某某工厂-专业生产加工、定做各种金属工艺品

摘要：研究电塑性加工技术在冷拔精密合金(3J53)中的应用。发现选择一定的电流脉冲频率可产生显著的电塑性效应。研究结果表明:与普通拔丝工艺相比较,经电塑性拔制后,3J53合金钢丝的拔制应力相对降低。分析认为,钢丝拔制的电塑性效应与改变钢丝拉拔产生的外摩擦力有关。

关键词：精密合金 钢丝 电塑性 拉拔

精密合金是指具有特殊物理性能的一类合金。这类合金(也是一类金属功能材料)可以细分为磁性合金、弹性合金、热膨胀合金、电阻合金等,主要用在仪器仪表、电子技术等工业中作为能量、信息转换、传输等元器件。精密合金钢丝因技术含量高,附加值高,经济效益显著,在商品市场上有一定的前景。

然而,由于这类合金材料化学成分复杂,合金元素含量较高,给钢丝生产带来了新的难点。电塑性拔丝具有降低材料变形抗力,改善表面质量的优点,为提高精密合金钢丝的产品质量带来了希望。

有关电塑性拔丝这一新技术在弹性合金中的研究应用未见报导,同时,电参数的选择对电塑性拔丝的工业生产应用具有重要意义。为此,我们开展了恒弹性合金电塑性拔丝的研究。

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1、电塑性拔丝的发展

电塑性(electro2plasticity)是指金属材料在电的作用下(包括电子照射、电场、电流脉冲等电刺激),变形抗力降低,塑性增加的一种现象。

1963年,前苏联学者在作表面活性剂的研究时首先发现了电塑性。此后,对其进行了大量的、系统的研究工作,并于1990年成立了“强化材料加工过程的电工艺协会”以推广电塑性技术的应用。

1978年,美国学者开始这一领域的研究工作,研究了电塑性对材料的蠕变、超塑性、再结晶、时效过程、强韧化、淬透性等的影响。在冶金、机械、航空航天领域的材料加工方面取得了满意的效果,甚至还引起一些物理学家对外电场能导致金属塑性和力学性能的变化产生了兴趣,关注着材料在电磁场这一特殊环境下的行为。

80年代中期,我国东北大学学者首次涉足这一领域。90年代初期,清华大学学者着重研究材料加工方面的应用,并与首钢冶金研究院合作,在电塑性拔丝的工程应用上取得了新的进展。

电塑性效应(electro-plastic effect)的研究工作主要集中在产生电塑性效应机制的研究及电塑性效应在材料加工中的应用。这里的材料是指低塑性、难成形的金属材料;加工产品的种类分为板带类产品和棒丝类产品。电塑性效应被发现以后,在拔丝工艺方面最先得到应用,其优点是:

(1) 减少拉拔道次。低合金钢08MnSi由ª5.5mm拔至ª1.99mm,普通拔丝要经过7道次,而电塑性拔丝只需5道次。

(2) 提高钢丝的拉拔速度。电热合金Cr20Ni80由ª410mm拔至ª212mm,普通拔丝速度为1197m/s,而电塑性拔丝速度为310m/s。

(3) 降低变形抗力,提高塑性。不锈钢1Cr18Ni9的拔丝显示:在相同变形量、相同拉拔工艺条件下,与普通拔丝相比,经电塑性拔丝后的钢丝抗拉强度下降,延伸率提高。

(4) 提高钢丝的表面质量。不锈钢1Cr18Ni9由ª116mm拔至ª112mm的表面观察及10倍放大后得到的照片显示:未经电塑性拔制的钢丝表面有十分明显的竹节现象,而经电塑性拔丝的钢丝表面无竹节缺陷。钼丝经电塑性拔丝后的x射线衍射结果显示:在其塑性变形能力提高的同时,形成之晶体织构发生部分变化,说明某些流变机制被激活了。

本文以3J53合金钢丝的生产工艺为基础,研究其是否存在电塑性现象;对过去曾注意到的电参数的选择对电塑性拔丝具有一定的影响这一现象进行更深入地研究;为进一步推广应用电塑性拔丝这一新的工业技术创造条件。

