CN202169276U - 一种电致塑性与温塑性结合轧制金属材料的系统 - Google Patents

Abstract

一种电致塑性与温塑性结合轧制金属材料的系统，包括：轧机，该轧机具有至少一对轧辊；轧辊预热装置，用于预热轧机的上下轧辊；脉冲电源，提供对金属材料电致塑性处理的脉冲电流，及，与所述轧机绝缘的一对电接触装置，分别连接于脉冲电源的两输出端，用于将脉冲电源输出的脉冲电流输入到该金属材料的加工段，且该金属材料的加工段通过已被预热的所述上下轧辊实现电致塑性与温塑性结合的轧制。本系统能有效地利用温轧的温塑性与电轧的电塑性，共同改善金属材料内部的微结构形成有利于提高强度和韧（塑）性的组织，使得材料的塑性明显提高；特别适用于轧制镁合金、TiNi形状记忆合金以及钨合金等难加工金属材料的板/带材。

Description

一种电致塑性与温塑性结合轧制金属材料的系统

技术领域

本实用新型涉及金属材料的轧制技术，具体是一种电致塑性与温塑性结合轧制各类难加工金属材料的系统，该系统将电致塑性轧制与温轧结合使难加工金属材料在较低温下也具备良好的加工塑性，实现较低温加工。 

背景技术

温轧又称“中温轧制”，是一种将变形温度控制在金属再结晶温度以下、回复温度以上的一种轧制方法，它兼有热轧和冷轧的一些优点。与冷轧相比，由于温轧时材料的加工硬化得到一定的回复，材料的屈服强度低、塑性得到改善，并且又没有热轧过程中出现表面氧化等缺点，因此得到广泛的关注。温轧一般在冷轧设备上进行，温轧状态下材料的延伸率约为冷轧的2-3倍。在进入轧制变形区之前用感应加热器将工件或轧辊加热到一定温度，然后进行轧制。对于一些塑性低、强度高的金属在经过热轧后，可通过温轧得到精加工。温轧适合加工常温下塑性低、屈服强度高、变形抗力大等不适合冷轧的金属，或者冷轧生产效率低、轧程多的金属。但是温轧过程中不能改变材料内部的显微组织，其原子的扩散程度也是有限的，因而温轧对金属的塑性改善还是有限，温轧每道次的变形量还比较小，并且温轧还不能替代热轧。 

目前钨、钼等难加工金属需经热轧、温轧、冷轧工序，才能轧到成品所需厚度。钨及钨合金在1550-1400℃热轧后，再经过1200-600℃的温轧，轧制温度随轧件厚度的减薄而降低。温轧共需3个轧程，在每个轧程中要有6个轧制道次，每个轧程后都需要进入热处理炉进行软化退火处理，最终才能将板坯从8mm轧到0.5mm。钼的轧制工序也比较多。这说明在温轧温度下材料的道次变形量还较低，加工塑性还需改善。镁合金的冷变形能力较差，通常需要加热到250-480℃进行热轧来提高板材的变形能力，并且轧制道次间需要多次反复回炉加热来进行软化退火。在热轧过程中，还存在晶粒长大、表面容易氧化等缺点。因此在不改变道次变形量的情况下降低轧制温度也具有重大意义。 

电致塑性轧制是一种新型的加工技术，它是在金属的变形过程中同时施加脉冲电流，使其加工变形抗力大幅度下降，从而改善金属的加工性能。脉冲电流使金属在较低温度下具有良好塑性变形能力，并能提高加工件的力学性能、表面质量等，且有耗能低、加工效率高等优点。电致塑性加工过程中，被加工材料内部将同时产生热效应和非热效应，在两者共同作用下，可极大加速原子的扩散能力和位错运动的强度，打开位错的缠结，并可在很低的温度和极短的时间内完成再结晶，实现改善显微组织的目的。但是这个过程既有热效应和非热效应的相互竞争，又有两者的相互依存，仅凭电脉冲的非热效应无法使样品达到很好的加工塑性，只有在热效应达到一定程度时，非热效应才能起作用，实现被加工材料内部的组织改善。而以前电致塑性加工过程中，由于轧辊的尺寸大，其体积远远大于被轧制区的体积，使电致塑性效应中的热效应分量急剧下降，未能实现电致塑性理想的功能。 

