专利名称：钢丝(带)的高能连续电脉冲处理方法
技术领域：
本发明涉及同时提高钢丝(带)强度和塑性的工艺，特别是一种钢丝(带)的高能连续电脉冲处理方法。
背景技术：
钢丝在国民经济中有着重要的应用，被广泛应用于制造金属丝网、制钉、高速公路护拦及建筑工程等行业。理想的钢丝应具有较高的强度和较好的塑性。而传统钢丝中强度和塑性是一对矛盾，如果得到高强度，塑性就会降低，而有时为了得到好的塑性，就必须牺牲强度。适当的高强度和适中的高塑性的结合，可使材料和构件获得非常高的断裂能量或断裂功，从而极大地提高工程构件的性能和寿命。目前钢丝加工硬化后一般需通过退火技术来提高材料塑性，但同时会使强度下降较大，且处理工序多，生产效率不高。如何用简单的工艺使钢丝在获得高强度的同时保持好的塑性，是工程界非常关注的问题。采用高能连续电脉冲对钢丝(带)进行连续处理的工艺未见有关文献披露。
发明内容
本发明提出了一种钢丝(带)的高能连续电脉冲处理方法，这种方法相对于其它处理工艺在强度降低较小的情况下大大提高了钢丝(带)的塑性，从而达到同时提高钢丝(带)的强度和塑性。
本发明钢丝(带)的高能连续电脉冲处理方法，包括以下步骤通过开、收卷装置带动连续的钢丝(带)以一定速度向所述收卷装置方向传输；配置一高能连续电脉冲电源，该电源连续不断地输出多个高能电脉冲并通过一对电接触装置输入运动着的钢丝(带)的加电区域段进行连续处理，同时通过强制冷却装置对所述运动的钢丝(带)的加电区域段进行强制冷却。
上述强制冷却装置设置于运动着的钢丝(带)的加电区域段周围，强制冷却装置可采用油冷方式。处理过程中，输入钢丝(带)的加电区域段的高能连续脉冲电流的工艺参数可以为脉冲宽度10-200μs，频率50-3000Hz，电流密度的幅值≥100A/mm2。其中，优选高能连续脉冲电流的工艺参数为脉冲宽度10-100μs，频率50-1500Hz，电流密度的幅值≥200A/mm2。
本发明与现有其它常规处理钢丝(带)技术相比有以下有益效果1.在电脉冲处理过程中钢丝中产生一定的焦耳热效应和其它的非热效应，由于焦耳热效应和非热效应的耦合作用，使原子振动能量进一步急剧增加，位错的攀移加大，有利于材料中因加工硬化所形成的亚晶转动，这些因素促使了再结晶进程的加速。通过显微组织分析我们在电脉冲处理后的钢丝中观察到大量的微米和亚微米尺度的超细晶粒，这些再结晶后获得的超细晶粒有利于材料同时提高强度和塑性。
2.材料处理均在冷却介质中进行，因此过程中降低了材料的氧化程度。从而减少了常规处理技术因升高温度所带来的氧化加剧的现象。
3.与其它常规技术相比，加工硬化后的材料在经过该发明的处理后，塑性得到极大地改善，同时可保持材料高强度的特性。
4.本发明构思新颖，生产效率高，特别适用于直径不大于3mm的钢丝或厚度小于3mm的带材的处理，所获得的产品具有优异的强度和塑性的综合性能。
图1为钢丝的高能连续电脉冲在线处理设备的实施例示意图；图2为含0.14％碳的低碳钢丝在冷拉变形前的金相组织(×1000)；图3为同一冷拉钢丝经过较大变形后的金相组织(×1000)；图4a为同一冷拉钢丝经高能电脉冲处理后的金相组织(×1000)；图4b为同一冷拉钢丝经直流电流处理后的金相组织(×1000)。
具体实施例方式
