CN107475637B - 一种导电轨及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及导电轨表面性能强化技术领域，提供了一种导电轨及其制备方法。该导电轨由超级不锈钢粉末在喷涂温度为50℃‑150℃喷涂于铝合金基体形成不锈钢涂层制成；该导电轨具有成本低廉，重量小、易安装、耐腐蚀、耐磨性好、经济效益好等优点。该导电轨的制备方法，包括以下制备步骤：对铝合金基体的喷涂面进行清洗处理；对喷涂面进行粗化处理；将超级不锈钢粉末一层一层地喷涂于喷涂面。该制备方法可有效地增强涂层之间的结合强度，减小涂层界面电阻，增强导电能力，提高耐磨寿命。

Description

一种导电轨及其制备方法
技术领域
本发明属于导电轨表面性能强化技术领域，具体地说，涉及一种导电轨及其制备方法。
背景技术
轨道交通的快速发展对设备和零部件的性能要求越来越高，导电轨主要应用于地铁、轻轨及高架轨等电气轨道运输系统中，给电力机车输送电能。
传统的导电轨是采用低碳钢材料制造的。如北京地铁和天津地铁的第三轨采用的就是低碳钢导电轨。国外发达国家在上世纪初第三轨方式使用初期也采用的是低碳钢导电轨。
然而，传统低碳钢导电轨，电阻大，电量损耗多，运行成本高，不耐腐蚀已经无法满足轨道交通的工作需求，现有的钢铝复合导电轨工艺复杂、成本高昂不合适广泛应用。
为了加大导电轨的一次输电距离、改善受流条件、减小机械磨损和电腐蚀、提高经济和社会效应,上世纪70年代末推出钢铝复合导电轨。
然而钢铝复合导电轨，铝合金表面钢厚度厚，钢带与铝合金基体之间的接触为机械结合，在生产制造、工作过程中存在下列问题:
(1)钢铝复合导电轨铝合金型材基体由不锈钢耐磨接触覆板组成。覆板呈U字型，在其两侧支脚、靠近边缘的内外表面上，沿整个导电轨纵向加工有凸起或凹下的锁紧块。在基体两侧沿纵向加工有一对称凸耳，与侧壁之间构成两条纵向缝隙。覆板放在基体上，其两支脚插入基体两条纵向长缝内，通过基体两侧凸耳向内、向下的塑性弯曲变形，将覆板的支脚夹紧，基体材料被挤入覆板两侧的凹下结构内，使覆板被绷紧并紧贴在型材基体的上表面，形成一定强度的机械接触，从而获得一定的导电性能，但这类不锈钢耐磨接触覆板较厚，达几个毫米，耐磨性差，耐磨层使用寿命短；
(2)耐磨覆板与铝合金基体之间的接触为机械结合，二者结合强度低，容易造成耐磨覆板从铝合金表面脱落；
(3)截面电阻大，相应同等截面传送的电流量小，电量损耗。
发明内容
针对现有技术中上述的不足，本发明的第一目的在于提供一种导电轨，该导电轨具有成本低廉，导电性好、电流容量大、重量小、易安装、耐腐蚀、耐磨性好、经济效益好、寿命长等优点；
本发明的第二目的在于提供一种导电轨的制备方法，该制备方法可有效地增强涂层之间的结合强度，减小涂层界面电阻，增强导电能力，提高耐磨寿命，避免出现开裂、变形、焊接强度低等问题；
本发明的第三目的在于提供一种超级不锈钢粉末，具有导电性好、电流容量大，成本低廉等优点。
为了达到上述目的，本发明采用的优选的解决方案是：
一种超级不锈钢粉末，其原料由镍、铬、钼、炭以及铁组成；镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为2-15：15-29：1-4：0.4-1.8：50.2-81.6。
一种导电轨，包括铝合金基体和超级不锈钢粉末，导电轨由超级不锈钢粉末喷涂于铝合金基体形成不锈钢涂层制成。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，铝合金基体的原料由铝、硅、铁、铜、锰，镁以及铬组成；铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.39-98.75：0.25-0.31：0.30-0.36：0.05-0.11：0.05-0.11：0.55-0.61：0.05-0.11。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，不锈钢涂层厚度为0.5-1.0mm。
一种导电轨的制备方法，包括以下制备步骤：(1)对铝合金基体的喷涂面进行清洗处理；(2)对喷涂面进行粗化处理；(3)将超级不锈钢粉末一层一层地喷涂于喷涂面，控制喷涂温度至50℃-150℃。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，清洗处理包括采用酒精清洗喷涂面。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，粗化处理包括向喷涂面喷砂。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤(3)中采用高速火焰喷涂设备对喷涂面进行喷涂，高速火焰喷涂设备包括氧煤油超音速喷涂设备或高压空气燃料超音速喷涂设备。