发明内容

为了解决温轧对金属塑性改善有限的不足，而电致塑性轧制由于脉冲电流带来的温升小使单纯的电致塑性轧制难于满足轧制宽、厚材料等问题，充分利用二者的优势—即热效应与电效应分别带来的材料变形抗力的下降，本实用新型提供一种电致塑性与温塑性结合轧制金属材料的系统；其采用适当提高轧辊的表面温度与电塑性效应相结合方式，以共同改善难加工金属材料内部的微结构形成有利于提高强度和韧（塑）性的组织。 

本实用新型的电致塑性与温塑性结合轧制金属材料的系统，包括： 

轧机，该轧机具有至少一对轧辊；

轧辊预热装置，用于将轧机的上、下轧辊预热到被加工金属材料的回复温度，且低于该金属材料的再结晶温度的范围内，以对该金属材料进行温塑性处理；

脉冲电源，提供用于对该金属材料电致塑性处理的高能脉冲电流，该高能脉冲电流频率为100-3000Hz、脉冲宽度为10-200μs；及

一对电接触装置，它们与所述轧机绝缘，分别连接于脉冲电源的两输出端子，用于将脉冲电源输出的高能脉冲电流输入到该金属材料的加工段，且该金属材料的加工段通过已被轧辊预热装置预热的所述上、下轧辊实现电致塑性与温塑性结合的轧制。

其中，所述轧辊预热装置采用电磁感应加热器、电阻加热器或红外加热器等，通过电磁感应或烘烤方式预热所述轧辊至100-550℃范围，并能根据所述被加工金属材料的特性进行调整。 

所述电磁感应加热器包括两个带有热探头的圆弧形感应加热板和加热控制电路，一个圆弧形感应加热板安装在所述上轧辊上侧，该圆弧形感应加热板与所述上轧辊之间用一个非金属耐热隔离垫隔开，相应热探头和所述上轧辊柱面动接触；另一个圆弧形感应加热板安装在所述下轧辊下侧，该圆弧形感应加热板与所述下轧辊之间用另一个非金属耐热隔离垫隔开，相应热探头和所述下轧辊柱面动接触。 

所述加热控制电路包括直流电源、产生300-9000Hz交流信号的逆变器、连接逆变器输出的功率放大器以及温度检测控制单元，所述电磁慼应加热板中的感应线圈由功率放大器驱动，温度检测控制单元用于通过所述热探头检测所述上、下轧辊温度并控制功率放大器输出使上、下轧辊温度恒定。 

在对所述被加工金属材料电致塑性与温塑性结合轧制状态中，通过所述两个电接触装置向它们之间的所述被加工金属材料的加工段引入高能脉冲电流，该高能脉冲电流的参数为：脉冲宽度为10-200μs,频率为100-3000Hz,电流密度幅值为30-1000A/mm²。 

本系统能有效地利用温轧的温塑性与电轧的电塑性，来共同改善金属材料内部的微结构形成有利于提高强度和韧（塑）性的组织，使得金属的变形抗力减小，相对单一的温轧或电轧设备金属材料的塑性明显提高。轧制过程不改变正常的加工流程，不需要进入加热炉进行软化退火就可以在轧制过程中实现组织的预调整，获得高的强、韧性配合，且加工效率提高、成本降低。特别适用于轧制镁合金、TiNi形状记忆合金、钨合金等难加工金属材料的板/带材。同时相对于热轧，由于加工过程温度较低，能减少表面氧化，防止晶粒长大，故能显著提高产品表面质量与力学性能。 

