專利名稱：一種用于電機轉(zhuǎn)子的含稀土的微合金強化銅合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有色金屬材料領(lǐng)域，尤其涉及制作電機轉(zhuǎn)子的銅合金材料，特別是一種用于大型深槽式或雙鼠籠式異步電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的含稀土的微合金強化銅合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
大型異步電機以及高負(fù)載電機的起動性能一直是電機生產(chǎn)方和使用方關(guān)注的焦點，為了改善此類電機的起動性能，通常采用雙鼠籠式或深槽式結(jié)構(gòu)的電機轉(zhuǎn)子。雙鼠籠式轉(zhuǎn)子的特點是將轉(zhuǎn)子設(shè)計成具有內(nèi)、外兩層(內(nèi)籠和外籠)獨立的短路繞組；深槽式轉(zhuǎn)子的特點是將轉(zhuǎn)子槽設(shè)計成深而窄的槽，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體(也稱作導(dǎo)條)沿槽高并聯(lián)而成。一般使用紫銅、黃銅或青銅作為導(dǎo)條材料。電機在起動之初，轉(zhuǎn)子靜止，而定子旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)，磁場被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割的頻率很高，由于電流的趨膚效應(yīng)，這類電機的轉(zhuǎn)子電流主要集中在轉(zhuǎn)子表層或外籠的導(dǎo)條上。為了提高電機的起動性能，轉(zhuǎn)子表層或外籠導(dǎo)條選用具有一定電阻率和較高力學(xué)性能的材料，以降低電機的起動電流，提高起動轉(zhuǎn)距，保障電機順利起動。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，隨著轉(zhuǎn)速升高，磁場被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割的頻率逐漸減小，趨膚效應(yīng)也隨之減小，轉(zhuǎn)子電流趨向于均布在整個轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上。而由于轉(zhuǎn)子的內(nèi)層或內(nèi)籠導(dǎo)條采用電阻率較小的材料，因而轉(zhuǎn)子損耗降低，提高了電機的運行效率。這樣能使電機在起動時具有良好的起動性能，在正常運轉(zhuǎn)時具有較小損耗和較高效率。作為電機轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體材料，首先應(yīng)具備良好的導(dǎo)電性能，同時要求有足夠的抗拉強度，如力學(xué)性能不足，在過大的沖擊轉(zhuǎn)矩下往往會造成外籠或外層導(dǎo)條斷裂，斷裂后的導(dǎo)條被甩出，將引起定子與轉(zhuǎn)子相擦進(jìn)而使電機燒毀。材料的微合金化技術(shù)是根據(jù)材料的應(yīng)用需要選擇不同的合金元素，滿足不同的性能要求。銅的微合金化技術(shù)是在原有銅或銅合金的基礎(chǔ)上，添加微量的鐵、硅、硼、銀和稀土等一種或數(shù)種元素，以起到提高材料力學(xué)性能、耐蝕性能、耐磨性能或耐熱性能的作用。對于電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材料來說，主要要求是材料在保持足夠?qū)щ娦阅艿耐瑫r具備較高的強度和硬度。元素添加量隨微合金化的合金種類不同而異，相對于主加合金元素來說是微量的范圍。如在純銅基材的熔煉過程中添加少量的銀，可起到提高材料力學(xué)性能和軟化溫度的作用。但添加銀，對力學(xué)性能的提高非常有限，且銀的價格昂貴，會使材料成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于鼠籠式(包括雙鼠籠式和深槽式)電機轉(zhuǎn)子的含有稀土的微合金強化銅合金材料，解決大型電機在高轉(zhuǎn)矩起動條件下導(dǎo)條材料的力學(xué)性能不足以致發(fā)生斷裂，甚至致使電機損毀的技術(shù)問題。本發(fā)明的另一目的在于提供上述含有稀土的微合金強化銅合金材料的制備方法。本發(fā)明的一種用于電機轉(zhuǎn)子的含稀土的微合金強化銅合金，在銅中加入了純微合金強化元素硅、鐵、混合稀土合金和硼，以質(zhì)量百分比計，硅含量為0. 18% 2. 0%，鐵為
