CN101494323A - 一种制作钢/铝复合导电柱的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制作钢/铝复合导电柱的方法，具体而言就是涉及一种通过控制钢头尺寸并对钢头表面采用浸镀液进行处理，最终利用液态铝与固态钢复合获得钢/铝复合导电柱的方法。在钢头设计过程中，保证钢/铝复合部分的同一高度上钢的面积与铝的面积比为1∶(1.5～2.6)；在钢头底部焊接加强筋；钢头需要与铝水接触的部分在浇注铝水前进行脱脂、除锈和氟锆酸钾水溶液表面预处理；表面预处理后的钢头在400～450℃加热25～35min，铝水的浇注温度控制在750～800℃；铝水浇注好以后，铝杆部分的冷却速率控制在10～40℃/min，以防止铝发生剧烈收缩，避免界面开裂现象。本发明可以明显提高钢/铝复合导电柱的结合强度和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种制作钢/铝复合导电柱的方法，具体而言就是涉及一种通过控制钢头尺寸并对钢头表面采用浸镀液进行处理，最终利用液态铝与固态钢复合获得钢/铝复合导电柱的方法。
技术背景
在电解铝生产中，连接阳极钢爪的钢/铝复合导电柱由钢头和铝杆两部分连接而成。在具体使用时，钢/铝导电柱直接和钢爪焊为一体，大大降低了焊接工作量，且具有电阻小、导电性能好等优点，在不同的工作条件下可重复使用，不容易开裂，且性能良好，在电解铝工业上有着广泛的应用。制作钢/铝复合导电柱的传统方法是爆炸焊技术，制备工艺复杂且需要专用设备，生产成本较高。同时，在这类技术生产的导电柱使用过程中，钢/铝爆炸焊块与铝杆通过铝/铝连接结合在一起，由于处在高温、腐蚀环境且受电流震荡冲击等因素影响，使铝/铝复合界面容易开裂，导电杆的电阻较大，有时会发生脱极现象。因此，有专利技术(钢铝导电柱，ZL 03220070.6及ZL 200520069128.X)提出了用铸造方法制备了钢/铝复合导电柱。钢/铝复合后，铁与铝之间相互作用形成复合层，复合层使钢铝之间的复合具有良好的导热性、导电性和足够的强度，可以克服以上的缺点。但由于钢头尺寸较大，铝液浇注过程控制比较复杂，钢/铝复合往往不能达到理想的要求。
钢/铝固-液复合是十分复杂的表面物理化学过程，在此过程中发生液态铝和固态铁的相互浸润、溶解、吸附、铁铝元素之间的化学作用以及相互扩散等物理化学过程。在该过程中，一个关键问题就是如何解决接触界面氧化问题，它直接关系到复合质量的好坏。在清洁的界面上，铝液中的Al原子可以直接与钢板表面的Fe原子接触。而在被氧化的钢板表面，由于Fe2O3膜的存在，铝液中的Al原子不仅不能直接与钢板表面的Fe原子接触，而且还会在界面上形成Al2O3膜，进一步阻碍钢铝复合。因此，尽管钢头经过脱脂、除锈处理，在固-液相复合时，如果不采取必要的措施，由于高温产生的氧化膜会严重地阻碍钢与铝的复合，使得复合界面性能严重降低。在清洁的钢头表面形成一层浸镀熔剂膜，可以防止钢头表面氧化，而且钢与铝液接触后，熔剂膜迅速熔化、分解，使活性钢表面直接与铝液接触，进而发生铝液对钢板的浸润、漫流、吸附和扩散等复合行为，从而形成良好的界面复合，且工艺简单可靠。但到目前为止，由于结构设计和工艺技术问题，该技术还没有应用于钢/铝复合导电柱的生产。
发明内容
本发明针对上述存在的界面结合不良等问题，提出通过改善钢头设计，配合使用表面处理技术和控制加热温度，保证成功制作钢/铝复合导电杆。
本发明涉及一种制作钢/铝复合导电柱的方法。具体而言为：
一种通过控制钢头尺寸并采用浸镀液对钢头表面进行处理，然后通过液态铝与固态钢的熔合，最终获得钢/铝复合导电柱的方法，其特征在于：在钢头设计过程中，保证钢/铝复合部分的同一高度上钢的面积与铝的面积比为1∶(1.5～2.6)；在钢头底部焊接加强筋；钢头需要与铝水接触的部分在浇注铝水前进行脱脂、除锈和氟锆酸钾水溶液表面预处理；表面预处理后的钢头在400～450℃加热25～35min，铝水的浇注温度控制在750～800℃；铝水浇注好以后，铝杆部分的冷却速率控制在10～40℃/min，以防止铝发生剧烈收缩，避免界面开裂现象。
本发明涉及的钢头底部焊接的加强筋，采用十字交叉的方式排列，其中一根加强筋的高度与钢头高度相当，另一根加强筋的高度比前一跟高出20～100mm，以减少在钢头上形成冷隔的可能性；加强筋采用圆形截面，直径为10～16mm。
本发明涉及的脱脂、除锈工艺为成熟技术，脱脂工艺，如高温烘烤氧化脱脂、碱洗脱脂；除锈工艺，如喷砂除锈、酸洗除锈。
本发明涉及的氟锆酸钾水溶液的表面预处理，是钢表面热浸镀铝常用的浸镀前表面处理技术，处理过程中保持氟锆酸钾水溶液温度不低于80℃。
铝杆部分冷却速率的控制，通过采用不同的模具材料实现。
本发明提出的制作方法具有如下优点：
1、可以一次将钢和铝复合到一起，工艺过程简单。
