本發(fā)明屬于合金領(lǐng)域，具體涉及一種環(huán)保型鋅鋁阻尼合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)在工業(yè)越來越快速的發(fā)展，震動和噪聲嚴(yán)重影響著機械設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性。同時，建筑結(jié)構(gòu)的抗震防災(zāi)安全性要求也越來越高，減震降噪成為眾多領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵性工程問題。解決減震降噪問題的核心就是尋找高性能的阻尼材料。金屬阻尼器是一種構(gòu)造簡單、造價低廉的耗能裝置，被廣泛地使用。現(xiàn)在人們使用的金屬阻尼器主要有軟鋼阻尼器、鉛阻尼器、形狀記憶合金阻尼器。軟鋼阻尼器包括平面外及平面內(nèi)屈服耗能鋼板阻尼器兩種，由于加工硬化和震后性能退化，在每次地震后都需要復(fù)檢，甚至更換。鉛阻尼器雖然金屬塑性很好、剛度低、高阻尼等特點，但是鉛阻尼器的恢復(fù)性較差，同時鉛是一種對人體有害的材料。形狀記憶合金阻尼器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時形狀記憶合金阻尼器易受環(huán)境和溫度的影響。因此，尋找一種具有不易加工硬化、具有較低的屈服極限的環(huán)保型阻尼材料顯得尤為重要。

室溫塑性鋅鋁系合金具有低屈服應(yīng)力、高延展性、無工作硬化、耐磨性好、減震能力高以及無污染等特性，低屈服應(yīng)力可使阻尼器能較早的進入耗能狀態(tài)，高延展性和無工作硬化可提高阻尼器的使用壽命，減少震后的維修和更換工作。因此鋅鋁系阻尼合金具有非常大的市場競爭力。隨著工業(yè)化的加速發(fā)展，減震降噪的要求進一步提高，市場迫切需要一種高阻尼性能的鋅鋁阻尼材料。孔令俊在碩士論文《室溫下大尺寸Zn-22Al合金的力學(xué)性能研究及減震性能分析》中探索鋅鋁合金的減震性能，對鋅鋁合金的阻尼性能研究做出了前瞻性工作。專利CN101139673介紹了一種鋅鋁系合金阻尼性能的改善技術(shù)，即Zn-Al-Zr-Si高阻尼性能減振合金及其制備方法和熱處理工藝。專利CN1045278提出了采用鋅鋁系減振合金取代原有的鑄鐵或普通鑄造鋁合金制造汽車變速器箱體，能明顯降低了變速器的噪聲，提高汽車箱體的使用性能，但是硅含量較高，合金材料脆性加大，不能很好地發(fā)揮合金的阻尼效果。楊斌在期刊《鋅鋁合金的研究進展》中提到，在鋅鋁系合金中加入鈦和稀土，可以明顯的細(xì)化枝晶組織，促使各相分布均勻，有效提高合金的抗拉強度和阻尼性能，但鈦-稀土中間合金的添加量以及熱處理工藝對整個合金材料阻尼性能的影響研究較少。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有阻尼材料脆性大、易加工硬化等缺陷，提供一種無硅無鉛、對環(huán)境無污染的環(huán)保型鋅鋁系阻尼合金新材料的制備方法，用于機械、建筑工程的耗能器制作。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

一種環(huán)保型鋅鋁阻尼合金，其原料按質(zhì)量百分比計為：15%~27%的Al、0.01%~0.1%的Ti、0.1%~0.2%的稀土，0.02%~0.62的Cu，0.01%~0.5的Mg，余量為Zn，上述重量百分比之和為100%。

在Zn-Al合金中，鈦-稀土中間合金顆粒的熔點較高且含量相較于鋅鋁較少，鋁元素的熔點比鋅元素的熔點高，鋁的含量相對較少，在熔煉過程中，合金液表面會形成一層抗氧化能力很強的致密保護層，鋁的抗氧化能力與鋅相當(dāng)，因此上述環(huán)保型鋅鋁阻尼合金的制備方法包含以下步驟：

（1）采用電阻爐熔煉，通過模具澆鑄制備出合金錠。先將坩堝在300℃干燥預(yù)熱30min，先加入鋁金屬塊，熔煉溫度為700~800℃，加入覆蓋劑。

（2）鋁塊全部熔化后加入鈦和稀土中間合金，等鈦-稀土中間合金全部熔化后再加入銅塊和鎂塊，熔化后加入鋅塊，熔煉溫度降為600~650℃，加鋅后補加覆蓋劑，待合金完全熔化后，用鐘罩依次壓入鋅合金專用精煉劑、除氣劑、清渣劑，待溫度降到550~600℃，澆鑄于鋼模具中。

