CN112941280A - 采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，包括以下步骤：S1、将金属材料试件相对的两个端面对称地等分成M×N份，M、N均为自然数；S2、将两个电极装夹在金属材料试件的两个端面上；S3、向金属材料试件两个端面的电极施加脉冲电流，对金属材料试件进行改性处理；S4、改性过程中，控制金属材料试件表面温度小于预设温度，若最高温度大于预设温度，则停止施加脉冲电流，直至试件表面最高温度小于预设温度，再重新按照设定的脉冲电流参数完成单次改性过程；S5、改变电极在端面的位置，将电极置于端面的不同等分处，重复改性过程，直到M×N等分均完成改性。

Description

采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法

技术领域

本发明涉及金属复合材料制造领域，尤其涉及一种采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法。

背景技术

软硬材料的融合在工程实际中应用十分广泛，例如汽车的轮胎就是由较硬的外层和软韧的内层构成，一些碰撞吸能部件则是由硬度较高的外层和较软的吸能内层复合而成。种种实例表明，多层次的软硬复合材料结构可以极大提升零部件的力学性能。目前，关于金属软硬复合材料制造技术主要有金属镀层技术、表面热处理技术，通过机械结合或冶金结合将两种不同性能的金属材料复合到一起。不同材料的复合必然会产生界面缺陷，在实际应用中会引入新的问题。为了改善这一问题，优化金属材料的综合性能，迫切需要开发一种新型软硬复合金属材料制备方法。

脉冲电流处理由于对固态金属材料具有独特的作用，被广泛的应用到金属材料的成形、热处理、改性和焊接等方面。在固态金属材料改性方面，大量研究表明，固态金属经脉冲电流处理可以降低残余应力，一些学者通过对微尺度组织研究后发现，脉冲电流的热和非热效应能够促进位错的运动、湮灭，导致位错密度降低，从而降低材料的残余应力，反应到宏观力学性能上会表现出金属硬度的改变。基于此，本专利提出了一种采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，包括以下步骤：

S1、将金属材料试件相对的两个端面对称地等分成M×N份，M、N 均为自然数；

S2、将两个电极装夹在金属材料试件的两个端面上，且保证两个电极在一条直线上；

S3、向金属材料试件两个端面的电极施加脉冲电流，对金属材料试件进行改性处理；

S4、改性过程中，控制金属材料试件表面温度，若最高温度大于第一预设温度T1，则停止施加脉冲电流，直至试件表面最高温度小于第二预设温度T2，再重新按照设定的脉冲电流参数完成单次改性过程；

S5、改变电极在端面的位置，将电极置于端面的不同等分处，采用相同的脉冲电流参数，重复改性过程，直到M×N等分均完成改性，针对端面上的不同区域A_ij，施加的脉冲电流峰值电流密度 J＝I/(i*j*S_ij),其中I为脉冲电流的峰值电流，1<i<M，1<j<N，S_ij表示区域A_ij的面积，M、N为自然数。

接上述技术方案，改性之前，将金属材料试件与电极的接触端面进行打磨，去除表面氧化膜及污渍。

接上述技术方案，步骤S2中通过夹具将电极以一定的压力装夹在金属材料试件两端合适的位置，以保持接触良好。

接上述技术方案，电极包括平头电极或者尖头电极，金属材料试件通电端面的每一等分面积为电极面积的整数倍。

接上述技术方案，施加在电极上的压力取值范围约10～1000N。

接上述技术方案，施加的脉冲电流为交变电流，波形为方波、尖波、正弦波或组合波形。

接上述技术方案，脉冲电流峰值电流I大小为3000～10000A，脉冲频率f为1～500Hz，单个脉冲串内脉冲个数为1～100个，单个脉冲串休止时间为0.01～10s，脉冲串个数为1～100个。

接上述技术方案，步骤S4中第一预设温度T1范围为100～ 200℃，第二预设温度T2范围为30～50℃；

接上述技术方案，步骤S1中具体划分方法为，先沿着x方向等分成M份，再沿着y方向等分成N份，且M取值范围为1～100，N 值取值范围为1～100。

接上述技术方案，针对不同区域A_ij(1<i<M；1<j<N)，施加的脉冲电流峰值电流密度J＝(I/(i*j*S_ij)),其中S_ij表示区域A_ij的面积。

接上述技术方案，电极置于端面的不同等分处的中心位置，且每一等份的面积为电极面积的10～100倍。

本发明产生的有益效果是：本发明采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法通过脉冲电流处理，利用脉冲电流的热效应或非热效应仅使材料缺陷(如位错)分布发生变化，可以使金属材料局部位置的硬度降低，从而制备具有软硬复合的金属材料，可以提高固态金属材料的力学性能。通过施加的脉冲电流峰值电流密度来实现金属材料的硬度呈梯度变化。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法的流程图；

图2为本发明实例中使用电脉冲发生装置处理GCr15金属试样的示意图；

图3为经脉冲电流处理后GCr15试样硬度分布图；

图4为经脉冲电流处理后得到的软硬复合材料示意图；

图5为实施例3中用热像仪拍摄的试样外表面的温度分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法主要通过脉冲电流处理，利用脉冲电流的热效应或非热效应仅使材料缺陷 (如位错)分布发生变化，可以使金属材料局部位置的硬度降低。

