脉冲电流对金属及合金显微组织和性能的影响

孙红镱，吕端剑，李 威，姜艳威

(1.哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150040;2.哈尔滨学院科研处，哈尔滨 150086)

钨属稀有金属，其资源少、价格高、用量大［1］.钨合金以其含钨≥90%，比重≥16.5kg/cm而被称为高比重合金.高比重钨合金以其独有的力学性能和加工性能，受到国防和其他科技领域的青睐.国内外学者对钨合金工艺做了大量的研究，通过工艺的改进，改善钨合金的微观结构，从而改进了合金的性能.

然而钨合金性能对杂质、微观组织、工艺参数的控制却很敏感.在烧结工艺方面，如烧结温度、保温时间、冷却速度和烧结后处理等相关参数直接或间接影响着钨合金的性能质量.而且在不同的真空处理下，室温拉伸性能指标σb、δ、及其断裂韧性值K1c都有一定的影响.而热处理工艺上，一些学者认为合金性能的改善主要是由于杂质的分布发生了变化，氢含量降低等原因造成.然而在合金的传统的热处理过程中却受到很多因素的影响，而且因素由于实验条件的影响很难准确控制.本文将提出了新型的改善合金组织性能的手段，真空电脉冲处理的方法来改善钨合金的力学性能，尤其是在塑性方面有了一定的提高.通过对电流(A)、频率(Hz)、脉冲宽度(μs)、时间(min)等方面的控制和调节使钨合金性能达到预期的改善，并从微观机理出发探讨电脉冲对高比重合金力学性能的影响.探索高密度电脉冲处理对高比重合金完善和弥补传统热效应处理一些缺陷的新方法.

1 真空下脉冲处理工艺实验

1.1 实验装置

在已有的电脉冲实验装置基础上进行改进和完善，由于材料在为真空环境下，在合金高温热处理时力学性能σb、δ、受到影响很大，其低于真空环境下，故将实验装置和实验材料连接处加设了真空玻璃管.而脉冲电源是高密度脉冲电源处理工艺中最关键装置.针对现有的脉冲处理试验设备来说，其可控脉冲电流为:电流密度(50～6000 A/mm2)、电流脉冲宽度(10～100 μs)和频率(10～1000 Hz)，可满足不同种类金属以及钨合金的线形(或带形)材料的脉冲处理工艺要求.

在高密度脉冲电流作用下，可达到与传统退火处理同样的效果［2］，而且在高密度脉冲电流处理时间里可实现较好的力学性能的效果，图1为实验装置简图.

图1 电脉冲处理实验装置示意图

1.2 脉冲处理材料及处理方法

为初步探索电脉冲钨合金处理机制，先探讨单晶体纯铜和铁碳合金的电脉冲处理后的实验效果.

1)试样的制备:将直径为2 mm的钢丝、2mm的钨合金(W93)和纯铜挤压管材制成的形带，十字形同样等.其制备长度均为15 mm或20 mm的试样.并在试样两端分别安装端子，以便于实验时将其固定在脉冲电源的铜电极上.

2)最佳工艺参数设定:如果电脉冲参数选择不合理，可能导致金属材料的塑性下降，力学性能降低.因此所选用的材料在电脉冲软化设备上进行不同工艺条件下的退火软化实验，需总结电脉冲退火软化最佳工艺参数.

试样制备好后，通过调节脉冲电源参数进行不同的工艺实验，同时利用红外线测温仪监测钢丝在退火过程中的温升.然后，对处理前后的试样进行抗拉强度、延伸率等力学性能测试，并应用金相显微镜等观察处理前后显微组织的变化.

1.3 实验参数

对于单晶体铜/铁碳合金/钨合金试样实验参数设定如下.

表1 实验参数值

2 实验结果与讨论

2.1 单晶体铜和铁碳合金的显微组织变化

1)对脉冲处理后的单晶体铜显微组织观察:未经过脉冲处理的原始试样A金相组织如图2的(A)所示.在电流3000 A，频率100 Hz，脉冲宽带200 μs，通电时间5min的条件下，试样温度升高到200～230℃之间时，其显微组织如图2中的(B)所示.对于试样A和B的显微观察可以看出，脉冲处理后的单晶体铜发生再结晶时晶粒出现方向性.而且所需的再结晶温度明显不高.纯铜十字样脉冲处理后，晶粒生长出现方向性与脉冲作用方向一致.高密度脉冲处理影响单滑移取向的疲劳铜单晶中位错结构，细化驻留滑移带的结构，甚至使驻留滑移带局部消失［3］.

