一種高強、中導新型銅合金Cu‑Zn‑Cr‑RE導條及製備方法與流程
2023-05-08 23:41:46
本發明涉及電機轉子材料製造技術領域，具體涉及一種異步牽引電機轉子用高強、中導新型銅合金Cu-Zn-Cr-RE導條的製備方法。
背景技術：
隨著軌道交通和高鐵的發展，對其牽引動力—異步牽引電動機的要求越來越高，電機轉子是異步牽引電機的核心部件。目前電機轉子有三種製造技術，鑄鋁轉子耗能高、效率低，鑄銅技術還處於研發階段，一般高速異步牽引電機轉子採用導條嵌在鐵芯上，並與端環焊接在一起。因此，導條的性能和質量直接關係到異步牽引電機的性能。
電機轉子在運轉過程中，由於作用在轉子上的各種應力以及運行時電機的溫升情況，會造成轉子導條由於溫升而造成的軟化現象，並影響電機的服役能力，這種情況對於經常服役在較高溫度下的高強度要求、中導電性要求的導條影響更為明顯。因此要求導條具備高強度、中導電性時，同時需要具備高的室溫強度和較高的高溫強度。而目前這種高強度、中導電性導條通常採用Cu-Zn合金，Cu-Zn合金具備高的室溫強度和中等的電導率，但當溫度升高至200℃以上持續使用時強度會明顯降低。針對目前使用的Cu-Zn合金存在的缺點，開發新型合金Cu-Zn-Cr-RE。
Cu-Zn合金為典型的固溶強化合金，Zn能大量固溶於Cu中，形成α固溶體，450℃時溶解度可達39％。實驗合金中Zn含量只有10％，因此Zn在合金中的存在形式完全為α固溶體，整個加工、熱處理過程對其幾乎沒有影響。Zn的固溶體在本文中的強化作用並不明顯，添加Zn主要是用於調控合金電導率。CuZn10合金為單相固溶體合金，且電阻可調，不足之處就是高溫強度較差。但Cu-Zn合金具有與Cu相同的面心立方晶格，預計在Cu-Zn合金中加Cr應具有與Cu-Cr合金類似的效果。RE能夠細化晶粒，提高合金的電導率和軟化溫度，改善和提高合金的綜合性能。本發明設計Cu-Zn-Cr-RE的思路就是基於這樣的原理，以達到高溫強度高和電阻率適宜的目的。
技術實現要素：
針對以上技術問題，本發明提供一種高強、中導新型銅合金Cu-Zn-Cr-RE導條及製備方法的製備方法。
本發明的技術方案為：一種高強、中導新型銅合金Cu-Zn-Cr-RE導條，其特徵在於，化學組成及其重量百分比為：0.25-0.35％Cr、6-10％Zn、0.05-0.15％RE、0-0.05％Fe、0-0.03％Pb，其餘為銅。
一種高強、中導新型銅合金Cu-Zn-Cr-RE導條及製備方法，其特徵在於，包括以下步驟：
(1)配料：按照所述的成分及配比要求對各合金元素進行配比，選擇並稱取相應的原料；Cu採用銅板方式加入，Zn採用鋅錠方式加入，Cr採用Cu-Cr中間合金方式加入，RE採用La-Ce中間合金方式加入；其中，所述的銅板為電解銅板，純度大於99％。其中，所述的鋅錠為市售二號鋅，純度大於99.95％。
(2)熔煉：採用非真空中頻感應電爐熔煉，待銅板與Cu-Cr中間合金熔煉完後，加入鋅錠，再加入La-Ce中間合金，熔煉完成之後，澆築成鑄錠，冷卻至室溫。
(3)製備導條型材：將所述鑄錠進行預加熱、熱擠壓、冷拉拔和時效熱處理，得到所述導條。
進一步的，Cu-Cr中間合金的製備：將質量百分比為89-91％的銅在非真空中頻感應電爐中熔解完全，熔解溫度為1250-1300℃，再加入質量百分比為9-11％，粒徑為60-80目的鉻粒，加入脫氧劑進行脫氧，加蓋厚度為20-40mm特製覆蓋劑，迅速升溫至1350-1400℃，保溫15-20min，再依次進行鑄錠和熱擠壓，得到Cu-Cr中間合金板材或棒材。
