高能脈沖電流輔助不銹鋼∕碳鋼復(fù)合研究

王 龍，阮金華

（武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081）

1 引言

最早發(fā)現(xiàn)電流對(duì)金屬材料的作用是上個(gè)世紀(jì)60年代。1861年，文獻(xiàn)[1]發(fā)現(xiàn)在Pb-Sn液體焊料中通以電流可以觀察到原子有規(guī)律的傳輸現(xiàn)象。文獻(xiàn)[2]等于1963年在鋅單晶表面涂汞的情況下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子流平行輻照鋅單晶體的滑移面時(shí)，鋅單晶試樣的流變應(yīng)力大幅度降低，塑性明顯得到提高。上世紀(jì)80年代初，文獻(xiàn)[3]在多晶金屬拉伸試驗(yàn)過(guò)程中施加脈沖電流，提出位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)模型合理解釋了脈沖電流對(duì)材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。其次，還認(rèn)為電子風(fēng)力是影響金屬塑性最重要的原因。上個(gè)世紀(jì)90年代，文獻(xiàn)[4]在2091Al-Li合金超塑變型實(shí)驗(yàn)時(shí)通入脈沖電流，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脈沖電流產(chǎn)生位錯(cuò)增殖效應(yīng)，促進(jìn)晶內(nèi)位錯(cuò)滑移。從原子的間隙機(jī)制和空位機(jī)制解釋施加脈沖電流降低原子擴(kuò)散激活能，從而起到促進(jìn)原子擴(kuò)散的作用。文獻(xiàn)[5]在傳統(tǒng)軋機(jī)上的基礎(chǔ)上，通過(guò)在軋輥上通入高能脈沖電流，研發(fā)出電輔助軋制設(shè)備。在對(duì)AZ31窄帶材的普通軋制與電致塑性軋制實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了在電脈沖的熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)作用下，電致塑性加工能在較低的溫度下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，改善了鎂合金的塑性，提高了表面質(zhì)量。

這里簡(jiǎn)要分析了脈沖電流對(duì)金屬改性的研究現(xiàn)狀，在前人基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)高能脈沖電流輔助不銹鋼∕碳鋼的復(fù)合模具，在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。本研究主要探討高能脈沖電源的電流大小、電流頻率以及壓下率等因素對(duì)不銹鋼和低碳鋼的復(fù)合效果影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究中給不銹鋼與低碳鋼通電加熱主要利用了高能脈沖電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)[6]。集膚效應(yīng)為：當(dāng)高頻電流流過(guò)不銹鋼與低碳鋼板時(shí)，導(dǎo)體表面比中心耦合的磁力線少，因此其反電勢(shì)即感抗小，結(jié)果使高頻電流在流過(guò)導(dǎo)體時(shí)將集中于導(dǎo)體表面很淺的深度內(nèi)流動(dòng)，這一現(xiàn)象即為高頻電流的集膚效應(yīng)。鄰近效應(yīng)為：不銹鋼板和碳鋼板邊緣間相當(dāng)于構(gòu)成了往復(fù)導(dǎo)體，其間形成的感抗小，因此電流趨向于不銹鋼板和碳鋼板待復(fù)合表面流動(dòng)[7]。隨著電流頻率的增加，高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)都表現(xiàn)得更加顯著。高頻電流在傳導(dǎo)過(guò)程中被限定在表面更小的區(qū)域中流動(dòng)，因此可以獲得極高的加熱速度。

結(jié)合圖1，不銹鋼∕碳鋼復(fù)合過(guò)程可簡(jiǎn)述為：進(jìn)過(guò)簡(jiǎn)單表面清理的兩種母材送入壓邊裝置和壓力模具中，通過(guò)調(diào)節(jié)壓邊上的螺釘來(lái)保證兩種板材與導(dǎo)電板良好接觸，板材另一端通過(guò)壓力模具使其緊密接觸。兩種板材放置好位置后，高能脈沖電流對(duì)板材進(jìn)行在線加熱，加熱的范圍是從導(dǎo)電板到兩板材緊密接觸這一回路。高能脈沖電流從兩個(gè)導(dǎo)電板導(dǎo)入，兩導(dǎo)電板與不銹鋼板和低碳鋼板通過(guò)壓邊裝置緊密接觸，從而對(duì)板材淺層進(jìn)行在線快速加熱，之后兩種板材在緊密接觸位置進(jìn)行熱傳導(dǎo)均熱，熱傳導(dǎo)后獲得適宜加熱溫度的兩種板材進(jìn)行壓力復(fù)合。實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖，如圖2所示。