其将温塑性效应与电致塑性效应结合用于难加工金属材料的轧制，采用轧辊预热装置将轧辊表面预热到接近或达到被加工金属材料的回复温度，且低于该金属材料的再结晶温度的范围内；进入轧辊前的带材由于电致塑性带来的热效应也会有一定的温升。此时，在轧制过程中，由于轧辊表面被加热到接近回复温度，当被加工金属材料与轧辊接触时，材料内原子的势垒得到了一定提高，促使点缺陷与位错等晶体缺陷获得能量发生迁移，变形抗力下降；在与所施加的高能脉冲电流复合作用后，材料的内部电子运动更加加剧，使更多的位错在高能脉冲电子流的作用下开动并移动。如果轧辊没有被预加热，由于电致塑性给被加工金属材料所带来的热效应可能迅速被冷的轧辊所吸收（因为被加工带材与轧辊接触时所占的体积相比远远小于轧辊，其带材的热容也远远小于轧辊），导致接触瞬间被加工带材的热量几乎都被轧辊所吸收，极大地降低了电致塑性加工的热效应，减弱了原子的扩散能力，使电致塑性效应的作用受到极大限制。 

基于本系统的电致塑性轧制与温塑性轧制相结合的轧制方法的优点在于通过在线施加适当的高能脉冲电流，使金属材料的初始静态再结晶过程可在远低于常规热处理的温度下（对于镁合金表面温度仅约100℃）极为迅速地完成（仅为几秒钟，比常规热处理缩短再结晶完成时间2个数量级以上）。根据电致塑性效应的理论，在高能电脉冲刺激条件下材料内部经历了能量快速输入和输出的交替运动的非平衡过程，这种电刺激促进了内部原子的加速扩散，使位错攀移速度呈现爆发式增长。较常规热处理和直流电加热处理而言，高能电脉冲处理时所产生的焦耳热效应与非热效应的耦合作用机制，使得其再结晶形核率可提高几个数量级，原子扩散速度增加一倍，这是材料快速获得细化的完全再结晶的晶粒组织的关键原因。非热效应只有在一定温度下（即一定热效应的配合下）才能发挥出来，没有一定的热效应，非热效应对原子扩散的加速和对位错攀移的贡献不能体现；反之如果没有高能脉冲的电刺激（可同时产生非热效应），仅依靠热效应（即通过普通加热）来提高温度以增加位错攀移速度的方法，在相同环境下其完成再结晶的过程将比电致塑性下的完成时间高出两个数量级以上。 

 附图说明

图1为本实用新型电致塑性与温塑性结合轧制难加工金属材料的系统示意图； 

图2为10×2×1000mm的Ti-Ni-Nb带材在传统温轧下开裂的图片；

图3为10×2×1000mm的Ti-Ni-Nb带材通过电致塑性与温塑性相结合轧制的样品图片；

图4为传统冷轧100×2×1500mm的AZ31镁合金带图片，图片中带材出现明显开裂；

图5为温轧100×2×1500mm的AZ31镁合金带图片，变形量约15%，带材中出现明显开裂；

图6为基于图1系统通过电致塑性与温塑性相结合轧制的100×2×1500mm的AZ31镁合金带样品图片，累积变形量70%，中间没有任何退火处理；

图7为其电磁感应加热器和轧辊结合示意图；图8为图7的侧视示意图；

图9为图7、8的圆弧形感应加热板展开图；

图10为图7、8的热探头结构示意图；

图11为图7、8电磁感应加热器的一加热控制电路图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明。参照图1，电致塑性与温塑性结合轧制难加工金属材料的系统主要包括轧机、脉冲电源3、两个电接触装置和轧辊预热装置（如图7-11）等。 

轧机可采用两辊轧机或多辊轧机，两辊轧机可轧较厚的、精度要求不高的板、带材，四辊等多辊轧机可轧高精度的薄板、带材。图1采用两辊轧机，该轧机具有开卷装置1、上下轧辊6、收卷装置8和张力辊2、7等。由开卷装置1、收卷装置8带动该金属带材传输，传输速度为0.1-1m/s。 

脉冲电源3提供用于对金属材料电致塑性处理的高能脉冲电流，电致塑性与温塑性结合轧制难加工金属材料时，施加于金属材料的脉冲电流参数为：脉冲宽度10-200μs, 频率100-3000Hz,电流密度幅值为30-1000A/mm²。 

