CN113122697A - 一种金属板带材的加速时效处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属板带材的加速时效处理方法,该方法包括将脉冲电流经辊式正负极传导给金属板带材等，实现脉冲电流对金属的时效处理。该方法使用的电流频率为50～1000Hz，峰值电流为1000A～500KA，脉冲宽度小于100μs。本发明提供的脉冲电流时效处理加速了溶质原子的扩散，并加速了第二相的形核与长大，缩短了时效过程，提高了金属板带材的综合性能。

Description

一种金属板带材的加速时效处理方法

技术领域

本发明涉及一种金属板带材的处理方法，具体讲涉及一种金属板带材的加速时效处理方法。

背景技术：

对于时效强化合金，特别是对于金属板带材较长时间的时效热处理保温，无疑会增加金属材料的生产成本。特别对于诸如C7025铜合金一类合金一般需要经历两次时效方可生成尺寸为2nm Ni₂Si析出相，其单次时效保温时间为4～8h，而其升温与降温时间较长，分别多达至6小时以上，方可获得抗拉强度在600MPa、电导率在40％IACS以上的合金材质(《高性能铜合金及其加工技术》[M].刘平,赵冬梅,田保红.冶金工业出版社,2005.)。作为高强铝合金的7075铝合金，其析出相为GP区、η＇相(MgZn)、η相(MgZn₂)，其T6态需要在120℃条件下处理达24h，方可获得抗拉强度、延伸率、硬度分别达到655MPa、12％、205.6HV(《热处理制度对7075铝合金电导率的影响》[J].轻合金加工技术.王学书,聂波,谢延翠,2001,29(7):40-42；《热处理工艺对7075铝合金组织和力学性能的影响》[D].郑州大学,2012.)，其T76态需要在110～150℃进行双级时效，方可获得其抗拉强度、延伸率、硬度分别达到625MPa、10.8％、201.3HV。(《热处理工艺对7075铝合金组织和力学性能的影响》[D].赵青.郑州大学,2012.)。时效时间的长短与生产效率、生产成本息息关系，缩短铜、铝合金时效时间，即可进一步降低生产成本。

金属析出相的成分、大小、密度、共格与否都会影响材料的性能，而时效工艺对时效强化的金属的最终性能有着至关重要的影响。第二相的形成是一种扩散型相变，凡是对形核、长大速度有影响的参数，都会影响时效动力学过程。通常改善合金析出效率的方法包括：

1)选择较高的固溶温度与较快的冷却速率。析出过程中的扩散主要在固溶淬火冷却处理后冻结下来过剩的空位。固溶加热温度越高、加热后冷却速度越高，空位浓度就越高，因而G.P.区的形成速度就越快。(《材料热处理原理及工艺》[M].朱明.中国矿业大学出版社,2013:285)。

2)选择适宜的时效温度。化学自由能差是过饱和固溶体脱溶析出的驱动力，其脱溶过程是原子扩散的过程，因此在提升时原子扩散速度也随之增加，脱溶析出过程加快。但是，时效温度过高，则过饱和固溶体第二相临界晶核尺寸增大、数量减少，化学自由能差减小，使得析出速度降低，甚至不析出。因此，选择适宜的温度范围，可加快时效过程、缩短时效时间。(《材料热处理原理及工艺》[M].朱明.中国矿业大学出版社,2013:284)。

3)固溶后引入冷变形。析出的过程中原子扩散沿着位错进行，该扩散比一般扩散快，减少时效时间，同时高密度位错还可以成为第二相形核点。对于部分合金如铝锂合金、C7025铜合金在固溶后进行冷变形会产生大量位错，成为非均匀形核部位，从而使得沉淀相体积分数增大。(《深入探讨新型金属材料超级合金的性能与应用》[M].孟超，电子科技大学出版社，2018：163)。

4)加入微量元素。合金中加入微量元素特别是过渡簇元素，这些元素的金属间化学物以高度弥散的形成存在，可作为沉淀相的非自发晶核，同时该相的边界也可作为优先形核部位。(《材料热处理原理及工艺》[M].朱明.中国矿业大学出版社,2013:285)。

