CN1944689A - 利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及镁合金丝、带材的高能电脉冲在线处理方法，包括：通过开卷装置和收卷装置带动钢丝以一定速度向所述收卷装置方向传输；通过一对可调距离的接触电极将该高能脉冲电源提供的高能脉冲电流导入运动着的镁合金丝或带材的加电区域段进行处理，同时，使所述运动的镁合金丝材或带材加电区域段浸埋在强制冷却装置的冷却介质中进行强制冷却。本方法使能耗降低，生产效率提高，避免了常规退火处理过程中镁合金丝(带)材的表面氧化现象，特别适用于直径小于3mm的镁合金丝材以及厚度小于3mm的镁合金带材的处理。处理后组织中出现大量微米和亚微米级尺寸晶粒，使镁合金丝(带)材的综合性能大幅度提高。

Description

利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法
技术领域
本发明属于镁合金丝、带材的处理技术，具体是采用高能电脉冲对加工硬化的镁合金丝、带材进行在线处理新工艺，经过处理的镁合金丝、带材，强度和塑性指标相对于常规退火处理工艺均得以提高。
背景技术
常规镁合金比铝合金轻30％～50％，比钢铁轻70％以上，应用在工程中可大大减轻结构件质量，并且镁合金具有高的比强度和比刚度，尺寸稳定性高，阻尼减震性能好，因而镁合金具有优良的力学性能，特别适用于轻质结构件。高强高韧的镁合金丝(带)材可做为焊接材料、纤维补强构件、眼镜架、特殊弹簧部件等应用，具有极好的市场应用前景。
镁合金室温下滑移系少，塑性变形能力差，容易出现孪生现象，因而加工性能差，材料的成品率低，所以导致加工成本十分昂贵。目前对于变形镁合金棒、管、带、丝等产品加工制备都具有一定的困难，所以使变形镁合金材料获得更优异的综合机械性能才能满足更多结构件的需要。因此，提高镁合金综合性能、开发变形镁合金生产新工艺，已经成为必然趋势。
目前变形镁合金丝材、带材的常规加工方法主要是通过完全退火后冷加工。变形镁合金在经过一系列变形(如热挤、冷拉、冷轧)后，通过300～400℃、约30分钟至1小时左右的完全退火，在冷加工过程中，往往需要进行多次反复的中间退火工序才能获得要求的丝(带)材产品。该方法得到的镁合金产品表面氧化严重，质量难以保证，材料性能相对较低，并且退火炉的温度场空间分布难以保证均匀，还存在退火均匀性差，丝(带)材的性能不稳定，热效率低和处理时间长等缺点。
发明内容
鉴于镁合金丝材、带材的常规处理工艺存在的上述不足，本发明提供一种镁合金丝(带)材的高能电脉冲处理方法，相对于常规处理工艺，这种方法使镁合金丝(带)材在塑性和强度上都得以提高，并且节省能源，降低生产成本，避免了常规处理过程中镁合金丝(带)材的表面氧化现象。
本发明利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法包括以下步骤：
通过收卷装置、放卷装置带动镁合金丝材或带材以一定速度向所述收卷装置方向传输；配置一高能脉冲电源，通过一对可调距离的接触电极将该电源提供的高能脉冲电流导入运动着的镁合金丝或带材的加电区域段进行处理，同时，使所述运动的镁合金丝材或带材加电区域段浸埋在强制冷却装置的冷却介质中进行强制冷却。其中，输入运动着的镁合金丝材或带材加电区域段的高能脉冲电流的工艺参数为：脉冲宽度10～200μs，频率50～3000Hz，电流密度的幅值150～2500A/mm2。
本发明采用专用于金属丝、带材电塑加工的高能脉冲电源，该高能脉冲电源包括：
一AC/DC转换电路；
一电容器；
一充电电路，该充电电路包括与电容器串联的充电可控硅，充电可控硅的正端接AC/DC转换电路正输出端；
一放电电路，该放电电路包括放电可控硅和一对接触电极，放电可控硅正端与充电可控硅的负端连接，一个接触电极连接于放电可控硅负端，另一个接触电极接地端，通过该一对接触电极将高能脉冲电流导入被加工金属件；
