CN103805770B - 一种适用于降低金属材料残余应力的热电复合处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于降低金属材料残余应力的热电复合处理的方法，包括：步骤1、准备试样；步骤2、将待处理金属工件（4）置于脉冲电源电极两端；步骤3、将红外加热管（2）置于待处理金属工件（4）表面附近；步骤4、启动红外加热控制器（1），设定红外加热温度为180℃-190℃；步骤5、当红外加热温度到达180℃后，同时启动脉冲电源（5）；步骤6、红外加热管（2）与脉冲电源（5）同时工作，工作时间为10min，直至整个处理过程结束,即完成对待处理金属工件（4）的处理。本发明利用便携可移动的红外加热装置对金属材料进行温度可控的低温热场处理，克服了传统热处理中加热时间长、需要将工件整体放入不便于进行其它操作的问题。

Description

一种适用于降低金属材料残余应力的热电复合处理的方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，特别涉及一种适用于降低金属材料残余应力的热电复合处理法。

背景技术

残余应力是由于位错在晶粒中的不均匀分布导致材料内部微观粒子处于高能不稳定状态所造成的，因此为了消除材料内部的残余应力，需要通过外部施加有效的作用力，这样就可能打开这些相互纠缠的位错结点，开通堆积受阻的位错塞积群，使得位错形态逐渐湮没，位错密度减少，并且使剩余位错排列更为规则整齐，达到降低残余应力的目的。

金属材料内的残余应力对材料的机械性能有着重要影响，如何降低金属材料的残余应力一直是材料加工领域的一个重要研究方向。目前降低残余应力的方法主要有热处理，激振处理，电流处理，磁场处理，电磁复合处理，脉冲电流辅助加热的焊接方法等。

热处理可以有效降低铁磁性材料中的残余应力，但加热温度高易引起显著变形，引发释放裂纹与回火脆性，能耗高且表面有氧化；

激振处理采用机械振动方法降低残余应力，但处理效果不是很显著；

电流处理是通过注入电能激励内部分子，最终降低或消除残余应力，但受功率限制，材料适用体积有限；

磁场处理是在高频衰减磁场作用下，使残余应力的不均分布状态在多次重新分布过程中相互抵销或减弱，实现去除残余应力的目的，但该方法仅适用于导磁性材料，应用范围较窄；

电磁复合处理是在高密度脉冲电流和脉冲磁场的共同作用下，使残余应力得到降低，但该方法仅适用于导磁性金属材料，且高密度脉冲电源与励磁电源装置造价昂贵，通用性较差。

其中，公开日为2012年10月3日，申请号为：201210210083.8的发明专利“脉冲电流辅助加热的低温快速扩散焊接装置及其焊接方法”是将脉冲大电流热加工技术与扩散焊接方法相结合，以石墨体辐射热为主,以焊接界面接触电阻热和放电热为辅,通过脉冲电流在待连接界面产生的电阻热和放电热形成原始液相,并借助较小的外加挤压力实现扩散焊接，并且最高温度区域集中于连接材料的界面处,避免了传统焊接方法要求连接材料和被连接材料都必须经历完全相同焊接热循环的弊端,因此有效的降低接头焊接残余应力。但该方法针对两种不同材料间的焊接问题，适用对象仅限于焊接残余应力。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种通过红外加热与脉冲电流复合降低金属材料残余应力的方法，该方法以一种经济有效的手段达到降低金属材料内部残余应力的目的。

为实现上述目的，本发明提出了一种降低金属材料残余应力的热电复合装置,包括：红外加热控制器、红外加热管、热电偶、脉冲电源，其中，红外加热控制器通过导线与红外加热管和热电偶相连，红外加热管用于对待处理金属工件进行照射加热处理，热电偶用于采集待处理金属工件的温度变化情况并将结果反馈至红外加热控制器，由红外加热控制器对红外加热管的照射功率进行调控。脉冲电源通过两端电极对待处理金属工件进行脉冲放电处理，待处理金属工件通过导线与脉冲电源的两个电极相连，并置于红外加热管的正上方。

