专利名称：一种钢/铝复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种适用于电气交通轨道的钢/铝复合材料的制备方法。
背景技术：
导电轨(Conductor Rail或Electric Rail)也称第三接触轨(3rdRail)，它与两个运行轨(Wright Bearing Tracks)平行铺设，通过在其上高速滑动的电流采集器(Current Collector)将高达500～1000V、500～2000A的系统能输送给运行轨道上的电力机车。集电靴固定在电力机车上，以与机车相同的速度在导电轨上高速滑行并与导电轨之间保持一定的接触压力，从而保证电流的有效传送。故导电轨必须满足一定的力学性能及电气性能，如良好的导电性、耐磨性及较高的刚度等。传统的低碳钢导电轨的导电性及导热性差、易生锈、笨重、安装成本高，因此，1960年出现了钢铝复合导电轨。钢铝复合导电轨由导电基体及耐磨接触覆层板构成。钢铝复合导电轨的型材基体通常由导电性好、重量轻的铝合金通过挤压成型，是导电轨的主要电流载体，主要作用是沿纵向传送电流，此外还要承受集电靴的自重及压紧载荷。而覆板厚度一般为2～6mm，材料通常为强度高、耐磨性、耐腐蚀性及导热性能良好的不锈钢材料，它主要承受集电靴高速滑动所产生的磨损。基体与覆板之间通过复合方式牢固地接合在一起。由于钢/铝复合导电轨材料及其结构特点，与传统地低碳钢导电轨相比，具有导电性好、电流损耗小、重量轻、安装简便、无需起重设备，耐腐蚀及耐磨性好、使用寿命长，安装及运行成本低、经济效益好等优点，具有比低碳钢导电轨更为广阔的发展前景，目前较为广泛应用于世界各地的地铁和轻轨中。目前国内外有很多人在这方面作了大量的工作，钢/铝复合材料的结合方式是以机械结合为主的如美国专利U.S.Pat.No.3699275及U.S.Pat.No.3885655等提出采用紧固件螺栓、螺钉及铆钉等间隔固定结构方式。而美国专利U.S.Pat.No.3917039、U.S.Pat.No.5047595、及英国专利GB.Pat.No.2231544公开了一种采用弹性夹紧方式的结构。美国专利U.S.Pat.No.5161667提出的折叠咬合方式。机械结合的主要缺点是层间接触电阻大，同时由于钢和铝的结合面局部有空隙，会导致结合层间的腐蚀加剧，影响导电轨的导电性和使用寿命。上世纪七十年代中期，美国专利U.S.Pat.No.3872577中公开了一种采用热复合工艺制造导电轨的方法。但是采用钢/铝直接热复合工艺存在以下三个方面的问题第一高温时铝表面会发生氧化，影响钢/铝结合面的冶金结合率；第二钢/铝高温直接结合会在结合界面生成影响钢铝结合强度的金属间化合物FeAl3；第三高温时铝的屈服强度较小，易形成较大规模的屈服。从而影响导电性和结合强度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种无脆性金属间化合物生成的冶金结合的钢/铝复合材料的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的制备方法为将变形铝合金YL12置于锡溶液或锌溶液中进行表面浸锡或浸锌，即在变形铝合金表面形成一层厚度为5～10μm的低熔点的防氧化金属膜；在不锈钢表面设置一层厚度为1mm且与钢、铝之间不发生化学反应并易于扩散的金属过渡层，该金属过渡层采用冷喷涂纯铜、纯镍或铜/镍混合物粉末的方法或直接将厚度为1mm的纯铜或纯镍金属箔放置在不锈钢表面；将做过表面防氧化处理的变形铝合金和设置了过渡层的不锈钢放置在真空热挤压炉内在界面温度为480～580℃，压力为6～12MPa下进行热压扩散结合20～60分钟即可。