以及，一控制电路，该控制电路的两个输出端分别与充电可控硅和放电可控硅的控制端连接，控制电路交替触发充、放电可控硅轮流导通，使电容器充电和放电，从而在放电电路中形成高能脉冲电流。
在电脉冲处理过程中，镁合金丝(带)中产生一定的焦耳热效应和其它的非热效应，由于焦耳热效应和非热效应的耦合作用，使原子振动能量进一步急剧增加，位错的攀移加速，使得位错向亚晶界聚集，促进形核，降低了晶核的长大速率。并且由于电脉冲处理时间很短、促进形核，因而使得再结晶晶粒来不及长大，使得到的镁合金丝(带)材具有更细小的晶粒。再结晶形核主要集中在变形带以及晶界处，再结晶形核的动力来自于材料在冷变形过程中储存的能量。因此加工硬化越严重的丝(带)材，越容易发生再结晶，形成大量超细的晶粒，这些细小的晶粒组织能够使材料在受力时有较好的协调变形能力，提高了材料的强度和塑性，使材料获得优异的综合性能。
在对镁合金丝(带)进行电脉冲处理同时，通过强制冷却装置对镁合金丝(带)材加电区域段进行强制冷却。强制冷却减少了镁合金丝(带)材上因高能脉冲电流所产生的热效应，保证了尺寸精度，避免温度升高造成的晶粒长大，提高了丝(带)材的综合性能。由于电脉冲在丝(带)材上作用时间短以及冷却油膜的保护，可避免镁合金丝(带)材的高温氧化现象，提高表面光洁度。
本发明相对传统处理方法可大大降低生产成本、大幅度提高生产效率。与其它常规处理技术相比，加工硬化的丝(带)材在经过此方法处理后，在保持材料高强度的同时，塑性得到极大的提高，所获得的产品具有优异的综合机械性能。特别适用于直径小于3mm的镁合金丝材以及厚度小于3mm的镁合金带材的处理。
其脉冲电源采用适合金属丝材、带材电塑加工的高能脉冲电源，该高能脉冲电源电路设计合理，结构简单，可靠性高。
附图说明
图1为镁合金丝材的高能电脉冲在线处理装置实施例示意图；
图2a为AZ31丝材经过较大冷拉变形后的金相组织；
图2b为相同冷拉态AZ31丝材经常规退火处理后的金相组织；
图2c为相同冷拉态AZ31丝材经高能电脉冲处理后的金相组织；
图2d为相同冷拉态AZ31丝材经高能电脉冲处理后在HIROX数字式三维视频显微下的金相组织；
图3为冷加工态AZ31带材经高能电脉冲处理后的金相组织；
图4为其高能脉冲电源一实施例的原理图。
具体实施方式
图1为实现本发明工艺的镁合金丝材的高能电脉冲在线处理设备。它包括高能电脉冲电源1，正负接触电极2、3，镁合金丝(带)材4，放卷装置5、收卷装置6、进油口7，出油口8及冷却装置9。高能脉冲电源1通过两个接触电极2、3使高能脉冲电流输入连续运动的镁合金丝(带)材4，传输速度由变频器和力矩电机调整控制。镁合金丝(带)材4由放、收卷装置5、6支撑并张紧，此装置旋转能带动镁合金丝(带)材4以一定速度向所示方向收卷装置6连续传输，镁合金丝(带)材的传输速度可为0.2～100m/min。
在连续运动的镁合金丝(带)材4的加电区域段周围设置循环油冷却装置9，并由进油口7、出油口8导入导出油，使所述运动的镁合金丝(带)材加电区域段浸埋在强制冷却装置的冷却介质中进行强制冷却处理，防止镁合金丝(带)材断裂，并保证表面质量。其中冷却介质是润滑油、或煤油、或乳化油(液)等等。
接触电极是由两个铜覆镍层(也可以为铜-石墨或黄铜)材料制成的上、下压块的电接触装置2、3，并通过调整压块的压力保持它与镁合金丝(带)材4良好接触，以减少丝(带)材与电接触装置间的接触电阻，避免镁合金丝(带)材4通过接触电极时发生的打火现象。处理时可根据所需的速度调整两极之间的距离。接触电极之间的距离是可调的，根据处理镁合金丝(带)材的规格在100～400mm之间选取。
本方法适用于直径Φ0.05～5mm的镁合金丝材，及厚度0.05～5mm镁合金带材的处理。特别适用于直径小于3mm的镁合金丝材以及厚度小于3mm的镁合金带材的处理。