作为近年来发展起来的新型电源的高能连续电脉冲，由于其对缺陷、原子扩散变化产生独特的作用，被用作减小变形抗力,降低再结晶热处理、固溶处理温度与时间等。高能脉冲电流在金属加工方面主要有两方面的应用：一是脉冲电流处理，比如AZ31镁合金、TiNi合金的再结晶处理；二是电致塑性加工，比如304L不锈钢的拉拔、锆合金与Al-Li1463合金的轧制、镁合金的冲压、不同材料的辅助搅拌摩擦焊、Ti31波纹管超塑成形。此外高能脉冲电流还用于铸坯的去应力、粉末烧结、表面处理、切削等。目前，高能脉冲电流已经应用于生产包括不锈钢带的轧制、高强钢丝的拉拔、高温合金焊丝生产，俄罗斯的研究机构还将其应用于飞机蒙皮的制造。

现有技术报道的电流应用于时效处理是将其作为加热炉时效处理的补充。(《一种铜合金直流电流下时效热处理方法及装置》[P].张彦敏,宋克兴,王国为,李红霞,贾淑果,王青,国秀花,王露娟.中国专利文献CN102691022A)报道的直流电流时效处理铜合金，直流电流密度仅为0.28～5.66A/mm²，其主要主要作用为加热作用，且无时效处理铜合金的连续处理装置。(刘云霞.电流-磁场作用下C19400合金时效行为研究[D],2012.)披露了在450℃的在炉时效过程增加峰值电流为1～4A/mm²、频率为350Hz～600Hz的脉冲电流辅助时效处理冷变形的C19400铜合金，发现相同时间处理冷变形的C19400合金，电导率最高可提高8％IACS，时效3h的合金导电率就高于未加电流时效5h的合金，并且加电流时效2h合金抗拉强度就达到了未加电流时效5小时样品。有文献显示在100℃条件下对7075铝合金附加交变脉冲电流时效处理30min,再关闭电流继续时效4h，发现晶内析出相η′的数量增多且弥散程度增加，晶界处的析出相由连续分布变为断续粗化沉淀相。脉冲电流导致时效加速，与常规时效样相比，其强度提高10.3％、伸长率提高3.1％。(电脉冲时效对7075铝合金组织和性能的影响[J].湛利华,贾树峰,张姣.中国有色金属学报,2014(03):600-605.)。

虽然也有文献报道了脉冲电流时效处理，但是脉冲电流峰值电流密度较低、处理时间长，并且时效处理后性能较差，此外核心参数均方根电流值未提及。例如采用脉冲电流处理固溶态Cu-3.2Ni-0.75Si，当脉冲频率1kHz、脉冲持续时间tp＝120μs、脉冲电流密度j＝1.34×10⁴A/cm²、时效总时间500s,时效后合金的电导率为33.6％IACS,显微硬度为245HV，这些时效效果无法与常规时效处理的性能相提并论。(《电脉冲时效对Cu—Ni—Si合金组织和性能的影响》[J].刘素芹,黄金亮,刘平等.河南科技大学学报:自然科学版,2003(03):4-6.)。

发明内容：

基于脉冲电流产生的脉冲电子流碰撞溶质原子与空位，降低了溶质原子与空位扩散所需激活能，使得在电子碰撞原子加剧原子振动产生温升条件下或较低环境温度下，实现溶质原子的扩散并形核，从而形成分布均匀的第二相，获得综合性能优异的合金，本发明提供了一种利用脉冲电流加速时效金属的方法与设备。

本发明涉及一种金属板带材的加速时效处理方法，其改进之处在于，所述方法包括：以脉冲电流对金属板带材进行时效处理；将金属板带材置于轴向彼此平行设置且由驱动机构同步驱动的开卷辊和收卷辊的同侧；所述脉冲电流由开卷辊和收卷辊与接触的金属板带材，或

位于所述开卷和收卷辊间夹持金属板带材的两对夹持辊径向上分别依次设置绝缘层、电极层和弧形石墨块中的所述电极层连接的脉冲电源提供。

优选的，所述脉冲电流的峰值电流密度为5A/mm²～1500A/mm²，均方根电流密度为0.5A/mm²～200A/mm²，频率为50～1000Hz，脉冲宽度小于100μs；处理时间为5s～900s。

优选的，所述金属板带材与收卷辊相切的切点内侧的上表面设有冷却所述金属板带材的功率为2～3KW送风机构。

优选的，所述时效处理的次数为1～3次，两次时效之间进行10％～99％变形量的冷加工。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

