CN102794324A

CN102794324A - 一种钢铝复合导电轨制备方法

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Publication number: CN102794324A
Application number: CN2012102950955A
Authority: CN
Inventors: 张进东; 吴彤; 温朝增; 许文博; 刘涛涛; 李立铭; 王彦景
Original assignee: XINGTAI XINHUI COPPER INDUSTRY SPECIAL WIRE MATERIAL Co Ltd
Current assignee: XINGTAI XINHUI COPPER INDUSTRY SPECIAL WIRE MATERIAL Co Ltd
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-20
Also published as: CN102794324B

Abstract

一种钢铝复合导电轨制备方法，用于解决导电轨钢铝结合面复合效果差、制造成本高的问题。它按如下步骤进行：a.材料准备；b.加热；c.双金属连续包覆挤压；d．铣削修整；e.时效处理。本发明由于钢铝之间的复合在高温高压共同作用下挤压完成，所以可以实现钢铝结合面间的冶金结合，结合稳定牢固，没有机械结合带有明显间隙的界面，两种材料之间的冶金结合使层间电阻减到最小，同时由于钢和铝接触面无间隙，接触面不会受到因环境或电的腐蚀侵害。本发明采用是连续挤压加工工艺，还具有制造工艺简单、工序少，整个过程容易受控、可以实现连续生产，耗材少、生产效率高等优点。

Description

一种钢铝复合导电轨制备方法

技术领域

本发明涉及一种轨道交通部件制备方法，特别是城市轨道交通设施中的钢铝复合导电轨制备方法。

背景技术

“导电轨”是沿着电气化铁路运行轨布置并将电力输送给机车的刚性输电导轨，因其一般布置在两条运行轨道的侧边或两条轨道中间，因此又叫“第三轨”，或“复合轨”。目前，城市轨道交通供电系统用的钢铝复合导电轨结构多为以下两种：1，采用铆接方式将U型不锈钢带材嵌入到铝轨本体设有的两个槽中，并使用铆钉将不锈钢带材与铝轨基铆接在一起。这种铆接式钢铝复合导电轨存在两个方面的问题：其一是制造工艺复杂，其二是复合效果差，影响了钢铝复合的一致性，致使其正常使用率较低；2，采用焊接方式将不锈钢带包覆在铝轨基上并进行不锈钢带的焊接，这种焊接式钢铝复合导电轨从一定程度上解决了复合一致性的问题，但是仍然存在以下问题：（1）制造工艺落后，在进行钩型钢带材焊接时通常是在常压状态进行焊接，使得焊处晶格松弛，造成耐磨、耐高温等性能较差以及应力集中问题，因此，在高速摩擦和高温条件下的复合导电轨容易被破坏；（2）在制造钩型不锈钢带材时，需要将一定壁厚的不锈钢带加工成大弯曲弧度的钩型不锈钢带材，由于钩型不锈钢带材的曲率半径较大，现有制造工艺存在耗材较大的问题，增加了制造成本。

发明内容

本发明用于解决上述已有技术之缺陷，提供一种经连续挤压实现钢铝双金属牢固冶金结合、结合面无间隙且工艺简单的钢铝复合导电轨制备方法。

本发明所称问题是以下述技术方案解决的：

一种钢铝复合导电轨制备方法，特别之处是，它按如下步骤进行：

a.材料准备：选用铝合金杆和不锈钢带；清除不锈钢带及合金铝杆表面的油污及氧化层；

b.加热：分别对不锈钢带、合金铝杆和连续挤压机的挤压模具进行中频预加热，其中不锈钢带加热至450-500℃，铝合金杆加热至150-200℃，挤压模具加热至500±20℃；

c. 双金属连续挤压：将预热后的不锈钢带送入连续挤压机挤压模具的钢带输入通道，同时将铝合金杆经连续挤压机送料轮送入挤压模具腔体下部的铝合金杆输入孔，在挤压模具内铝合金杆受热变形，与不锈钢带紧密结合，同步挤出模腔，制成挤压件；