两个电接触装置4、5或5’与所述轧机部分绝缘，分别连接于脉冲电源3的两输出端，用于将脉冲电源输出的高能脉冲电流输入到被加工金属材料的加工段进行电致塑性处理。图1中一个接触装置4置于上轧辊6前，连接于脉冲电源3的正输出端，另一个接触装置用上轧辊6替代，上轧辊与所述轧机绝缘，上轧辊6的轴5连接于脉冲电源3的负输出端。两个电接触装置也可分别设置于所述上下轧辊前后，如图1中位于所述上下轧辊前的一个接触装置4和所述上下轧辊后的另一个接触装置5’。两个电接触装置还可以用与所述轧机绝缘的上、下两个轧辊替代，此时两个电接触装置之间的距离为零。根据被加工金属材料材质的不同，及施加于被加工金属材料的脉冲电流参数不同，两个电接触装置之间的距离最好在0-800mm内调节。通常开卷端的一个电接触装置可在距离轧辊0-400mm处设置，收卷端的另一个接触装置可在距离轧辊0-600mm处设置。电接触装置的材料均为导电性良好、强度较高的弥散强化铜或其它导电良好的耐磨材料，电接触装置装有弹簧，可始终保持金属材料与电接触装置紧密接触。 

轧辊预热装置用于将上、下轧辊预热到接近或达到被加工金属材料的回复温度，且低于该金属材料的再结晶温度的范围内，以对该金属材料进行温塑性处理。轧辊预热装置采用电磁感应加热器、电阻加热器及红外加热器等，通过电磁感应或烘烤方式预热所述轧辊至100-550℃范围，并能根据被加工金属材料的特性进行调整。图7-10为其电磁感应加热器结构示意图。图7、8中7-1为热探头，7-2为感应加热板，7-3为非金属耐热隔离垫，7-4为轧辊轴，6为上、下轧辊,7-6为热探头孔，8-2为线圈固定板，000为被加工金属带材。图9中8-1为感应线圈，8-2为线圈固定板，8-3、8-4是感应加热线圈的接头。图10中9-1热探头引岀线，9-2为热探头内设弹簧，9-3为非金属紧固帽，9-4热探头的弹性触头。 

该电磁感应加热器包括两个带有热探头的圆弧形感应加热板7-2和加热控制电路，一个圆弧形感应加热板7-2通过轧机架安装在所述上轧辊6上侧，相应热探头和所述上轧辊柱面动接触，且该圆弧形感应加热板7-2与所述上轧辊6之间用一非金属耐热隔离垫7-3隔开并由线圈固定板8-2固定在相关机架上，可防止上轧辊6高温传给热感应板内感应线圈8-1超温损坏而造成短路；另一个圆弧形感应加热板安装在所述下轧辊下侧，该圆弧形感应加热板与所述下轧辊之间用另一非金属耐热隔离垫隔开，相应热探头和所述下轧辊柱面动接触。热探头具有壳体7-1、壳体内设的弹簧9-2和弹性触头9-4，热探头安装于圆弧形感应加热板7-2中心的探头孔7-6处由非金属紧固帽9-3定位，弹性触头9-4从壳体透出的一端与所述上轧辊或下轧辊柱面动接触以探测轧辊表面的温度。 

图11加热控制电路包括整流滤波器、产生300-9000Hz交流信号的逆变器、连接逆变器输出的功率放大器、温度检测控制单元以及过流检测保护控制单元等，所述电磁慼应加热板中的感应线圈8-1由功率放大器驱动，温度检测控制单元通过所述热探头检测所述上、下轧辊温度并控制功率放大器输出使上、下轧辊温度恒定。工频50Hz戓60Hz交流经整流滤波变成为直流，再将其变换成300-9000Hz高频交流电,经功率放大后施加到各感应加热板7-2内的感应线圈8-1产生交变的磁场，利用其频率较高的交变磁场在上下轧辊6产生涡流达到加热目的,可通过调节电流或频率来调整轧辊的温度,巳经加热并调好间隙的上下轧辊6对所加工的金属带材000实施温轧。热探头装在感应加热板7-2中心的探头孔7-6处，由非金属紧固帽9-3定位防止由热探头金属产生涡流影响检测轧辊温度，温度检测控制单元通过热探头检测轧辊温度并控制功率放大器输出使轧辊温度恒定。 

