用草酸亚铁改善锰铜阻尼烧结合金性能的方法技术领域
本发明涉及一种气氛烧结多孔结构锰铜高阻尼合金的方法。它是通过以草酸亚铁
做为铁元素供体，利用草酸亚铁的热解特性及其分解产物改善烧结工艺过程，实现大尺寸
规格材料均匀烧结目的。
技术背景
锰铜合金作为孪晶型阻尼材料的代表，已被广泛使用在生活生产的各个领域。锰
铜阻尼合金材料具有γ相组织的锰铜合金的反铁磁转变，形成点阵畸变，触发微孪晶，若点
阵畸变诱发了马氏体相变，则将形成马氏体孪晶，母相与热弹性马氏体相界面的移动和热
弹性马氏体孪晶亚结构的移动消耗能量，产生高阻尼现象。锰铜阻尼合金材料具有无磁性，
低温阻尼性能很好并且强度和韧性很好的特点。如果成分热处理得当，其阻尼性能最高可
达到橡胶水平。而且锰铜合金材料具有良好的变形能力，可很好的应用于阻尼合金支架、阻
尼合金垫片、轴承、超传导线圈、电弓架、阻尼合金薄板等这些零部件上，主要应用的锰铜阻
尼合金的成分见表1。
表1 实用化锰铜阻尼合金的成分范围(质量百分比)
除了美国的Incramute合金外，其余锰铜合金中都含有元素Fe，其范围在1.0~4.0%之
间。锰铜合金中添加 Fe 主要是为了改进合金的机械性能，过量的铁会对合金阻尼性能有
不利的影响，所以 Fe 的含量不应超过 4.0%。适量铁对合金的阻尼性能影响主要表现在以
下两点：可能使全位错在低温时分解成扩展位错，这种位错可以成为应力诱发马氏体的核
胚，从而使合金中ε马氏体数量增加。同时，Fe 的存在还可以促进应力诱发ε马氏体相变，促
进 Mn-Cu 合金的调幅分解，促进晶界的析出，提高合金的阻尼性能。
多孔金属具有密度低、强度高、吸声性能高等优点逐渐引起人们的注意，金属材料
的多孔化已经被证实是提升金属材料阻尼性能的非常有效途径之一。Mikio Fukuhara等人
研究了烧结Mn-(5、10、15、20)Cu合金的阻尼性能，并与铸造M2052合金进行比较，Mn粉的纯
度为99%，粒度为16μm，Cu粉的纯度为99%，粒度为7μm，混合后在氢气环境下30MPa的压力在
950℃温度下烧结1h。加热和冷却速度分别为0.043和0.028℃/s，热处理制度为：850℃×1h
+ 450℃×6h。多孔Mn-Cu合金的阻尼性能随温度变化（-50~200℃）受的影响比较小，烧结
Mn-Cu合金可以弥补高Mn合金难加工的问题。大同特殊钢公司申请的Mn系减振合金的制造
方法专利(特开2005-68483) (P2005-68483A)是利用Mn粉和Cu-Ni-Fe-Si粉末按照一定的
配比混合烧结得到的MnCu合金的烧结密度5.9g/cm3，减震系数可达到0.4。
粉末冶金方法制备多孔锰铜合金的基本工艺为采用单质或合金化的混合粉末为
原料，制成压坯后在870～950℃在气氛或真空烧结、然后800～950℃固溶处理和300～500
℃长时间时效处理。单质Mn元素与Cu元素扩散形成的一定浓度固溶体在871℃以上温度会
出现瞬态液相，从而起到液相烧结的作用，获得较高强度的合金；但烧结温度超过950℃会
造成液相过多而不利于烧结体的形状稳定性。由于氢、氮等气氛中都富有一定成分的水分
压，会造成锰的表面氧化而阻碍烧结，真空烧结有利于减轻锰的氧化作用；加压烧结或氩等
惰性气体保护烧结也有类似作用。单质锰的导热系数只有7.82 W/m.℃，纯铜为401W/m.℃。
由于锰粉的低导热性，并且其表面或多或少有吸附的氧或水分子，大尺寸压坯往往表层附