图2 单晶铜试样显微组织图

2)对脉冲处理前后的铁碳合金显微组织金相显微镜观察:原始试样A金相显微组织如图3所示，在输出电流为5000 A，电流频率为300 Hz，通电时间为5min的情况下，脉冲宽带200 μs，试样温升为520℃，其显微组织如图3所示.

铁碳合金在520℃时晶粒已经细化，并且再结晶温度降低.在脉冲存在时再结晶时原来变形组织的基体上会产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，直至完全取代金属的原始的组织，同时产生纤维组织.并发现脉冲电流的通入可以使再结晶形核的驱动力增大，且磁场的存在可以提高位错的滑移能力，有利于再结晶的形核及长大.

利用脉冲电流退火时，在330～520℃左右就可以发生再结晶，明显降低了再结晶的起始温度，从而加速了其回复与再结晶，提高了再结晶形核率，使金属的各项性能指标尤其是塑性指标得到很快的恢复和提高.

图3 铁碳合金显微组织图

3.2 W－Ni－Fe高比重合金的力学性能变化

应用WDW3100微机控制电子万能试验机对处理前后的钨合金(W93－Ni4.5－Fe2.5)的成分进行抗拉强度、延伸率等力学性能测试，拉伸实验采用专用拉伸卡具，横梁速率为5 mm/min.采用计算机记录形变过程中的载荷、位移以及时间变化.

电脉冲处理后的试样与原始试样比较，其力学性能实验结果如图4所示.

表2 W－Ni－Fe室温拉伸性能

横坐标为拉拔长度L，纵坐标为拉拔力F，实验结果说明，拉拔抗力明显降低，经计算所得出强度明显降低，原始试样A拉拔力远小于脉冲处理后的式样B的拉拔力，说明脉冲电流处理过后，内应力明显降低，其塑性明显提高.

对于试样C，原始试样与真空下电脉冲处理后的试样比较，其力学拉伸试验中拉拔力和拉伸时间与B结果相似，拉拔抗力明显降低，经计算所得出强度明显降低，塑性提高明显.

图4 拉拔力－拉拔长度曲线对比图

3.3 脉冲处理实验结果的讨论与分析

经过研究表明，高密度脉冲电流对金属材料再结晶过程中的塑性变形、组织转变、晶粒大小、生长取向和其他性能有明显的影响作用.

铁碳合金一般的再结晶温度大约在560～650℃［4］，而在真空下，利用高频脉冲电流处理时，在330～520℃就可以发生再结晶，纯铜一般再结晶温度在200～280℃之间，而在高频电脉冲处理下再结晶温度大约200～230℃之间，可见其明显降低了再结晶的起始温度，提高了再结晶形核率.对于钨合金1200℃时真空电脉冲处理实验，分析研究影响高比重钨合金塑性的因素，与原始式样比较塑性明显提高，同时硬度略有降低幅度不大.

高密度脉冲电流作用下，再结晶温度降低的原因是可能由于孪生形核和亚晶吞并长大形核为主要的形核过程导致.另外，脉冲电流在金属中会产生高强的电子流，可以加快晶内位错的消失，推动位错的滑移和攀升，加速位错进入亚晶界的攀移过程，使晶界角度长大速度加快而缩短再结晶形核所需要的时间.

4 结论

1)实验结果表明，经过电脉冲处理后的钨合金，拉拔抗力明显降低，塑性得到提高.

2)通过金相显微组织分析，发现脉冲电流作用纯铜时，可是再结晶的铜晶体按方向性生长，由电流的流向来决定.

3)对铁碳合金的金相组织观察和分析，电脉冲使形核的驱动力增大，导致再结晶起始温度下降.

4)真空高频率脉冲处理钨合金，可以提高钨合金的塑性，而其强度略降低.可对穿甲弹心体材料的力学性能适度改善和调整.铜和钨的导电率很高，因此在实际生产过程中，铜和钨是利用电塑性效应最佳材料.

［1］邓欣和，周国安.钨基高比重合金烧结及热处理工艺对性能的影响［J］.中国钨业，2007，6(12):23－24.

［2］姚可夫，王沛玉.脉冲电流对金属材料塑性变形和组织结构与性能的影响［J］.机械强度，2003，25(3):340－342.

［3］崔忠圻，刘北兴.金属学与热处理原理［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1998:147－166.