实施例1

如图1所示，本发明实施例采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，包括以下步骤：

S1、将金属材料试件相对的两个端面对称地等分成M×N份，M、N 均为自然数；

S2、将两个电极装夹在金属材料试件的两个端面上，且两个电极在同一直线上；

S3、向金属材料试件两个端面的电极施加脉冲电流，对金属材料试件进行改性处理；

S4、改性过程中，控制金属材料试件表面温度，判断其是否大于第一预设温度T1；

S5、若试件表面最高温度大于第一预设温度T1，则停止施加脉冲电流；

S6、判断试件表面最高温度是否小于第二预设温度T2；

S7、若试件表面最高温度小于第二预设温度T2，再重新按照设定的脉冲电流参数完成单次改性过程；

S8、改变电极在端面的位置，将电极置于端面的不同等分处，重复改性过程，直到M×N等分均完成改性，针对端面上的不同区域A_ij，施加的脉冲电流峰值电流密度J＝I/(i*j*S_ij),其中I为脉冲电流的峰值电流，1<i<M，1<j<N，S_ij表示区域A_ij的面积，M、N为自然数。

改性之前，将金属材料试件与电极的接触端面进行打磨，去除表面氧化膜及污渍。

进一步地，步骤S2中通过夹具将电极以一定的压力装夹在金属材料试件两端合适的位置，以保持接触良好。

进一步地，电极包括平头电极或者尖头电极，金属材料试件通电端面的每一等分面积为电极面积的整数倍。

进一步地，施加在电极上的压力取值范围约10～1000N。

进一步地，施加的脉冲电流为交变电流，波形为方波、尖波、正弦波或组合波形。

进一步地，脉冲电流峰值电流大小为3000～10000A，脉冲频率为1～500Hz，单个脉冲串内脉冲个数为1～100个，单个脉冲串休止时间为0.01～10s，脉冲串个数为1～100个。

进一步地，步骤S4中所述温度T1范围为100～200℃，所述温度T2范围为30～50℃；

进一步地，步骤S1中具体划分方法为，先沿着x方向等分成M 份，再沿着y方向等分成N份，且M取值范围为1～100，N值取值范围为1～100。

进一步地，电极置于端面的不同等分处的中心位置，且每一等份的面积为电极面积的10～100倍。

实施例2

本发明采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，包括以下步骤：

S1)对材料与电极(面积s1)的接触位置进行打磨，去除表面氧化膜及污渍；若材料本身的端面和电极接触位置时干净且光滑的，则无需该步骤。

S2)如图2所示，使用夹具将电极以一定的压力F装夹在金属材料试件合适的位置，以保持接触良好；

S3)采用脉冲电流发生装置对金属材料进行改性处理，向金属材料试件施加脉冲电流；

S4)改性过程中，采用热像仪实时监测试样表面温度，控制试样表面温度小于T1，一旦试样表面最高温度大于T1，就停止施加脉冲电流，直至试样表面最高温度小于T2，再重新按照设定的脉冲电流参数完成单次改性过程；

S5)将金属材料试件某一端面(L1)面积(s1)对称地等分成(M×N) 份，改变电极位置，将电极置于在不同位置i处，采用相同的脉冲电流参数，重复步骤S3)N次，可以改变整个试件的硬度，且硬度均匀分布。

若针对端面上的不同区域A_ij，施加的脉冲电流峰值电流密度 J＝I/(i*j*S_ij),其中I为脉冲电流的峰值电流，1<i<M，1<j<N，S_ij表示区域A_ij的面积，则可以使试件的硬度呈梯度分布。

步骤S1)中的材料与电极的接触位置包括材料接触面和电极接触面，均需打磨至光滑程度。

步骤S1)中所采用的电极包括平头电极、尖头电极等，电极的面积取值约为s1＝s2/(k×M×N)，电极的形状可以为半圆形、圆形、方形(长方形、正方形)或三角形或其他不规则形状；

步骤S2)中的所采用的压力F取值范围约10～1000N。

步骤S3)中所述脉冲电流为交变电流，波形可为方波、尖波、正弦波或其任意组合波形等。

S3)中所述脉冲电流相关参数设置如下：脉冲电流峰值电流大小为3000～10000A，脉冲频率为1～500Hz，单个脉冲串内脉冲个数为 1～100个，单个脉冲串休止时间为0.01～10s，脉冲串个数为1～100 个。

步骤S4)中所述温度T1范围为100～200℃，所述温度T2范围为30～50℃。

步骤S5)中所述的‘将金属材料试件某一端面(L1)等分成(M×N) 份’，具体划分方法为，先沿着x方向(如径向)将半径等分成M份，在确定的x方向上，再沿着y方向(如周向)等分成N份，且M取值范围为1～100，N值取值范围为1～100；