0.5% 1. 0%，混合稀土合金為0. 08% 0. 36%，硼為0. 001% 0. 01%,微量雜質(zhì)，余量為銅。所述合金材料中的微量雜質(zhì)是由于電解銅中不可避免地含有雜質(zhì)所致，雜質(zhì)元素有鉍、磷和鉛，以質(zhì)量百分比計，鉍彡0. 001%，磷彡0. 001%，鉛彡0. 005%。本發(fā)明還提供了制備上述一種用于電機轉(zhuǎn)子的含稀土的微合金強化銅合金的方法。其步驟是
(1)按照所述材料配方稱取硅、鐵、混合稀土合金、硼和銅各成分，其中硼以硼銅中間合金的形式加入，硼在所述硼銅中間合金中的質(zhì)量百分比為4. 5% 5. 5%，余量為銅；稀土以混合稀土合金的形式加入，所述混合稀土合金成分的質(zhì)量百分比為鑭23% 25%，鈰
1.7% 2. 0%，鐠1% 2%，釹2. 5% 4. 0%，余量為硅；硅以硅銅中間合金的形式加入，硅在所述硅銅中間合金中的質(zhì)量百分比為13% 15%，余量為銅，硅按配方重量減去混合稀土合金中的硅后的數(shù)量稱取；電解銅按配方重量減去硅銅中間合金中余量的銅，再減去硼銅中間合金中余量的銅之后的重量稱??；
⑵將稱取的全部鐵和電解銅加入工頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，用干餾的木炭完全覆蓋； (3)開始加熱升溫至銅熔化，銅液溫度升至1150°C 1220°C ；
⑷在銅液中加入硅銅中間合金和硼銅中間合金，最后加入混合稀土合金，添加時分別用石墨導(dǎo)板將中間合金和混合稀土合金壓入表面覆蓋有木炭層的銅液之中，攪拌均勻； ( 靜置5分鐘后出爐澆鑄錠坯，澆鑄溫度1150°C 1200°C。錠坯供作為拉制導(dǎo)條之用。本發(fā)明的突出的特點在于通過在銅中引入硅和鐵，提高了所述銅合金的硬度和抗拉強度、熱穩(wěn)定性、耐磨和耐蝕性能；鐵的加入，還可以和雜質(zhì)磷結(jié)合，形成化合物，提高材料的強度和剛性及抗彎曲、扭轉(zhuǎn)性能。稀土元素的加入，可以凈化材料基體組織，它與材料中的硫、氧、氫結(jié)合，起到脫硫、脫氧、除氫的作用；可以與銅基體中的雜質(zhì)鉛、鉍等形成高熔點化合物的細(xì)小球形質(zhì)點，部分隨爐渣上浮，起到凈化基體的作用，另一部分均勻地彌散于晶粒內(nèi)，抑制金屬間化合物的長大，起到彌散強化的作用；硼的加入，能起到細(xì)化基體晶粒的作用，同時硼可以在材料表面形成富集，提高材料的耐腐蝕性和耐磨性。因此，通過在銅基體中加入硅、鐵、混合稀土合金和硼等微合金強化元素，提高了鼠籠式電機轉(zhuǎn)子用導(dǎo)條材料的力學(xué)性能。使所述材料保持了基體銅足夠的導(dǎo)電性能。充分滿足了材料使用中對力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的綜合要求。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合若干實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。其中組成均采用質(zhì)量百分比。實施例1
配料比例硅0. 18%，鐵0. 5%，混合稀土 0. 08%,硼0. 001%,銅余量先將稱取的鐵7. 5kg和銅1488. 3kg裝入工頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，用干餾的木炭覆蓋，加熱升溫至銅熔化，當(dāng)溫度達(dá)到1150°C 1160°C時，先后分別加入稱取的硼銅中間合金(含硼 5%)0. 3kg，混合稀土合金(含混合稀土 30. 6%)3. 9kg。添加時分別用石墨導(dǎo)板將中間合金和混合稀土合金壓入表面覆蓋有木炭層的銅液之中，攪拌均勻。成分分析與調(diào)整到達(dá)到要求后，靜置5分鐘后出爐澆鑄，澆鑄溫度1150°C 1160°C。