进一步地，本发明还提出一种热电复合装置消除金属材料残余应力的方法，其特征在于：

步骤1、准备试样，将经过磨削加工后的金属材料制作为待处理金属工件，将待处理金属工件的两侧面用砂纸打磨光亮，使待处理金属工件两侧暴露有效电极接触点；

步骤2、将待处理金属工件置于脉冲电源电极两端，待处理金属工件两侧与脉冲电源通过导线直接相连，在脉冲电源电极和待处理金属工件夹紧接触的地方涂上导电膏，以减小接触电阻；

步骤3、将红外加热管置于待处理金属工件表面附近，热电偶与待处理金属工件接触的地方涂以导热硅脂，热电偶用于采集待处理金属工件的温度变化情况；

步骤4、启动红外加热控制器，设定红外加热温度为180℃-190℃，设置完毕后按下运行按钮，开始红外加热处理；

步骤5、当红外加热温度到达180℃后，同时启动脉冲电源（5），设定脉冲电流峰值为1000A，单个电脉冲作用时间为100ms，打开脉冲电源（5）上的脉冲定时器，设定每次中断时间为5s，设置完毕后按下运行按钮，开始电脉冲处理；

步骤6、红外加热管与脉冲电源同时工作，工作时间为10min，直至整个处理过程结束,即完成对待处理金属工件的处理。

本发明的有益效果

与现有技术相比，本发明的一种适用于降低金属材料残余应力的热电复合处理法，具有以下优点:

（1）本发明首先利用低温热场使原子活动能力增强，减少了位错的聚集，使位错数量下降并均匀分布于组织，降低了位错的运动阻力。同时低温加热处理可以避免材料表面氧化、脱碳、组织及使用性能下降等弊端。再通以脉冲电流时，由于电致塑性效应，流变应力大大降低，有利于原子的扩散和晶界的滑移，造成位错的重新分布以及结构变化，使储存在材料中的弹性应变能释放出来，从而导致残余应力的消除。热电复合降低残余应力的方法中，热场提供动力，而电流起到润滑的作用，两者相辅相成。

（2）本发明中的热电复合方法在降低金属材料残余应力的效果上，不单单是热处理与脉冲电流处理效果的叠加，而是出现一定程度上的增益效应。

（3）较传统的热处理而言，本发明中的热电复合方法中，利用便携可移动的红外加热装置对金属材料进行温度可控的低温热场处理，克服了传统热处理中加热时间长、需要将工件整体放入不便于进行其它操作的问题。

（4）该方法装置简单、成本低廉，具有广泛的适用性，可以在保证材料原有性能的基础上，经济、有效的降低金属材料的残余应力。

（5）本发明提出的红外加热管与脉冲电源同时工作的方式，对金属材料处理后实现了意料不到的技术效果，应力消除的效果大大好于常规的方法。

（6）本发明中，在脉冲电源电极和待处理金属工件夹紧接触的地方涂上导电膏，不仅使得电阻减小，使得系统工作能耗极大地降低。

附图说明

图1为本发明降低金属材料残余应力的示意图;

其中：1为红外加热控制器，2为红外加热管，3为热电偶，4为待处理金属工件，5为脉冲电源。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明技术方案进行详细说明。

以下仅为本发明的较佳实例而已,但不能以此限定本发明的范围；即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰,皆应属于本发明专利涵盖的范围内。

如图1所示,本发明的一种降低金属材料残余应力的热电复合装置,包括：红外加热控制器1、红外加热管2、热电偶3、待处理金属工件4和脉冲电源5。其中，红外加热控制器1通过导线与红外加热管2和热电偶3相连，红外加热管2用于对待处理金属工件4进行照射加热处理，热电偶3用于采集待处理金属工件4的温度变化情况并将结果反馈至红外加热控制器1，由红外加热控制器1对红外加热管2的照射功率进行调控。脉冲电源5通过两端电极对待处理金属工件4进行脉冲放电处理，待处理金属工件4通过导线与脉冲电源5的两个电极相连，并置于红外加热管2的正上方。