2、材料及工艺

2.1材料选择

弹性合金分为恒弹性合金和高弹性合金2种。3J53(即Ni42CrTiAl)合金是比较典型的沉淀强化型恒弹性合金,其化学成分范围为:w(Ni)=41.5%～43.0%,w(Cr)=5.20%～5.80%,w(Ti)=2.30%～2.70%,w(Al)=0.50%～0.80%,w(C)≤0.05%,w(Mn)≤0.80%,w(Si)≤0.80%,w(P)≤0.020%,w(S)≤0.020%,Fe余量。这种合金的特点是弹性后效小,弹性模量高,无磁、耐蚀,力学性能优良,尤其是在温度发生变化(-60～100℃)时,其弹性模量变化小,在仪器仪表、通讯、计量等领域中得到广泛的应用。如钟表的游丝、台盘式单(双)面弹簧秤的弹簧等。

2.2拔丝设备

专用的电塑性拔丝设备共有3大系统:高能脉冲电源系统、拔丝机构、测试系统。其框图见图1。其特点是在靠近正常拔丝加工的拔丝模前后(即金属塑性变形区内)引入高能脉冲电流,从而得到改善金属加工性能和应力状态的效果。

2.3工艺路线

钢丝的生产可分3个阶段:首先是原材料生产,即真空冶炼—锻造—热轧盘条;其次是将直径810mm盘条经固溶处理后拔制至半成品;最后根据用户要求拉拔到成品。

3J53合金经固溶处理后金相组织为过饱和单相奥氏体,利于冷拔加工。为消除加工硬化的影响,生产中要多次进行固溶处理。经验表明,这种材料的成品压缩率在50%左右,冷变形难度较大。

模拟成品拔丝工艺,对每一道次拉拔进行电塑性拔丝和普通拔丝,取样检测并分析比较。51漫画

3、结果及讨论

3.1拔制应力的变化

钢丝的拉拔应力变化情况如图2所示。电塑性拔丝的钢丝拔制应力明显低于普通拔丝的钢丝拔制应力。这证实了3J53钢丝拔制过程中确有电塑性效应存在。

3.2脉冲频率对拔制应力的影响

脉冲频率是电塑性拔丝工艺研究中的电参数之一。研究发现:在一定的脉冲频率范围内,钢丝的拔制应力随加电频率的增大而减小,结果如图3所示。这表明,优化选择一定的输入脉冲电流的频率,可使钢丝的拔制应力降低幅度较大,即电塑性效果最佳。

3.3钢丝质量

根据相应的标准,对钢丝表面、模具内孔表面进行观察,发现经电塑性拔制的钢丝模具表面光洁正常,丝材无竹节、划伤、毛刺等缺陷。钢丝的尺寸精度符合要求。上述结果是在同一炉号钢、同一状态下,选用相同模具、相同的润滑条件、同样道次及变形量所产生的。

通过对钢丝样品2次取样所测得的平均数值比较发现,数据分散性小,表明钢丝的性能均匀,数据可靠。钢丝的其它物理性能数据在做本研究工作时未予研讨。

3.4讨论

有关电塑性效应的机制问题,人们已做了大量的研究,但这一问题仍在探索之中。

有人用位错的观点分析认为:金属的塑性变形,其实质是大量位错的产生和运动。由于位错的缠结和相互作用,阻碍了位错的运动,使塑性变形能力下降;而高密度脉冲电流的引入实质是一种能量形式,它增强金属微粒的振动能力,改变位错的激活能,加快位错的运动速度,打开了位错间的缠结,使其容易克服滑移面上的障碍,提高金属的塑性。还有人认为,这种高密度脉冲电流所形成的电塑性效应实质是多种物理效应共同作用的结果,如集肤效应、磁压缩效应、焦耳效应、热电效应、纯电塑性效应等。

最近的研究分析认为,钢丝的电塑性拔丝现象与摩擦有关。根据摩擦学原理可知,降低材料两接触面之间的摩擦力可降低钢丝的拔制力。钢丝拉拔过程中,其能量消耗形式为:

(1) 用于金属的有效变形;

(2) 用于金属的不均匀变形及金属内部滑移的内部摩擦损失;

(3) 用于克服金属与模具间外摩擦损失。外加电场可以通过影响表面电荷的存在而使摩擦因数改变,摩擦因数的改变引起外摩擦力的改变,摩擦力的降低会导致拉拔力的下降。

4、结论

(1) 对3J53合金钢丝进行电塑性拔制,可以发现具有明显的电塑性效应。

(2) 高能脉冲电源的频率选择是实现拔制应力降低,电塑性效应显著的关键电参数之一。