图1为实现本发明的一种钢丝(带)的高能连续电脉冲在线处理设备。它包括开卷装置5、收卷装置6、处理用的高能连续电脉冲电源1、设置于开卷装置5和收卷装置6之间的强制冷却装置4以及一对电接触装置3、3’。连续的钢丝(带)2由开、收卷装置支撑并张紧，它们带有的张力调整机构保证钢丝(带)运动过程的稳定性，开、收卷装置旋转能带动钢丝(带)2以一定速度向所述收卷装置方向(图1箭头方向)连续传输，钢丝(带)的传输速度可为0-200m/min，传输速度由变频器和力矩电机调整控制(图中未画出)，在0-200m/min范围内连续可调。
高能连续电脉冲电源1的正、负输出端分别连接两个电接触装置3、3’，通过两个电接触装置3、3’使高能连续脉冲电流输入运动着的钢丝(带)2的加电区域段2’，连续运动的钢丝(带)在加电区域段2’的前后需分别通过导向轮9、9’导入和导出，导向轮的位置微调可调整材料连续运动过程中的张力。在运动着的钢丝(带)2的加电区域段2’周围设置强制冷却装置4，对运动的钢丝(带)的加电区域段2’同时进行强制冷却处理，以保证钢丝(带)表面光洁，消除钢丝(带)表面氧化现象。强制冷却装置4为油冷装置。冷却装置4可包括冷却槽41，冷却槽41内通以循环冷却介质43，42、44分别为循环冷却介质的进口和出口。冷却方式可以是钢丝(带)的加电区域段2’浸入冷却介质中。
高能连续电脉冲电源1的最大输出功率为10KW，输出脉冲宽度可为10-200μs，输出脉冲频率为50-3000Hz。
两个电接触装置3、3’是两个采用镍覆铜层制成的直径为160mm的导电轮，导电轮外周与钢丝(带)接触处设置用于容纳钢丝(带)的槽，以保证接触良好，减小材料与电极间接触电阻，两导电轮之间的距离在100-1500mm范围内可调，使用时根据所需的处理速度调整，速度越快，两导电轮之间的距离应加长。导电轮直径根据材料尺寸确定，待处理钢丝直径越小，导电轮的直径也相应变小。导电轮也可以采用铜-石墨、弥散强化铜或黄铜等导电性较好且耐磨的材料制成，也可以用铜覆镍层、铜-石墨、或黄铜等材料制成的上、下电极压块作为电接触装置，同样在上、下电极压块与钢丝(带)接触处设置用于容纳钢丝(带)的槽，以保证与导线接触良好，减小接触电阻。
采用图1所示设备实现钢丝(带)的高能连续电脉冲处理工艺过程如下通过图1所示开、收卷装置带动连续钢丝(带)2以一定速度向所述收卷装置方向传输，连续钢丝(带)的传输速度根据需要可在0-200m/min范围内调整。
将所述高能连续电脉冲电源1输出的高能连续脉冲电流通过一对电接触装置3、3’输入运动着的钢丝(带)的加电区域段2’进行处理，同时通过设置于运动着的钢丝(带)的加电区域段2’周围的强制冷却装置4对所述运动的钢丝(带)的加电区域段2’进行强制冷却。
处理时输入运动的连续钢丝(带)的加电区域段的高能连续脉冲电流的工艺参数为脉冲宽度10-200μs，频率50-2000Hz，电流密度的幅值≥100A/mm2。优选高能连续脉冲电流的工艺参数为脉冲宽度10-100μs，频率50-1000Hz，电流密度的幅值≥200A/mm2。
对于具体不同尺寸、不同材料、不同冷加工变形量的钢丝(带)，输入的高能连续脉冲电流的工艺参数的原则是1、按集肤效应公式δ＝(π*μ*f/ρ)-1/2，其中μ、ρ、f分别为磁导率、电阻率、频率，δ为电流渗入的厚度。即钢丝直径越小，相应输入的高能连续脉冲频率可增大。
2、冷加工变形量越大，相应输入的高能连续脉冲宽度或电流密度幅值应提高才能达到处理效果。
实施例含碳量为0.14％的低碳钢经冷拉拔后，丝的直径0.36mm，采用图1所示设备和本发明高能连续电脉冲处理方法对该钢丝进行处理。图2为该含0.14％碳的低碳钢丝在冷拉变形前的金相组织(×1000)，其为完全退火后的组织，从图中可以观察到晶粒分布比较均匀，但与脉冲处理后比较晶粒尺寸较大；图3为该冷拉钢丝经过冷拉变形后的金相组织(×1000)，其中很难辨别出晶粒边界，几乎全部是冷拉变形后伸长的纤维状晶粒。