进一步地，步骤(3)中控制喷涂温度包括采用冷却气体喷射于喷涂面，且冷却气体包括压缩空气。
本发明提供的一种导电轨及其制备方法和超级不锈钢粉末的有益效果是：
(1)本发明实施例提供的超级不锈钢粉末的原料由镍、铬、钼、炭以及铁组成。该些原料的配合使用能够起到协同增效的作用，提高超级不锈钢粉末的导电性和电流容量；其中，镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为2-15：15-29：1-4：0.4-1.8：50.2-81.6，该配比范围是经发明人创造性试验所得，在该配比范围内制备得到的超级不锈钢粉末具有优异的导电性和电流容量。
(2)本发明实施例提供的导电轨，包括铝合金基体和超级不锈钢粉末。以铝合金为基体材料，超级不锈钢粉末为焊料，导电轨由超级不锈钢粉末喷涂于铝合金基体形成不锈钢涂层制成。采用喷涂方式，超级不锈钢粉末和铝合金基体二者的复合界面为无间隙冶金结合，铝合金基体与超级不锈钢涂层之间的结合强度＞70MPa；不锈钢涂层的硬度能够达到55HRC；与现有技术相比导电轨不但结构简单，而且导电性好，电流容量大，比重小，安装方便，耐腐蚀，耐磨性好，使用寿命长。
在本发明实施例中，铝合金基体的原料由铝、硅、铁、铜、锰，镁以及铬组成；该些原料的配合使用能够起到协同增效的作用，减小铝合金基体的密度增加其比强度和耐蚀性。其中，铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.40-98.50：0.25-0.35：0.30-0.40：0.05-0.15：0.05-0.15：0.55-0.65：0.05-0.15，该配比范围是经发明人创造性试验所得，在该配比范围内制备得到的铝合金基体具有优异的比强度和耐蚀性。
在本发明实施例中，为了进一步在确保耐磨性和导电性等性能的基础上减轻导电轨的重量，优选地，不锈钢涂层厚度为0.5-1.0mm。
(3)本发明实施例提供的导电轨的制备方法，包括以下制备步骤：对铝合金基体的喷涂面进行清洗处理，该步骤的设置可除去喷涂面的油渍和污物，考虑到操作的易行性，优选地采用酒精清洗喷涂面；接着，对喷涂面进行粗化处理，粗化处理能够帮助后续步骤中超级不锈钢粉末与铝合金基体的更好结合，考虑到操作的易行性，优选地采用向喷涂面喷砂的方式粗化喷涂面；然后，将超级不锈钢粉末一层一层地喷涂于喷涂面，层层喷涂有利于超级不锈钢粉末在铝合金表面的累积，从而制备得到致密的不锈钢涂层，涂层孔隙率可达到＜0.5％。
在本发明实施例中，优选地，采用高速火焰喷涂设备对喷涂面进行喷涂，高速火焰设备将能够超级不锈钢粉末颗粒融化为熔融态，并通过超音速火焰将熔融态的超级不锈钢粉末颗粒加速至超音速状态，极大地减少了铁、铬、炭元素的挥发，同时避免铝合金基体镍、钼的氧化。在本实施例中，考虑到保证喷射的效果，高速火焰喷涂设备包括氧煤油超音速喷涂设备或高压空气燃料超音速喷涂设备。
需要说明的是，在本发明实施例中，考虑到，能够稳定且高效地实现喷涂作业，优选地采用喷枪在喷涂面做匀速的移动，且夹持高速火焰喷枪的设备为自动化机械手，机械手优选为为二轴机械手或六轴机械手。
在本发明实施例中，作为优选地，控制喷涂温度至50℃-150℃，在该温度范围内，铝合金基体和超级不锈钢粉末具有优异的结合性。温度的控制方式在本发明实施例中，优选地采用冷却气体喷射于喷涂面，冷却气体具有制取容易等优点，在本发明实施例中，优选地却气体包括压缩空气，空气比较稳定，不以防止发生爆炸等事故。
(4)本发明能够实现超级不锈钢涂层与铝合金基体的融合，可以满足不同工况条件下的需要。
(5)本发明具有设备简单、操作灵活、工艺要求低，例如温度低、温度精确控制，零件不受损坏，可以实现批量化生产。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种超级不锈钢粉末由以下质量比的原料制成：镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为2：15：1：0.4：81.6；
一种铝合金基体由以下质量比的原料制成：铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.75：0.25：0.30：0.05：0.05：0.55：0.05；