（3）將制備出的鋅鋁阻尼合金進行如下方式的熱處理：在330~360℃下保溫36~72小時，出爐后在0~10℃之間冰水混合物中進行淬火冷卻到室溫，然后室溫時效3天。室溫時效處理后再進一步將淬火態(tài)的合金置于熱處理爐中，在360℃下保溫0.5~1小時，之后出爐在330~360℃進行熱軋，軋制過程中溫度浮動不能超過10℃，然后回爐在330~360℃下保溫5~10分鐘，進一步軋制，合金的壓下率為25%~70%。之后將合金板放置在空氣中自然冷卻。

本發(fā)明與論文文獻和專利技術(shù)相比，具有如下有益效果：在Zn-Al合金中，加入微量的Ti和稀土元素，通過合金化和熱處理，在合金熔煉的高溫階段能與鋁生成高熔點的TiAl₃等金屬化合物，具有很強的變質(zhì)細(xì)化作用，細(xì)化了基體晶粒組織，使原合金中硬相組織形態(tài)由粗大塊、棒狀形態(tài)改為均勻分布的星態(tài)。由于稀土元素化學(xué)性質(zhì)比較活潑，能與氧、氮、氫等雜質(zhì)分別形成比重輕、熔點高的化合物，這些化合物容易和熔渣一起從液態(tài)金屬中排除出去，增加合金的純度。同時增加了相界面的數(shù)量和位錯的密度，大大提高了減震阻尼作用。而且，本發(fā)明的阻尼合金還具有不易加工硬化、環(huán)保無污染等優(yōu)點。

通過在330~360℃下進行固溶處理，保證了原子的充分?jǐn)U散，同時可以消除合金中因為非平衡結(jié)晶形成的網(wǎng)狀共晶體；經(jīng)過0~10℃之間冰水混合物中淬火處理，合金轉(zhuǎn)化為β過飽和固溶體，會發(fā)生一系列的固態(tài)分解和析出，細(xì)化Zn-Al合金組織，增加相界面的數(shù)量和提高相界面的可動性，從而提高合金的阻尼性能；室溫時效3天可以獲得細(xì)晶組織，提高合金的內(nèi)耗值，穩(wěn)定合金的組織，提高制備成的零件精度；經(jīng)過熱軋?zhí)幚恚⒆匀焕鋮s，可以減少合金材料微觀孔洞以及組織疏松，減少合金缺陷，熱軋空冷后，合金會發(fā)生固態(tài)相變，新相可以形核于晶界或者亞晶界，會產(chǎn)生細(xì)小的晶粒，提高合金材料的阻尼性能。

附圖說明：

圖 1是本發(fā)明實施例1中的鋅鋁阻尼合金的金相組織圖；

圖 2是本發(fā)明實施例1中在動態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）上采用三點彎曲法測試的合金阻尼與溫度的關(guān)系，測試頻率f為20Hz。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明加以詳細(xì)描述，但本發(fā)明的保護范圍，不限于下述的實施例。

實施例1

一種環(huán)保型鋅鋁阻尼合金ZADAMP#1的制備方法，其含有以下重量百分比的成分：20%的Al、0.5%的Ti-RE中間合金，0.5%的Cu，0.4%的Mg，余量為Zn。其制備過程包括以下步驟：

（1）先將坩堝在300℃干燥預(yù)熱30min，先加入Al金屬塊和覆蓋劑，因為純Al的熔點為660.32℃，而熔煉溫度通常比熔點高50~150℃，所以設(shè)定熔煉爐溫度為700~800℃℃并保溫一段時間。

（2）鋁塊全部熔化后加入鈦和稀土中間合金顆粒，待金屬塊熔化后再加入銅塊和鎂塊，熔化后加入鋅塊，加鋅塊后補加覆蓋劑，將熔煉爐溫度調(diào)到600~650℃并保溫一段時間，待Zn全部熔化，對合金液進行充分?jǐn)嚢瑁o置后依次加入適量鋅合金專用精煉劑、除氣劑、清渣劑，并用鐘罩依次將試劑壓入熔體中距底部1/3處來回緩慢攪動，待溶劑氣化，帶出熔體中的氣體與夾渣物，使其與合金液分離漂浮在液面上。

（3）待反應(yīng)完全后，將合金液靜置3~5min，然后進行充分?jǐn)嚢璨窃脽犭娕紲y試坩堝中熔液的溫度，當(dāng)溫度在550~600℃時把合金液澆鑄到事先準(zhǔn)備好的模具中冷卻并成型。

