一种高强高导铝合金导电轨型材的生产方法与流程

本发明涉及金属材料加工技术领域，具体涉及一种高强高导铝合金导电轨型材的生产方法。

背景技术：

随着现代轨道交通的快速发展，铝合金导电轨挤压型材作为供电系统的关键材料，需求量不断增加；同时，运载能力的提升对导电轨的强度和导电率要求越来越高，特别是导电率的提高可以大大节省建设成本、提高运载能力。al-mg-si(6000系)合金具有中等强度、良好的成型性、焊接性、导电性和抗腐蚀性能，是铝合金导电轨的优选材料，常用合金主要有6101、6101b和6201铝合金。

目前，国内外铝合金型材的生产工艺主要有半连续铸锭－挤压法(见附图2)，其工艺流程包括：半连续铸造→铸锭均匀化→铸锭加热→热挤压→在线淬火→自动牵引→锯切→拉伸矫直→人工时效处理等工序。如cn107805745a公开一种高强耐候铝合金导电轨型材的制备方法，包括：熔炼、铸造得到圆形铸锭、均热炉处理、锯切车皮、预热挤压、淬火、双级时效处理等步骤最终制得成品。该工艺方法如果用于生产单根长度达12米及以上的大断面导电轨型材，则需要大直径铸锭，并由此带来半连续铸造机、均匀化处理炉、铸锭加热炉和挤压机(3000t以上)等主要设备投资大，占地面积大，工模具消耗和能耗高等问题。同时，该方法在生产过程中的几何废料(难以利用的边角料)也高，产品成材率(成材率＝产品质量/原材料质量)较低；更为重要的是，常规正向挤压(即挤压力施加的方向与制品流出的方向相同)的产品组织和性能沿长度方向头尾分布十分不均匀，这将严重地影响到最终导电轨型材的强度与导电性能的均匀性。此外，大铸锭生产过程中由于冷却的原因，造成铸锭晶粒组织粗大且存在内外差别大(凝固偏析等)、更加明显的铸造缺陷如夹渣、缩松、气孔等，大大降低了挤压型材的强度与导电性能。正是这些原因，通常采用半连续铸锭－挤压法生产6101或6101b铝合金导电轨型材的导电率在56％iacs以下。

此外，目前关于高强高导铝合金材料开发方面，主要集中在高强高导铝合金导电线材等方面。如发明专利cn102719709b、cn103131903a、cn103498084b、cn107841658b、cn111069311a、cn102828130b、cn103556016b等均为铝合金导线线材的制备工艺，包括通过超低温快速拉拔、添加稀土元素和/或其他合金元素优化合金成分、多道次顺序轧制配合多道次拉拔、连续挤压大剪切变形并配合在线小冷变形拉伸和人工时效处理、卧式挤压机将坯锭挤压为铝杆再多道次拉拔等处理方式，得到高强高导电铝线。然而这些用于制备高强高导铝合金导电线材的工艺并不能用于生产高强高导铝合金导电轨型材。

发明专利cn108570634a公开了一种制备高强高导铝合金的塑性变形加工方法，采用搅拌摩擦加工技术对低合金元素含量铝合金进行表面加工，然后通过低温时效处理调控铝合金晶粒尺寸与析出相的微观组织搭配，实现在保持铝合金导电性能的同时，提高其强度，从而获得高强高导铝合金板材，其实施例中6201铝合金板材峰时效态的抗拉强度298mpa，电导率测试结果为50％iacs。该方案制备的铝合金板材的电导率较低，亦不适于用于生产高强高导铝合金导电轨型材。