一种导电轨的原料包括上述超级不锈钢粉末和铝合金基体；
一种导电轨的制备方法包括：(1)采用酒精铝合金基体表面进行除油和去污处理；(2)向喷涂面均匀喷砂，使喷涂面粗化；(3)调试机械手，使喷枪在喷涂面做匀速的移动，开启氧煤油超音速喷涂设备和向工件表面通压缩空气，保证工件表面温度在50℃，喷涂系统开始工作，待检测涂层厚度达0.5mm厚时，关闭系统，制备涂层完成。
实施例2
一种超级不锈钢粉末由以下质量比制成：镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为15：29：4：1.8：50.2；
一种铝合金基体由以下质量比的原料制成：铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.75：0.25：0.30：0.05：0.05：0.55：0.05；
一种导电轨的原料包括上述超级不锈钢粉末和铝合金基体；
一种导电轨的制备方法包括：(1)采用酒精铝合金基体表面进行除油和去污处理；(2)向喷涂面均匀喷砂，使喷涂面粗化；(3)调试机械手，使喷枪在喷涂面做匀速的移动，开启氧煤油超音速喷涂设备和向工件表面通压缩空气，保证工件表面温度在50℃，喷涂系统开始工作，待检测涂层厚度达1mm厚时，关闭系统，制备涂层完成。
实施例3
一种超级不锈钢粉末由以下质量比的原料制成：镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为11：25：3：1：60；
一种铝合金基体由以下质量比的原料制成：铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.75：0.25：0.30：0.05：0.05：0.55：0.05；
一种导电轨的原料包括上述超级不锈钢粉末和铝合金基体；
一种导电轨的制备方法包括：(1)采用酒精铝合金基体表面进行除油和去污处理；(2)向喷涂面均匀喷砂，使喷涂面粗化；(3)调试机械手，使喷枪在喷涂面做匀速的移动，开启氧煤油超音速喷涂设备和向工件表面通压缩空气，保证工件表面温度在50℃，喷涂系统开始工作，待检测涂层厚度达0.8mm厚时，关闭系统，制备涂层完成。
实施例4
一种超级不锈钢粉末由以下质量比的原料制成：镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为11：25：3：1：60；
一种铝合金基体由以下质量比的原料制成：铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.39：0.31：0.36：0.11：0.11：0.61：0.11；
一种导电轨的原料包括上述超级不锈钢粉末和铝合金基体；
一种导电轨的制备方法包括：(1)采用酒精铝合金基体表面进行除油和去污处理；(2)向喷涂面均匀喷砂，使喷涂面粗化；(3)调试机械手，使喷枪在喷涂面做匀速的移动，开启氧煤油超音速喷涂设备和向工件表面通压缩空气，保证工件表面温度在50℃，喷涂系统开始工作，待检测涂层厚度达0.8mm厚时，关闭系统，制备涂层完成。
实施例5
一种超级不锈钢粉末由以下质量比的原料制成：镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为11：25：3：1：60；
一种铝合金基体由以下质量比的原料制成：铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.45：0.3：0.35：0.1：0.1：0.6：0.1；
一种导电轨的原料包括上述超级不锈钢粉末和铝合金基体；
一种导电轨的制备方法包括：(1)采用酒精铝合金基体表面进行除油和去污处理；(2)向喷涂面均匀喷砂，使喷涂面粗化；(3)调试机械手，使喷枪在喷涂面做匀速的移动，开启氧煤油超音速喷涂设备和向工件表面通压缩空气，保证工件表面温度在50℃，喷涂系统开始工作，待检测涂层厚度达0.8mm厚时，关闭系统，制备涂层完成。
实施例6
一种超级不锈钢粉末由以下质量比的原料制成：镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为11：25：3：1：60；
一种铝合金基体由以下质量比的原料制成：铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.45：0.3：0.35：0.1：0.1：0.6：0.1；