通过本系统对金属带料等进行电致塑性与温塑性相结合轧制时，首先由轧辊预热装置将轧机的上、下轧辊预热到100-550℃范围；使该金属带材以速度0.1-1m/s传输，并通过一对电接触装置将高能脉冲电流输入到该金属带材的加工段凭借其热效应和非热效应进行电致塑性处理，同时该金属带材的加工段依次进入已预热的轧辊进行电致塑性与温塑性结合的轧制。以下结合实施例详细说明。 

实施例1：加工料为冷加工态的TiNiNb带材，宽10mm,厚度为1.90mm,进行传统温轧与通过本系统进行的电致塑性轧与温轧相结合轧制结果对比。 

温轧上述TiNiNb带材，轧机的轧辊直径300mm，带材入口速度为0.1m/s。将轧辊加热到250℃，通过两道次将TiNiNb带材厚度从1.90mm轧到1.25mm,发现带材边缘和中心都出现明显开裂，如图2所示。 

参照图1通过本系统进行电致塑性轧与温轧相结合轧制，仍取冷加工态的TiNiNb带材。通过电磁感应加热器将轧辊也加热到250℃，由开、收卷装置带动TiNiNb带材以速度0.1m/s传输，两个电接触装置4和5间的距离调节为360mm，并且通过两个电接触装置将高能脉冲电流导入TiNiNb带材的加工段，该高能脉冲电流的脉冲频率为500Hz、脉冲宽度60μs、电流密度幅值为500A/mm²，凭借其热效应和非热效应对TiNiNb带材的加工段进行电致塑性处理，同时该加工段依次进入已预热的轧辊进行电致塑性与温塑性结合的轧制。同样经过两道次轧制将TiNiNb带材厚度从1.90mm轧到1.25mm，TiNiNb带材塑性得到明显改善，如图3所示轧制得到的样品没有开裂。 

实施例2：加工料为完全退火态AZ31镁合金带材，宽100mm,厚度为1.60mm，分别进行常规轧制、温轧和电致塑性加温轧复合轧制方式进行轧制实验。 

采用图1中的轧机，轧辊直径300mm，轧制速度为0.2m/s。冷轧采用室温下的常规轧制，结果在变形量15%左右（即从1.60mm厚轧成1.35mm厚）AZ31镁合金带材就出现明显开裂，如图4所示。 

温轧时，将轧辊6加热到160℃，AZ31镁合金带材接近轧辊时热量迅速从轧辊传到带材上，同时轧辊施加轧制力，轧制速度为0.2m/s。经过三个道次轧制后带材从1.60mm厚轧到0.68 mm（1.60→1.12→0.85→0.68mm; 累积变形量为58%），此时AZ31镁合金带材表面也出现明显开裂，如图5所示。 

基于图1系统进行电致塑性轧与温轧相结合的轧制，通过电磁感应加热器将轧辊的温度仍然加热到160℃，两个电接触装置4和5间的距离为180mm，通过电接触装置4、5向AZ31镁合金带材的加工段施加高能脉冲电流，脉冲电流的参数为：脉冲频率为300Hz，脉冲宽度60μs,电流密度幅值为100A/mm²。轧制速度为0.2m/s，经过四个道次轧制（1.60→1.12→0.85→0.68→0.48mm; 累积变形量达70%），将100mm 宽，厚度为1.60mm 的AZ31镁合金带材轧成厚度为0.48 mm的薄带，如图6所示在此过程中镁合金带材未发生开裂。可见，采用温轧与电轧结合的轧制方式，镁合金塑性变形能力极大提高，轧制出来的镁合金带材表面质量良好，无明显裂纹，也无氧化层。特别指出的是采用该工艺轧制的镁合金带材，中间4个道次的轧制过程中没有进入任何热处理炉进行软化退火。 