進一步的，銅基La-Ce(RE)中間合金的製備：將質量分數為5-7％的La-Ce(RE)混合稀土在電子天平上稱重，得到重量G1，然後將La-Ce混合稀土在打磨機中打磨10-15min去掉表面氧化層，稱重，得到重量G2，使得(G1-G2)÷G1＝0.05-0.07，得到去氧化La-Ce(RE)混合稀土，將質量分數為93-95％的銅在非真空中頻感應電爐內完全熔融，熔融溫度為1250-1300℃，再將所述去氧化La-Ce(RE)混合稀土加入，加蓋厚度為20-40mm特製覆蓋劑，再依次進行鑄錠、熱擠壓，得到銅基La-Ce(RE)中間合金板材或棒材。
進一步的，在加入La-Ce中間合金後使用環頭攪拌杆攪拌1-3min至金屬熔液混合均勻，加蓋厚度為30-60mm的特製覆蓋劑，靜置保溫20-40min，在水冷金屬型中澆鑄成鑄錠。
進一步的，所述的環頭攪拌杆材料優選的使用氧化鋯陶瓷，耐熱溫度大於2200℃。
進一步的，所述的特製覆蓋劑是由以下重量組分物質組成：20-22份碳纖維粉、10-16份雲母粉、40-50份膨化蛭石粉、18-22份蘇打石粉，上述重量組分粒徑為100-150目。
進一步的，步驟(3)所述的預加熱溫度為750℃-800℃。
進一步的，步驟(3)所述的熱擠壓工藝參數為：擠壓筒及擠壓模具預熱溫度350℃-400℃，開始擠壓溫度≥700℃，擠壓比為50-80，擠壓速度≤12mm/s。
進一步的，步驟(3)所述的冷拉拔變形量為25％-30％。
進一步的，步驟(3)所述的時效處理工藝參數為：時效溫度為400℃-500℃，時效時間為3-5h。
與現有技術相比本發明的有益效果為：(1)由本發明設計的Cu-Zn-Cr-RE合金材料製造的導條，彌散析出的Cr顆粒以及稀土元素RE的綜合作用，顯著細化了Cu-Zn合金導條的晶粒尺寸，從而提高了材料的力學性能。(2)由於彌散析出的Cr顆粒以及稀土元素RE對晶界的綜合作用，提高了Cu-Zn合金的高溫力學性能，使得Cu-Zn合金在350℃仍然具有較高的抗拉強度。(3)本發明利用Cu-Zn合金固溶體基體電導性能隨Zn含量的變化連續穩定可調的特性，通過控制Zn含量來調節電阻率，從而得到理想的電阻率範圍。同時Cr及RE對電阻率的影響極小，進而發明了Cu-Zn-Cr-RE合金導條，滿足了軌道交通異步電機電阻率可調且穩定的特點。
附圖說明
圖1是Cu-10Zn-0.25Cr合金導條產品的金相組織照片；
圖2是Cu-10Zn-0.25Cr-0.08RE合金導條產品的金相組織照片；
圖3是Cu-6Zn-0.3Cr-0.06RE合金導條產品的金相組織照片；
圖4是Cu-8Zn-0.3Cr-0.1RE合金導條產品的金相組織照片。
具體實施方式
實施例1：
一種高強、中導新型銅合金Cu-10Zn-0.25Cr-0.08RE導條及製備方法，其特徵在於，包括以下步驟：
(1)配料：按照所述的成分及配比要求對各合金元素進行配比，選擇並稱取相應的原料；Cu採用銅板方式加入，Zn採用鋅錠方式加入，Cr採用Cu-Cr中間合金方式加入，RE採用La-Ce中間合金方式加入；其中，所述的銅板為電解銅板，純度大於99％。其中，所述的鋅錠為市售二號鋅，純度大於99.95％。
(2)熔煉：採用非真空中頻感應電爐熔煉，待銅板與Cu-Cr中間合金熔煉完後，加入鋅錠，再加入La-Ce中間合金，熔煉完成之後，澆築成鑄錠，冷卻至室溫。其中，Cu-Cr中間合金是將質量百分比為91％的銅在非真空中頻感應電爐中熔解完全，熔解溫度為1250℃，再加入質量百分比為9％，粒徑為60目的鉻粒，加入脫氧劑進行脫氧，加蓋厚度為20mm特製覆蓋劑，迅速升溫至1350℃，保溫15min，再依次進行鑄錠和熱擠壓，得到Cu-Cr中間合金板材或棒材。其中，La-Ce中間合金是將質量分數為5％的La-Ce(RE)混合稀土在電子天平上稱重，得到重量G1，然後將La-Ce混合稀土在打磨機中打磨10-15min去掉表面氧化層，稱重，得到重量G2，使得(G1-G2)÷G1＝0.05，得到去氧化La-Ce(RE)混合稀土，將質量分數為95％的電解銅板在非真空中頻感應電爐內完全熔融，熔融溫度為1250℃，再將所述去氧化La-Ce(RE)混合稀土加入，加蓋厚度為20mm特製覆蓋劑，再依次進行鑄錠、熱擠壓，得到銅基La-Ce(RE)中間合金板材或棒材；其中，在加入La-Ce中間合金後使用環頭攪拌杆攪拌1min至金屬熔液混合均勻，加蓋厚度為30mm的特製覆蓋劑，靜置保溫20min，在水冷金屬型中澆鑄成鑄錠。