近压制密度高于芯部密度等特点，造成在加热烧结过程中坯料中心与表面存在较大的温
差，表面层较早地达到烧结温度而致密度提高，芯部达不到烧结温度或需要很长的保温时
间，使得大尺寸的锰铜合金烧结体的组织和性能极不均匀，形成“外熟内生”的状态。
发明内容
本发明的目的是提供用一种草酸亚铁改善锰铜阻尼烧结合金性能的方法，利用草
酸亚铁的分解产物做为铁元素的供体，制备粉末冶金锰铜阻尼合金，铁含量可以在1.0～
4.0%范围，利用草酸亚铁热分解和氢还原得到的纳米级的高活性铁促进烧结，释放出来的
CO2、水蒸气阻止压坯表面形成致密封闭层，提高烧结体的均匀性，使得在氢还原气氛下烧
结就可以得到大尺寸的锰铜烧结体。
具体的制备多孔锰铜高阻尼合金工艺步骤如下：
1. 粉末准备与混合
将电解锰粉（纯度：≥99.7% 粒度：-100目）、电解铜粉（纯度：≥99.7%，粒度：-200目）、
羰基镍粉（纯度：≥99.5%, 粒度：2~3.6μ m），有时包括雾化铝粉（纯度：≥99.2%, 目数：~10
μm）、雾化锡粉（纯度：≥99.5%, 目数：~10μm）、雾化锌粉（纯度：≥99.8%, 目数：~10μm）、还
原钼粉（纯度：≥99.8%, ~1μ m）和其他少量单质碳、硅、铬机械破碎粉末，草酸亚铁为化学
结晶晶体粉（纯度：≥99%, 目数：-80目），按照下表的配比进行配料：
Mn：41～77
Sn：0～1.2
Cu：17～39
Cr：0～0.6
Al：0～6
Mo：0～0.9
Fe：1～4
Zn：0～4
Ni：0.3～5
C：0～0.2
Si：0～0.2
将配好的粉料置于球磨罐中进行干磨，球磨时间为0.5~4h至粉料均匀。
由于混合料中有较多量的塑性高的Cu、Sn等，在较大的压制压力下会产生塑性变
形，从而具有高的压坯强度，因此一般不需要额外添加成形剂。但当压坯要求尺寸较大时，
可添加一定量的硬脂酸锌、石蜡微粉等成形剂，可参照一般粉末冶金工艺。
2. 压制成型
将混好的粉料在100~600MPa的压力下压制成所需尺寸的压坯。压力范围根据坯料的尺
寸和粉末混合体的压制性能，以及孔隙度的要求来选择，对于大尺寸、孔隙率要求高，取下
限；小尺寸、高致密取大压力。必要时可采取等向压力的冷等静压成形。
3. 热解与烧结过程
由于需要在流动的干燥氢气的保护作用下热解、还原和烧结，具体步骤为180～240℃
保温1～4小时； 400～500℃保温1～4小时；750~850℃保温时间1~2小时；然后在850~950℃
保温时间2~4小时完成烧结过程；升温速度5～10℃/分钟。烧结坯尺寸较小的时候，温度和
保温时间可取下限，升温速度可取上限。烧结坯尺寸较大的时候，温度和保温时间可取上
限，升温速度可取下限。草酸亚铁添加量大时，热分解阶段保温时间可取上限，升温速度可
取下限。
4. 热处理工艺
烧结锰铜经过固溶和时效处理，获得高的阻尼性能，具体参照熔铸、加工和金的工艺参
数。由于采用本发明制备的锰铜合金为多孔材料，热处理时加热时间需要略有延长。
草酸亚铁在每千克高锰锰铜阻尼合金中的用量为12～120克。
草酸铁(Fe2(C2O4)3·5H2O)在170℃以下温度就可以脱水形成草酸亚铁(FeC2O4·
2H2O)。在氩气中， FeC2O4·2H2O 热分解机理为：170～240℃发生脱水反应，FeC2O4·2H2O=
FeC2O4+2H2O；400～450℃发生热解反应，3FeC2O4= Fe3O4 +4CO +2CO2。Fe3O4在600～900℃的
