铝包钢线材连续挤压包覆与同步拉拔工艺的数值模拟及其组织和性能的研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:janmey2007
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铝包钢线材是集钢的高强度与纯铝的优良导电性、耐腐蚀性于一体的新型双金属复合材料,其制造成本低、综合性能优良,被广泛应用于输电线路及架空地线等。本文针对LB40铝包钢线材,采用Deform软件对铝包钢线材的连续挤压包覆及同步拉拔成形过程进行了数值模拟分析,研究了各工艺参数对其成形过程的影响规律;并研究了不同拉拔形变量下的铝包钢线材的微观组织与性能。所得主要结果及结论如下:(1)针对LB40铝包钢线材连续挤压包覆成形工艺建立了三维分析模型,对不同挤压轮转速、溢料槽间隙、摩擦系数、模具间隙工艺参数下的连续挤压包覆成形过程进行了数值模拟,结果表明:随着挤压轮转速的增加,铝坯料的温度升高,其变形抗力降低,挤压轮扭矩随之减小;当挤压轮转速由10 r/min增加到18r/min时,挤压轮扭矩由8.2×106N·mm逐渐降低到6.0×106N·mm,增大挤压轮转速有利于提高挤压包覆效率。当腔体与挤压轮之间的溢料槽间隙为0.5mm时,溢料结果较为理想;若间隙过小,成形过程中两者会互相磨削;若间隙过大,将会产生大量溢料,甚至坯料全部从溢料槽流出,导致包覆成形失败。随着模腔与铝坯料之间的摩擦因子的增大,挤压轮的扭矩随之增大。随着导向模与挤压模之间的间隙增加,挤压轮扭矩逐渐减小。(2)针对LB40铝包钢线材同步拉拔成形工艺建立了二维分析模型,对不同模具工作锥角、形变量、摩擦系数以及拉拔速度等工艺参数下的同步拉拔成形过程进行了数值模拟,结果表明:随着模具工作锥角的增大,Z轴应力值先减小后增大,等效应变的最大值向界面处转移,有利于提高界面结合强度,工作锥角的最佳取值为7°。随着拉拔形变量的增大,其Z轴应力值不断增加,当拉拔形变量大于1.08时,Z轴应力大幅度的上升,拉拔形变量应控制在1.08以内。当摩擦系数为0.03-0.09时,摩擦系数的改变对拉拔应力没有显著影响,适宜的摩擦系数为0.05左右。当拉拔速度为5.0m/s时,其等效应力应变相对较小,钢芯及铝层的破坏因子减小,拉拔速度最佳选取值应为5.0m/s。此外,通过对模具应力的分析,发现在模具的定径带和工作区连接处设置过渡圆角可以降低拉拔模具的等效应力和等效应变,减轻模具的磨损。(3)采用光学显微镜、扫描电子显微镜、万能拉伸实验机及X射线衍射等试验方法研究了不同拉拔形变量下的铝包钢线材的微观组织、界面元素分布、力学性能和电学性能等。结果表明:随着拉拔形变量的不断增加,(1)铝包钢线材钢芯的晶粒由包覆态时晶界清晰的等轴状逐渐转变成晶界模糊不清且平行于拉拔方向的纤维状;(2)铝包钢线材的铝钢结合界面处的机械结合程度不断加深,互扩散层的厚度逐渐增大,在界面处有Al Ni和Al Fe相析出;(3)铝包钢线材的铝层与钢芯的显微硬度及其抗拉强度均随之升高,而延伸率随之降低;(4)铝包钢线材的电阻率呈线性增大趋势,通过建立铝包钢线材电阻率的物理计算模型,得到了其电阻率的理论计算式。铝包钢线材从表面到芯部的抗电化学腐蚀能力的大小为:铝层<结合界面<钢芯;研究了温度对铝包钢线材的热膨胀系数的影响规律,随着温度的升高,其热膨胀系数不断增大。
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