本发明的变形铝合金YL12的熔点为500～635℃，常温屈服强度325MPa；锡溶液每升含45～70克的NaSnO3，10克的酒石酸钾钠和10克的焦磷酸钾，浸锡温度为55～65℃，浸锡时间为3～7分钟；锌溶液每升含500克的NaOH、100克的ZnO、20克的KNa4O5·4H2O和1克的FeCl3，在室温下浸渍30秒；纯铜、纯镍或铜/镍混合物粉末的粒度为5～50μm；铜/镍混合物按原子百分比含20％-50％的镍，余量为铜；热压扩散时沿结合界面向铝一侧的温度每毫米下降20℃。
采用本发明在变形铝合金表面形成一层低熔点的防氧化金属膜，防止铝合金在加热时氧化，使得热挤压过程在较高的温度下进行；然后在不锈钢表面设置了金属过渡层，此过渡层和钢、铝之间不发生化学反应并易于扩散，热挤压时依靠过渡层元素向钢、铝两侧的扩散形成冶金结合的扩散层，同时又可以避免钢、铝直接接触生成脆性金属间化合物FeAl3；从而实现了钢/铝之间的冶金结合，克服了机械结合钢/铝材料层间接触电阻大、结合层间的腐蚀严重、导电性差、使用寿命短等缺点，同时又有效的抑制了钢/铝之间脆性金属间化合物FeAl3的生成。
具体实施例方式
实施例1首先将熔点为500～635℃，常温屈服强度325MPa变形铝合金YL12置于每升含45克的NaSnO3，10克的酒石酸钾钠和10克的焦磷酸钾的锡溶液中，在65℃，浸锡3分钟，在变形铝合金表面形成一层厚度为5μm的低熔点的防氧化金属膜，防止铝合金在加热时氧化，使得热挤压过程在较高的温度下进行；然后在不锈钢表面采用冷喷涂方法将粒度为5～50μm的纯铜粉末喷涂在不锈钢表面形成厚度为1mm的金属过渡层，此过渡层和钢、铝之间不发生化学反应并易于扩散，热挤压时依靠过渡层元素向钢、铝两侧的扩散形成冶金结合的扩散层，同时又可以避免钢、铝直接接触生成脆性金属间化合物FeAl3；最后将做过表面防氧化处理的变形铝合金和设置了过渡层的不锈钢放置在真空热挤压炉内在580℃，压力为6MPa下进行热压扩散结合20分钟，热压扩散时沿结合界面向铝一侧的温度每毫米下降20℃。
实施例2首先将熔点为500～635℃，常温屈服强度325MPa变形铝合金YL12置于每升含55克的NaSnO3，10克的酒石酸钾钠和10克的焦磷酸钾的锡溶液中，在62℃，浸锡5分钟，在变形铝合金表面形成一层厚度为10μm的低熔点的防氧化金属膜；然后在不锈钢表面采用冷喷涂方法将粒度为5～50μm的纯镍粉末喷涂在不锈钢表面形成厚度为1mm的金属过渡层；最后将做过表面防氧化处理的变形铝合金和设置了过渡层的不锈钢放置在真空热挤压炉内在480℃，压力为12MPa下进行热压扩散结合60分钟，热压扩散时沿结合界面向铝一侧的温度每毫米下降20℃。
实施例3首先将熔点为500～635℃，常温屈服强度325MPa变形铝合金YL12置于每升含65克的NaSnO3，10克的酒石酸钾钠和10克的焦磷酸钾的锡溶液中，在55℃，浸锡7分钟，在变形铝合金表面形成一层厚度为10μm的低熔点的防氧化金属膜；然后在不锈钢表面采用冷喷涂方法将粒度为5～50μm的按原子百分比含20％的镍，余量为铜的铜/镍混合物粉末喷涂在不锈钢表面形成厚度为1mm的金属过渡层；最后将做过表面防氧化处理的变形铝合金和设置了过渡层的不锈钢放置在真空热挤压炉内在500℃，压力为8MPa下进行热压扩散结合50分钟，热压扩散时沿结合界面向铝一侧的温度每毫米下降20℃。
实施例4首先将熔点为500～635℃，常温屈服强度325MPa变形铝合金YL12置于每升含70克的NaSnO3，10克的酒石酸钾钠和10克的焦磷酸钾的锡溶液中，在60℃，浸锡4分钟，在变形铝合金表面形成一层厚度为10μm的低熔点的防氧化金属膜；然后在不锈钢表面采用冷喷涂方法将粒度为5～50μm的按原子百分比含50％的镍，余量为铜的铜/镍混合物粉末喷涂在不锈钢表面形成厚度为1mm的金属过渡层；最后将做过表面防氧化处理的变形铝合金和设置了过渡层的不锈钢放置在真空热挤压炉内在550℃，压力为10MPa下进行热压扩散结合30分钟，热压扩散时沿结合界面向铝一侧的温度每毫米下降20℃。