条件下能够被氢还原，其还原步骤为Fe3O4+3H2= FeO+3H2O和FeO+H2=Fe+H2O，一般800℃以上
温度能较完全的实现还原。在制备含Fe的锰铜合金粉末冶金工艺中，采用草酸亚铁代替Fe
粉做为Fe元素的供体的主要作用是：① 草酸亚铁热分解、还原产生的微细Fe元素具有低的
熔点，能够在较低的温度将单质锰粉熔合，从而减少热阻界面，提高烧结坯料的热导性和温
度均匀性，从而提高锰铜烧结合金的均匀性；② 在草酸亚铁分解的温度范围，压坯表面还
没有实现烧结致密化，因此草酸亚铁分解、还原产生的水和二氧化碳气体不断排出压制坯
表面，阻止压坯表面形成致密封闭层，使表面处于多孔状态，在低温加热阶段，有利于混合
粉的表面吸附水的排出；在高温烧结阶段，有利于氢气进入烧结体，起到还原少量氧化金属
元素的作用；③ 草酸亚铁为细微粉末，不容易发生塑性粘接，因此利于成分混合均匀；④
分解所得的微细高能状态Fe粉，容易跟锰、铜、镍、铝等元素发生烧结扩散，从而促进液相形
成和烧结过程。
本发明烧结合金直径达100mm、长度达200mm，密度为5.10～5.75g/cm3，硬度为52
～86HRF，弯曲强度为128～184MPa，均匀性好。通过后续热处理和加工，可获得低密度、高阻
尼锰铜构件。
附图说明
图1为 实施例3的弯曲强度曲线图；
图2为 实施例7的断口形貌图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
将锰、铜、镍、铝、锡、碳、硅等粉末和草酸亚铁按照表2实施例1的成分配料。表2 实施例
锰铜阻尼合金的成分范围（质量百分比）
合金元素
实施例1
实施例2
实施例3
实施例4
实施例5
实施例6
实施例7
Mn
59.3
47.2
60
52
52
75
76.6
Cu
33
39
35.9
35.9
35.7
18
17
Al
3.0
6.0
2.0
1.0
4.0
/
/
Fe*
2.4
3.2
1.0
4.0
3.0
2
1.8
Ni
0.8
3.2
0.3
2.2
2.5
5
4.6
Sn
0.18
1.2
/
/
/
/
/
Cr
/
/
/
/
0.6
/
/
Mo
/
/
0.2
0.9
/
/
/
Zn
/
/
0.6
4.0
2.0
/
/
C
0.16
0.10
/
/
0.08
/
/
Si
0.18
0.10
/
/
0.12
/
/
*为铁元素的含量，草酸亚铁的用量需要根据其含有Fe质量比例计算。
将配好的粉料置于球磨罐中进行干磨，球磨时间约为2h至粉料均匀。
采用压制模具将混好的粉料在600MPa的压力下压制成压坯。
在流动的干燥氢气的保护作用下热解、还原和烧结，具体步骤为240℃保温1小时；
500℃保温1小时；850℃保温时间1小时；然后在950℃保温时间2小时。随炉冷却，烧结锰铜
经过固溶和时效处理获得产品。
所得烧结坯的性能列于表3
表3 实施例锰铜阻尼合金的尺寸与性能
烧结体形状
尺寸，mm
密度，g/cm3
硬度，HRF
弯曲强度，MPa
|
实施例1
方形
10*24*50
5.39
52
128
实施例2
圆盘
Φ72*30
5.15
59
156
实施例3
圆片
Φ44*18
5.11
61
140
实施例4
方形
40*50*118
5.33
75
178
实施例5
圆棒
Φ100*200
5.28
86
184
实施例6
圆柱状
Φ32*60
5.75
84
174
实施例7
方形
58*55*150
5.10