2、钢/铝界面结合强度高，提高了产品的使用寿命。
3、具有很强的后续开发性，通过进一步开发可以实现半连续生产。
总之，采用上述方法，可以成功生产钢/铝复合导电柱，并明显提高钢/铝复合导电柱的结合强度和使用寿命。
附图说明
图1钢头结构示意图
1加强筋2钢头主体
图2钢/铝复合导电柱示意图
3铝杆4钢/铝复合导电柱
实施方式
本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例。
实施例1
在钢头设计过程中，钢头采用方孔结构，钢头主体外尺寸为130mm×130mm×60mm，内孔尺寸保证钢/铝复合部分同一高度上钢的面积与铝的面积比为1∶1.5；在钢头底部焊接十字交叉的两根加强筋，直径为10mm，一根高60mm，另一根高80mm。图1为钢头结构示意图。浇注前先对钢头需要与铝水接触的部分进行高温烘烤氧化脱脂、喷砂除锈，再用氟锆酸钾水溶液进行表面预处理，氟锆酸钾水溶液的温度保持在80℃；处理后的钢头在450℃加热25min；铝水的浇注温度控制在800℃；铝水浇注好以后，保持钢头附近缓慢冷却，冷却速率控制在40℃/min，以避免界面开裂现象。最终获得了界面质量良好的钢/铝复合导电柱，示意图如图2。经四电极法界面电阻测量表明，界面电阻为0.5μΩ；拉伸试验表明，界面结合强度为80MPa。
实施例2
在钢头设计过程中，钢头采用方孔结构，主体外尺寸为150mm×150mm×70mm，内孔尺寸保证钢/铝复合部分相同高度上钢的面积与铝的面积比为1∶2.0；在钢头底部焊接加强筋，直径为13mm，一根高70mm，另一根高130mm。浇注前，先对钢头需要与铝水接触的部分进行高温烘烤氧化脱脂、喷砂除锈，再用氟锆酸钾水溶液进行表面预处理，氟锆酸钾水溶液的温度保持在80℃；处理后的钢头在430℃加热30min；铝水的浇注温度控制在770℃；铝水浇注好以后，保持钢头附近缓慢冷却，冷却速率控制在30℃/min，以确保不发生剧烈的收缩，防止界面开裂现象。最终获得了界面质量良好的钢/铝复合导电柱。经四电极法界面电阻测量表明，界面电阻为0.55μΩ；拉伸试验表明，界面结合强度为76MPa。
实施例3
在钢头设计过程中，钢头采用方孔结构，主体外尺寸为160mm×160mm×80mm，内孔尺寸保证钢/铝复合部分相同高度上钢的面积与铝的面积比为1∶2.6；在钢头底部焊接加强筋，直径为16mm，一根高80mm，另一根高180mm；浇注前，先对钢头需要与铝水接触的部分进行高碱洗脱脂、酸洗除锈，清水冲洗干净后再用氟锆酸钾水溶液进行表面预处理，氟锆酸钾水溶液的温度保持在85℃；处理后的钢头在400℃加热35min；铝水的浇注温度控制在750℃；铝水浇注好以后，保持钢头附近缓慢冷却，冷却速率控制在10℃/min，以确保不发生剧烈的收缩，防止界面开裂现象。最终获得了界面质量良好的钢/铝复合导电柱。经四电极法界面电阻测量表明，界面电阻为0.6μΩ；拉伸试验表明，界面结合强度为72MPa。
Claims (4)
1、一种制作钢/铝复合导电柱的方法，过控制钢头尺寸并采用浸镀液对钢头表面进行处理，然后通过液态铝与固态钢的熔合，最终获得钢/铝复合导电柱，其特征在于：在钢头设计过程中，保证钢/铝复合部分的同一高度上钢的面积与铝的面积比为1∶(1.5～2.6)；在钢头底部焊接加强筋；钢头需要与铝水接触的部分在浇注铝水前进行脱脂、除锈和氟锆酸钾水溶液表面预处理；表面预处理后的钢头在400～450℃加热25～35min，铝水的浇注温度控制在750～800℃；铝水浇注好以后，铝杆部分的冷却速率控制在10～40℃/min，以防止铝发生剧烈收缩，避免界面开裂现象。
2、权利要求1所述的制作钢/铝复合导电柱的方法，其特征在于：钢头底部焊接的加强筋，采用十字交叉的方式排列，其中一根加强筋的高度与钢头高度相当，另一根加强筋的高度比前一跟高出20～100mm，以减少在钢头上形成冷隔的可能性；加强筋采用圆形截面，直径为10～16mm。
3、权利要求1所述的制作钢/铝复合导电柱的方法，其特征在于：脱脂工艺为高温烘烤氧化脱脂或碱洗脱脂；除锈工艺为喷砂除锈或酸洗除锈。
4、权利要求1所述的制作钢/铝复合导电柱的方法，其特征在于：氟锆酸钾水溶液的表面预处理是钢表面热浸镀铝常用的浸镀前表面处理技术，处理过程中保持氟锆酸钾水溶液温度不低于80℃。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103372640A (zh) * | 2012-04-28 | 2013-10-30 | 广西壮族自治区农业机械研究院 | 钢壳铝芯阳极爪横梁渗铝粘结铸造生产工艺 |
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2009
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