本发明提供的对金属板带材的脉冲时效处理，由于固溶淬火后的冷变形，试样内部形成了高的空位密度，在随后的时效过程中，直流电流对空位的运动产生影响，在位错和晶界的周围聚集的空位为析出相提供形核位置；此外，直流电流还影响着固溶原子脱离束缚位置需克服的自由能势垒，进而影响着时效析出第二相的数量和分布。本发明选择的脉冲参数，实现了对于材料的组织的控制，使材料获得了优良的综合机械性能，从而提高了金属板带材高强度和导电率。

本发明提供的方法改善了第二相的析出效率和析出特征，作为高能量输入方式的脉冲电流，对析出相形核有着独特作用，使得析出相更分散、更细小，因此性能可得到进一步提高。本发明使用的脉冲电流处理时效金属，其处理参数中均方根电流决定了电流加热金属的最终温度，均方根电流值较大时热处理温度较高，原子扩散克服的能垒减小。均方根电流密度值决定着析出相是否会形核，第二相只有在均方根电流密度超过一定值时，才会发生形核反应。而对于峰值电流，其作用在于影响第二相形核密度，由于电流的峰值效应，可进一步降低析出相形核需要克服的势垒，提高形核率，增加形核位置。本发明解决了传统热处理时效速度慢，回答了只有电流处理发生时效的条件，使得脉冲电流在极短时间内使得合金发生时效性能大幅提高。

附图说明

图1脉冲电流时效处理电流接入方式示意图；

图2绝缘层、电极层和弧形石墨块位置关系示意图；

图3脉冲电流时效处理前后组织：(a)处理前组织，(b)处理后组织；

其中：电极层1；绝缘层2；收卷辊3；弧形石墨块4；开卷辊5；金属板带材6；风冷机构7；互感器8；示波器9；脉冲电源10。

具体实施例

本发明处理的材料为固溶态合金、热轧态合金或者冷轧态合金。时效处理方法为将板带材置于开卷辊和收卷辊的一侧，开卷辊和收卷辊与金属板带材接触的切点径向方向上依次设置的绝缘层、电极层和弧形石墨块，开卷辊和收卷辊的电极层分别与脉冲电源的正负极连接，以实现对板带材施加脉冲电流。

在另一实施例中，在开卷辊和收卷辊与所述金属板带材的切点间设有由四个辊，其组成的轴心与所述开卷辊和收卷辊轴心平行的两对夹持辊，每队夹持辊中的一个辊分别设有与脉冲电源的正负极连接的电极层，以实现对金属板带材的施加脉冲电流。

本发明的再一实施例中，在收卷辊与所述金属板带材的切点内侧的金属板带材外侧——垂直于所述金属板带材的竖直方向上，设有风冷机构以冷却经脉冲电流时效处理的金属，从而缩短经时效处理的高温金属板带材在空气气氛中的暴露时间，减少金属表面的氧化。

本发明的处理工艺如附图1所示，一对轴心彼此平行的开卷辊——左侧，和收卷辊——右侧，待时效处理的金属板带材置于两辊的上侧，该开卷辊和收卷辊与金属板带材的切点间的径向上分别依次设有绝缘层、电极层和弧形石墨块(如图2所示)。开卷辊和收卷辊分别与驱动机构连接(驱动机构未示出)；开卷辊和收卷辊的电极层分别与脉冲电流电源的正负极连接；与负极连接的一侧设有示波器；位于收卷辊一侧的金属板带材与收卷辊的切点外侧设有送风机构。

1)装置说明：在开卷辊和收卷辊外设置绝缘层以防止脉冲电流与卷取机构相连，再在绝缘层外设置导电层——铜电极层，铜电极层宽度大于待处理的金属板带的宽度，在多余的铜电极层边缘上设置一将石墨块压在铜电极层上的压紧件，开卷辊和收卷辊电极层分别与正负极连接，开通直流脉冲电源即可实现对金属板带的脉冲时效处理。