76
143
实施例2
将锰、铜、镍、铝、锡、碳、硅等粉末和草酸亚铁按照表2实施例2的成分配料。将配好的粉
料置于球磨罐中进行干磨，球磨时间约为3h至粉料均匀。
采用圆形模具将混好的粉料在300MPa的压力下压制成压坯。
在流动的干燥氢气的保护作用下热解、还原和烧结，具体步骤为180保温4小时；
400℃保温4小时；750℃保温时间2小时；然后在900℃保温时间4小时；升温速度5℃/分钟。
随炉冷却，烧结锰铜经过固溶和时效处理获得产品。所得烧结坯的性能列于表3中。图1为产
品的弯曲强度曲线图。
实施例3
将锰、铜、镍、铝、钼、锌粉末和草酸亚铁按照表2实施例3的成分配料。将配好的粉料置
于球磨罐中进行干磨，球磨时间约为0.5h至粉料均匀。
采用圆形压制模具将混好的粉料在500MPa的压力下压制成压坯。
在流动的干燥氢气的保护作用下热解、还原和烧结，具体步骤为220℃保温2小时；
460℃保温2小时；800℃保温时间1小时；然后在950℃保温时间2小时，升温速度8℃/分钟。
随炉冷却，烧结锰铜经过固溶和时效处理获得产品。所得烧结坯的性能列于表3。图1为产品
的弯曲强度曲线图。
实施例4
将锰、铜、镍、铝、钼、锌等粉末和草酸亚铁按照表2实施例4的成分配料。将配好的粉料
置于球磨罐中进行干磨，球磨时间约为2h至粉料均匀。
采用长条形模具将混好的粉料在400MPa的压力下压制成压坯。
在流动的干燥氢气的保护作用下热解、还原和烧结，具体步骤为230℃保温1.5小
时； 480℃保温2.5小时；800℃保温时间2小时；然后在900℃保温时间2小时；升温速度6℃/
分钟。随炉冷却，烧结锰铜经过固溶和时效处理获得产品。所得烧结坯的性能列于表3中。
实施例5
将锰、铜、镍、铝、铬、锌、碳、硅等粉末和草酸亚铁按照表2实施例5的成分配料，并添加
0.8%的硬脂酸锌。将配好的粉料置于球磨罐中进行干磨，球磨时间约为4h至粉料均匀。
将混好的粉料装入圆形橡皮套中，在100MPa的压力下冷等静压成形。
在流动的干燥氢气的保护作用下热解、还原和烧结，具体步骤为200℃保温4小时；
420℃保温4小时；800℃保温时间2小时；然后在850℃保温时间4小时升温速度5℃/分钟。随
炉冷却，烧结锰铜经过固溶和时效处理获得产品。所得烧结坯的性能列于表3中。
实施例6
将锰、铜、镍等粉末和草酸亚铁按照表2实施例6的成分配料。将配好的粉料置于球磨罐
中进行干磨，球磨时间约为2h至粉料均匀。
采用圆形压制模具将混好的粉料在300MPa的压力下压制成压坯。
在流动的干燥氢气的保护作用下热解、还原和烧结，具体步骤为220℃保温2小时；
450℃保温2小时；800℃保温时间2小时；然后在920℃保温时间3小时；升温速度5℃/分钟。
随炉冷却，烧结锰铜经过固溶和时效处理获得产品。所得烧结坯的性能列于表3。
实施例7
将锰、铜、镍等粉末和草酸亚铁按照表2实施例7的成分配料，并添加0.6%的石蜡微粉。
将配好的粉料置于球磨罐中进行干磨，球磨时间约为3h至粉料均匀。
将混好的粉料装入方形橡皮套中，在200MPa的压力下冷等静压成形。
在流动的干燥氢气的保护作用下热解、还原和烧结，具体步骤为180保温4小时；
500℃保温1小时；850℃保温时间1小时；然后在920℃保温时间2小时； 500℃保温2小时；
920℃保温时间为2小时；升温速度6℃/分钟。随炉冷却，烧结锰铜经过固溶和时效处理获得
产品。所得烧结坯的性能列于表3中。得到产品的断口形貌如图2所示。