实施例5首先将熔点为500～635℃，常温屈服强度325MPa变形铝合金YL12置于每升含500克的NaOH、100克的ZnO、20克的KNa4O5·4H2O和1克的FeCl3锌溶液中，在室温下浸渍30秒在变形铝合金表面形成一层厚度为6μm的低熔点的防氧化金属膜；然后将厚度为1mm的纯铜的金属箔放置在不锈钢表面；最后将做过表面防氧化处理的变形铝合金和设置了过渡层的不锈钢放置在真空热挤压炉内在530℃，压力为7MPa下进行热压扩散结合35分钟，热压扩散时沿结合界面向铝一侧的温度每毫米下降20℃。
实施例6首先将熔点为500～635℃，常温屈服强度325MPa变形铝合金YL12置于每升含500克的NaOH、100克的ZnO、20克的KNa4O5·4H2O和1克的FeCl3锌溶液中，在室温下浸渍30秒在变形铝合金表面形成一层厚度为8μm的低熔点的防氧化金属膜；然后将厚度为1mm的纯镍的金属箔放置在不锈钢表面；最后将做过表面防氧化处理的变形铝合金和设置了过渡层的不锈钢放置在真空热挤压炉内在565℃，压力为9MPa下进行热压扩散结合25分钟，热压扩散时沿结合界面向铝一侧的温度每毫米下降20℃。
权利要求
1.一种钢/铝复合材料的制备方法，其特征在于1)将变形铝合金YL12置于锡溶液或锌溶液中进行表面浸锡或浸锌，即在变形铝合金表面形成一层厚度为5～10μm的低熔点的防氧化金属膜；2)在不锈钢表面设置一层厚度为1mm且与钢、铝之间不发生化学反应并易于扩散的金属过渡层，该金属过渡层采用冷喷涂纯铜、纯镍或铜/镍混合物粉末的方法或直接将厚度为1mm的纯铜或纯镍金属箔放置在不锈钢表面；3)将做过表面防氧化处理的变形铝合金和设置了过渡层的不锈钢放置在真空热挤压炉内在界面温度为480～580℃，压力为6～12MPa下进行热压扩散结合20～60分钟即可。
2.根据权利要求1所述的钢/铝复合材料的制备方法，其特征在于所说的变形铝合金YL12的熔点为500～635℃，常温屈服强度325MPa。
3.根据权利要求1所述的钢/铝复合材料的制备方法，其特征在于所说的锡溶液每升含45～70克的NaSnO3，10克的酒石酸钾钠和10克的焦磷酸钾，浸锡温度为55～65℃，浸锡时间为3～7分钟。
4.根据权利要求1所述的钢/铝复合材料的制备方法，其特征在于所说的锌溶液每升含500克的NaOH、100克的ZnO、20克的KNa4O5·4H2O和1克的FeCl3，在室温下浸渍30秒。
5.根据权利要求1所述的钢/铝复合材料的制备方法，其特征在于所说的纯铜、纯镍或铜/镍混合物粉末的粒度为5～50μm。
6.根据权利要求1所述的钢/铝复合材料的制备方法，其特征在于所说的铜/镍混合物按原子百分比含20％-50％的镍，余量为铜。
7.根据权利要求1所述的钢/铝复合材料的制备方法，其特征在于所说的热压扩散时沿结合界面向铝一侧的温度每毫米下降20℃。
全文摘要
一种钢/铝复合材料的制备方法，首先将变形铝合金置于锡溶液或锌溶液中进行表面浸锡或浸锌，即在变形铝合金表面形成一层低熔点的防氧化金属膜；然后在不锈钢表面设置一层与钢、铝之间不发生化学反应并易于扩散的金属过渡层；最后将做过表面防氧化处理的变形铝合金和设置了过渡层的不锈钢放置在真空热挤压炉内进行热压扩散结合即可。采用本发明的制备方法制得的钢/铝复合材料实现了钢/铝之间的冶金结合，克服了机械结合钢/铝材料层间接触电阻大、结合层间的腐蚀严重、导电性差、使用寿命短等缺点，同时又有效的抑制了钢/铝之间脆性金属间化合物FeAl
文档编号B60M1/00GK1752266SQ20051009620
公开日2006年3月29日 申请日期2005年10月20日 优先权日2005年10月20日
发明者成小乐, 高义民, 邢建东, 鲍崇高, 杨建 申请人:西安交通大学