高阻尼MnCu基合金的制备工艺研究

邢长军，孙国强，姚春发，宁小智，吴林

（钢铁研究总院，100081）

设备噪声多数是机械零部件之间的振动造成，为降低振动产生的噪声，近来设备制造多采用高阻尼减振合金[1]。高阻尼减振合金近几年研究较多，如Sonoston、Incramute、2130[2-5]等，并在实际工程中得到一些应用。按传统熔炼方法例如中频炉熔炼该类合金，但化学成分不稳定，力学性能不合格，不容易控制氧含量，氧含量过高，会导致冶炼的合金无法锻造成型，废品率极高，直接造成该类合金成本提高，应用受限。本文通过对比不同坩埚和熔炼方法，获得一种成份均匀、性能稳定且较低成本的熔炼方法。

1 实验材料与方法

本文采用的MuCu合同成份如表1所示。

表1 MuCu合金成份，wt%

MnCu合金中采用Mn元素为基体元素，由于Mn元素在高温下具有较高的化学活性，极易氧化成高熔点的MnO。另外，Mn具有较高的蒸汽压，比Cu、Ni、Fe高出几个数量级，会引起熔炼过程中的污染及Mn损失。合金中的Ni、Fe与Cu的密度相差悬殊易形成比重偏析，且Mn-Cu高阻尼合金的凝固温度范围比较宽，收缩率大表面张力比较大，缩松缩孔的倾向较大，成材率较低。如按传统熔炼工艺极易造成成份偏析。所以本实验采用真空感应熔炼炉和二次熔炼工艺制备MuCu基合金。

2 联合熔炼法制备MnCu合金

使用50Kg和200Kg真空感应熔炼炉，坩埚直接采用氧化铝预制坩埚。按表1合金成份配入量计算，130Kg铸锭需个组份重量Mn：91.65Kg，Cu：28.99Kg，Ni：6.76Kg，Fe：2.6Kg。熔 炼完成后对铸锭进行热加工和力学性能测试。

具体熔炼工艺如下：

将原料Mn和Cu用烘烤炉去潮去湿，纯铁抛丸处理表面氧化皮。由于Mn极易氧化成高熔点的MnO，如果原料湿气较重，在熔炼过程中加剧合金液的吸气，合金中夹杂物含量会增多，影响材料的加工性能和力学性能。

用50Kg真空感应熔炼炉将全部的Ni和Fe以及11.65KgMn和18.99KgCu熔炼成φ100中间合金。装料时Mn装入坩埚底部，中间位置放入Ni和Fe，然后在装入Mn至坩埚4/5处，剩余的Mn和Cu放入二次加料室。熔炼时先抽真空至20Pa左右，再低功率缓慢加热。当真空度达10Pa以内后高功率送电，当出现黑色烟雾时停止抽真空并充入氩气，此时黑色烟雾为Mn的挥发物，充入氩气可避免Mn的大量挥发。待坩埚内物料全部熔化后再分批次将Mn加入坩埚内，加入过程中要不停摇晃坩埚，加速Mn的熔化。最后加入Cu，由于Cu的熔点低、流动性好，添加时保持低功率，同时摇动坩埚，尽量保证均匀性。熔炼完成后浇铸在φ100模具内。浇铸完成后静置20min出炉。

将50Kg炉熔炼的直径φ100中间合金垂直装入200Kg炉中，尽量放在坩埚中心位置，然后将Mn沿棒四周均匀的装入炉中，当Mn装入高度达坩埚高度2/3处时，将余下的Cu装入坩埚内，再次将Mn均匀装入至坩埚高度4/5处，剩余的Mn放入二次加料室。

抽真空，真空度达到100Pa左右时，以50KW低功率送电，烘烤坩埚和原料；当真空度达到10Pa以下，且10分钟左右无大幅变动时，以20KW/5min缓慢提高功率到160KW，同时关注炉内状况，当炉内逐渐出现黑色烟雾时，立即停止抽空并向炉内充入氩气，以防止锰挥发。

