摘要：研究電塑性加工技術(shù)在冷拔精密合金(3J53)中的應(yīng)用。發(fā)現(xiàn)選擇一定的電流脈沖頻率可產(chǎn)生顯著的電塑性效應(yīng)。研究結(jié)果表明:與普通拔絲工藝相比較,經(jīng)電塑性拔制后,3J53合金鋼絲的拔制應(yīng)力相對降低。分析認(rèn)為,鋼絲拔制的電塑性效應(yīng)與改變鋼絲拉拔產(chǎn)生的外摩擦力有關(guān)。

關(guān)鍵詞：精密合金?鋼絲?電塑性?拉拔

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精密合金是指具有特殊物理性能的一類合金。這類合金(也是一類金屬功能材料)可以細(xì)分為磁性合金、彈性合金、熱膨脹合金、電阻合金等,主要用在儀器儀表、電子技術(shù)等工業(yè)中作為能量、信息轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)仍骷?。精密合金鋼絲因技術(shù)含量高,附加值高,經(jīng)濟(jì)效益顯著,在商品市場上有一定的前景。

然而,由于這類合金材料化學(xué)成分復(fù)雜,合金元素含量較高,給鋼絲生產(chǎn)帶來了新的難點(diǎn)。電塑性拔絲具有降低材料變形抗力,改善表面質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn),為提高精密合金鋼絲的產(chǎn)品質(zhì)量帶來了希望。

有關(guān)電塑性拔絲這一新技術(shù)在彈性合金中的研究應(yīng)用未見報(bào)導(dǎo),同時(shí),電參數(shù)的選擇對電塑性拔絲的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用具有重要意義。為此,我們開展了恒彈性合金電塑性拔絲的研究。

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1、電塑性拔絲的發(fā)展

電塑性(electro2plasticity)是指金屬材料在電的作用下(包括電子照射、電場、電流脈沖等電刺激),變形抗力降低,塑性增加的一種現(xiàn)象。

1963年,前蘇聯(lián)學(xué)者在作表面活性劑的研究時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了電塑性。此后,對其進(jìn)行了大量的、系統(tǒng)的研究工作,并于1990年成立了“強(qiáng)化材料加工過程的電工藝協(xié)會(huì)”以推廣電塑性技術(shù)的應(yīng)用。

1978年,美國學(xué)者開始這一領(lǐng)域的研究工作,研究了電塑性對材料的蠕變、超塑性、再結(jié)晶、時(shí)效過程、強(qiáng)韌化、淬透性等的影響。在冶金、機(jī)械、航空航天領(lǐng)域的材料加工方面取得了滿意的效果,甚至還引起一些物理學(xué)家對外電場能導(dǎo)致金屬塑性和力學(xué)性能的變化產(chǎn)生了興趣,關(guān)注著材料在電磁場這一特殊環(huán)境下的行為。

80年代中期,我國東北大學(xué)學(xué)者首次涉足這一領(lǐng)域。90年代初期,清華大學(xué)學(xué)者著重研究材料加工方面的應(yīng)用,并與首鋼冶金研究院合作,在電塑性拔絲的工程應(yīng)用上取得了新的進(jìn)展。

電塑性效應(yīng)(electro-plastic?effect)的研究工作主要集中在產(chǎn)生電塑性效應(yīng)機(jī)制的研究及電塑性效應(yīng)在材料加工中的應(yīng)用。這里的材料是指低塑性、難成形的金屬材料;加工產(chǎn)品的種類分為板帶類產(chǎn)品和棒絲類產(chǎn)品。電塑性效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以后,在拔絲工藝方面最先得到應(yīng)用,其優(yōu)點(diǎn)是:

(1)?減少拉拔道次。低合金鋼08MnSi由a5.5mm拔至a1.99mm,普通拔絲要經(jīng)過7道次,而電塑性拔絲只需5道次。

(2)?提高鋼絲的拉拔速度。電熱合金Cr20Ni80由a410mm拔至a212mm,普通拔絲速度為1197m/s,而電塑性拔絲速度為310m/s。

(3)?降低變形抗力,提高塑性。不銹鋼1Cr18Ni9的拔絲顯示:在相同變形量、相同拉拔工藝條件下,與普通拔絲相比,經(jīng)電塑性拔絲后的鋼絲抗拉強(qiáng)度下降,延伸率提高。

(4)?提高鋼絲的表面質(zhì)量。不銹鋼1Cr18Ni9由a116mm拔至a112mm的表面觀察及10倍放大后得到的照片顯示:未經(jīng)電塑性拔制的鋼絲表面有十分明顯的竹節(jié)現(xiàn)象,而經(jīng)電塑性拔絲的鋼絲表面無竹節(jié)缺陷。鉬絲經(jīng)電塑性拔絲后的x射線衍射結(jié)果顯示:在其塑性變形能力提高的同時(shí),形成之晶體織構(gòu)發(fā)生部分變化,說明某些流變機(jī)制被激活了。

本文以3J53合金鋼絲的生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ),研究其是否存在電塑性現(xiàn)象;對過去曾注意到的電參數(shù)的選擇對電塑性拔絲具有一定的影響這一現(xiàn)象進(jìn)行更深入地研究;為進(jìn)一步推廣應(yīng)用電塑性拔絲這一新的工業(yè)技術(shù)創(chuàng)造條件。