2)装置各部分组成与功能：

弧形石墨块：电极层的宽度大于时效处理的金属带，这样可将多余的电极层部分用于安装石墨块，电流经石墨块从导线传到运动的电极层。

互感器：经互感器中心孔洞导线的脉冲电流产生供示波器测量的感应电压，进而根据互感的比率计算出脉冲电流的特征参数。

示波器：示波器与互感器相连，显示并记录互感器产生的感应电压参数，借助示波器记录电流的波形参数，为调整处理工艺提供依据。

卷曲电机：为开卷辊和收卷辊提供卷曲动力。

卷曲辊部分：从轴心至外的径向上，依次设有绝缘层、电极层、卷曲的金属板带。

3)电流的方向为：脉冲电源正极→开卷端弧形石墨块→开卷端电极层→开卷端金属板带→处理的金属板带→收卷端金属板带→收卷端电极层→收卷端弧形石墨块→脉冲电源负极。

实施例1：

厚度14mm热轧态的C7025铜合金，冷轧至0.25mm,经过图示装置进行脉冲电流处理，脉冲宽度80μs，处理的频率为600Hz，峰值电流密度为640A/mm²，均方根电流密度为80A/mm^2,正负极通过时间为15s,在经过脉冲电流处理后组织中得到1～2nmNi₂Si析出相，所得金属板带材的强度与电导率均得到了提高，其抗拉强度达到750MPa，硬度240HV_0.2，延伸率为10％，电导率为46％IACS。

脉冲电流时效前后Cu-Ni-Si的组织，见图3所示，脉冲电流处理后出现了大量的析出相。相对于C7025的传统时效处理450℃处理4h的该材料的抗拉强度为619MPa,电导率为44.5％IACS，脉冲电流时效处理时效时间更短。按照GB/T 34505-2017《铜及铜合金材料室温拉伸试验方法》检测抗拉强度，按照GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分试验方法》检测维氏硬度，按照GB/T 351-2019《金属材料电阻率测量方法》检测电导率。

实施例2:

厚度14mm热轧态的C7025铜合金，经80％的压下量冷轧至2.8mm，经图示的装置进行脉冲时效处理,其脉冲电流频率为600Hz，脉冲宽度80μs，峰值电流密度为800A/mm²，均方根电流密度为120A/mm^2,，处理15s后再经91％冷轧至0.25mm即二次冷轧,同时经如图示的装置进行脉冲电流处理即二次脉冲电流时效，处理的频率为600Hz，峰值电流密度为640A/mm²，均方根电流密度为80A/mm²,处理15s。经脉冲电流处理后的组织存在1～2nmNi₂Si析出相，其强度与电导率均得到提高，处理后的材料的抗拉强度达到821MPa，硬度为253HV_0.2，延伸率为9％，电导率为49％IACS。

实施例3：

对固溶后冷轧变形率达90％的7075铝合金使用脉冲电流进行处理，具体处理参数与对应性能如下表，其中最优处理参数为：脉冲频率为200Hz，脉冲宽度80μs，峰值电流密度为42A/mm²，均方根电流密度为4.1A/mm²,时效处理15s,其处理样品组织中存在5nm准稳定η′相，所得的材料硬度达到197HV_0.2,该硬度值与传统时效方法即120℃时效48h相当。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种金属板带材的加速时效处理方法，其特征在于，所述方法包括：以脉冲电流对金属板带材(6)进行时效处理；将金属板带材(6)置于轴向彼此平行设置且由驱动机构同步驱动的开卷辊(5)和收卷辊(3)的同侧；所述脉冲电流由开卷辊(5)和收卷辊(3)与接触的金属板带材(6)，或位于所述开卷辊(5)和收卷辊(3)间夹持金属板带材(6)的两对夹持辊径向上分别依次设置绝缘层(2)、电极层(1)和弧形石墨块(4)中的所述电极层(1)连接的脉冲电源(10)提供。

2.如权利要求1所述的加速时效处理方法，其特征在于，所述脉冲电流的峰值电流密度为5A/mm²～1500A/mm²，均方根电流密度为0.5A/mm²～200A/mm²，频率为50～1000Hz，脉冲宽度小于100μs；处理时间为5s～900s。

3.根据权利1所述的加速时效处理方法，其特征在于，所述金属板带材(6)与收卷辊(3)相切的切点上表面设有冷却所述金属板带材的功率为2～3KW送风机构。

4.根据权利1所述的加速时效处理方法，其特征在于，所述时效处理的次数为1～3次,两次时效处理之间进行10％～99％变形量的冷加工。

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