实施例一：

以下将以20CrMnTi材料为例，说明利用本发明所述方法消除其应力的方法。

步骤1、准备试样，将经过磨削加工并产生表面烧伤的齿轮材料20CrMnTi，制作为尺寸为15mm*15mm*10mm的待处理金属工件4，将待处理金属工件4的两侧面用砂纸打磨光亮，使待处理金属工件4两侧暴露出较多的有效电极接触点；

步骤2、将待处理金属工件4置于脉冲电源电极两端，待处理金属工件4两侧与脉冲电源通过导线直接相连，在脉冲电源电极和待处理金属工件4夹紧接触的地方涂上导电膏，以减小接触电阻；

步骤3、将红外加热管2置于待处理金属工件4表面附近，热电偶3与待处理金属工件4接触的地方涂以导热硅脂，使得它们接触更加可靠，热电偶3用于采集待处理金属工件4的温度变化情况；

步骤4、启动红外加热控制器1，设定红外加热温度为180℃，上浮空间为10℃，设置完毕后按下运行按钮，开始红外加热处理；

步骤5、当红外加热温度到达180℃后，同时启动脉冲电源5，设定脉冲电流峰值为1000A，单个电脉冲作用时间为100ms，打开脉冲电源5上的脉冲定时器，设定每次中断时间为5s，设置完毕后按下运行按钮，开始电脉冲处理；

步骤6、红外加热管2与脉冲电源5同时工作，工作时间为10min，直至整个处理过程结束,即完成对待处理金属工件4的处理。

实验结果表明，待处理金属工件4在进行处理前的平均残余应力为810MPa，经上述步骤的热电复合处理后，平均残余应力下降至150MPa，下降81%。而仅依照上述红外加热参数进行处理后待处理金属工件4的平均残余应力下降至600MPa，下降26%，仅依照上述电脉冲参数进行处理后待处理金属工件4的平均残余应力下降至680MPa，下降16%。上述实验表明，热电复合处理方法相对于单独的热处理和电脉冲处理，表现出较大程度上的增益效应。

实施例二：

以下将以轴承钢GCr15材料为例，说明利用本发明所述方法消除其应力的方法。

步骤1、准备试样，将经过磨削加工后的轴承钢GCr15，制作为15mm*15mm*10mm的待处理金属工件4，将待处理金属工件4的两侧面用砂纸打磨光亮，使待处理金属工件4两侧暴露出较多的有效电极接触点；

步骤2、将待处理金属工件4置于脉冲电源电极两端，待处理金属工件4两侧与脉冲电源通过导线直接相连，在脉冲电源电极和待处理金属工件4夹紧接触的地方涂上导电膏，以减小接触电阻；

步骤3、将红外加热管2置于待处理金属工件4表面附近，热电偶3与待处理金属工件4接触的地方涂以导热硅脂，使得它们接触更加可靠，热电偶3用于采集待处理金属工件4的温度变化情况；

步骤4、启动红外加热控制器1，设定红外加热温度为180℃，上浮空间为10℃，设置完毕后按下运行按钮，开始红外加热处理；

步骤5、当红外加热温度到达180℃后，同时启动脉冲电源5，设定脉冲电流峰值为1000A，单个电脉冲作用时间为100ms，打开脉冲电源5上的脉冲定时器，设定每次中断时间为5s，设置完毕后按下运行按钮，开始电脉冲处理；