鉴于上述问题，本领域亟需开发高强高导铝合金导电轨型材的生产方法，以解决现有技术存在的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种高强高导铝合金导电轨型材的生产方法，用于解决目前高强高导铝合金导电轨型材生产工艺所存在的半连续铸造机、均匀化处理炉、铸锭加热炉和挤压机等主要设备投资大，占地面积大，工模具消耗和能耗高、产品成材率低、产品沿长度方向组织性能不均匀等问题，在获得高强度的同时进一步提高铝合金导电轨型材的导电率(超过58％iacs)。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种高强高导铝合金导电轨型材的生产方法，所述生产方法包括：将精炼后的铝合金熔体通过快冷连续铸造成断面面积为a1的小断面铝合金盘卷杆坯，再通过连续扩展挤压成断面面积为a2的大断面铝合金导电轨型材；其中a1＜a2。

根据本发明较佳实施例，其中，所述生产方法包括如下工序：

铝合金熔体的快冷连续铸造，得到铝合金盘卷杆坯；

对铝合金盘卷杆坯进行连续扩展挤压，得铝合金导电轨型材；

在挤压机出口进行在线淬火处理、自动牵引、锯切、拉伸矫直、人工时效处理，得铝合金导电轨型材t5状态的产品。

根据本发明较佳实施例，其中，所述快冷连续铸造为轮式连续铸造、上引法、表面张力法和水平连续铸造方法中的一种。

根据本发明较佳实施例，其中，通过所述快冷连续铸造将铝合金熔体铸造得到等效直径为10mm-30.5mm的铝合金盘卷杆坯，以供连续扩展挤压；更优选为等效直径是20mm或30mm。其中，杆坯的断面形状可为圆形或梯形中的任一种。

根据本发明较佳实施例，其中，所述连续扩展挤压使用的挤压机为400型、550型和650型铝材连续挤压机中的任一种。

根据本发明较佳实施例，其中，所述挤压机出口温度控制在460-540℃，挤压轮转速为8-16rpm，通过扩展、分流和成型的结合模具连续挤压得到断面为2000-5000mm²的铝合金导电轨型材。

其中，在460-540℃的温度范围内可实现合金较好的固溶和表面质量，如果挤压机出口温度太低则固溶效果不好，影响后面的时效性能，而挤压机出口太高则产品表面质量不好。其中，挤压轮转速为8-16rpm；如转速太小，则型材在挤压机出口的冷却速度不够，影响淬火和时效性能(影响产品的强度和导电率)，转速太大则受到设备因素限制，同时也会因表面温度太高影响产品的表面质量。

优选地，所述挤压机出口温度控制在460-470℃、470-480℃、480-490℃、490-500℃、500-510℃、510-520℃、520-530℃或530-540℃中的任一温度范围。优选地，挤压轮转速为8rpm、9rpm、10rpm、11rpm、12rpm、13rpm、14rpm、15rpm、16rpm中的任一转速。

根据本发明较佳实施例，其中，所述在线淬火是在挤压机出口位置对挤压得到的铝合金导电轨型材进行在线强风+水雾淬火处理，控制淬火后铝合金导电轨型材的温度为60-120℃；优选为60-70℃、70-80℃、80-90℃、90-100℃、100-110℃、110-120℃中的任一温度区间。该淬火温度可以保证冷却速度、从而达到淬火效果。

根据本发明较佳实施例，其中，对挤压得到的铝合金导电轨型材进行在线自动牵引和锯切、拉伸矫直后进行人工时效处理，得到t5状态的产品。

根据本发明较佳实施例，其中，所述人工时效处理为在180-210℃保温6-16小时。人工时效的处理温度过高会导致过时效、产品强度降低；人工时效温度过低则导致欠时效，产品的导电率达不到要求。

根据本发明较佳实施例，其中，所述人工时效处理为在195-205℃保温8-10小时。通过人工时效处理，消除或减小淬火后产品内的微观应力、机械加工残余应力，以保证产品强度和导电率。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有如下技术优势：

(1)本发明方法生产的导电轨型材强度(抗拉强度、屈服强度)与现有半连续铸锭-热挤压工艺相当，但延伸率更高(获得更好的韧性)且导电率可以超过58％iacs，导电率亦高于现有技术的产品。