本发明采用的脉冲电源为专用于金属丝、带材电塑加工的高能脉冲电源。如图4所示，高能脉冲电源包括：
一AC/DC转换电路11；
一电容器C；
一充电电路，该充电电路包括与电容器C串联的充电可控硅Q1，充电可控硅Q1的正端接AC/DC转换电路11正输出端；
一放电电路，该放电电路包括放电可控硅Q2和一对接触电极J1、J2，放电可控硅正端Q2与充电可控硅Q1的负端连接，一个接触电极J1连接于放电可控硅Q2负端，另一个接触电极J2接地端，通过该一对接触电极J1、J2将高能脉冲电流导入被加工金属件G；以及，
一控制电路12，该控制电路12的两个输出端K1、K2分别与充电可控硅Q1和放电可控硅Q2的控制端连接，控制电路12交替触发充电可控硅Q1、放电可控硅Q2轮流导通，使电容器C充电和放电，从而在放电电路中形成高能脉冲电流。
其中，高能脉冲电源的充电可控硅Q1和放电可控硅Q2均为大功率单向可控硅。高能脉冲电源的控制电路12包括可调脉冲产生电路MZ和脉冲触发电路MC，可调脉冲产生电路MZ的输出端接脉冲触发电路MC的输入端。AC/DC转换电路11包括可控硅电压调节器T、变压器BY和三相整流器ZL，主电路由三相380V电源供电，经可控硅电压调节器T输入变压器BY变压后，再输出至三相整流器ZL整流，可控硅电压调节器T可对整流电压无级调节。充电电路中可串联防逆二极管ZP1和电感线圈L，放电电路中可串联防逆二极管ZP2。高能脉冲电源的最大输出功率为15KW，输出脉冲宽度可为10～200μs，输出脉冲频率为50～3000Hz。
采用图1设备配合图4高能脉冲电源时，输入运动着的镁合金丝材或带材加电区域段的高能脉冲电流的工艺参数为：脉冲宽度10～200μs，频率50～3000Hz，电流密度的幅值150～2500A/mm2。
实施例1：AZ31镁合金丝材经冷拉拔后，丝材直径为φ1.72mm。采用图1所示的设备和本发明高能电脉冲的处理方法对该镁合金丝材进行处理。
参照图1，镁合金丝4由收卷装置6带动以速度5m/min传输，高能脉冲电源由铜覆镍层制成的接触电极2、3接入连续运动的镁合金丝的加电区域进行处理(接触电极间距离300mm)，并同时采用循环油冷却方法对加电区域的镁合金丝进行处理。输入的高能电脉冲的脉冲宽度为60μs，频率为480Hz，电压为110V，电流密度幅值为600A/mm2。
图2a为该冷拉态镁合金丝材金相组织，其中很难辨别出晶粒边界，几乎全部是冷拉变形后伸长的纤维状晶粒。采用常规退火方式将上述冷拉态镁合金丝材进行处理，得到退火后的金相组织(图2b)，可见经常规退火，丝材晶粒分布比较均匀，但与脉冲处理后的组织比较晶粒尺寸较大。如图2c、图2d所示，经高能电脉冲处理的镁合金丝材内形成了大量的微米亚微米级的超细晶粒。这些超细晶粒有利于同时提高材料强度和塑性，得到优异的综合性能。可见，通过不同方式处理后的镁合金丝材在力学性能上也存在很大差异。表1表明该AZ31镁合金丝材高能电脉冲处理与常规退火处理的性能比较，经高能电脉冲处理得到的镁合金丝材在强度和延伸率上都有所提高，并且表面质量优良，即采用高能电脉冲处理使镁合金丝材得到了优异的综合机械性能。
表1不同处理工艺条件下镁合金丝材的力学性能
Figure A20061006195700101
实施例2：AZ31镁合金带材经冷加工后，带材宽4mm、厚0.65mm。采用本发明高能电脉冲的处理方法对该镁合金带材进行处理。
参照图1，镁合金带4由收卷装置6带动以速度1m/min传输，高能脉冲电源由铜覆镍层制成的接触电极2、3接入连续运动的镁合金带的加电区域进行处理(接触电极间距离200mm)，并同时采用循环油冷却方法对加电区域的镁合金带进行冷却处理。输入的高能电脉冲的脉冲宽度为60μs，频率为200Hz，电压为180V，电流密度幅值为575A/mm2。