一种导电轨的原料包括上述超级不锈钢粉末和铝合金基体；
一种导电轨的制备方法包括：(1)采用酒精铝合金基体表面进行除油和去污处理；(2)向喷涂面均匀喷砂，使喷涂面粗化；(3)调试机械手，使喷枪在喷涂面做匀速的移动，开启氧煤油超音速喷涂设备和向工件表面通压缩空气，保证工件表面温度在150℃，喷涂系统开始工作，待检测涂层厚度达0.8mm厚时，关闭系统，制备涂层完成。
实施例7
一种超级不锈钢粉末由以下质量比的原料制成：镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为11：25：3：1：60；
一种铝合金基体由以下质量比的原料制成：铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.45：0.3：0.35：0.1：0.1：0.6：0.1；
一种导电轨的原料包括上述超级不锈钢粉末和铝合金基体；
一种导电轨的制备方法包括：(1)采用酒精铝合金基体表面进行除油和去污处理；(2)向喷涂面均匀喷砂，使喷涂面粗化；(3)调试机械手，使喷枪在喷涂面做匀速的移动，开启氧煤油超音速喷涂设备和向工件表面通压缩空气，保证工件表面温度在100℃，喷涂系统开始工作，待检测涂层厚度达0.8mm厚时，关闭系统，制备涂层完成。
实施例8
一种超级不锈钢粉末由以下质量比的原料制成：镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为11：25：3：1：60；
一种铝合金基体由以下质量比的原料制成：铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.45：0.3：0.35：0.1：0.1：0.6：0.1；
一种导电轨的原料包括上述超级不锈钢粉末和铝合金基体；
一种导电轨的制备方法包括：(1)采用酒精铝合金基体表面进行除油和去污处理；(2)向喷涂面均匀喷砂，使喷涂面粗化；(3)调试机械手，使喷枪在喷涂面做匀速的移动，开启高压空气燃料超音速喷涂设备和向工件表面通压缩空气，保证工件表面温度在100℃，喷涂系统开始工作，待检测涂层厚度达0.8mm厚时，关闭系统，制备涂层完成。
对比例1
一种超级不锈钢粉末由以下质量比的原料制成：镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为1：30：10：9：50；
一种铝合金基体由以下质量比的原料制成：铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.75：0.25：0.30：0.05：0.05：0.55：0.05；
一种导电轨的原料包括上述超级不锈钢粉末和铝合金基体；
一种导电轨的制备方法包括：(1)采用酒精铝合金基体表面进行除油和去污处理；(2)向喷涂面均匀喷砂，使喷涂面粗化；(3)调试机械手，使喷枪在喷涂面做匀速的移动，开启氧煤油超音速喷涂设备和向工件表面通压缩空气，保证工件表面温度在50℃，喷涂系统开始工作，待检测涂层厚度达0.5mm厚时，关闭系统，制备涂层完成。
对比例2
一种超级不锈钢粉末由以下质量比的原料制成：镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为11：25：3：1：60；
一种铝合金基体由以下质量比的原料制成：铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为97：1：0.5：0.2：0.1：1：0.2；
一种导电轨的原料包括上述超级不锈钢粉末和铝合金基体；
一种导电轨的制备方法包括：(1)采用酒精铝合金基体表面进行除油和去污处理；(2)向喷涂面均匀喷砂，使喷涂面粗化；(3)调试机械手，使喷枪在喷涂面做匀速的移动，开启氧煤油超音速喷涂设备和向工件表面通压缩空气，保证工件表面温度在50℃，喷涂系统开始工作，待检测涂层厚度达0.8mm厚时，关闭系统，制备涂层完成。
对比例3
一种超级不锈钢粉末由以下质量比的原料制成：镍、铬、钼、炭以及铁的质量比为2：15：1：0.4：81.6；
一种铝合金基体由以下质量比的原料制成：铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬的质量比为98.75：0.25：0.30：0.05：0.05：0.55：0.05；
一种导电轨的原料包括上述超级不锈钢粉末和铝合金基体；