（4）由于鋅和鋁的密度相差較大，凝固過程中固相和液相的成分差異較大，故鑄態(tài)組織存在較為嚴(yán)重的成分偏析，所以在澆鑄成型時要適當(dāng)提高合金的冷卻速度。本發(fā)明采用的是在鋼模表面上噴水的方法來提高合金液的冷卻速率，同時也能抑制樹枝晶生成，從而獲得較為細(xì)小的鑄態(tài)組織，為后期獲得超細(xì)晶粒組織做好準(zhǔn)備。

（5）鋅鋁合金在凝固過程中，在鑄型底面會出現(xiàn)底縮現(xiàn)象。本發(fā)明采用在模具底部加放冷鐵的方法來減弱鑄件底縮缺陷。鑄造過程所采用的模具是自制鋼模具或定制的石墨模具，其中鋼模具和制備過程中所有與合金液直接接觸的含F(xiàn)e工具，都須在澆鑄開始前清洗干凈后涂上ZnO、水玻璃和水的混合懸濁液保護層并烘干，以免鋼模中的Fe元素與合金液反應(yīng)，對合金成分造成污染。

（6）石墨模具澆鑄前要加熱到200~300℃并保溫一段時間，以徹底去除石墨模具的水分，保持干燥狀態(tài)。

（7）將制備出的鋅鋁阻尼合金進行如下方式的熱處理：在360℃下保溫48小時，出爐后在0~10℃之間冰水混合物中進行淬火冷卻到室溫，然后室溫時效3天。室溫時效處理后再進一步將淬火態(tài)的合金置于熱處理爐中，在360℃下保溫0.5~1小時，之后出爐在360℃進行熱軋，軋制過程中溫度浮動不能超過10℃，然后回爐在360℃下保溫5~10分鐘，進一步軋制，合金的壓下率為70%。之后將合金板放置在空氣中自然冷卻。熱處理后合金材料的各項性能測試數(shù)據(jù)如表1所示。可以看出，合金材料表現(xiàn)出了優(yōu)異力學(xué)性能，可以很好的發(fā)揮材料的阻尼效果。

表 1 ZADAMP#1合金經(jīng)過熱處理后材料的性能

從圖1中合金的金相顯微組織照片圖可以看出，合金組織彌散著細(xì)小等軸的顆粒與片層兩相共析組織，組織分布均勻，由于晶粒細(xì)小，難以分辨出晶界和晶粒尺寸，細(xì)晶組織能提高合金的內(nèi)耗值，提高材料的阻尼性能；圖2是用動態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）采用三點彎曲法測試的合金阻尼與溫度的關(guān)系，從圖2中可以看出，在Zn-Al合金作為阻尼材料的使用溫度范圍內(nèi)，合金的阻尼損耗因子tan δ隨著溫度的升高而不斷的增加，合金的阻尼性能逐漸提高，在60℃時，阻尼損耗因子可達(dá)5.413×10^-2。

實施例2

一種環(huán)保型鋅鋁阻尼合金ZADAMP#2的制備方法，其含有以下重量百分比的成分：15%的Al、0.3% Ti-RE中間合金，0.25%的Cu，0.34%的Mg，余量為Zn。其制備過程（1）~（6）如實施例1步驟所示。

步驟（7）：將制備出的鋅鋁阻尼合金進行如下方式的熱處理：在330℃下保溫36小時，出爐后在0~10℃之間冰水混合物中進行淬火冷卻到室溫，然后室溫時效3天。室溫時效處理后再進一步將淬火態(tài)的合金置于熱處理爐中，在330℃下保溫0.5~1小時，之后出爐在330℃下進行熱軋，軋制過程中溫度浮動不能超過10℃，然后回爐在330℃下保溫5~10分鐘，進一步軋制，合金的壓下率為25%。之后將合金板放置在空氣中自然冷卻。

實施例3

一種環(huán)保型鋅鋁阻尼合金ZADAMP#3的制備方法，其含有以下重量百分比的成分：27.5%的Al、0.01%的Ti、0.2%的稀土，余量為Zn。其制備過程（1）~（6）如實施例1步驟所示。

步驟（7）：將制備出的鋅鋁阻尼合金進行如下方式的熱處理：在350℃下保溫48小時，出爐后在0~10℃之間冰水混合物中進行淬火冷卻到室溫，然后室溫時效3天。室溫時效處理后再進一步將淬火態(tài)的合金置于熱處理爐中，在350℃下保溫0.5~1小時，之后出爐在350℃進行熱軋，軋制過程中溫度浮動不能超過10℃，然后回爐在350℃下保溫5~10分鐘，進一步軋制，合金的壓下率為70%。之后將合金板放置在空氣中自然冷卻。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。