d．铣削修整：对挤压件进行铣削修整，形成钢铝复合导电轨半成品件；

e.时效处理：对钢铝复合导电轨半成品件在200℃温度下进行4小时的时效处理。

上述钢铝复合导电轨制备方法，所述c步骤中，将预热后的两根不锈钢带并排送入连续挤压机挤压模具的钢带输入通道，同时将预热后的两根铝合金杆经连续挤压机送料轮送入挤压模具腔体下部的铝合金杆输入孔，在挤压模具内铝合金杆受热变形，将不锈钢带包覆、同步挤出模腔；所述d步骤中沿挤压件中心平面将挤压件对称铣削切割为两部分，分别对各部分进行表面修整。

上述钢铝复合导电轨制备方法，所述挤压模具包括腔体和依次固定在腔体内的前螺母、导向模、导流模、包覆模、后螺母，所述前、后螺母分别与腔体螺纹旋合；所述导向模由叠置的圆柱形前端和八棱台形后端构成，在导向模中部设有钢带输入通道；所述导流模设有圆形过渡孔，圆形过渡孔连通矩形包覆孔；所述包覆模中部设有挤压通道，挤压通道的横截面形状为两个相叠的工字型。

上述钢铝复合导电轨制备方法，所述腔体外部设有蛇形配置的线圈槽，腔体下部对称设置两个挡台，挡台前端处设有铝合金杆输入孔，铝合金杆输入孔与腔体内部连通。

上述钢铝复合导电轨制备方法，所述钢带输入通道的截面形状为矩形，其前段为变截面，截面面积由大到小渐变，钢带输入通道后段为等截面；所述挤压通道的横截面面积由入口至出口从小到大渐变。

上述钢铝复合导电轨制备方法，所述铝合金杆的直径为16-25毫米，不锈钢带的宽度为85-60毫米、厚度为6毫米。

本发明针对现有导电轨钢铝结合面复合效果差、制造成本高的问题进行了改进，设计了一种以连续挤压双金属复合技术制备钢铝复合导电轨的方法。该方法将不锈钢带和铝合金杆分别预热，然后将不锈钢带和铝合金杆输入连续挤压机的模具中，在高温高压作用下钢铝通过连续挤压同步出模、一次成型，实现钢铝结合面之间的牢固复合。由于钢铝结合面间的复合是在高温高压共同作用下挤压完成，所以可以实现钢铝结合面间的冶金结合，这种冶金结合是由铝和钢的界面原子相互扩散而形成的结合，类似于稳定的金属键，结合稳定牢固，没有机械结合带有明显间隙的界面，两种材料之间的冶金结合使层间电阻减到最小，同时由于钢和铝接触面无间隙，接触面不会受到因环境或电的腐蚀侵害。本发明采用是连续挤压加工工艺，具有制造工艺简单、工序少，整个过程容易受控、可以实现连续生产，耗材少、生产效率高等优点。

附图说明

图1是双金属连续包覆挤压示意图（图2的A-A剖视图）；

图2是图1的B向视图；

图3是挤压模具结构示意图；

图4是腔体的外形示意图；

图5是腔体的结构示意图；

图6是图4的仰视图；

图7是包覆模的主视图；

图8是图7的左视图；

图9是图7的俯视图；

图10导向模的主视图；

图11是图10的左视图；

图12是图10的俯视图；

图13是导流模的主视图；

图14是图13的左视图；

图15是图13的俯视图；

图16是经挤压成型的挤压件结构示意图；

图17是钢铝复合导电轨的结构示意图。

图中各部件标号表示如下：1.送料轮，1-1.导料槽，2.铝合金杆，3.不锈钢带，4.腔体，4-1.铝合金杆输入孔，4-2.挡台，4-3.线圈槽，5.前螺母，6.导向模，6-1. 圆柱形前端，6-2.八棱台形后端，6-3.钢带输入通道，7. 铝合金聚集区，8.导流模，8-1.矩形包覆孔，8-2.圆形过渡孔，9.包覆模，9-1.挤压通道，10.后螺母，11.挤压件，11-1.铝合金基体，12. 钢铝复合导电轨。