本电致塑性与温塑结合轧制系统特别适用于轧制镁合金、TiNi形状记忆合金、钨合金等难加工金属材料的板材/带材，该板材/带材的的宽度为10-1200mm，厚度为0.3-5mm，长度不小于300mm。轧制时，金属板材或带材由开、收卷装置带动，轧制速度在0.1-1m/s范围可调，如实施例2中轧制速度调节为0.6m/s时，相应的脉冲频率仍为300Hz，脉冲宽度为100μs,电流密度幅值在150A/mm²左右，轧辊6仍加热到160℃，轧制出的AZ31镁合金带材也同样得到理想的效果。开、收卷装置根据需要进行张力调节，该轧制系统特别适用于轧制长的卷材。更换轧辊换也能够适用于轧制镁合金、TiNi形状记忆合金、钨合金等难加工金属材料的线材等。 

Claims (10)

1.一种电致塑性与温塑性结合轧制金属材料的系统，其特征在于包括：

轧机，该轧机具有至少一对轧辊；

轧辊预热装置，用于将轧机的上、下轧辊预热到被加工金属材料的回复温度，且低于该金属材料的再结晶温度的范围内，以对该金属材料进行温塑性处理；

脉冲电源，提供用于对该金属材料电致塑性处理的高能脉冲电流，该高能脉冲电流频率为100-3000Hz、脉冲宽度为10-200μs；及

一对电接触装置，它们与所述轧机绝缘，分别连接于脉冲电源的两输出端子，用于将脉冲电源输出的高能脉冲电流输入到该金属材料的加工段，且该金属材料的加工段通过已被轧辊预热装置预热的所述上、下轧辊实现电致塑性与温塑性结合的轧制。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述轧辊预热装置采用电磁感应加热器、电阻加热器或红外加热器。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述电磁感应加热器包括两个带有热探头的圆弧形感应加热板和加热控制电路,一个圆弧形感应加热板安装在所述上轧辊上侧，该圆弧形感应加热板与所述上轧辊之间用一个非金属耐热隔离垫隔开,相应热探头和所述上轧辊柱面动接触；另一个圆弧形感应加热板安装在所述下轧辊下侧,该圆弧形感应加热板与所述下轧辊之间用另一个非金属耐热隔离垫隔开，相应热探头和所述下轧辊柱面动接触。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述热探头具有壳体、壳体内设的弹簧和弹性触头，该热探头安装于所述圆弧形感应加热板中心的探头孔处由非金属紧固帽定位，弹性触头从壳体透出的一端与所述上轧辊或下轧辊柱面动接触。

5.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于：所述加热控制电路包括直流电源、产生300-9000Hz交流信号的逆变器、连接逆变器输出的功率放大器以及温度检测控制单元，所述电磁慼应加热板中的感应线圈由功率放大器驱动，温度检测控制单元用于通过所述热探头检测所述上、下轧辊温度并控制功率放大器输出使上、下轧辊温度恒定。

6.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述轧辊被所述轧辊预热装置预热的温度为100-550℃。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述两个电接触装置之间的距离0-800mm。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述两个电接触装置分别设置于所述上下轧辊前后；或所述两个电接触装置用上、下两个轧辊替代，该上、下两个轧辊与分别与所述轧机绝缘；或所述两个电接触装置中一个置于所述上轧辊前，另一个是所述的上轧辊，该上轧辊与所述轧机绝缘。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：在对所述被加工金属材料电致塑性与温塑性结合轧制状态中，通过所述两个电接触装置向它们之间的被加工金属材料的加工段输入的高能脉冲电流参数为：脉冲宽度为10-200μs，频率为100-3000Hz，电流密度幅值为30-1000A/mm²。

10.如权利要求1或8所述的系统，其特征在于：所述被加工金属材料是镁合金、TiNi形状记忆合金或钨合金的板/带材，该板/带材的宽度为10-1200mm，厚度为0.3-5mm，长度不小于300mm。

Images