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工学论文范文:合金冷板性能
合金冷板性能
| 文章出自:职称论文发表 | 编辑:论文格式范例 | 点击: | 2013-04-23 22:38:30 |

Fe-Si合金具有优异的软磁性能,硅含量为6.5%(质量分数,下同)的Fe-Si合金因其磁导率高、铁损低、磁致伸缩系数接近于零等优异软磁性能而具有广泛的潜在用途。常用的Fe-Si合金中Si少于3.5%,因为随着Si含量的增加,尤其是超过5%以后,由于B2(FeSi)和D03(Fe3Si)等有序相的出现,合金变得既硬又脆,使机械加工性能急剧恶化,难以采用常规的轧制方法加工成薄板[1]。长期以来,人们一直致力于Fe-6.5%Si合金薄板制备技术的开发。近些年,伴随着新制备工艺的出现,人们尝试通过避开该合金的脆性加工区来制备该合金薄板。例如,利用快速凝固工艺[2]、化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,CVD)工艺[3]等来制备该合金薄板。其中以CVD工艺的发展最为成熟,已投入商业化生产。有研究人员通过逐步增塑法,成功利用常规轧制得到了表面光滑、平整和厚度均匀的Fe-6.5%Si硅钢薄板[4-8]。Fe-6.5%Si合金作为一种软磁材料,主要用于制造高频电机和变压器的铁芯,一个铁芯往往需要上千片,甚至上万片叠片,普通硅钢用做铁芯的叠片一般通过冲压的方法获得,然而由于Fe-6.5%Si合金薄板的室温脆性,冷冲比较困难,而通过线切割、激光切割等方法成本较高,因而对Fe-6.5%Si合金薄板冲压性能进行研究对促进该合金的工业化应用有现实意义。对0.3mm厚的Fe-6.5%Si-300×10-6B合金薄板进行了从室温到250℃的拉伸实验,以及冲压实验,用扫描电镜分析其断口,初步获得了比较合理的冲压制度。

1实验材料及方法

以工业纯铁、金属硅(Si含量99%)、硼铁为原料,在真空感应炉中熔炼并浇铸成25kg铸锭,原料及铸锭成分如表1所示。铸锭在900~1000℃锻造开坯,在850~1050℃热轧至1mm,在350~650℃下温轧至0.5mm,然后在室温下冷轧至0.3mm,最终得到尺寸为0.30mm(厚)×65mm(宽)×450mm(长)的冷轧薄板,薄板的表面质量良好,边裂较少,宏观形貌如图1所示。拉伸样品采用冷轧得到的0.3mm厚的Fe-6.5Si-0.029B合金薄板,沿轧向线切割而成,标距尺寸为0.3mm×3mm×12mm。拉伸实验在带加热炉的DDL50高温电子万能试验机上进行,实验温度分别为RT,50,100,150,200,250℃,拉伸速率为1.0×10-3mm/s。拉伸断裂后用SUPRATM55场发射扫描电子显微镜观察其断口形貌。冲压实验采用自行设计模具冲压成环形样品,模具设计内径为32mm,外径为40mm,尺寸精度为IT8级。冲孔凸模直径32.02mm,凹模32.06mm;落料凸模直径为39.98mm,凹模40.02mm,双边间隙为0.04mm,相对间隙为13.3%,模具材料为Cr12,淬火后硬度为58~60HRC。

