一種鋁合金的電脈沖回歸處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于鋁合金材料的熱處理技術領域，具體地說，涉及一種鋁合金的電脈沖回歸處理方法。
【背景技術】
[0002]鋁是地球礦藏中分布最為廣泛的金屬元素。相比鐵、銅等常見的金屬材料，鋁金屬材料密度小、塑性變形能力強、導熱性和導電性好、無磁、無毒、耐酸腐蝕、綜合力學性能優良、鑄造性和焊接性良好，并且切削和成形加工方便，具有非常優良的綜合性能。鋁及鋁合金材料在航天、航空、船舶工業，建筑、電子、機械制造眾多領域中都獲得了廣泛的應用。由于飛行器對重量的敏感性，鋁合金以其優異的強度重量比成為飛行器制造領域用量最多的金屬材料，在航空航天領域中具有舉足輕重的作用。
[0003]金屬塑性成形工藝是一種傳統加工方法，具有材料利用率高、工藝簡單、加工效率高的優勢。但由于金屬本身力學性能的限制，一直以來金屬塑性成形工藝面臨兩大問題:一是如何進一步提高材料的成形極限；另一是如何減小零件成形后回彈帶來的影響。針對成形極限的問題，熱成形是最常采用的方法之一，但其通常伴隨一系列問題，如，需要復雜的加熱設備、熱加工過程中保溫措施復雜、零件表面氧化難以避免、零件形狀存在翹曲變形的缺陷，其不但降低了金屬零件的表面質量和尺寸精度，而且增加了工藝復雜性和生產成本。針對零件回彈的問題，實際生產中一般進行反復調試和修模，這種做法也會帶來一系列的問題，如延長生產周期、增加生產成本。隨著很多高強度材料在航空航天工業中的普遍應用，所成型的零件越來越復雜，對成型精度的要求越來越高，迫切需要一種既能有效降低金屬流動應力，又能提高金屬成形極限，同時還能減小成形后回彈的新工藝。鋁合金經過自然時效強化后，進行快速加熱至一定溫度，然后快速冷卻至室溫，使合金重新軟化，其硬度和強度會立即下降到和剛淬火時相差不多，其它性質的變化也常常相似，如將其在室溫下停放，仍能進行正常的自然時效，這種現象稱為回歸。因此，鋁合金通過回歸處理會使得鋁合金的強度暫時降低，以利于材料的塑性加工。
[0004]發明專利CN1778975A中公開了 “一種用于鋁合金厚板及厚壁件回歸再時效處理的快速回歸方法及裝置”，其特點是，用液壓頂頭將加熱電極與鋁合金厚板或后壁件頂緊，通入電流直接加熱，控制回歸溫度在160?400°C，然后將厚板或后壁件翻入淬火槽中淬火，完成快速回歸處理，使得鋁合金性能恢復到新淬火狀態下的性能，有利于塑性加工，較好地解決了鋁合金厚板及后壁件的表層、心部組織與性能不均勻的問題，通過調節輸出功率獲得較高的升溫速度。但存在以下不足，由于利用的是電流的熱效應，通過直流電流的焦耳熱使得零件溫度升高，一般需要較長的加熱時間且回歸處理時零件的加熱溫度相對較高，最高可達400°C，溫度精度要求在±0.1°C，對相應的配套設備提出了較高的要求，并且需要嚴格控制溫度，使得裝置結構過于復雜，成本較高；另外，所需的加熱及保溫時間較長，最高可達十幾分鐘，會消耗較多的能量，時間過長會對回歸效果造成影響。金屬材料電效應為解決上述諸多問題提供了條件。
【發明內容】
[0005]為了避免現有技術存在的不足，克服鋁合金回歸處理時材料溫升相對較高，且加熱及保溫時間較長的問題，本發明提出一種鋁合金的電脈沖回歸處理方法；采用脈沖電流對自然時效鋁合金材料進行回歸處理，利用電脈沖效應，不僅耗時短，材料溫升較低，而且很容易通過改變電脈沖參數來控制回歸處理效果，具有較好的工藝柔性。該電脈沖回歸處理方法使得鋁合金的強度能暫時降低，以利于材料塑性加工，且可大幅度降低鋁合金回歸熱處理生產中的能量消耗，減少耗時而提高生產效率。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種鋁合金的電脈沖回歸處理方法，其特征在于包括以下步驟:
[0007]步驟1.采用電子萬能實驗機、紅外熱像儀、脈沖電源裝置及絕緣夾頭，脈沖電源裝置選擇高頻脈沖開關電源，上絕緣夾頭通過連接銷安裝在電子萬能實驗機的上橫梁處，下絕緣夾頭固連在電子萬能實驗機的活動橫梁處，兩個絕緣夾頭在脈沖處理時作為夾持端使脈沖電流流過試件，脈沖電源裝置通過導線分別與固定在上絕緣夾頭和下絕緣夾頭上的夾持塊連接，紅外熱像儀用于對試件溫度進行監測和記錄；
[0008]步驟2.單拉試件準備；將切割好的單拉試件經過497°C下保溫45分鐘進行固溶處理，出爐后在3秒鐘內置于20°C水中進行淬火，然后在室溫下自然時效10天，得到自然時效的鋁合金單拉試件；
[0009]步驟3.電脈沖處理；在通電之前，采用絕緣夾頭對單拉試件進行裝夾，并對電脈沖處理參數進行設定，包括脈沖電流和脈沖持續時間，其中，脈沖電流由脈沖電流密度和試件尺寸確定，設定后開啟電源設備，對單拉試件通入脈沖電流進行電脈沖處理，同時，打開紅外熱像儀對試件溫度進行監測和記錄；
[0010]脈沖電流由脈沖電流密度和試件尺寸確定，按公式(I)進行:
[0011]I = J.S = J.H.B(I)
[0012]式中，I為脈沖電源的脈沖電流，J為脈沖電流密度，S為試件的橫截面積，H為試件厚度，B為試件寬度；
[0013]步驟4.進行拉伸試驗；啟動電子萬能實驗機，對試件進行單向拉伸試驗，直到試件斷裂，結束試驗，取下斷后試件。
[0014]有益效果
[0015]本發明鋁合金的電脈沖回歸處理方法，采用脈沖電流對鋁合金材料進行回歸處理；與現有的加熱方式對鋁合金進行回歸處理相比，通過施加電脈沖的方式有以下突出的優點，電脈沖回歸處理耗時短，電脈沖持續時間為0.5s，材料溫升較低，最高溫度不超過130°C，無需專門的控溫處理系統，使得本發明回歸處理裝置結構簡單，制造周期短，成本低廉。采用電脈沖回歸方法來獲得鋁合金強度的暫時降低以利于材料塑性加工，且可大幅度降低鋁合金回歸熱處理生產中的能量消耗，減少耗時提高生產效率；電脈沖回歸處理工藝在金屬成形領域有著巨大的潛力，電脈沖回歸處理工藝通過改變電脈沖參數來控制處理效果，具有較很好的工藝柔性。另外，電脈沖加劇材料晶格震動，促進位錯運動和煙滅，消除位錯引起的晶格變形和畸變及其相應的材料內應力，從而減小材料回彈，同時，電脈沖作為外界能量輸入材料體系，激發材料體系從較高的能態越過能量勢皇降低到較低的能態，釋放塑性變形過程存儲的內能，使整個體系達到穩定狀態。
[0016]根據鋁合金熱處理規范要求，鋁合金回歸處理要求溫升不能超過其固溶處理溫度，并且應保證加熱時間較短，時間過長會出現對應于該溫度下的脫溶相，使得硬度重新升高或過時效，達不到回歸效果，因此，電脈沖回歸處理方法的耗時較短，材料溫升較低的特點很好地符合了鋁合金回歸處理規范，具有較大的實際應用價值。
[0017]電脈沖回歸處理方法可替代傳統的加熱回歸處理工藝，生產中大幅度降低鋁合金熱處理過程中的能量消耗和時間消耗，提高了生產效率，在金屬加工成形領域有巨大的潛力。
【附圖說明】
[0018]下面結合附圖和實施方式對本發明一種鋁合金的電脈沖回歸處理方法作進一步的詳細說明。
[0019]圖1為本發明中的單向拉伸實驗裝置示意圖。
[0020]圖2為本發明中的上絕緣夾頭示意圖。
[0021]圖3為本發明中的下絕緣夾頭示意圖。
[0022]圖4為本發明中脈沖電源輸出的電脈沖波形圖。
[0023]圖5為本發明中電脈沖回歸處理流程圖。
[0024]圖6為本發明實施例中不同狀態下拉伸試驗的應力應變曲線圖。
[0025]圖7為本發明中施加160A/mm2的電脈沖時試件表面溫度變化情況。
[0026]圖中:
[0027]1.上橫梁2.連接銷3.上絕緣夾頭4.紅外熱像儀5.下絕緣夾頭6.活動橫梁7.脈沖電源裝置8.試件9.上連桿10.絕緣板11.夾持塊12.下連桿
【具體實施方式】
[0028]本實施例是一種鋁合金的電脈沖回歸處理方法，通過脈沖電源配合以帶有絕緣夾頭的電子萬能實驗機完成自然時效鋁合金材料的電脈沖回歸處理并測量處理后的鋁合金材料的力學性能；首先將切割好的單拉試件經過497°C下保溫45分鐘進行固溶處理，出爐后在3秒鐘內置于20°C水中進行淬火，然后在室溫下自然時效10天，得到單向拉伸試件；