具体实施方式

本发明方法采用双金属连续包覆挤压技术，在连续挤压机上经挤压加工形成由铝合金基体包覆不锈钢带的挤压件，再经过切割铣削修整、时效处理等工序制成钢铝复合导电轨产品。以下结合附图对本发明方法予以详述：

1.材料准备：选用铝合金杆和不锈钢带，铝合金杆的直径优选16-25毫米，不锈钢带的宽度优选85-90毫米、厚度为6毫米。清除不锈钢带及铝合金杆表面的油污及氧化层，不锈钢带采用碱液加热浸泡刷洗的清洗方法，合金铝杆采用4%-5%NaOH溶液清洗。

2.加热：分别对不锈钢带、合金铝杆和连续挤压机的挤压模具进行中频预加热，其中不锈钢带加热至450-500℃，铝合金杆加热至150-200℃，挤压模具加热至500±20℃；

3. 双金属连续包覆挤压：参看图1、图2，将预热后的两根不锈钢带3并排送入连续挤压机挤压模具的钢带入口，同时两根预热的铝合金杆2经连续挤压机送料轮1送入挤压模具腔体下部的铝合金杆输入孔（铝合金杆输入孔的直径与所选用铝合金杆的直径匹配），模具预热温度以及包覆挤压过程中铝合金杆与挤压轮摩擦产生的摩擦热量可以使腔体内铝合金的温度维持在450-480℃，在此温度下铝合金杆软化变形成为柔软的组织，变形抗力极小，在连续挤压机强力挤压下，模具腔体内部压强达到每平方厘米100000N以上，软化变形的铝合金将不锈钢带包覆，由模具中挤出，制成挤压件11。在连续挤压机的出口处采用牵引机将挤压件牵引，在牵引力和挤压力的双重作用下，使挤压件稳定无偏向的行进。上述包覆挤压过程中由于铝合金处于高温高压的状态下，铝合金与不锈钢带表面形成一种不同于常规焊接或铆接结合的冶金结合方式。这种冶金结合方式是依靠挤压过程中温度和高压的作用而完成的，它由铝和钢的界面原子相互扩散而形成结合，类似于稳定的金属键，结合稳定而牢固，没有机械结合带有明显间隙的界面，可以使两种材料之间的层间电阻减到最小；同时由于钢和铝接触面无间隙，接触面不会受到因环境或电的腐蚀侵害。为使模具腔体内部压强达到每平方厘米100000N以上的要求，本发明所使用的连续挤压机型号为TLJ600，该挤压机最大功率800KW，挤压轮直径600mm。连续包覆挤压所形成的挤压件其结构如图16所示，挤压件11的横截面为两个叠置的工字型，两根不锈钢带3被并排带包覆在铝合金基体11-1内，挤压件11的这种对称结构，不但可以成倍提高生产效率，而且有利于挤压过程中受力均匀，提高挤压件的产品质量。

4．铣削修整：沿挤压件中心面（即两根不锈钢带的分界面）将挤压件对称铣削切割，再分别经铣削加工修整，倒角去除毛刺，形成钢铝复合导电轨半成品件。

5.时效处理：对钢铝复合导电轨半成品件在200℃温度下进行4小时的时效处理，即制备钢铝复合导电轨产品，其结构如图17所示。通过时效处理，可完成溶质再分配，实现固溶强化，增加铝合金的自身强度，同时也消除了内应力，使制品获得更好的机械性能。

6.矫直整形：对时效处理后的产品件进行细微整形矫直，即制备达到标准要求的钢铝复合导电轨。

本发明所使用的挤压模具安装在连续挤压机上。参看图3-6，所述模具包括腔体4，腔体内设有阶台孔，在阶台孔内由左至右依次固定前螺母5、导向模6、导流模8、包覆模9、后螺母10，所述前、后螺母分别与腔体螺纹旋合锁紧，分别将导向模、包覆模固定，所述导流模8固接包覆模。腔体4的外部设有蛇形配置的线圈槽4-3，该槽内安装用以中频加热模具的线圈；腔体下部对称设置两个挡台4-2，挡台前端设有铝合金杆输入孔4-3，铝合金杆输入孔与腔体内部连通。两个挡台和两个铝合金杆输入孔的位置分别与送料轮上的导料槽1-1位置对应。经送料轮输送的铝合金杆，在行进过程中触到挡台，改变方向由铝合金杆输入孔进入腔体内部。