其中，所述的特製覆蓋劑是由以下重量組分物質組成：20份碳纖維粉、10份雲母粉、40份膨化蛭石粉、18份蘇打石粉，上述重量組分粒徑為100目。其中，所述的環頭攪拌杆材料優選的使用氧化鋯陶瓷，耐熱溫度大於2200℃。
(3)製備導條型材：將所述鑄錠進行預加熱、熱擠壓、冷拉拔和時效熱處理，得到所述導條。其中，將所述的鑄錠經車削去氧化層，車削後鑄錠直徑為將所述車削後鑄錠進行熱擠壓，鑄錠溫度為750℃，再經水冷卻、冷拉拔、時效處理，其中，所述的熱擠壓工藝參數為：擠壓筒預熱溫度為380℃，擠壓模具預熱溫度400℃，開始擠壓溫度為720℃，擠壓比為75，擠壓速度為10mm/s；所述的冷拉拔的變形量為27％，所述的時效處理工藝參數為：時效溫度為430℃，時效時間為4h，得到Cu-10Zn-0.25Cr-0.08RE合金粗成品。
(4)合金性能測試及加工：將所述的Cu-10Zn-0.25Cr-0.08RE合金粗成品進行金相組織、電學性能、常溫力學性能及高溫力學性能等性能測試，選出合格產品，將所述合格產品進行拉拔或旋鍛加工成型，按規格製備成所需成品。具體如表一及圖2所示。
實施例2：
一種高強、中導新型銅合金Cu-6Zn-0.3Cr-0.06RE導條及製備方法，其特徵在於，包括以下步驟：
(1)配料：按照所述的成分及配比要求對各合金元素進行配比，選擇並稱取相應的原料；Cu採用銅板方式加入，Zn採用鋅錠方式加入，Cr採用Cu-Cr中間合金方式加入，RE採用La-Ce中間合金方式加入；其中，所述的銅板為電解銅板，純度大於99％。其中，所述的鋅錠為市售二號鋅，純度大於99.95％。
(2)熔煉：採用非真空中頻感應電爐熔煉，待銅板與Cu-Cr中間合金熔煉完後，加入鋅錠，再加入La-Ce中間合金，熔煉完成之後，澆築成鑄錠，冷卻至室溫。其中，將質量百分比為90％的電解銅板在非真空中頻感應電爐中熔解完全，熔解溫度為1280℃，再加入質量百分比為10％，粒徑為70目的鉻粒，加入脫氧劑進行脫氧，加蓋厚度為30mm特製覆蓋劑，迅速升溫至1380℃，保溫17min，再依次進行鑄錠和熱擠壓，得到Cu-Cr中間合金板材或棒材。其中，將質量分數為6％的La-Ce(RE)混合稀土在電子天平上稱重，得到重量G1，然後將La-Ce混合稀土在打磨機中打磨12min去掉表面氧化層，稱重，得到重量G2，使得(G1-G2)÷G1＝0.06，得到去氧化La-Ce(RE)混合稀土，將質量分數為94％的電解銅板在非真空中頻感應電爐內完全熔融，熔融溫度為1280℃，再將所述去氧化La-Ce(RE)混合稀土加入，加蓋厚度為30mm特製覆蓋劑，再依次進行鑄錠、熱擠壓，得到銅基La-Ce(RE)中間合金板材或棒材；其中，銅基La-Ce(RE)中間合金完全熔解後，使用環頭攪拌杆攪拌2min至金屬熔液混合均勻，其中，所述的環頭攪拌杆材料優選的使用氧化鋯陶瓷，耐熱溫度大於2200℃，加蓋厚度為45mm的特製覆蓋劑，靜置保溫30min，在水冷金屬型中澆鑄成鑄錠。其中，所述的特製覆蓋劑是由以下重量組分物質組成：21份碳纖維粉、13份雲母粉、45份膨化蛭石粉、20份蘇打石粉，上述重量組分粒徑為120目。
(3)製備導條型材：將所述鑄錠進行預加熱、熱擠壓、冷拉拔和時效熱處理，得到所述導條。其中，將所述的鑄錠經車削去氧化層，車削後鑄錠直徑為將所述車削後鑄錠進行熱擠壓，鑄錠溫度為780℃，再經水冷卻、冷拉拔、時效處理，其中，所述的熱擠壓工藝參數為：擠壓筒預熱溫度為380℃，擠壓模具預熱溫度為400℃，開始擠壓溫度750℃，擠壓比為75，擠壓速度7.5mm/s；所述的冷拉拔的變形量為27％，所述的時效處理工藝參數為：時效溫度為430℃，時效時間為4h，得到Cu-6Zn-0.3Cr-0.06RE合金粗成品；