步骤S5)中所述不同位置i处于某一端面(L1)等分(M×N)份后每一份面积的中心部位,常数k取值范围为10～100；

金属材料基体不同部位硬度不同且硬度呈规律性分布，可以提高金属材料的强度、塑性等力学性能，从而提升其使用性能。

若针对端面上的不同区域A_ij，施加的脉冲电流峰值电流密度J＝I/(i*j*S_ij),其中I为脉冲电流的峰值电流，1<i<M，1<j<N，S_ij表示区域A_ij的面积，M、N为自然数，则可实现金属材料试件硬度呈梯度变化。

实施例3

一种采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，包括以下步骤：

S1)取直径为50mm高度为40mm的GCr15圆柱试样(GCr15经过淬火和低温回火处理)；

S2)选取直径为5mm的圆形铜电极，放置位置设在圆柱试样上下底面圆心处；

S3)使用砂纸对试样上下地面圆心及电极进行打磨，完全去除氧化物，打磨后使用刷子清除试样表面及铜电极表面残留物，保持接触面的光洁；

S4)使用夹具将电极和试样互相贴合装夹，并给夹具施加适当的夹紧力，夹紧力为100N左右，以保证电极和试样完全接触；

S5)设置脉冲电流参数后(如表1)，即可开启脉冲电流发生装置，对GCr15圆柱试样进行改性处理(如图2)；

S6)改性过程中，采用热像仪实时监测试样表面温度，图5为用热像仪拍摄的试样外表面的温度分布。控制试样表面温度小于150℃，一旦试样表面温度大于150℃，就停止施加脉冲电流，直至试样表面温度小于40℃，再重新按照设定的脉冲电流参数完成单次改性过程；

经脉冲电流处理后，沿直径方向测试GCr15圆柱试样，上述试样可得到试样沿直径方向硬度分布(如图3)。圆柱试样中心区域为软区, 硬区位于软区外围的中心圆柱区域，软区硬度相对于未处理试样降低了18％，相对于同一试样硬区降低了2％。

表1脉冲电流处理具体实施工艺参数

图4为经脉冲电流处理后得到的软硬复合材料示意图，图中阴影部分用于区分硬度值，阴影部分的硬度值比没有阴影部分高或者低一些。

若要使试件的硬度呈梯度分布，则可以对端面上的不同区域A_ij施加不同的电流，施加的脉冲电流峰值电流密度J＝I/(i*j*S_ij),其中 I为脉冲电流的峰值电流，1<i<M，1<j<N，S_ij表示区域A_ij的面积，则可以使试件的硬度呈梯度分布。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将金属材料试件相对的两个端面对称地等分成M×N份，M、N均为自然数；

S2、将两个电极装夹在金属材料试件的两个端面上，且两个电极在同一直线上；

S3、向金属材料试件两个端面的电极施加脉冲电流，对金属材料试件进行改性处理；

S4、改性过程中，控制金属材料试件表面温度，判断其是否大于第一预设温度T1；

S5、若试件表面最高温度大于第一预设温度T1，则停止施加脉冲电流；

S6、判断试件表面最高温度是否小于第二预设温度T2；

S7、若试件表面最高温度小于第二预设温度T2，再重新按照设定的脉冲电流参数完成单次改性过程；

S8、改变电极在端面的位置，将电极置于端面的不同等分处，重复改性过程，直到M×N等分均完成改性，针对端面上的不同区域A_ij，施加的脉冲电流峰值电流密度J＝I/(i*j*S_ij),其中I为脉冲电流的峰值电流，1<i<M，1<j<N，S_ij表示区域A_ij的面积，M、N为自然数。

2.根据权利要求1所述的采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，其特征在于，改性之前，将金属材料试件与电极的接触端面进行打磨，去除表面氧化膜及污渍。

3.根据权利要求1所述的采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，其特征在于，步骤S2中通过夹具将电极以一定的压力装夹在金属材料试件两端合适的位置，以保持接触良好。

4.根据权利要求1所述的采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，其特征在于，电极包括平头电极或者尖头电极，金属材料试件通电端面的每一等分面积为电极面积的整数倍。

5.根据权利要求3所述的采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，其特征在于，施加在电极上的压力取值范围约10～1000N。

6.根据权利要求1所述的采用脉冲电流制备原位软硬复合金属材料的方法，其特征在于，施加的脉冲电流为交变电流，波形为方波、尖波、正弦波或组合波形。

7.根据权利要求1所述的采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，其特征在于，脉冲电流峰值电流大小为3000～10000A，脉冲频率为1～500Hz，单个脉冲串内脉冲个数为1～100个，单个脉冲串休止时间为0.01～10s，脉冲串个数为1～100个。

8.根据权利要求1所述的采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，其特征在于，步骤S4中第一预设温度T1范围为100～200℃，第二预设温度T2范围为30～50℃。

9.根据权利要求1所述的采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，其特征在于，步骤S1中具体划分方法为，先沿着x方向等分成M份，再沿着y方向等分成N份，且M取值范围为1～100，N值取值范围为1～100。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的采用脉冲电流原位制备软硬复合金属材料的方法，其特征在于，电极置于端面的不同等分处的中心位置，且每一等份的面积为电极面积的10～100倍。

Images