脈沖電流對(duì)金屬及合金顯微組織和性能的影響

孫紅鐿，呂端劍，李 威，姜艷威

(1.哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040;2.哈爾濱學(xué)院科研處，哈爾濱 150086)

鎢屬稀有金屬，其資源少、價(jià)格高、用量大［1］.鎢合金以其含鎢≥90%，比重≥16.5kg/cm而被稱為高比重合金.高比重鎢合金以其獨(dú)有的力學(xué)性能和加工性能，受到國防和其他科技領(lǐng)域的青睞.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鎢合金工藝做了大量的研究，通過工藝的改進(jìn)，改善鎢合金的微觀結(jié)構(gòu)，從而改進(jìn)了合金的性能.

然而鎢合金性能對(duì)雜質(zhì)、微觀組織、工藝參數(shù)的控制卻很敏感.在燒結(jié)工藝方面，如燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度和燒結(jié)后處理等相關(guān)參數(shù)直接或間接影響著鎢合金的性能質(zhì)量.而且在不同的真空處理下，室溫拉伸性能指標(biāo)σb、δ、及其斷裂韌性值K1c都有一定的影響.而熱處理工藝上，一些學(xué)者認(rèn)為合金性能的改善主要是由于雜質(zhì)的分布發(fā)生了變化，氫含量降低等原因造成.然而在合金的傳統(tǒng)的熱處理過程中卻受到很多因素的影響，而且因素由于實(shí)驗(yàn)條件的影響很難準(zhǔn)確控制.本文將提出了新型的改善合金組織性能的手段，真空電脈沖處理的方法來改善鎢合金的力學(xué)性能，尤其是在塑性方面有了一定的提高.通過對(duì)電流(A)、頻率(Hz)、脈沖寬度(μs)、時(shí)間(min)等方面的控制和調(diào)節(jié)使鎢合金性能達(dá)到預(yù)期的改善，并從微觀機(jī)理出發(fā)探討電脈沖對(duì)高比重合金力學(xué)性能的影響.探索高密度電脈沖處理對(duì)高比重合金完善和彌補(bǔ)傳統(tǒng)熱效應(yīng)處理一些缺陷的新方法.

1 真空下脈沖處理工藝實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在已有的電脈沖實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，由于材料在為真空環(huán)境下，在合金高溫?zé)崽幚頃r(shí)力學(xué)性能σb、δ、受到影響很大，其低于真空環(huán)境下，故將實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)材料連接處加設(shè)了真空玻璃管.而脈沖電源是高密度脈沖電源處理工藝中最關(guān)鍵裝置.針對(duì)現(xiàn)有的脈沖處理試驗(yàn)設(shè)備來說，其可控脈沖電流為:電流密度(50～6000 A/mm2)、電流脈沖寬度(10～100 μs)和頻率(10～1000 Hz)，可滿足不同種類金屬以及鎢合金的線形(或帶形)材料的脈沖處理工藝要求.

在高密度脈沖電流作用下，可達(dá)到與傳統(tǒng)退火處理同樣的效果［2］，而且在高密度脈沖電流處理時(shí)間里可實(shí)現(xiàn)較好的力學(xué)性能的效果，圖1為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖.

圖1 電脈沖處理實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 脈沖處理材料及處理方法

為初步探索電脈沖鎢合金處理機(jī)制，先探討單晶體純銅和鐵碳合金的電脈沖處理后的實(shí)驗(yàn)效果.

1)試樣的制備:將直徑為2 mm的鋼絲、2mm的鎢合金(W93)和純銅擠壓管材制成的形帶，十字形同樣等.其制備長(zhǎng)度均為15 mm或20 mm的試樣.并在試樣兩端分別安裝端子，以便于實(shí)驗(yàn)時(shí)將其固定在脈沖電源的銅電極上.

2)最佳工藝參數(shù)設(shè)定:如果電脈沖參數(shù)選擇不合理，可能導(dǎo)致金屬材料的塑性下降，力學(xué)性能降低.因此所選用的材料在電脈沖軟化設(shè)備上進(jìn)行不同工藝條件下的退火軟化實(shí)驗(yàn)，需總結(jié)電脈沖退火軟化最佳工藝參數(shù).

試樣制備好后，通過調(diào)節(jié)脈沖電源參數(shù)進(jìn)行不同的工藝實(shí)驗(yàn)，同時(shí)利用紅外線測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)鋼絲在退火過程中的溫升.然后，對(duì)處理前后的試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能測(cè)試，并應(yīng)用金相顯微鏡等觀察處理前后顯微組織的變化.

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

對(duì)于單晶體銅/鐵碳合金/鎢合金試樣實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如下.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)值

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單晶體銅和鐵碳合金的顯微組織變化

1)對(duì)脈沖處理后的單晶體銅顯微組織觀察:未經(jīng)過脈沖處理的原始試樣A金相組織如圖2的(A)所示.在電流3000 A，頻率100 Hz，脈沖寬帶200 μs，通電時(shí)間5min的條件下，試樣溫度升高到200～230℃之間時(shí)，其顯微組織如圖2中的(B)所示.對(duì)于試樣A和B的顯微觀察可以看出，脈沖處理后的單晶體銅發(fā)生再結(jié)晶時(shí)晶粒出現(xiàn)方向性.而且所需的再結(jié)晶溫度明顯不高.純銅十字樣脈沖處理后，晶粒生長(zhǎng)出現(xiàn)方向性與脈沖作用方向一致.高密度脈沖處理影響單滑移取向的疲勞銅單晶中位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，細(xì)化駐留滑移帶的結(jié)構(gòu)，甚至使駐留滑移帶局部消失［3］.