步骤6、红外加热管2与脉冲电源5同时工作，工作时间为10min，直至整个处理过程结束,即完成对待处理金属工件4的处理。

实验结果表明，待处理金属工件4在进行处理前的平均残余应力为450MPa，经上述步骤的热电复合处理后，平均残余应力下降至50MPa，下降89%。而仅依照上述红外加热参数进行处理后待处理金属工件4的平均残余应力下降至310MPa，下降31%，仅依照上述电脉冲参数进行处理后待处理金属工件4的平均残余应力下降至360MPa，下降20%。上述实验表明，热电复合处理方法相对于单独的热处理和电脉冲处理，表现出较大程度上的增益效应。

实施例三：

以下将以钢轨材料U71Mn为例，说明利用本发明所述方法消除其应力的方法。

步骤1、准备试样，将经过磨削加工后的钢轨材料U71Mn，制作为15mm*15mm*10mm的待处理金属工件4，将待处理金属工件4的两侧面用砂纸打磨光亮，使待处理金属工件4两侧暴露出较多的有效电极接触点；

步骤2、将待处理金属工件4置于脉冲电源电极两端，待处理金属工件4两侧与脉冲电源通过导线直接相连，在脉冲电源电极和待处理金属工件4夹紧接触的地方涂上导电膏，以减小接触电阻；

步骤3、将红外加热管2置于待处理金属工件4表面附近，热电偶3与待处理金属工件4接触的地方涂以导热硅脂，使得它们接触更加可靠，热电偶3用于采集待处理金属工件4的温度变化情况；

步骤4、启动红外加热控制器1，设定红外加热温度为180℃，上浮空间为10℃，设置完毕后按下运行按钮，开始红外加热处理；

步骤5、当红外加热温度到达180℃后，同时启动脉冲电源5，设定脉冲电流峰值为1000A，单个电脉冲作用时间为100ms，打开脉冲电源5上的脉冲定时器，设定每次中断时间为5s，设置完毕后按下运行按钮，开始电脉冲处理；

步骤6、红外加热管2与脉冲电源5同时工作，工作时间为10min，直至整个处理过程结束,即完成对待处理金属工件4的处理。

实验结果表明，待处理金属工件4在进行处理前的平均残余应力为720MPa，经上述步骤的热电复合处理后，平均残余应力下降至90MPa，下降87%。而仅依照上述红外加热参数进行处理后待处理金属工件4的平均残余应力下降至540MPa，下降25%，仅依照上述电脉冲参数进行处理后待处理金属工件4的平均残余应力下降至580MPa，下降19%。上述实验表明，热电复合处理方法相对于单独的热处理和电脉冲处理，表现出较大程度上的增益效应。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (1)

1.一种热电复合装置消除金属材料残余应力的方法，其特征在于：

步骤1、准备试样，将经过磨削加工后的金属材料制作为尺寸为15mm*15mm*10mm的待处理金属工件(4)，将待处理金属工件(4)的两侧面用砂纸打磨光亮，使待处理金属工件(4)两侧暴露有效电极接触点；

步骤2、将待处理金属工件(4)置于脉冲电源电极两端，待处理金属工件(4)两侧与脉冲电源通过导线直接相连，在脉冲电源电极和待处理金属工件(4)夹紧接触的地方涂上导电膏，以减小接触电阻；

步骤3、将红外加热管(2)置于待处理金属工件(4)表面附近，热电偶(3)与待处理金属工件(4)接触的地方涂以导热硅脂，热电偶(3)用于采集待处理金属工件(4)的温度变化情况；

步骤4、启动红外加热控制器(1)，设定红外加热温度为180℃-190℃，设置完毕后按下运行按钮，开始红外加热处理；

步骤5、当红外加热温度到达180℃后，同时启动脉冲电源(5)，设定脉冲电流峰值为1000A，单个电脉冲作用时间为100ms，打开脉冲电源(5)上的脉冲定时器，设定每次中断时间为5s，设置完毕后按下运行按钮，开始电脉冲处理；

步骤6、红外加热管(2)与脉冲电源(5)同时工作，工作时间为10min，直至整个处理过程结束,即完成对待处理金属工件(4)的处理。