一種大功率調頻調速異步牽引電機用銅合金導條和端環及其製備方法
2023-12-04 15:42:11 2
專利名稱：一種大功率調頻調速異步牽引電機用銅合金導條和端環及其製備方法
技術領域：
本發明涉及高速列車、地鐵列車、輕軌列車用大功率調頻調速異步牽引電動機轉子部件所需要的導條和端環的製備技術領域。
背景技術：
1999年，發明人在鐵道部九·五攻關項目研究成功的基礎上申報了一項「高速列車用大功率異步牽引電動機導條和護環」的發明專利，2003年正式授權(ZL99101984.9)。十年來，我國軌道交通事業飛速發展，高速列車的運營速度已經由當時設計的200km/h發展到目前的350km/h以上，高速列車、地鐵列車和輕軌列車用大功率異步牽引電機從引進-消化走到了再創造，研製的大功率異步牽引電動機已經裝備到國產高速列車、地鐵列車和輕軌列車上。經過十年來的對比研究和開發，牽引電動機設計部門依據高速列車、地鐵列車、輕軌列車不同的運行工況，對不同用途大功率調頻調速異步牽引電機轉子專用銅合金導條和端環分門別類提出了更實際和更具體的要求。因此，1999年申報的專利所描述的「高速列車用大功率異步牽引電動機導條和護環」除護環仍然可以滿足新型牽引電機的要求外，導條和原來牽引電機轉子用的T2純銅端環已不適應新型牽引電機的設計要求，有必要對原專利進行修改和補充。本發明配合牽引電動機設計部門和電機製造商進行了攻關研究，獲得了滿意的使用效果，在此基礎上申報「大功率調頻調速異步牽引電機轉子用銅合金導條和端環組件」發明專利。
發明內容
本發明針對高速列車、地鐵列車、輕軌列車用大功率調頻調速異步牽引電機設計對轉子銅合金導條和端環性能的不同要求，分門別類對牽引電機轉子銅合金導條和端環合金材料成分、製備工藝進行了調整和改進，得到新成份的導條。與此同時，還發明了一種轉子用銅合金端環代替原來的T2純銅端環，以便銅合金鼠籠轉子的電性能更容易調控。
此外，還提供了上述導條和端環的製備方法。
本發明的技術方案如下牽引電機轉子銅合金導條和端環成分設計①製造高速列車用大功率調頻調速異步牽引電動機轉子銅合金導條的合金成份的重量百分比為9-12％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，餘量為銅和不可避免的雜質。
②製造地鐵、輕軌列車用大功率調頻調速異步牽引電動機轉子銅合金導條的合金成份的重量百分比為0.3-3％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，餘量為銅和不可避免的雜質；③製造端環的銅合金成分的重量百分比為0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，餘量為銅和不可避免的雜質。
上述牽引電機轉子銅合金導條和端環製造工藝如下配料-中頻感應熔煉-半連續鑄造-鑄錠均勻化-熱擠壓-在線淬火-冷拉-校直-剪切-時效-機加工。
導條銅合金中，鋅主要起調整合金電阻率的作用，以滿足牽引電機調頻調速的需要，此外鋅在銅合金中還有明顯的固溶強化效果，有利於提高導條銅合金的高溫強度。導條銅合金中的微量鉻與鋯在加工熱處理過程中特別是時效沉澱過程中，將以納米級粒子的形式在位錯亞結構上沉澱，能顯著提高合金抗軟化溫度，保證牽引電動機在350℃臨界工作溫度下的結構穩定性和安全性。工藝實施方面，為了使銅合金導條的電阻率ρ150℃可以穩定地控制在指定的誤差範圍內，本發明特別強調鋅在熔體中的加入溫度和添加方式，待銅完全熔化後，停電降溫到1150℃左右再將鋅錠加入到銅熔體中，這樣可以減少鋅的揮發損失以保證鋅的含量控制在±0.3％(質量百分比)範圍內。為了使微量鉻和鋯在合金中發揮時效沉澱的作用，首先要使鉻和鋯充分溶解到銅熔體中，鉻以小於5mm的顆粒用薄銅箔包裹，在1250℃下壓入銅熔體中，鋯則以直徑為6mm左右的Cu-10Zr中間合金細絲形式插入到結晶器上部的銅熔體中。這種獨特的添加方式，顯著減少了金屬鉻和鋯的氧化，使鉻和鋯的收得率分別達到95％和90％。此外，還要注意銅合金導條的在線固溶溫度不得低於890℃，以保證固溶後時效過程中鉻和鋯以納米級粒子析出(圖1)。時效溫度為450℃±5℃，時效時間為4-6小時。
上述大功率調頻調速異步牽引電機轉子端環按如下工藝製備配料-中頻感應熔煉-半連續鑄造-鑄錠均勻化-熱鍛-強化固溶-冷鐓-時效-機加工。
