CN112024629A - 一种脉冲电流制备半固态坯料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全新的半固态坯料制备方式，在金属坯料（3）两端经电极（2）通以一定规格的脉冲电流，利用金属材料本身晶界位置电阻较大，同时熔点相对晶内较低的特点，使金属坯料内部晶界位置首先开始熔化。通过控制脉冲电流发生装置（5）调控脉冲电流的参数如频率、强度、波形等，与定型装置（4）控制的坯料的规格、形状、尺寸以及电极的夹持方式和位置、接触面积等各个因素，从而控制脉冲电流对晶界、晶粒的影响，以及晶界熔化、晶粒熟化的进程，制备出晶粒细小、球化度高，不同位置晶粒尺寸和球化度基本一致的半固态坯料。同时此发明也可以将其加热速度提高10倍以上，有效地降低约80%左右的能耗。

Description

一种脉冲电流制备半固态坯料的方法
技术领域
本发明涉及材料加工领域，特别是涉及一种制备半固态材料的技术。
背景技术
现有半固态坯料制备，通常采用传统的电阻加热方式，加热速度慢，传热方式由外到内，从室温到获得均匀分布的预定半固态温度，往往需要较长的时间，尤其对于尺寸较大的坯料，在升温和保温的过程中，其微观组织发生变化，制备的半固态坯料晶粒尺寸粗大，外部和内部晶粒尺寸不一致等问题，制件力学性能也会受到影响。同时，传统加热方式能耗较大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种脉冲电流制备半固态坯料的方法，本发明采用如下技术方案：
1. 制备半固态坯料前，应该选择经历大塑性变形的材料（3），这种材料晶粒细小，存在大量的晶界、亚晶界等微观缺陷，材料内部储存有塑性变形留下来的能量，易于激活，制备半固态坯料；
2.根据使用需求，确定制备的半固态坯料的形状和尺寸；此坯料形状和尺寸可以是任意的，采用本发明所述方法均可以制备出理想的半固态坯料；
3. 电极材料（2）应该选择阻值非常小的材料，如银，铜等；
4. 根据坯料的形状和尺寸，确定脉冲电流的加持方法和各种参数：
A. 加持部位选择，尽量保证在电流垂直的方向上整个坯料横截面面积相等，从而保证电流强度和电流密度相等；
B. 加持接触面积，需要综合考虑脉冲电流电压，等效强度、振幅，波形等因素进行考虑，其原则就是保证坯料内部的电流强度和电流密度是合适值。
C. 脉冲电流参数的确定，如波形、频率、周期、振幅、占空比、等效强度等等，也是依据坯料不同部位的电流密度处处相等为准则。
D.上述所有参数的确定，都是通过各种调试，确保坯料电流密度处处相等，从而控制坯料的温升曲线，达到整个坯料不同部位温度场分布均匀，晶界熔化和晶粒熟化的进程同时进行，坯料不同部位围观组织一致，晶粒细小均匀，获得高质量、不受尺寸限制的半固态坯料。
5. 按照确定的参数，采用合适规格的脉冲电流发生器（5），施加相应的脉冲电流，依据一定的加持方式，作用在坯料上面；
6.脉冲电流作用坯料，需要在惰性气体，如氩气等的保护下的真空保护箱（1）进行，或者在真空环境下进行，或者先抽真空到一定程度，再通惰性气体保护，以防止半固态坯料氧化。
7.控制一定的作用时间；
8.如果坯料形状不规则，或者尺寸较大，需要在坯料的部位部位分别取样，做金相观察，验证半固态坯料制备情况，以两个标准金相判断：
A.晶粒等效尺寸：
计算方法：将制备的金相照片，导入到相应的图像处理软件中，如imagic plus，依据软件的自动寻求技术，分别计算出每个固相颗粒的面积，将其看做球形，计算出该颗粒的等效直径，再求取整个照片中等效直径的平均值，可以用下式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中 N-图像中晶粒的总数；
Ai-第i个晶粒的面积。
B. 球化因子F：
计算方法：将制备的金相照片，导入到相应的图像处理软件中，如imagic plus，依据软件的自动寻求技术，分别计算出每个固相颗粒的面积和周长，将其看做球形，计算出该颗粒的球化因子，再求取整个照片中球化因子的平均值，可以用下列公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
式中 N-图像中晶粒的总数；
Pi-第i个晶粒的周长。
9.坯料达到制备要求后，可根据需要，利用该定型装置（4）直接成形为零件。或者采用快速冷却方式冷却到室温，保存一段时间后再进行成形；快速冷却方式可以采用室温冷水、冰水，液氮、液氧等浸泡的方式。
与现有的技术相比，本发明提供的工艺方法，可以突破现有技术的缺点，制备出大尺寸，形状复杂，晶粒细小且均匀、球化度高的半固态坯料，并且制备的半固态坯料的不同部位，包括内部和外部边缘部位，其晶粒尺寸一致。
附图说明
图1是脉冲电流制备半固态坯料的结构示意图。
图中：真空保护箱1、脉冲电流电极2、坯料3、定型装置4、脉冲电流发生装置5。
具体实施方式
以下结合实施例具体阐述本发明一种脉冲电流制备半固态坯料方法的内容。
例子1：
根据需要，坯料采用镁合金棒料，直径60mm，长度120mm，在真空状态下，脉冲电流加持部位为棒料的两个端面，正负电极接触面积均为14.8平方毫米，脉冲电流采用矩形波，宽度1μs，周期0.02s，幅度30A，重复周期0.01s。
采用红外技术监控温度，基于温度闭环控制系统，使得温度稳定在540±2℃，保持该脉冲电流参数，持续30s，直接将坯料放入定型装置模具中，半固态状态下热挤压成形为所需要的零件。
例子2：根据需要，坯料采用铝合金不等面积条料，截面为矩形，一端边长100mm，一端边长80mm，长度200mm，脉冲电流加持部位为条料的两个端面，正负极接触面积分别为10平方毫米和6.4平方毫米，在惰性气体氩气保护下，脉冲电流采用三角波，幅度20A，上升时间0.1μs，下降时间0.1μs，峰值宽度0μs，底部宽度0.1μs，占空比1/3，周期0.03s，重复周期0.02s。
采用红外技术监控温度，基于温度闭环控制系统，使得温度稳定在580±2℃，保持该脉冲电流参数，持续60s。断电、快速将坯料放入冷水中。并将试样进行金相观察，导入imagic plus图形软件，分别采用上述公式计算晶粒等效尺寸和球化因子，二者的值为30μm和1.08。
例子3：根据需要，坯料采用铝合金板料，厚度3mm，尺寸200mm×300mm，脉冲电流夹持部位选择在板料沿长度方向的两个端面，即3mm×200mm端面，正负极接触面积12.4平方毫米，在惰性气体氩气保护下，脉冲电流采用梯形波，幅度250A，上升时间0.2μs，下降时间0.2μs，峰值宽度0.4，底部宽度0.8μs，占空比1/2，周期0.05s，重复周期0.03s。
采用红外技术监控温度，基于温度闭环控制系统，使得温度稳定在590±2℃，保持该脉冲电流参数，持续30s，直接将坯料放入定型装置模具中，半固态状态下热挤压成形为所需要的零件。

