[發明專利]一種脈沖電流熱處理方法及裝置

有效

• 申請號: 200910198190.1
• 申請日: 2009-11-03
• 公開（公告）號: CN101705340A
• 公開（公告）日: 2010-05-12
• 發明（設計）人: 李莉娟;劉立華;夏強強;李仁興;史文;曾武;翟啟杰
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C21D1/09
• 分類號: C21D1/09;C21D1/04;C21D1/74
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及一種利用脈沖電流進行熱處理的方法及其實現裝置，屬材料加工及特種熱處理方法技術領域。

背景技術

隨著社會發展，人類對材料的要求越來越高，材料的制備方法也不斷改進。特種加工方法廣泛應用于各個領域。其中，脈沖電流在材料制備過程中的特殊作用越來越受到重視。

脈沖電流對金屬材料的塑性變形和組織轉變以及擴散控制的第二相析出長大有顯著的影響。早在1861年M.Geradin就在鉛-錫、汞-鈉金屬熔體中觀察到脈沖電流對原子運動的影響。脈沖電流對金屬的塑性變形的影響最早由O.A.Troitskii和VI.Likhtman提出。他們發現在拉伸表面涂汞的鋅單晶時，電子流沿晶體滑移系(0001)<1210>方向照射將明顯降低鋅單晶的流變應力，且硬化率隨之降低，極限伸長量增大，塑性提高。這一現象隨后被多位學者證實。普遍認為運動電子會產生一個力(電子風)與位錯發生交互作用從而影響金屬的塑性變形，并稱此效應為電致塑性效應。

此外，脈沖電流對材料的組織轉變過程也有顯著的影響。美國北卡羅來那州大學的H.Conrad等研究了脈沖電流對冷加工狀態金屬的影響。實驗發現脈沖電流可以促進銅再結晶。中國科學院金屬研究所的郭敬東等人也發現，與常規熱處理退火相比，脈沖電流作為冷加工黃銅的再結晶手段，能夠得到更細更均勻的再結晶晶粒，更少的退火孿晶，更低的退火密度，更高的再結晶程度和更好的力學性能。賴祖涵等在研究α-Ti的疲勞實驗過程中施加脈沖電流，發現脈沖電流能使位錯結構向低能塊狀結構轉變。在非晶態金屬材料晶化的過程中施加脈沖電流同樣具有很多特殊的效應。賴祖涵等發現通過控制脈沖電流的參數可以控制鐵基非晶合金Fe78Si13B9的晶體形核與長大。H.Conrad等也發現高密度脈沖電流可以引起非晶合金的結構馳豫。眾多研究表明脈沖電流對非晶合金的晶化過程具有促進作用，可以大幅降低晶化溫度，或者代替普通熱處理高溫晶化。脈沖電流對金屬間化合物的形成也有影響，其作用效果不僅取決于金屬化合物本身，還與脈沖電流的電流密度、脈寬、作用頻率、持續時間等參數有關。

脈沖電流對金屬材料內各元素的擴散有顯著影響，從而影響材料中第二相粒子的溶解、析出、長大過程。遼寧工業大學李青春等在球墨鑄鐵的高溫球墨化過程中施加脈沖電流。研究發現，隨著脈沖電流頻率的增加，組織中的石墨數量增加，鐵素體的數量逐漸增加，珠光體的量逐漸降低，珠光體中的滲碳體片逐漸變短、變薄，珠光體的顯微硬度增加。王煥琴研究了在脈沖電流作用下高速鋼(W6Mo5Cr4V2)的球化退火工藝，證明施加脈沖電流可保證得到良好球狀珠光體組織和均勻球狀碳化物，也可以降低加熱及等溫溫度，又可縮短高速鋼球化退火的保溫時間。

總之，對金屬材料施加脈沖電流，可以利用脈沖電流的焦耳熱效應、電致塑性效應、磁壓縮效應、集膚效應等對材料的組織轉變、內部結構以及加工過程產生重要的影響。但是其中很多現象還有待驗證，很多已驗證現象的機理還有待深入研究。因此亟需一種小型實驗室設備，能夠在普通熱處理的基礎上施加脈沖電流，并且保證相應的保護氣氛，以便研究脈沖電流對材料組織性能的影響規律以及二者之間的作用機理，并可以同時實現脈沖電流熱處理與常規熱處理的對比研究以及脈沖電流熱處理與常規熱處理的復合處理研究。

發明內容

本發明的目的是提供一種脈沖電流熱處理方法，開發一種用小型脈沖電流熱處理設備。此設備可以完成在特定氣氛中的脈沖電流快速加熱退火實驗、脈沖電流退火與普通熱處理爐退火對比實驗、脈沖電流-普通熱處理爐復合退火實驗。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

一種脈沖電流熱處理方法，單獨使用脈沖電流對導電樣品進行熱處理，或在普通熱處理的同時施加脈沖電流，形成復合熱處理，其特征在于具體工藝過程如下：熱處理過程在保護氣氛下進行；將試驗樣品(5)的兩端與樣品電極(6)連接，樣品電極(6)與電極法蘭(19)內側的銅螺桿(21)連接，銅螺桿(21)的另外一端與脈沖電流發生裝置(9)的電源電極(8)相連，構成閉合回路，進行脈沖電流熱處理，脈沖電流的頻率為5～5000Hz、電流峰值為10～5000A、脈寬為0.2～2ms，使樣品在給定溫度下保溫數小時；或者將密封石英管推入爐膛(1)中，開啟脈沖電源和加熱系統(2)，進行脈沖電流與普通熱處理的復合熱處理，加熱系統(2)可實現100～1300℃長時間保溫。