～1.20％，余量为Fe及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述不可避免的杂质中包括以下组分，其重量百分含量为：Si≤0.05％，Mn≤0.05％，P≤0.0050％，S≤0.0020％，N≤0.0050％，O≤0.0020％，Al≤0.15％。3.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述成分含量中，Ni：19.20～20.20％，Co：9.60～11.50％。4.一种权利要求1所述合金的制造方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：1)采用真空感应炉冶炼合金，将得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢东辉，蔡凯洪，张静，张荣，于敏，彭伟锋，
申请(专利权)人：北京北冶功能材料有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11