圖1 高能脈沖電流在線加熱壓力復(fù)合裝置Fig.1 High-Energy Pulse Current Online Heating Pressure Composite Device

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.2 Experimental Device Physical Map

根據(jù)高能脈沖電流集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的特點(diǎn)，高頻電流將只對(duì)從導(dǎo)電板到兩板材緊密接觸這一區(qū)域的板材進(jìn)行加熱。根據(jù)鄰近效應(yīng)的特點(diǎn)，加熱區(qū)域內(nèi)兩種板材越接近時(shí)加熱溫度越高，所以在實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)改變高能脈沖電流的大小、頻率、壓力機(jī)的壓力等可以靈活地調(diào)控加熱溫度，以獲得最優(yōu)的加熱效果。

3 實(shí)驗(yàn)材料及方法

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

（1）不銹鋼

采用304不銹鋼，規(guī)格為寬10mm、厚0.8mm。其主要成分，如表1所示。

表1 304不銹鋼的主要成分Tab.1 Main Components of 304 Stainless Steel

（2）低碳鋼

采用Q235低碳鋼，規(guī)格為寬10mm、厚1.5mm。其主要成分，如表2所示。

表2 Q235低碳鋼的主要成分Tab.2 Main Components of Q235 Low Carbon Steel

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

不銹鋼∕碳鋼壓力復(fù)合的制備工藝包括表面去除氧化膜、高頻電流加熱、壓力復(fù)合等幾個(gè)主要的工藝流程。由于不銹鋼和低碳鋼的表面覆蓋有致密的氧化膜，所以采用手工清刷的方法加以去除。手工清刷一方面有利于控制清刷的均勻性，另一方面避免了采用機(jī)械清刷所帶來(lái)的二次污染的問(wèn)題[8]。

該實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：放置壓力復(fù)合裝置在壓力機(jī)平臺(tái)上，為了保證實(shí)驗(yàn)的安全性，在平衡壓頭上和底座上各放置一塊方形絕緣板。首先啟動(dòng)壓力機(jī)應(yīng)用100N的預(yù)緊壓力來(lái)保持兩板材的緊密接觸，然后打開(kāi)電源提供電流[9]。與此同時(shí)，壓力機(jī)恒定壓力作用于壓力復(fù)合裝置，然后保持?jǐn)?shù)秒后，關(guān)閉電源，釋放負(fù)載。為了檢測(cè)不銹鋼與低碳鋼復(fù)合界面的溫度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 有限元仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 模型的建立

不銹鋼板和碳鋼板的幾何模型示意圖，如圖3所示。

圖3 幾何模型示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Geometric Model

在建模的過(guò)程中，由于不銹鋼板和碳鋼板壓力復(fù)合過(guò)程近似平面應(yīng)變，而且通電加熱后板材的溫度在寬度方向的溫度近似相同[10]，為了節(jié)約計(jì)算機(jī)求解過(guò)程的時(shí)間，所以在有限元仿真時(shí)采用二維模型進(jìn)行仿真。

4.2 有限元仿真計(jì)算結(jié)果

通入電流加熱溫度場(chǎng)云圖，如圖4所示。其中電流密度為20A∕mm2，電流頻率為8000Hz，通電時(shí)間為5s。

圖4 通電加熱后溫度場(chǎng)云圖Fig.4 Temperature Field Cloud Diagram after Electrification Heating

由圖4溫度場(chǎng)分析可知，當(dāng)高能脈沖電流通入不銹鋼和碳鋼板時(shí)，在板材相互接觸位置電阻最大，消耗大量電能，引起溫度升高。

通電加熱溫度場(chǎng)云圖以及30%壓下率在室溫和高能脈沖電流通電加熱后的復(fù)合等效應(yīng)力云圖，如圖5所示。

圖5 室溫和高能脈沖電流加熱復(fù)合等效應(yīng)力云圖Fig.5 Room Temperature and High Energy Pulse Current Heating Composite Equivalent Stress Cloud