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2、材料及工藝

2.1材料選擇

彈性合金分為恒彈性合金和高彈性合金2種。3J53(即Ni42CrTiAl)合金是比較典型的沉淀強(qiáng)化型恒彈性合金,其化學(xué)成分范圍為: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。這種合金的特點(diǎn)是彈性后效小,彈性模量高,無磁、耐蝕,力學(xué)性能優(yōu)良,尤其是在溫度發(fā)生變化(-60～100℃)時(shí),其彈性模量變化小,在儀器儀表、通訊、計(jì)量等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。如鐘表的游絲、臺盤式單(雙)面彈簧秤的彈簧等。

2.2拔絲設(shè)備

專用的電塑性拔絲設(shè)備共有3大系統(tǒng):高能脈沖電源系統(tǒng)、拔絲機(jī)構(gòu)、測試系統(tǒng)。其框圖見圖1。其特點(diǎn)是在靠近正常拔絲加工的拔絲模前后(即金屬塑性變形區(qū)內(nèi))引入高能脈沖電流,從而得到改善金屬加工性能和應(yīng)力狀態(tài)的效果。

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2.3工藝路線

鋼絲的生產(chǎn)可分3個(gè)階段:首先是原材料生產(chǎn),即真空冶煉—鍛造—熱軋盤條;其次是將直徑810mm盤條經(jīng)固溶處理后拔制至半成品;最后根據(jù)用戶要求拉拔到成品。

3J53合金經(jīng)固溶處理后金相組織為過飽和單相奧氏體,利于冷拔加工。為消除加工硬化的影響,生產(chǎn)中要多次進(jìn)行固溶處理。經(jīng)驗(yàn)表明,這種材料的成品壓縮率在50%左右,冷變形難度較大。

模擬成品拔絲工藝,對每一道次拉拔進(jìn)行電塑性拔絲和普通拔絲,取樣檢測并分析比較。

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3、結(jié)果及討論

3.1拔制應(yīng)力的變化

鋼絲的拉拔應(yīng)力變化情況如圖2所示。電塑性拔絲的鋼絲拔制應(yīng)力明顯低于普通拔絲的鋼絲拔制應(yīng)力。這證實(shí)了3J53鋼絲拔制過程中確有電塑性效應(yīng)存在。

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3.2脈沖頻率對拔制應(yīng)力的影響

脈沖頻率是電塑性拔絲工藝研究中的電參數(shù)之一。研究發(fā)現(xiàn):在一定的脈沖頻率范圍內(nèi),鋼絲的拔制應(yīng)力隨加電頻率的增大而減小,結(jié)果如圖3所示。這表明,優(yōu)化選擇一定的輸入脈沖電流的頻率,可使鋼絲的拔制應(yīng)力降低幅度較大,即電塑性效果最佳。

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3.3鋼絲質(zhì)量

根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),對鋼絲表面、模具內(nèi)孔表面進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)經(jīng)電塑性拔制的鋼絲模具表面光潔正常,絲材無竹節(jié)、劃傷、毛刺等缺陷。鋼絲的尺寸精度符合要求。上述結(jié)果是在同一爐號鋼、同一狀態(tài)下,選用相同模具、相同的潤滑條件、同樣道次及變形量所產(chǎn)生的。

通過對鋼絲樣品2次取樣所測得的平均數(shù)值比較發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)分散性小,表明鋼絲的性能均勻,數(shù)據(jù)可靠。鋼絲的其它物理性能數(shù)據(jù)在做本研究工作時(shí)未予研討。

3.4討論

有關(guān)電塑性效應(yīng)的機(jī)制問題,人們已做了大量的研究,但這一問題仍在探索之中。

有人用位錯(cuò)的觀點(diǎn)分析認(rèn)為:金屬的塑性變形,其實(shí)質(zhì)是大量位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)。由于位錯(cuò)的纏結(jié)和相互作用,阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),使塑性變形能力下降;而高密度脈沖電流的引入實(shí)質(zhì)是一種能量形式,它增強(qiáng)金屬微粒的振動(dòng)能力,改變位錯(cuò)的激活能,加快位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度,打開了位錯(cuò)間的纏結(jié),使其容易克服滑移面上的障礙,提高金屬的塑性。還有人認(rèn)為,這種高密度脈沖電流所形成的電塑性效應(yīng)實(shí)質(zhì)是多種物理效應(yīng)共同作用的結(jié)果,如集膚效應(yīng)、磁壓縮效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、熱電效應(yīng)、純電塑性效應(yīng)等。

最近的研究分析認(rèn)為,鋼絲的電塑性拔絲現(xiàn)象與摩擦有關(guān)。根據(jù)摩擦學(xué)原理可知,降低材料兩接觸面之間的摩擦力可降低鋼絲的拔制力。鋼絲拉拔過程中,其能量消耗形式為:

(1)????用于金屬的有效變形;

(2)?用于金屬的不均勻變形及金屬內(nèi)部滑移的內(nèi)部摩擦損失;

(3)?用于克服金屬與模具間外摩擦損失。外加電場可以通過影響表面電荷的存在而使摩擦因數(shù)改變,摩擦因數(shù)的改變引起外摩擦力的改變,摩擦力的降低會(huì)導(dǎo)致拉拔力的下降。

4、結(jié)論

(1)?對3J53合金鋼絲進(jìn)行電塑性拔制,可以發(fā)現(xiàn)具有明顯的電塑性效應(yīng)。

(2)?高能脈沖電源的頻率選擇是實(shí)現(xiàn)拔制應(yīng)力降低,電塑性效應(yīng)顯著的關(guān)鍵電參數(shù)之一。