(2)与现有的半连续铸锭-热挤压工艺相比，本发明的工艺利用快冷连续铸造和连续扩展挤压变形特点，将快冷连续铸造小规格铝合金盘卷杆坯，通过连续扩展挤压成大断面的导电轨型材，所制备的导电轨型材组织细小、且沿长度方向的组织和性能均匀一致性更好。

(3)本发明方法无需大直径铸锭和大吨位挤压机，取消了挤压前的铸锭均匀化处理和加热过程，特别是挤压模具成本约只有常规热挤压模具的1/10，且工序简化、操作方便、成材率高、生产成本低，适用于高强高导铝合金导电排和型材的开发与生产。

(4)由于本发明不需要大直径铸锭，因此可减少半连续铸造机、均匀化处理炉、铸锭加热炉和挤压机(3000t以上)等主要设备的投资成本，节省能耗和占地面积。此外，由于取消了大直径铸锭，因此可减少几何废料的产生，提高产品成材率；将现有技术中半连续铸锭-均匀化-加热挤压过程改为本发明的快冷连续铸造杆坯-连续扩展挤压，可避免大铸锭因冷却过程造成的铸锭晶粒组织粗大、凝固偏析、铸造缺陷(如夹渣、缩松、气孔等)等问题，有效保证铝合金导电型材的强度，提高其导电性能，稳定产品的质量。

附图说明

图1为本发明的高强高导铝合金导电轨的生产方法流程图。

图2为现有技术的铝合金导电轨的生产方法流程图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明针对目前导电铝合金型材生产技术特点、研发现状和生产实际情况，以及现有制备技术存在诸多局限性，提供一种高强高导铝合金导电轨的生产方法，包括配料、熔化、精炼、快冷连续铸造、连续扩展挤压、在线水淬处理、自动牵引、同步锯切、拉伸矫直、人工时效处理等工序。本发明的工艺利用快冷连续铸造和连续扩展挤压变形相结合，首先通过快冷连续铸造小规格铝合金盘卷杆坯，再通过连续扩展挤压成大断面的铝合金导电轨型材，与现有的半连续铸锭-热挤压工艺相比，导电轨型材组织细小且沿长度方向的组织和性能均匀一致性好，导电轨型材强度与现有半连续铸锭-热挤压工艺相当，但延伸率更高，导电率可以超过58％iacs，高于现有工艺的产品。

如图1所示，为本发明的高强高导铝合金导电轨型材的生产方法流程图，所述生产工艺方法包括：铝合金快冷连续铸造→连续扩展挤压→在线淬火处理→自动牵引→同步锯切→拉伸矫直→人工时效处理等工序。需要说明的是，本发明主要是以铝合金快冷连续铸造、连续扩展挤压来取代现有技术流程图(图2)虚线框中“半连续铸锭、均匀化、加热、挤压”等四个步骤，至于后续的淬火、锯切、拉伸矫直和人工时效等具体方式和条件，则可以依照实际需要进行灵活调整，本发明中不做限制。

如上述所述的本发明的方法，其中，优选地，所述快冷连续铸造为轮式连续铸造和水平连续铸造方法中的一种，即采用轮式连续铸造机或水平连续铸造机进行快冷连续铸造。此外，还可以采用上引法或表面张力法实现快冷连续铸造。

如上述所述的本发明的方法，其中，优选地，所述铝合金快冷连续铸造，得到等效直径为10mm-30.5mm的铝合金盘卷杆坯，更优选为等效直径为20mm或30mm的铝合金盘卷杆坯；其中杆坯断面的形状可为圆形或梯形。

如上述所述的本发明的方法，其中，优选地，所述扩展连续挤压所用挤压机为400型、550型和650型铝材连续挤压机中的一种。

如上述所述的本发明的方法，其中，优选地，所述挤压机出口温度为控制为460-540℃，挤压轮转速为8-16rpm，通过扩展腔、分流板和成型的结合模具连续挤压成断面为2000-5000mm²的铝合金导电轨型材。