從圖5分析得到的等效應(yīng)力云圖可以看出，在相同壓下率下，復(fù)合板材在經(jīng)過(guò)高能脈沖電流加熱后在復(fù)合界面處的等效應(yīng)力減少了17.83%，所以在應(yīng)用高能脈沖設(shè)備時(shí)可以有效的降低材料的變形抗力，促進(jìn)不銹鋼∕碳鋼的壓力復(fù)合過(guò)程。不同壓下率下高能脈沖電流通電加熱后的復(fù)合等效應(yīng)力云圖，如圖6所示。

圖6 不同壓下率下高能脈沖電流通電加熱后的復(fù)合最大應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Composite Maximum Strain Cloud Diagram after Energization Heating of High Energy Pulse Current under Different Reduction Ratios

從圖6分析得到的等效應(yīng)變?cè)茍D可以看出，通過(guò)高能脈沖電流將板材加熱到630℃時(shí)，屈服強(qiáng)度驟然下降，塑性增加，隨著壓下率的增加，復(fù)合界面的等效應(yīng)變也隨之增大，這使材料更容易通過(guò)污染物層的縫隙擠出來(lái)實(shí)現(xiàn)固態(tài)沾結(jié)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 電流頻率的影響

當(dāng)電流密度為20A∕mm2，通電時(shí)間為5s時(shí)，不同電流頻率下不銹鋼∕低碳鋼的復(fù)合界面溫度，如圖7所示。

圖7 脈沖頻率與復(fù)合界面溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between Pulse Frequency and Composite Interface Temperature

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用紅外測(cè)溫儀對(duì)不銹鋼∕低碳鋼的復(fù)合界面的溫度進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)將電流脈沖頻率從4000Hz增加到8000Hz，溫度提高70%左右。這是由于頻率越高，高能脈沖電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)就明顯。對(duì)復(fù)合界面處溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of Simulation Results with Experimental Results

由表3可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，仿真參數(shù)可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

4.3.2 電流密度的影響

不同電流密度下試件的剪切強(qiáng)度，如圖8所示。

圖8 電流密度與剪切強(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 Relationship between Current Density and Shear Strength

隨著厚度的減小，在達(dá)到最大值之前，剪切強(qiáng)度隨電流密度的增大而增大。通過(guò)將電流密度從5A∕mm2到20A∕mm2，最大剪切強(qiáng)度提高大約10%。這是因?yàn)樵冀饘俚乃苄粤鲃?dòng)由脈沖電流推動(dòng)的，這使材料更容易通過(guò)污染物層的縫隙擠出來(lái)實(shí)現(xiàn)固態(tài)沾結(jié)。

4.3.3 兩種失效模式

在壓力加載不銹鋼∕碳鋼復(fù)合過(guò)程中觀察到兩種失效模式，如圖9所示。第一種是關(guān)節(jié)分離，當(dāng)板材施加高能脈沖電流加熱后，由于壓下率小于20%時(shí)，無(wú)法破壞不銹鋼表面的氧化膜，使得兩種母材表面的新鮮金屬不能直接接觸，無(wú)法形成理想的冶金結(jié)合，粘結(jié)強(qiáng)度較弱。繼續(xù)增加壓力，使得壓下率達(dá)到70%時(shí)，由于不銹鋼復(fù)合位置變得更薄，因此出現(xiàn)第二次失效模式不銹鋼復(fù)合處斷裂。

圖9 兩種失效模式Fig.9 Two Failure Modes

5 結(jié)果與討論

（1）通過(guò)對(duì)母材進(jìn)行高能脈沖電流加熱，待復(fù)合表面是熱量最為集中、加熱溫度最高的區(qū)域。由有限元結(jié)果可知使用高能脈沖電流加熱可以明顯降低材料的變形抗力，有限的促進(jìn)不銹鋼∕碳鋼的復(fù)合。（2）通過(guò)高能脈沖電流加熱母材到630℃后，考慮到實(shí)際設(shè)備，壓下率為（30～35）%時(shí)，不銹鋼與碳鋼能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的復(fù)合效果。（3）對(duì)不銹鋼板-碳鋼板板復(fù)合過(guò)程的模擬，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)條件下高能脈沖電流加熱母材與壓下率工藝參數(shù)組合的可行性，后期的高能脈沖電流在線軋制復(fù)合提供可靠的工藝參數(shù)。