Claims (8)

1.一种脉冲电流制备半固态坯料的方法，其特征在于：所述的一种脉冲电流制备半固态坯料的方法包括：真空保护箱（1）、脉冲电流电极（2）、坯料（3）、定型装置（4）、脉冲电流发生装置（5）。
2.将坯料（3）放入定型装置（4）中，并将脉冲电流电极（2）连接到坯料上，关闭真空保护箱（1），打开脉冲电流发生装置（5）通一定规格的脉冲电流，经脉冲电流电极（2）作用到坯料上，当温度达到预定的半固态温度区间时，进行闭环控制保温，得到半固态坯料。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲电流制备半固态坯料的方法，其特征在于：所述的真空保护箱（1）根据需要使用惰性气体保护或者抽真空到一定程度再通惰性气体保护。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲电流制备半固态坯料的方法，其特征在于：所述的脉冲电流电极（2），其材料选择阻值非常小的银或铜等材料。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲电流制备半固态坯料的方法，其特征在于：所述的坯料（3）选择经历大塑性变形后的材料。
6.根据权利要求1所述的一种脉冲电流制备半固态坯料的方法，其特征在于：所述的定型装置（4）是一种模具，该模具的形状由需要制备的半固态零件所决。
7.根据权利要求1所述的一种脉冲电流制备半固态坯料的方法，其特征在于：所述的脉冲电流发生装置（5）可调控脉冲电流的波形、幅值，周期、占空比、等效强度等参数。
8.根据权利要求6所述的脉冲电流发生装置（5），其特征在于：所述的脉冲电流设计为闭环控制。
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