[发明专利]一种脉冲电流热处理方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用脉冲电流进行热处理的方法及其实现装置，属材料加工及特种热处理方法技术领域。

背景技术

随着社会发展，人类对材料的要求越来越高，材料的制备方法也不断改进。特种加工方法广泛应用于各个领域。其中，脉冲电流在材料制备过程中的特殊作用越来越受到重视。

脉冲电流对金属材料的塑性变形和组织转变以及扩散控制的第二相析出长大有显著的影响。早在1861年M.Geradin就在铅-锡、汞-钠金属熔体中观察到脉冲电流对原子运动的影响。脉冲电流对金属的塑性变形的影响最早由O.A.Troitskii和VI.Likhtman提出。他们发现在拉伸表面涂汞的锌单晶时，电子流沿晶体滑移系(0001)<1210>方向照射将明显降低锌单晶的流变应力，且硬化率随之降低，极限伸长量增大，塑性提高。这一现象随后被多位学者证实。普遍认为运动电子会产生一个力(电子风)与位错发生交互作用从而影响金属的塑性变形，并称此效应为电致塑性效应。

此外，脉冲电流对材料的组织转变过程也有显著的影响。美国北卡罗来那州大学的H.Conrad等研究了脉冲电流对冷加工状态金属的影响。实验发现脉冲电流可以促进铜再结晶。中国科学院金属研究所的郭敬东等人也发现，与常规热处理退火相比，脉冲电流作为冷加工黄铜的再结晶手段，能够得到更细更均匀的再结晶晶粒，更少的退火孪晶，更低的退火密度，更高的再结晶程度和更好的力学性能。赖祖涵等在研究α-Ti的疲劳实验过程中施加脉冲电流，发现脉冲电流能使位错结构向低能块状结构转变。在非晶态金属材料晶化的过程中施加脉冲电流同样具有很多特殊的效应。赖祖涵等发现通过控制脉冲电流的参数可以控制铁基非晶合金Fe78Si13B9的晶体形核与长大。H.Conrad等也发现高密度脉冲电流可以引起非晶合金的结构驰豫。众多研究表明脉冲电流对非晶合金的晶化过程具有促进作用，可以大幅降低晶化温度，或者代替普通热处理高温晶化。脉冲电流对金属间化合物的形成也有影响，其作用效果不仅取决于金属化合物本身，还与脉冲电流的电流密度、脉宽、作用频率、持续时间等参数有关。

脉冲电流对金属材料内各元素的扩散有显著影响，从而影响材料中第二相粒子的溶解、析出、长大过程。辽宁工业大学李青春等在球墨铸铁的高温球墨化过程中施加脉冲电流。研究发现，随着脉冲电流频率的增加，组织中的石墨数量增加，铁素体的数量逐渐增加，珠光体的量逐渐降低，珠光体中的渗碳体片逐渐变短、变薄，珠光体的显微硬度增加。王焕琴研究了在脉冲电流作用下高速钢(W6Mo5Cr4V2)的球化退火工艺，证明施加脉冲电流可保证得到良好球状珠光体组织和均匀球状碳化物，也可以降低加热及等温温度，又可缩短高速钢球化退火的保温时间。

总之，对金属材料施加脉冲电流，可以利用脉冲电流的焦耳热效应、电致塑性效应、磁压缩效应、集肤效应等对材料的组织转变、内部结构以及加工过程产生重要的影响。但是其中很多现象还有待验证，很多已验证现象的机理还有待深入研究。因此亟需一种小型实验室设备，能够在普通热处理的基础上施加脉冲电流，并且保证相应的保护气氛，以便研究脉冲电流对材料组织性能的影响规律以及二者之间的作用机理，并可以同时实现脉冲电流热处理与常规热处理的对比研究以及脉冲电流热处理与常规热处理的复合处理研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲电流热处理方法，开发一种用小型脉冲电流热处理设备。此设备可以完成在特定气氛中的脉冲电流快速加热退火实验、脉冲电流退火与普通热处理炉退火对比实验、脉冲电流-普通热处理炉复合退火实验。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种脉冲电流热处理方法，单独使用脉冲电流对导电样品进行热处理，或在普通热处理的同时施加脉冲电流，形成复合热处理，其特征在于具体工艺过程如下：热处理过程在保护气氛下进行；将试验样品(5)的两端与样品电极(6)连接，样品电极(6)与电极法兰(19)内侧的铜螺杆(21)连接，铜螺杆(21)的另外一端与脉冲电流发生装置(9)的电源电极(8)相连，构成闭合回路，进行脉冲电流热处理，脉冲电流的频率为5～5000Hz、电流峰值为10～5000A、脉宽为0.2～2ms，使样品在给定温度下保温数小时；或者将密封石英管推入炉膛(1)中，开启脉冲电源和加热系统(2)，进行脉冲电流与普通热处理的复合热处理，加热系统(2)可实现100～1300℃长时间保温。