待坩埚中出现钢液后，功率降至120KW；炉内物料全部化清后，停电降温至表面结壳，再将二次加料室内剩余Mn加入坩埚内，功率升至120KW。

当物料全部化清后进入精炼期，精炼期需前后倾动坩埚，同时每隔2min进行60KW-120KW功率变换，精炼时间20min，通过功率变换使钢液搅拌，以保证成份均匀性。

精炼完成后，停电降温。当钢液出现挂壁现象后继续送电升温，同时加入终脱氧剂。

终脱氧完成后，钢液浇入铸锭模。浇铸完成后静置30min后出炉。

3 试验结果与分析

3.1 不同坩埚制备MnCu合金成份分析

熔炼完毕后对铸锭冒口处取样进行成分分析，具体成份如表2所示。其中S表示石墨坩埚，M表示镁砂坩埚，A表示氧化铝预制坩埚。

表2 不同坩埚熔炼MuCu合金成份，wt%

从表2可以看出，采用石墨坩埚熔炼MnCu合金时，在熔炼过程中容易带入C元素，配入0.02%的碳，熔炼后碳含量增加0.1%，超出目标范围，判定石墨坩埚不适合冶炼此类合金。另外两种坩埚均可以达到目标成份要求，但经过坩埚清理时发现，镁砂坩埚熔炼3炉后坩埚壁出现钻钢现象，坩埚寿命远远低于正常使用寿命。经对比发现，人工打结烧制的镁砂坩埚坩埚壁有细小的微裂纹，而Cu含量超过20%时，钢液流动性非常好，从而造成钻钢现象，所以镁砂坩埚也不适合制备含Cu量高的合金。

氧化铝预制坩埚成份合格，经3炉冶炼后坩埚壁表面正常，未出现钻钢现象，经对比最终确定氧化铝预制坩埚适宜熔炼MnCu合金。

3.2 微观组织分析

本文选用石墨坩埚和氧化铝坩埚熔炼的MnCu合金进行微观组织分析，如图1所示。通过金相对比发现，石墨坩埚熔炼的MnCu合金含有较多的夹杂物，通过能谱分析发现黑色点状物为石墨坩埚带入的未熔的碳以及MnO，而氧化铝坩埚熔炼的MnCu合金纯净度较高，只有少量的MnO夹杂，满足实验所需纯净度。

图1 不同坩埚制备的MnCu合金微观组织

3.3 氧化铝坩埚制备MnCu合金成份均匀性分析

为分析此次熔炼工艺对成份均匀性影响，对A-1批次铸锭进行上中下成份分析，具体成份如表3所示。

表3 不同部位成份，wt%

从表4可以看出，经联合熔炼后，合金成份均匀性得到较大改善，Mn元素最大偏差0.12%，Cu元素最大偏差0.05%，Ni元素最大偏差0.03%，Mn元素偏差是由于Mn含量较高时校测偏差较大，因此可以判定所有元素偏差均满足目标要求。

3.4 力学性能分析

将氧化铝坩埚熔炼的MnCu合金铸锭采用锻造开坯+热轧的热加工工艺，图2为MnCu合金锻造开坯和热轧完成后的形貌，可以看出，MnCu合金经热加工变形后整体形貌完成，未出现严重开裂现象，成材率较高。

从热轧完成的板料中取样，经820℃固溶+450℃时效处理后加工成标准拉伸试样，同时与Q235钢力学性能进行对比，具体数值如表4所示。

表4 MnCu合金与Q235的力学性能对比

从表4可以看出，MnCu合金的弹性模量较小，约为Q235的三分之一，且具有优越的热加工性能和力学性能，能够用做结构件材料，满足结构件的力学性能要求。

4 小结

（1）对比不同材质坩埚熔炼MnCu合金，从经济性和耐久性以及纯净度方面对比，氧化铝坩埚更适合熔炼高Mn基阻尼合金。

（2）采用联合熔炼工艺制备MnCu阻尼合金，合金成份均匀性较好，具有良好的热加工性能，成品率较高。

（3）采用氧化铝坩埚和二次熔炼工艺制备出来的MnCu合金，经常规固溶时效处理后，材料的性能优于Q235钢，满足结构件材料的使用要求。