初探脉冲电流频率对冷拔金属线材力学性能的影响

摘要：本文探讨了脉冲电流频率对冷拔金属线材力学性能的影响。

关键词：高强脉冲电流; 电塑性; 抗拉强度; 伸长率; 回复再结晶。

中图分类号：O361.4 文献标识码：A 文章编号：

1 实验材料及方法

采用的实验材料分别为Φ1. 58 mm 的冷拔态镀铜焊丝和Φ2. 70 mm 的冷拔态55CrSi 弹簧钢丝。镀铜焊丝的主要成分( wt% ) 为: 0. 08 C，1. 64 Mn，0. 82 Ni，0. 64 Si，0. 38 Mo，0. 20 Cu，0. 105 Ti，0. 016 Al，余量Fe。由直径Φ5. 5 mm 的原材料经过直进式拉丝机拾道次拉拔至Φ1. 6 mm，最后镀铜精拔至Φ1. 58 mm 的镀铜焊丝。55CrSi 弹簧钢丝的主要成分( wt% ) 为:0. 55 C，0. 80 Cr，0. 50Mn，0. 75 Si 余量Fe。实验室中，采用自制高强脉冲电源对以上金属线材进行脉冲电流处理，试样在处理过程中用热电偶进行测温记录，实验参数见表1。

在WDW-50 型万能电子试验机上进行单轴拉伸实验，变形速率为3 × 10 s。采用专用钢丝拉伸卡具，加载过程中通过计算机采集和记录形变过程中的载荷和位移信号。采用ISOMET 型金刚石低速切片机选取试样的横截面和纵截面，为避免热镶样时温度对试样的组织结构造成影响，采用环氧树脂进行冷镶，然后进行打磨和抛光。采用质量分数为4% 的硝酸酒精对抛光后的试样进行腐蚀，通过KH-1000 型金相显微镜对试样的显微组织进行观察和分析。

2 实验结果和分析

图1 为镀铜焊丝的拉伸应力应变曲线。由图可见，经过多道次的冷拔变形之后的镀铜焊丝(No. 0) ，其屈服强度为1130 MPa 左右，抗拉强度为1350 MPa 左右，伸长率约为2. 8%。由于硬度和强度过高，使得焊接过程中的抽丝和送丝变得相对困难，难以满足工业应用的要求，因此必须采用相应的后续处理工艺以降低其硬度和强度。通过高强脉冲电流对其进行短时处理，当电流密度为2650 A /mm2 ，脉冲频率为100 Hz，处理时间为10 s 时，该线材(No. 1) 的屈服强度降至790 MPa 左右，抗拉强度降至1120 MPa 左右，伸长率约为3. 8%。提高高强脉冲电流的频率至300 Hz，而其余条件不变，则该线材( No. 2) 的屈服强度和抗拉强度 分别为580 MPa 和805 MPa 左右 ，伸长率则提高至25. 0% 左右。

图2 为55CrSi 弹簧钢的拉伸应力应变曲线。对于冷拔态的55CrSi 弹簧钢(No. 0) ，其屈服强度为1630 MPa 左右，抗拉强度为1850 MPa 左右，屈强比约为0. 88，而伸长率约为1. 9%。通过高强脉冲电流对其进行短时处理，当电流密度为850 A /mm2 ，脉冲频率为400 Hz，处理时间为10 s 时，该线材( No. 1) 的屈服强度降至1375 MPa 左右，抗拉强度降至1545 MPa 左右，此时屈强比约为0. 89，而伸长率提高至5. 6% 左右。提高脉冲电流的频率至800 Hz，而其余条件不变，则线材(No. 2) 的屈服强度降至1255MPa 左右，抗拉强度降至1362 MPa 左右，此时屈强比约为0. 92，而伸长率则大幅提高至9. 2% 左右。

图3 为镀铜焊丝纵截面的显微组织分析。由图3( a) 可见，冷拔态的镀铜焊丝的主要组织是铁素体+ 索氏体。采用高强脉冲电流处理进行短时处理，当脉冲频率为100 Hz，电流密度为2650 A /mm2，处理时间为10 s 时，该线材的显微组织和晶粒尺寸没有发生明显的变化( 图3b)。提高脉冲频率至300 Hz时，该线材的显微组织中引入了细小、均匀的再结晶晶粒( 图3c)。

图4 为55CrSi 弹簧钢纵截面的显微组织分析。由图4( a) 可见，冷拔态的55CrSi 弹簧钢显微组织主要是铁素体+ 索氏体。采用高强脉冲电流处理进行短时处理，当脉冲频率为400 Hz，电流密度为850 A /mm2 ，处理时间为10 s 时，该线材的显微组织和晶粒尺寸没有发生明显的改变(见图4b)。提高脉冲频率至800 Hz时，该线材的显微组织中引入了细小、均匀的再结晶晶粒( 图4c)。

3 讨论

实验表明，通过提高脉冲频率，能使冷拔金属线材在短时内实现完全软化，恢复塑性变形能力，并获得细小均匀的再结晶晶粒。在较低的脉冲频率和较低的温度作用下，金属线材的原子扩散能力虽然不是很大，但晶粒内部的位错、空位、间隙原子等缺陷在脉冲电子流的作用下发生移动和复合，位错密度大大减少。因此，金属线材的其残余应力已经大大地降低，抗拉强度略有降低而塑性有所提高( 图1 中No. 1 和图2 中No. 1 )。此时，金属线材发生回复过程，高强脉冲电流处理的效果类似于去应力退火。在较高的脉冲频率和较高的温度作用下，金属线材内部的原子扩散能力得到明显的增强，其显微组织也由拉长的晶粒通过重新形核和长大变成细小、均匀的等轴晶( 图3c 和图4c) ，且抗拉强度显著降低而塑性大大提高，加工硬化现象得到基本消除( 图1 中No. 2 和图2 中No. 2)。此时，金属线材发生了再结晶过程，高强脉冲电流处理的效果类似于再结晶退火。经高强脉冲电流处理得到组织调整和性能回复所需的时间仅为10 s，远低于传统退火热处理所需的时间，表现出高效、节能等特点。在脉冲电流的工艺参数中，脉冲频率代表单位时间内电子的反复冲击次数，电流密度则是通过单位面积的电子数目，因此，通过提高脉冲频率或电流密度，能够有效地强化脉冲电流对冷拔金属材料的作用，极大地缩短其发生组织调整和性能回复所需的时间。

4 结论

1)在较低的脉冲频率作用时，金属线材仅发生回复过程，被拉长的晶粒基本上保持原始状态。通过提高脉冲频率，金属线材内部可以重新形核和产生细小均匀的晶粒，发生再结晶过程;

2)在高强脉冲电流的作用下，金属线材表现为强度下降、伸长率提高，力学性能得到恢复。在发生再结晶过程后，镀铜焊丝和55CrSi 弹簧钢的抗拉强度分别下降约40% 和26% ，伸长率分别提高约793%和384%。

参考文献：

［1］ 姚可夫，邱胜宝，张长青. 冷拔Q235 钢丝的高强脉冲电流“热”处理［J］. 金属制品，2007，33(6)

［2］ 邱胜宝，姚可夫. 高强脉冲电流工艺参数对Fe 基非晶合金纳米晶化的影响［J］. 稀有金属材料与工程，2008( S4) :