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实验研究强化脉冲电流对冷拔金属材料的影响作用

  • 投稿晏耀
  • 更新时间2015-09-07
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张宪宇

(北京中唐科华电力设备有限公司河北分公司 河北 邯郸 056003)

【摘要】本文探讨了脉冲电流频率对冷拔金属线材力学性能的影响。

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关键词 高强脉冲电流;电塑性;抗拉强度;伸长率;回复再结晶

1.实验材料及方法?

(1)采用的实验材料分别为?1.58mm的冷拔态镀铜焊丝和?2.70mm的冷拔态55CrSi弹簧钢丝。镀铜焊丝的主要成分(wt%)为:0.08C,1.64Mn,0.82Ni,0.64Si,0.38Mo,0.20Cu,0.105Ti,0.016Al,余量Fe。?

(2)由直径?5.5mm的原材料经过直进式拉丝机拾道次拉拔至?1.6mm,最后镀铜精拔至?1.58mm的镀铜焊丝。55CrSi弹簧钢丝的主要成分(wt%)为:0.55C,0.80Cr,0.50Mn,0.75Si余量Fe。实验室中,采用自制高强脉冲电源对以上金属线材进行脉冲电流处理,试样在处理过程中用热电偶进行测温记录,实验参数见表1。?

(3)在WDW-50型万能电子试验机上进行单轴拉伸实验,变形速率为3×104s-1。采用专用钢丝拉伸卡具,加载过程中通过计算机采集和记录形变过程中的载荷和位移信号。采用ISOMET型金刚石低速切片机选取试样的横截面和纵截面,为避免热镶样时温度对试样的组织结构造成影响,采用环氧树脂进行冷镶,然后进行打磨和抛光。采用质量分数为4%的硝酸酒精对抛光后的试样进行腐蚀,通过KH-1000型金相显微镜对试样的显微组织进行观察和分析。

2.实验结果和分析?

(1)图1为镀铜焊丝的拉伸应力应变曲线。由图可见,经过多道次的冷拔变形之后的镀铜焊丝(No.0),其屈服强度为1130MPa左右,抗拉强度为1350MPa左右,伸长率约为2.8%。?

(2)由于硬度和强度过高,使得焊接过程中的抽丝和送丝变得相对困难,难以满足工业应用的要求,因此必须采用相应的后续处理工艺以降低其硬度和强度。通过高强脉冲电流对其进行短时处理,当电流密度为2650A/mm?2,脉冲频率为100Hz,处理时间为10s时,该线材(No.1)的屈服强度降至790MPa左右,抗拉强度降至1120MPa左右,伸长率约为3.8%。提高高强脉冲电流的频率至300Hz,而其余条件不变,则该线材(No.2)的屈服强度和抗拉强度分别为580MPa和805MPa左右,伸长率则提高至25.0%左右。

(3)图2为55CrSi弹簧钢的拉伸应力应变曲线。对于冷拔态的55CrSi弹簧钢(No.0),其屈服强度为1630MPa左右,抗拉强度为1850MPa左右,屈强比约为0.88,而伸长率约为1.9%。通过高强脉冲电流对其进行短时处理,当电流密度为850A/mm?2,脉冲频率为400Hz,处理时间为10s时,该线材(No.1)的屈服强度降至1375MPa左右,抗拉强度降至1545MPa左右,此时屈强比约为0.89,而伸长率提高至5.6%左右。提高脉冲电流的频率至800Hz,而其余条件不变,则线材(No.2)的屈服强度降至1255MPa左右,抗拉强度降至1362MPa左右,此时屈强比约为0.92,而伸长率则大幅提高至9.2%左右。?

(4)图3为镀铜焊丝纵截面的显微组织分析。由图3(a)可见,冷拔态的镀铜焊丝的主要组织是铁素体+索氏体。采用高强脉冲电流处理进行短时处理,当脉冲频率为100Hz,电流密度为2650A/mm?2,处理时间为10s时,该线材的显微组织和晶粒尺寸没有发生明显的变化(图3b)。提高脉冲频率至300Hz时,该线材的显微组织中引入了细小、均匀的再结晶晶粒(图3c)。?

(5)图4为55CrSi弹簧钢纵截面的显微组织分析。由图4(a)可见,冷拔态的55CrSi弹簧钢显微组织主要是铁素体+索氏体。采用高强脉冲电流处理进行短时处理,当脉冲频率为400Hz,电流密度为850A/mm?2,处理时间为10s时,该线材的显微组织和晶粒尺寸没有发生明显的改变(见图4b)。提高脉冲频率至800Hz时,该线材的显微组织中引入了细小、均匀的再结晶晶粒(图4c)。

3.讨论?

(1)实验表明,通过提高脉冲频率,能使冷拔金属线材在短时内实现完全软化,恢复塑性变形能力,并获得细小均匀的再结晶晶粒。在较低的脉冲频率和较低的温度作用下,金属线材的原子扩散能力虽然不是很大,但晶粒内部的位错、空位、间隙原子等缺陷在脉冲电子流的作用下发生移动和复合,位错密度大大减少。?〖LL

(2)因此,金属线材的其残余应力已经大大地降低,抗拉强度略有降低而塑性有所提高(图1中No.1和图2中No.1)。此时,金属线材发生回复过程,高强脉冲电流处理的效果类似于去应力退火。在较高的脉冲频率和较高的温度作用下,金属线材内部的原子扩散能力得到明显的增强,其显微组织也由拉长的晶粒通过重新形核和长大变成细小、均匀的等轴晶(图3c和图4c),且抗拉强度显著降低而塑性大大提高,加工硬化现象得到基本消除(图1中No.2和图2中No.2)。此时,金属线材发生了再结晶过程,高强脉冲电流处理的效果类似于再结晶退火。?

(3)经高强脉冲电流处理得到组织调整和性能回复所需的时间仅为10s,远低于传统退火热处理所需的时间,表现出高效、节能等特点。在脉冲电流的工艺参数中,脉冲频率代表单位时间内电子的反复冲击次数,电流密度则是通过单位面积的电子数目,因此,通过提高脉冲频率或电流密度,能够有效地强化脉冲电流对冷拔金属材料的作用,极大地缩短其发生组织调整和性能回复所需的时间。

4.结论?

(1)在较低的脉冲频率作用时,金属线材仅发生回复过程,被拉长的晶粒基本上保持原始状态。通过提高脉冲频率,金属线材内部可以重新形核和产生细小均匀的晶粒,发生再结晶过程;〖JP?

(2)在高强脉冲电流的作用下,金属线材表现为强度下降、伸长率提高,力学性能得到恢复。在发生再结晶过程后,镀铜焊丝和55CrSi弹簧钢的抗拉强度分别下降约40%和26%,伸长率分别提高约793%和384%。

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参考文献

[1]姚可夫,邱胜宝,张长青.冷拔Q235钢丝的高强脉冲电流“热”处理[J].金属制品,2007,33(6).

[2]邱胜宝,姚可夫.高强脉冲电流工艺参数对Fe基非晶合金纳米晶化的影响[J].稀有金属材料与工程,2008(S4).)

[文章编号]1006-7619(2015)06-28-607