鉻與鋯在端環銅合金中的作用與它們在導條銅合金中的作用相類似，鉻與鋯在銅合金端環淬火後時效過程中鉻以極細的鉻粒子、鋯則以微細銅鋯化合物的形式析出起沉澱強化和提高抗高溫軟化的作用。應當指出，與銅合金導條製備過程中中的擠壓-在線淬火工藝不同，銅合金端環製備過程中沒有擠壓-在線固溶-淬火而只有熱鍛-固溶-淬火，因此加工熱處理過程中形成的位錯亞結構相對較弱，必須增加兩個措施，一方面採取強化固溶處理，即在保證合金晶粒不過份粗大的前提下儘可能把固溶處理溫度提高到970℃±10℃，讓微量鉻和鋯儘可能多的溶解到固溶體中時效後析出儘可能多的納米級粒子；另一方面端環強化固溶後、時效處理前增加一道冷鐓變形，通過形變熱處理強化來提高端環的強度，時效溫度為450℃±5℃，時效時間為4-6小時。
本發明製造的導條和端環具有如下優點發明人通過大量的試驗探索，優選出合適的合金元素比例，以及對加工過程中溫度和添加方式的改進，三者的結合使得本發明導條和端環具有優異的性能。
對於高速列車牽引電機轉子用銅合金導條，通過降低鋅的含量和調整在線淬火工藝，合金的電阻率ρ150℃下降到(5.00±0.05)×10-6Ω.cm，除導條的熱加工性能和冷加工性能顯著改善外，電機的電調控性能也得到改善，而350℃臨界工作溫度的高溫強度仍然保持在350Mpa的高水平。
對於地鐵、輕軌列車牽引電機轉子用銅合金導條，通過適當增加鋅的含量和調整在線淬火工藝，合金的電阻率ρ150℃仍然穩定在(3.45±0.05)×10-6Ω.cm，而350℃臨界工作溫度的高溫強度提高到了290MPa。
對於端環銅合金，合金的電阻率ρ150℃為(2.7±0.05)×10-6Ω.cm，相對於T2純銅端環，銅合金端環與銅合金導條的電阻率差別減少，結果使得銅合金鼠籠轉子的電導性能更加容易和整個電機的電控配合，350℃臨界工作溫度高溫強度也顯著高於先行使用的T2純銅端環。
本發明的銅合金導條和端環已經成功地用來製造國產高速列車、地鐵列車、輕軌列車和幹線列車動車組用大功率調頻調速異步牽引電動機。
圖1為牽引電機轉子銅合金導條的顯微組織。
a)形變熱處理過程中形成的位錯亞結構，b)時效過程中形成的含鉻和鋯的納米級粒子。
具體實施例方式 以下結合實施例進一步說明本發明，而不是限制本發明。
實施例1高速列車牽引電機轉子用銅合金導條銅合金導條成分(質量百分比)鋅10.0％，鉻0.5％，鋯0.1％，餘為銅，配料-中頻感應熔煉-半連續鑄造-鑄錠均勻化-熱擠壓-890℃在線淬火-冷拉-校直-剪切-450℃/5h時效，待銅完全熔化後，降溫到1150℃再將鋅錠加入到銅熔體中；鉻以小於5mm的顆粒用薄銅箔包裹，在1250℃下壓入銅熔體中，鋯則以直徑為6mm左右的Cu-10Zr中間合金細絲形式插入到結晶器上部的銅熔體中。製備的導條的主要性能見表1。本發明銅合金導條已用於國產350km/h高速列車用大功率調頻調速異步牽引電動機轉子導條。結果表明，通過降低鋅的含量和調整在線淬火工藝，合金的電阻率ρ150℃下降到(5.02±0.05)×10-6Ω.cm，除導條的熱加工性能和冷加工性能顯著改善外，電機的電調控性能也得到改善，而350℃臨界工作溫度的高溫強度仍然保持在≥320Mpa的高水平。原發明指ZL99101984.9。(下同)表1 本發明銅合金導條與原發明的性能比較
實施例2 地鐵、輕軌列車牽引電機轉子用銅合金導條銅合金成分(質量百分比)鋅2.5％，鉻0.5％，鋯0.1％，餘為銅，配料-中頻感應熔煉-半連續鑄造-鑄錠均勻化-熱擠壓-900℃在線淬火-冷拉-校直-剪切-450℃/5h時效，待銅完全熔化後，降溫到1150℃再將鋅錠加入到銅熔體中；鉻以小於5mm的顆粒用薄銅箔包裹，在1250℃下壓入銅熔體中，鋯則以Cu-10Zr中間合金細絲的形式插入到結晶器上部的銅熔體中。製備的導條的主要性能見表2，本發明銅合金導條已用於國產地鐵列車、輕軌列車用300kw大功率調頻調速異步牽引電動機轉子導條。結果表明，通過適當增加鋅的含量和調整在線淬火工藝，合金的電阻率ρ150℃仍然穩定在(3.45±0.05)×10-6Ω.cm，而350℃臨界工作溫度的高溫強度提高到了290MPa。
表2 本發明銅合金導條與原發明的性能比較