圖2 單晶銅試樣顯微組織圖

2)對(duì)脈沖處理前后的鐵碳合金顯微組織金相顯微鏡觀察:原始試樣A金相顯微組織如圖3所示，在輸出電流為5000 A，電流頻率為300 Hz，通電時(shí)間為5min的情況下，脈沖寬帶200 μs，試樣溫升為520℃，其顯微組織如圖3所示.

鐵碳合金在520℃時(shí)晶粒已經(jīng)細(xì)化，并且再結(jié)晶溫度降低.在脈沖存在時(shí)再結(jié)晶時(shí)原來變形組織的基體上會(huì)產(chǎn)生新的無畸變的晶核，并迅速長(zhǎng)大形成等軸晶粒，直至完全取代金屬的原始的組織，同時(shí)產(chǎn)生纖維組織.并發(fā)現(xiàn)脈沖電流的通入可以使再結(jié)晶形核的驅(qū)動(dòng)力增大，且磁場(chǎng)的存在可以提高位錯(cuò)的滑移能力，有利于再結(jié)晶的形核及長(zhǎng)大.

利用脈沖電流退火時(shí)，在330～520℃左右就可以發(fā)生再結(jié)晶，明顯降低了再結(jié)晶的起始溫度，從而加速了其回復(fù)與再結(jié)晶，提高了再結(jié)晶形核率，使金屬的各項(xiàng)性能指標(biāo)尤其是塑性指標(biāo)得到很快的恢復(fù)和提高.

圖3 鐵碳合金顯微組織圖

3.2 W－Ni－Fe高比重合金的力學(xué)性能變化

應(yīng)用WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)處理前后的鎢合金(W93－Ni4.5－Fe2.5)的成分進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能測(cè)試，拉伸實(shí)驗(yàn)采用專用拉伸卡具，橫梁速率為5 mm/min.采用計(jì)算機(jī)記錄形變過程中的載荷、位移以及時(shí)間變化.

電脈沖處理后的試樣與原始試樣比較，其力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

表2 W－Ni－Fe室溫拉伸性能

橫坐標(biāo)為拉拔長(zhǎng)度L，縱坐標(biāo)為拉拔力F，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，拉拔抗力明顯降低，經(jīng)計(jì)算所得出強(qiáng)度明顯降低，原始試樣A拉拔力遠(yuǎn)小于脈沖處理后的式樣B的拉拔力，說明脈沖電流處理過后，內(nèi)應(yīng)力明顯降低，其塑性明顯提高.

對(duì)于試樣C，原始試樣與真空下電脈沖處理后的試樣比較，其力學(xué)拉伸試驗(yàn)中拉拔力和拉伸時(shí)間與B結(jié)果相似，拉拔抗力明顯降低，經(jīng)計(jì)算所得出強(qiáng)度明顯降低，塑性提高明顯.

圖4 拉拔力－拉拔長(zhǎng)度曲線對(duì)比圖

3.3 脈沖處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論與分析

經(jīng)過研究表明，高密度脈沖電流對(duì)金屬材料再結(jié)晶過程中的塑性變形、組織轉(zhuǎn)變、晶粒大小、生長(zhǎng)取向和其他性能有明顯的影響作用.

鐵碳合金一般的再結(jié)晶溫度大約在560～650℃［4］，而在真空下，利用高頻脈沖電流處理時(shí)，在330～520℃就可以發(fā)生再結(jié)晶，純銅一般再結(jié)晶溫度在200～280℃之間，而在高頻電脈沖處理下再結(jié)晶溫度大約200～230℃之間，可見其明顯降低了再結(jié)晶的起始溫度，提高了再結(jié)晶形核率.對(duì)于鎢合金1200℃時(shí)真空電脈沖處理實(shí)驗(yàn)，分析研究影響高比重鎢合金塑性的因素，與原始式樣比較塑性明顯提高，同時(shí)硬度略有降低幅度不大.

高密度脈沖電流作用下，再結(jié)晶溫度降低的原因是可能由于孿生形核和亞晶吞并長(zhǎng)大形核為主要的形核過程導(dǎo)致.另外，脈沖電流在金屬中會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)的電子流，可以加快晶內(nèi)位錯(cuò)的消失，推動(dòng)位錯(cuò)的滑移和攀升，加速位錯(cuò)進(jìn)入亞晶界的攀移過程，使晶界角度長(zhǎng)大速度加快而縮短再結(jié)晶形核所需要的時(shí)間.

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過電脈沖處理后的鎢合金，拉拔抗力明顯降低，塑性得到提高.

2)通過金相顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)脈沖電流作用純銅時(shí)，可是再結(jié)晶的銅晶體按方向性生長(zhǎng)，由電流的流向來決定.

3)對(duì)鐵碳合金的金相組織觀察和分析，電脈沖使形核的驅(qū)動(dòng)力增大，導(dǎo)致再結(jié)晶起始溫度下降.

4)真空高頻率脈沖處理鎢合金，可以提高鎢合金的塑性，而其強(qiáng)度略降低.可對(duì)穿甲彈心體材料的力學(xué)性能適度改善和調(diào)整.銅和鎢的導(dǎo)電率很高，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，銅和鎢是利用電塑性效應(yīng)最佳材料.

［1］鄧欣和，周國安.鎢基高比重合金燒結(jié)及熱處理工藝對(duì)性能的影響［J］.中國鎢業(yè)，2007，6(12):23－24.

［2］姚可夫，王沛玉.脈沖電流對(duì)金屬材料塑性變形和組織結(jié)構(gòu)與性能的影響［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2003，25(3):340－342.

［3］崔忠圻，劉北興.金屬學(xué)與熱處理原理［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998:147－166.