一种导电轨的制备方法包括：(1)采用酒精铝合金基体表面进行除油和去污处理；(2)向喷涂面均匀喷砂，使喷涂面粗化；(3)调试机械手，使喷枪在喷涂面做匀速的移动，开启氧煤油超音速喷涂设备和向工件表面通压缩空气，保证工件表面温度在200℃，喷涂系统开始工作，待检测涂层厚度达0.8mm厚时，关闭系统，制备涂层完成。
实验例1
将实施例1-8和对比例1-3设置为实验组1-11；对实验组1-11提供的铝合金基体与不锈钢涂层的结合强度进行测试；对实验组1-11提供的不锈钢涂层进行涂层硬度测试；对实验组1-11提供的不锈钢涂层进行孔隙率测试。
其中，结合强度通过涂层拉伸试验测得；孔隙率通过JB/T 7509-94试验测得；涂层硬度通过洛氏硬度涂层法试验测得，测试结果见表1：
表1.实验组1-11的性能参数
实施例1-3提供的铝合金基体与不锈钢涂层的结合强度，不锈钢涂层进行涂层硬度，以及不锈钢涂层进行孔隙率均优于对比例1，实施例1-3中提供的铝合金基体与不锈钢涂层的结合强度，不锈钢涂层进行涂层硬度，以及不锈钢涂层进行孔隙率以实施例1为最佳，对比例1中的超级不锈钢粉末的原料配比未落在实施例1-3的范围内，该结果表明，采用本发明实施例提供的超级不锈钢粉末的原料配比，其提高结合强度、涂层硬度、涂层孔隙率的效果更好。
实施例3-5提供的铝合金基体与不锈钢涂层的结合强度，不锈钢涂层进行涂层硬度，以及不锈钢涂层进行孔隙率均优于对比例2，实施例3-5中提供的铝合金基体与不锈钢涂层的结合强度，不锈钢涂层进行涂层硬度，以及不锈钢涂层进行孔隙率以实施例5为最佳，对比例2中的铝合金基体的原料配比未落在实施例3-5的范围内，该结果表明，采用本发明实施例提供的铝合金基体的原料配比，其提高结合强度、涂层硬度、涂层孔隙率的效果更好。
实施例5-7提供的铝合金基体与不锈钢涂层的结合强度，不锈钢涂层进行涂层硬度，以及不锈钢涂层进行孔隙率均优于对比例3，实施例5-7中提供的铝合金基体与不锈钢涂层的结合强度，不锈钢涂层进行涂层硬度，以及不锈钢涂层进行孔隙率以实施例7为最佳，该结果表明，在本发明实施例提供的喷涂温度内制备得到的产品，其提高结合强度、涂层硬度、涂层孔隙率的效果更好。
实施例7和8提供的铝合金基体与不锈钢涂层的结合强度，不锈钢涂层进行涂层硬度，以及不锈钢涂层进行孔隙率相当，该结果表明，采用氧煤油超音速喷涂设备和压空气燃料超音速喷涂设备均能达到提高结合强度、涂层硬度、涂层孔隙率的效果。
综上所述，本发明实施例提供的导电轨，具有成本低廉，导电性好、电流容量大、重量小、易安装、耐腐蚀、耐磨性好、经济效益好、寿命长等优点；本发明实施例提供的制备方法可有效地增强涂层之间的结合强度，减小涂层界面电阻，增强导电能力，提高耐磨寿命，避免出现开裂、变形、焊接强度低等问题；本发明实施例提供的超级不锈钢粉末，其具有导电性好、电流容量大，成本低廉等优点。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种导电轨，其特征是：由超级不锈钢粉末在喷涂温度为50℃-150℃喷涂于铝合金基体形成不锈钢涂层制成；所述超级不锈钢粉末的原料由镍、铬、钼、炭以及铁组成；所述镍、所述铬、所述钼、所述炭以及所述铁的质量比为11-15：25-29：3-4：1-1.8：50.2-60；所述铝合金基体的原料由铝、硅、铁、铜、锰、镁以及铬组成；所述铝、所述硅、所述铁、所述铜、所述锰、所述镁以及所述铬的质量比为98.39-98.75：0.25-0.31：0.30-0.36：0.05-0.11：0.05-0.11：0.55-0.61：0.05-0.11。
2.根据权利要求1所述的导电轨，其特征是：所述不锈钢涂层的厚度为0.5-1.0mm。
3.一种如权利要求1或2所述的导电轨的制备方法，其特征是：包括以下制备步骤：
(1)对所述铝合金基体的喷涂面进行清洗处理；(2)对所述喷涂面进行粗化处理；(3)将所述超级不锈钢粉末一层一层地喷涂于所述喷涂面。
4.根据权利要求3所述的导电轨，其特征是：所述清洗处理包括采用酒精清洗所述喷涂面。
5.根据权利要求3所述的导电轨，其特征是：所述粗化处理包括向所述喷涂面喷砂。
6.根据权利要求3所述的导电轨，其特征是：步骤(3)中采用高速火焰喷涂设备对所述喷涂面进行喷涂，所述高速火焰喷涂设备包括氧煤油超音速喷涂设备或高压空气燃料超音速喷涂设备。
7.根据权利要求6所述的导电轨，其特征是：步骤(3)中控制喷涂温度包括采用冷却气体喷射于所述喷涂面，且所述冷却气体包括压缩空气。
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