實施例3 牽引電機轉子用銅合金端環銅合金成分(質量百分比)鉻0.5％，鋯0.1％，餘為銅，配料-中頻感應熔煉-半連續鑄造-鑄錠均勻化-鍛造-970℃強化固溶-冷鐓-450℃/5h時效，製備的銅合金端環主要性能見表3。本發明銅合金端環已用於國產高速列車、幹線列車動車組、地鐵列車、輕軌列車用大功率調頻調速異步牽引電動機轉子端環。結果表明，相對於T2純銅端環，銅合金端環與銅合金導條的電阻率差別減少，結果使得銅合金鼠籠轉子的電導性能更加容易和整個電機的電控配合，350℃臨界工作溫度高溫強度也顯著高於先行使用的T2純銅端環。
表3 本發明銅合金端環與T2銅端環的性能比較
權利要求
1.一種大功率調頻調速異步牽引電機用銅合金導條和端環，其特徵在於所述導條合金成份重量百分比為9-12％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，餘量為銅和不可避免的雜質或者為0.5-3％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，餘量為銅和不可避免的雜質；所述端環合金成份重量百分比為0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，餘量為銅和不可避免的雜質。
2.權利要求1所述的大功率調頻調速異步牽引電機用銅合金導條的製備方法，其特徵在於，包括中頻感應熔煉-半連續鑄造-鑄錠均勻化-熱擠-在線淬火-冷拉-校直-剪切-時效-機加工；所述的中頻感應熔煉時待銅完全熔化後，降溫到1150℃再將鋅錠加入到銅熔體中；所述的中頻感應熔煉時鉻以不大於5mm的顆粒用薄銅箔包裹，在1250℃下壓入銅熔體中，鋯以Cu-10Zr中間合金細絲的形式插入到結晶器上部的銅熔體中；所述的在線淬火溫度不低於890℃。
3.根據權利要求2所述的大功率調頻調速異步牽引電機用銅合金導條的製備方法，其特徵在於，所述的時效溫度為445℃-455℃，時效時間為4-6小時。
4.根據權利要求2所述的大功率調頻調速異步牽引電機用銅合金導條的製備方法，其特徵在於，所述的Cu-10Zr中間合金細絲的直徑為6mm。
5.權利要求1所述的大功率調頻調速異步牽引電機用端環的製備方法，其特徵在於，包括中頻感應熔煉-半連續鑄造-鑄錠均勻化-鍛造-強化固溶-冷鐓-時效-機加工；所述的強化固溶處理溫度為960℃-980℃。
6.根據權利要求5所述的大功率調頻調速異步牽引電機用端環的製備方法，其特徵在於，所述的時效溫度為445℃-455℃，時效時間為4-6小時。
全文摘要
本發明涉及一種大功率調頻調速異步牽引電機用銅合金導條和端環及其製備方法。導條採用中頻感應熔煉-半連鑄-鑄錠均勻化-熱擠-在線淬火-冷拉-時效-機加工工藝製備，端環採用中頻感應熔煉-半連鑄-鑄錠均勻化-鍛造-強化固溶-冷鐓-時效-機加工工藝製備。用於高速列車牽引電機的導條合金成份重量百分比為9-12％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，餘量為銅和不可避免的雜質，其電阻率ρ150℃控制在(5.00±0.05)×10-6Ω.cm，350℃試驗溫度下sb≥320MPa、s0.2≥270MPa、d5≥10％；用於地鐵、輕軌列車牽引電機的導條合金成份為0.5-3％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，餘量為銅和不可避免的雜質，其電阻率ρ150℃控制在(3.45±0.05)×10-6Ω.cm，350℃試驗溫度下sb≥290MPa、s0.2≥240MPa、d5≥12％；牽引電機用端環銅合金成份為0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，餘量為銅和不可避免的雜質，其電阻率ρ150℃控制在(2.70±0.05)×10-6Ω·cm，350℃試驗溫度下sb≥260MPa、s0.2≥220MPa、d5≥12％。所發明的銅合金導條和端環成功地用來製造國產高速、地鐵、輕軌和幹線列車用大功率調頻調速異步牽引電機。
文檔編號C22C9/00GK101818283SQ201010181509
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月25日 優先權日2010年2月25日
發明者尹志民, 汪明樸, 宋練鵬, 姜鋒 申請人:長沙中工新材料有限公司