实验研究强化脉冲电流对冷拔金属材料的影响作用.doc

实验研究强化脉冲电流对冷拔金属材料的影响作用 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。 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3104s-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%，