2实验结果及分析

0.3mm厚Fe-6.5%Si冷轧板试样在室温~250℃拉伸断裂后宏观形貌如图2所示,试样长度方向为轧制方向,即拉伸的轴向。样品上半部分打眼部分断裂为拉伸后人工折断所致。可以看出,室温下拉伸,断面垂直于轴向。50,100℃拉伸,断面开始倾斜与轴向成一定的角度,150,200,250℃拉伸后断裂方向基本与轴向呈45°方向夹角。Fe-6.5%Si冷轧板试样的拉伸曲线如图3所示。由于样品较薄,难以测量实际拉伸过程中的应变,所以应变通过夹具的位移变化计算。图3显示,在室温、50℃拉伸时,样品在弹性变形阶段发生断裂,没有表现出塑性。在100℃及以上拉伸时,材料表现出了一定的塑性变形。材料在100~250℃的断裂强度随温度变化很小,都在1200MPa附近。Fe-6.5%Si冷轧板试样拉伸后的断口形貌如图4所示,室温、50℃的断口形貌为纯解理断口,解理台阶很高,无塑性变形(图4(a),(b));100,150℃的断口形貌绝大部分为解理断口,局部有韧窝,表现出一定的塑性(图4(c),(d));200,250℃的断口呈现大量韧窝,但韧窝细小,塑性形变量较小(图4(e),(f))。拉伸实验结果显示,Fe-6.5%Si冷轧薄板在室温、50℃变形时脆性明显,在弹性变形阶段就发生断裂,断裂方式为解理断裂,断口与拉伸轴向基本垂直。在100℃及以上变形时,材料表现出一定的塑性,断口有一定的韧窝状,断裂方向与拉伸轴呈一定角度。冷轧薄板在室温和50℃变形时由于脆性严重,在弹性变形阶段由于应力集中,在没有达到屈服阶段就发生断裂。而在较高温度下可以有一定的塑性变形,因而断口与轴向呈45°,具有塑性断裂的特征。在250℃拉伸时,与0.3mm温轧板拉伸断口[9]相比,0.3mm冷轧薄板的拉伸断口中韧窝所占的比例比0.3mm温轧板的韧窝多,韧窝也要粗大,表现出了比温轧板更好的塑性。通过拉伸实验可知,在100℃以上时,材料表现出了一定的塑性,到200℃时就表现出了较好的塑性,可以满足冲压对材料塑性的要求,在200℃以下冲压就应该可以获得良好的断面。在冲压实验中,进行了RT,50,100,150,200℃五个不同温度的冲压实验。冷轧薄板在不同温度下冲压变形,冲压后的薄板的宏观形貌如图5所示,变形后的断面形貌如图6所示。图6(a)中A区域有明显的脱落现象,图6(b)中B,C,D分别指示圆角带、光亮带、断裂带。随着冲压温度的升高,光亮带区域变大,断裂带区域变小,光亮带和断裂带的平整度落差变小,断面垂直度提高。圆角带、光亮带、断裂带三部分在冲压件断面上所占的比例随材料的机械性能、凸模与凹模间隙、模具结构不同而变化。此实验只改变了冲压温度,其他条件并没有改变,所以断面质量只与冲压温度有关。由拉伸实验可知,随着拉伸温度的升高,材料的塑性提高,在冲压时延长了塑性变形阶段,推迟了裂纹的产生,增加了光亮带的高度。在室温冲压时断口有脱落现象,如图6(a)中A区域所示;150℃时断裂带所占比例已经很小,断面质量较好,光亮带面积约占整个断面的三分之二。一般冲压断面要求光亮带占整个断面的二分之一即为合格。综合加热成本、模具磨损等各方面因素,0.3mm厚的Fe-6.5Si-0.029B合金冷轧薄板,在双边可知,随着拉伸温度的升高,材料的塑性提高,在冲压时延长了塑性变形阶段,推迟了裂纹的产生,增加了光亮带的高度。在室温冲压时断口有脱落现象,如图6(a)中A区域所示;150℃时断裂带所占比例已经很小,断面质量较好,光亮带面积约占整个断面的三分之二。一般冲压断面要求光亮带占整个断面的二分之一即为合格。综合加热成本、模具磨损等各方面因素,0.3mm厚的Fe-6.5Si-0.029B合金冷轧薄板,在双边模具间隙为0.04,冲压温度为150℃的冲压制度是最合理的。不同冲压温度下断裂带形貌如图7所示,在室温下冲压时断口为解理断口,表现出脆性断裂;在50℃及以上冲压时,断裂带就有一定的韧窝状断口,表现出一定的塑性变形。这与图4拉伸断口形貌有所不同。在50℃冲压时就出现了韧窝,而在拉伸时并没有出现韧窝,这与冲压和拉伸变形时受的应力状态不同有关。拉伸时表现为单向拉应力,而在冲压时,由于模具带有压板和卸料板,在整个冲裁过程中,平均应力绝大部分为静水压应力,板料主要区域处于受压状态[10],因而比拉伸表现出更好的塑性。

3结论

(1)100℃以下拉伸时,0.3mm厚Fe-6.5%Si冷轧薄板没有塑性,断口为解理断口;100℃及以上时,薄板表现出一定的塑性变形,出现韧窝断口。(2)0.3mm厚Fe-6.5%Si冷轧薄板在150℃冲压时,断裂带较小,光亮带较大,垂直度高,断面质量好,断面满足一般冲压变形要求。综合考虑,0.3mm厚冷轧薄板在双边模具间隙为0.04mm,冲压温度为150℃的冲压制度是合理的。(3)冷轧薄板冲压时,在50℃时就出现了韧窝,冲压变形时比拉伸时表现出更好的塑性。

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