参照图3，经高能电脉冲处理的镁合金带材内形成了大量微米、亚微米级的超细晶粒。这些超细晶粒有利于同时提高材料强度和塑性，得到优异的综合性能。表2表明该AZ31镁合金带材高能电脉冲处理与常规退火处理的性能比较，经高能电脉冲处理得到的镁合金带材在强度和延伸率上都有所提高，并且表面质量优良，即采用高能电脉冲处理使镁合金带材得到了优异的综合机械性能。
表2不同处理工艺条件下镁合金带材的力学性能
Figure A20061006195700111

Claims (10)

1、利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法，其特征是包括以下步骤：
通过收卷、放卷装置带动镁合金丝材或带材以一定速度传输；配置一高能脉冲电源，通过一对可调距离的接触电极将该电源提供的高能脉冲电流导入运动着的镁合金丝或带材的加电区域段进行处理，同时，使所述运动的镁合金丝材或带材加电区域段浸埋在强制冷却装置的冷却介质中进行强制冷却。
2、根据权利要求1的利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法，其特征是：其中，输入运动着的镁合金丝材或带材加电区域段的高能脉冲电流的工艺参数为：脉冲宽度10～200μs，频率50～3000Hz，电流密度的幅值150～2500A/mm2。
3、根据权利要求1的利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法，其特征是所述高能脉冲电源包括：
一AC/DC转换电路；
一电容器；
一充电电路，该充电电路包括与电容器串联的充电可控硅，充电可控硅的正端接AC/DC转换电路正输出端；
一放电电路，该放电电路包括放电可控硅和一对接触电极，放电可控硅正端与充电可控硅的负端连接，一个接触电极连接于放电可控硅负端，另一个接触电极接地端，通过该一对接触电极将高能脉冲电流导入被加工金属件；
以及，一控制电路，该控制电路的两个输出端分别与充电可控硅和放电可控硅的控制端连接，控制电路交替触发充、放电可控硅轮流导通，使电容器充电和放电，从而在放电电路中形成高能脉冲电流。
4、根据权利要求3的利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法，其特征是：其中，高能脉冲电源的充电可控硅和放电可控硅均为大功率单向可控硅。
5、根据权利要求3的利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法，其特征是：其中，高能脉冲电源的控制电路包括可调脉冲产生电路和脉冲触发电路，可调脉冲产生电路的输出端接脉冲触发电路的输入端。
6、根据权利要求1的利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法，其特征是：所述强制冷却装置采用油冷方式，其中冷却介质是润滑油、或煤油、或乳化油。
7、根据权利要求1的利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法，其特征是：所述镁合金的传输速度为0.2～100m/min。
8、根据权利要求1的利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法，其特征是：所述接触电极之间的距离为100～400mm。
9、根据权利要求1的利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法，其特征是：其中，处理的镁合金丝直径为Φ0.05～5mm。
10、根据权利要求1的利用高能电脉冲对镁合金丝、带材进行在线处理方法，其特征是：其中，处理的镁合金带的厚度为0.05～5mm。
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