参看图3和图10-12，所述导向模6由叠置的圆柱形前端6-1和八棱台形后端6-2构成，在导向模中部设有矩形截面的钢带输入通道6-3，为了便于不锈钢带输入、并对输入的不锈钢带起到良好的导向作用，钢带输入通道的前段截面面积由大到小渐变，钢带输入通道后段为等截面，等截面部位的截面形状与两根并排设置的不锈钢带的横截面形状匹配。两根并排的不锈钢带由设置在连续挤压机前部的输送装置送入导向模中。导向模的八棱台形后端6-3与腔体的铝合金杆输入孔4-1位置对应。

参看图3和图13-15，所述导流模8设有圆形过渡孔8-2，圆形过渡孔连通矩形包覆孔8-1，圆形过渡孔和矩形包覆孔共同构成包覆挤压区。由铝合金杆输入孔4-1进入腔体的铝合金杆，首先在导向模的八棱台形后端与腔体间的铝合金聚集区7聚集填塞，随铝合金杆的不断送入腔体，变形软化的铝合金包覆裹挟不锈钢带挤入过渡孔8-2、包覆孔8-1，并随后被挤压进入包覆模9。

参看图3和图7-9，所述包覆模9中部设有挤压通道9-1，挤压通道的横截面形状为横置的两个相叠的工字型，变形软化的铝合金在包覆模内挤压成型，使不锈钢带与铝合金牢固结合为一体。挤压通道9-1的横截面面积由入口至出口从小到大渐变，以防止已经挤压成型的挤压件在向外行进过程中划伤表面。

Claims

1.一种钢铝复合导电轨制备方法，其特征在于，它按如下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的钢铝复合导电轨制备方法，其特征在于：所述c步骤中，将预热后的两根不锈钢带并排送入连续挤压机挤压模具的钢带输入通道，同时将预热后的两根铝合金杆经连续挤压机送料轮送入挤压模具腔体下部的铝合金杆输入孔，在挤压模具内铝合金杆受热变形，将不锈钢带包覆、同步挤出模腔；所述d步骤中沿挤压件中心平面将挤压件对称铣削切割为两部分，分别对各部分进行表面修整。

3.根据权利要求2所述的钢铝复合导电轨制备方法，其特征在于：所述挤压模具包括腔体（4）和依次固定在腔体内的前螺母（5）、导向模（6）、导流模（8）、包覆模（9）、后螺母（10），所述前、后螺母分别与腔体螺纹旋合；所述导向模由叠置的圆柱形前端（6-1）和八棱台形后端（6-2）构成，在导向模中部设有钢带输入通道（6-3）；所述导流模（8）设有圆形过渡孔（8-2），圆形过渡孔连通矩形包覆孔（8-1）；所述包覆模（9）中部设有挤压通道（9-1），挤压通道的横截面形状为两个相叠的工字型。

4.根据权利要求3所述的钢铝复合导电轨制备方法，其特征在于：所述腔体（4）外部设有蛇形配置的线圈槽（4-3），腔体下部对称设置两个挡台（4-2），挡台前端处设有铝合金杆输入孔（4-1），铝合金杆输入孔与腔体内部连通。

5.根据权利要求4所述的钢铝复合导电轨制备方法，其特征在于：所述钢带输入通道（6-3）的截面形状为矩形，其前段为变截面，截面面积由大到小渐变，钢带输入通道后段为等截面；所述挤压通道（9-1）的横截面面积由入口至出口从小到大渐变。

6.根据权利要求5所述的钢铝复合导电轨制备方法，其特征在于：所述铝合金杆的直径为16-25毫米，不锈钢带的宽度为85-90毫米、厚度为6毫米。