(4)合金性能測試及加工：將所述的Cu-6Zn-0.3Cr-0.06RE合金粗成品進行金相組織、電學性能、常溫力學性能及高溫力學性能等性能測試，選出合格產品，將所述合格產品進行拉拔或旋鍛加工成型，按規格製備成所需成品。具體如表一及圖3所示。
實施例3：
一種高強、中導新型銅合金Cu-8Zn-0.3Cr-0.1RE導條及製備方法，其特徵在於，包括以下步驟：
(1)配料：按照所述的成分及配比要求對各合金元素進行配比，選擇並稱取相應的原料；Cu採用銅板方式加入，Zn採用鋅錠方式加入，Cr採用Cu-Cr中間合金方式加入，RE採用La-Ce中間合金方式加入；其中，所述的銅板為電解銅板，純度大於99％。其中，所述的鋅錠為市售二號鋅，純度大於99.95％。
(2)熔煉：採用非真空中頻感應電爐熔煉，待銅板與Cu-Cr中間合金熔煉完後，加入鋅錠，再加入La-Ce中間合金，熔煉完成之後，澆築成鑄錠，冷卻至室溫。其中，將質量百分比為89％的電解銅板在非真空中頻感應電爐中熔解完全，熔解溫度為1300℃，再加入質量百分比為11％，粒徑為80目的鉻粒，加入脫氧劑進行脫氧，加蓋厚度為20-40mm特製覆蓋劑，迅速升溫至1400℃，保溫20min，再依次進行鑄錠和熱擠壓，得到Cu-Cr中間合金板材或棒材。其中，將質量分數為7％的La-Ce(RE)混合稀土在電子天平上稱重，得到重量G1，然後將La-Ce混合稀土在打磨機中打磨15min去掉表面氧化層，稱重，得到重量G2，使得(G1-G2)÷G1＝0.07，得到去氧化La-Ce(RE)混合稀土，將質量分數為93％的電解銅板在非真空中頻感應電爐內完全熔融，熔融溫度為1300℃，再將所述去氧化La-Ce(RE)混合稀土加入，加蓋厚度為40mm特製覆蓋劑，再依次進行鑄錠、熱擠壓，得到銅基La-Ce(RE)中間合金板材或棒材；其中，銅基La-Ce(RE)中間合金完全熔解後，使用環頭攪拌杆攪拌3min至金屬熔液混合均勻，其中，所述的環頭攪拌杆材料優選的使用氧化鋯陶瓷，耐熱溫度大於2200℃，加蓋厚度為60mm的特製覆蓋劑，靜置保溫40min，在水冷金屬型中澆鑄成鑄錠。其中，所述的特製覆蓋劑是由以下重量組分物質組成：22份碳纖維粉、16份雲母粉、50份膨化蛭石粉、22份蘇打石粉，上述重量組分粒徑為150目。
(3)製備導條型材：將所述鑄錠進行預加熱、熱擠壓、冷拉拔和時效熱處理，得到所述導條。其中，將所述的鑄錠經車削去氧化層，車削後鑄錠直徑為將所述車削後鑄錠進行熱擠壓，鑄錠溫度為750℃，再經水冷卻、冷拉拔、時效處理，其中，所述的熱擠壓工藝參數為：擠壓筒預熱溫度為380℃，擠壓模具預熱溫度400℃，開始擠壓溫度720℃，擠壓比為60，擠壓速度10mm/s；所述的冷拉拔的變形量為27％，所述的時效處理工藝參數為：時效溫度為430℃，時效時間為4h，得到Cu-8Zn-0.3Cr-0.1RE合金粗成品；
(4)合金性能測試及加工：將所述的Cu-8Zn-0.3Cr-0.1RE合金粗成品進行金相組織、電學性能、常溫力學性能及高溫力學性能等性能測試，選出合格產品，將所述合格產品進行拉拔或旋鍛加工成型，按規格製備成所需成品。具體如表一及圖4所示。
表一：不同成分導條產品的力學性能
根據圖1-4不同成分導條產品的金相組織照片，可看出添加RE的合金晶粒得到明顯的細化。
儘管已參照其具體實施方案描述和闡明了本發明，但本領域技術人員會認識到，可以在不背離本發明的精神和範圍的情況下對其作出各種改變、修改和取代。因此，本發明意在僅受下列權利要求的範圍限制且這些權利要求應在合理的程度上儘可能廣義地解釋。