如上述所述的本发明的方法，其中，优选地，在线淬火处理方式优选为：挤压出口对产品进行在线强风+水雾淬火处理，控制淬火后产品的温度为60-120℃。

如上述所述的本发明的方法，其中，优选地，挤压产品进行在线自动牵引和锯切、拉伸矫直后在180-210℃保温6-16小时的人工时效处理，得到导电轨型材。

更优选地，拉伸矫直后在195-205℃保温8-10小时的人工时效处理，得到本发明的高强高导铝合金导电轨。

按照本发明的生产方法所生产制造的铝合金导电轨型材，其强度与现有半连续铸锭-热挤压工艺相当，抗拉强度约保持在170-220mpa之间，屈服强度约保持在140-185mpa之间，但延伸率更高且导电率可以超过58％iacs，超过现有技术产品。本发明所发开的工艺，无需大直径铸锭和大吨位挤压机，取消了挤压前的铸锭均匀化处理和加热过程，特别是挤压模具成本只有常规热挤压模具的1/10，且工序简化、操作方便、成材率高、具有更高延伸率(韧性更高)和导电率、生产成本更低，适用于高强高导铝合金导电排和型材的开发与生产。

为了进一步清楚阐明本发明的技术方案和技术效果，以下举出具体实施例进行说明。

采用99.7％铝锭、镁锭以及al-fe、al-cu中间合金，根据电工用6101铝合金的化学成份范围计算各合金加入的重量比例。按此比例配料，在1000kg容量燃气熔炼炉内经熔化、精炼、保温和在线过滤后，采用光谱直读方法对溶体取样进行化学成分分析，实测成份见表1。

表1本发明实施方案中6101铝合金化学成份(wt％)

首先采用直径1200mm的轮式连续铸造机连续铸造成直径当量为ф20mm的梯形杆坯，铸造温度控制为690～710℃，铸造牵引速度600mm/min，得到盘重约600kg杆坯。然后，在400型铝材挤压机上采用扩展模连续挤压成断面积约为2300mm²的铝合金导电轨型材，挤压出口温度约为490℃，挤压轮转速为16rpm；将出模口产品强风喷水冷却至90-100℃；随后利用恒张力对产品进行牵引，14米定尺切，再进行拉伸矫直，切去头尾，然后在180℃保温11h、190℃保温8h、200℃保温10h进行人工时效处理。

对比试验

对比试验采用图2所示流程处理。外购同规格型号的6101铝合金导电轨型材，其实测化学成份如表1。外购公司生产基本生产工艺为：铸锭直径为φ355mm，加热温度480-510℃，挤压出口实测温度约525℃，出口采用强风喷水冷却至90-100℃的淬火方式。随后利用恒张力对产品进行牵引，14米定尺切，再进行拉伸矫直，切去头尾，然后在180℃保温11h、190℃保温8h、200℃保温10h进行人工时效处理。

通过在导电轨型材的头、中和尾取样进行拉伸性能和导电率测试，其平均值(头、中和尾取样测试值的算术平均)与国家标准和常规半连续铸锭-挤压法对比产品性能进行比较，见表2。

表2本发明工艺方法与半连续铸锭-挤压法生产的6101铝合金导电轨型材力学性能和导电率比较

上述实验结果发现：本发明方法生产的导电轨型材强度(抗拉强度、屈服强度)与现有半连续铸锭-热挤压工艺相当，但延伸率更高且导电率可以超过58％iacs，导电率亦略高于现有技术的产品。本发明生产的产品导电率明显优于传统的半连续铸锭-挤压法产品和国家标准值；并且在实验测试过程中，根据头中尾的取样测试结果证明，所制备的导电轨型材沿长度方向的组织和性能均匀一致性较好。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。