连续的低碳钢丝2由开、收卷装置带动按箭头方向以速度3m/min传输，高能连续电脉冲电源1的正、负极则分别从铜覆镍层制成的导电轮3、3’(导电轮直径为160mm，加电段距离250mm)接入运动的钢丝的加电区域段2’进行处理，连续运动的钢丝在加电区域段2’的前后需分别通过导向轮9、9’导入和导出，同时采用油封式冷却装置4对上述钢丝的加电区域段2’进行冷却处理，循环冷却介质为普通淬火油，通过进口42泵入已冷却的油，而通过出口44不断排出因处理过程而加热的油。输入的高能连续脉冲电的脉冲宽度60μs，频率为100Hz，脉冲峰值电流密度为260A/mm2。
实验发现，经高能电脉冲处理的冷拉钢丝内，形成大量细小的微米和亚微米的超细晶粒(见图4a)，这些再结晶后获得的超细晶粒有利于材料同时提高强度和塑性。同时进行了直流电处理试验对比，输入的直流电流密度为144A/mm2，处理了同一批钢丝，此时钢丝的再结晶晶粒极其不均匀，晶粒尺寸较大(见图4b)，而且在力学性能上也存在很大差异。表1结果表明高能电脉冲较直流电处理冷拉钢丝，在材料延伸率明显提高的同时，强度下降比较小，即使该材料得到了优异的综合机械性能。
表1 含碳量0.14％的低碳钢丝(直径0.36mm)处理前后的性能比较表
权利要求
1.一种钢丝(带)的高能连续电脉冲处理方法，其特征是包括以下步骤通过开、收卷装置带动连续的钢丝(带)以一定速度向所述收卷装置方向传输；配置一高能连续电脉冲电源，该电源连续不断地输出多个高能电脉冲并通过一对电接触装置输入运动着的钢丝(带)的加电区域段进行连续处理，同时通过强制冷却装置对所述运动的钢丝(带)的加电区域段进行强制冷却。
2.根据权利要求1所述的钢丝(带)的高能连续电脉冲处理方法，其特征是处理时输入运动着的钢丝(带)的加电区域段的高能连续脉冲电流的工艺参数为脉冲宽度10-200μs，频率50-3000Hz，电流密度的幅值≥100A/mm2。
3.根据权利要求2所述的钢丝(带)的高能连续电脉冲处理方法，其特征是所述高能连续脉冲电流的工艺参数为脉冲宽度20-100μs，频率50-1000Hz，电流密度的幅值≥200A/mm2。
4.根据权利要求1所述的钢丝(带)的高能连续电脉冲处理方法，其特征是所述强制冷却装置设置于运动的钢丝(带)的加电区域段周围，强制冷却装置采用油冷方式。
全文摘要
本发明涉及一种钢丝(带)的高能连续电脉冲处理方法，包括以下步骤通过开、收卷装置带动钢丝(带)以一定速度向所述收卷装置方向传输；配置一高能连续电脉冲电源，该电源可连续不断地输出多个高能电脉冲并通过一对电接触装置输入运动着的钢丝(带)的加电区域段进行连续处理，同时通过冷却装置对所述运动着的钢丝(带)的加电区域段进行冷却。它采用高能连续脉冲电流对运动着的钢丝(带)进行处理，能耗低，生产效率高，避免了一般处理过程中钢丝(带)材料的表面氧化现象；该方法在极大地改善钢丝(带)塑性的同时可保持材料高强度的特性，从而可获得优异的综合性能，特别适用于直径不大于3mm钢丝(包括管、线、带)的连续处理。
文档编号C21D10/00GK1766135SQ200510101148
公开日2006年5月3日 申请日期2005年11月16日 优先权日2005年11月16日
发明者唐国翌, 徐卓辉, 丁飞, 田绍权, 田昊洋 申请人:清华大学深圳研究生院