實施例2:
配料比例硅0. 27%，鐵0. 5%，混合稀土 0. 12%，硼0. 001%,銅余量先將稱取的鐵7. 5kg和銅1486. 3kg裝入工頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，用干餾的木炭覆蓋，加熱升溫至銅熔化，當(dāng)溫度達(dá)到1150°C 1160°C時，先后分別加入稱取的硼銅中間合金(含硼 5%)0. 3kg，混合稀土合金(含混合稀土 30. 6%)5. 9kg。添加時分別用石墨導(dǎo)板將中間合金和混合稀土合金壓入表面覆蓋有木炭層的銅液之中，攪拌均勻。靜置5分鐘后出爐澆鑄，澆鑄溫度 1150°C 1160°C。上述實施例1和實施例2材料的綜合性能為抗拉強度280 四0 N/mm2,伸長率 28 30%，布氏硬度HB83 85，導(dǎo)電率58. 5 59. 6%IACS (IACS是金屬或合金的導(dǎo)電率，定義為標(biāo)準(zhǔn)退火純銅的導(dǎo)電率為100%IACS)。實施例3:
配料比例硅0. 5%，鐵0. 6%，混合稀土 0. 15%，硼0. 002%,銅余量先將稱取的鐵9kg和銅1466kg裝入工頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，用干餾的木炭覆蓋，加熱升溫至銅熔化，當(dāng)溫度達(dá)到1160°C 1170°C時，先后分別加入稱取的硅銅中間合金(含硅14%) 17. 1kg，硼銅中間合金(含硼5%)0. 6kg，混合稀土合金(含混合稀土 30. 6%)7. 4kg。添加時分別用石墨導(dǎo)板將中間合金和混合稀土合金壓入表面覆蓋有木炭層的銅液之中，攪拌均勻。 靜置5分鐘后出爐澆鑄，澆鑄溫度1160°C 1170°C。實施例4:
配料比例硅0. 55%，鐵0. 7%，混合稀土 0. 17%，硼0. 002%,銅余量先將稱取的稱取的鐵10. 5kg和銅1463kg裝入工頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，用干餾的木炭覆蓋，加熱升溫至銅熔化，當(dāng)溫度達(dá)到1170°C 1180°C時，先后分別加入稱取的硅銅中間合金(含硅14%) 17. 6kg，硼銅中間合金(含硼5%) 0. 6kg，混合稀土合金(含混合稀土 30. 6%)
8.3kg。添加時分別用石墨導(dǎo)板將中間合金和混合稀土合金壓入表面覆蓋有木炭層的銅液之中，攪拌均勻。靜置5分鐘后出爐澆鑄，澆鑄溫度1170°C 1180°C。上述實施例3和實施例4材料的綜合性能為抗拉強度290 300 N/mm2,伸長率 26 29%，布氏硬度HB85 87，導(dǎo)電率33. 7 35. 1%IACS。實施例5
配料比例硅0. 85%，鐵0. 7%，混合稀土 0. 20%,硼0. 005%,銅余量先將稱取的稱取的鐵10. 5kg和銅1436kg裝入工頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，用干餾的木炭覆蓋，加熱升溫至銅熔化，當(dāng)溫度達(dá)到1180°C 1190°C時，先后分別加入稱取的硅銅中間合金(含硅14%) 42. 5kg，硼銅中間合金(含硼5%) 1. 5kg，混合稀土合金(含混合稀土 30. 6%)
9.Skgo添加時分別用石墨導(dǎo)板將中間合金和混合稀土合金壓入表面覆蓋有木炭層的銅液之中，攪拌均勻。靜置5分鐘后出爐澆鑄，澆鑄溫度1180°C 1190°C。實施例6:
配料比例硅0. 95%，鐵0. 8%，混合稀土 0. 28%,硼0. 005%,銅余量先將稱取的稱取的鐵12kg和銅1439kg裝入工頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，用干餾的木炭覆蓋，加熱升溫至銅熔化，當(dāng)溫度達(dá)到1190°C 1200°C時，先后分別加入稱取的硅銅中間合金(含硅14%);34kg，硼銅中間合金(含硼5%)1. 5kg，混合稀土合金(含混合稀土 30. 6%)13. 7kg。添加時分別用石墨導(dǎo)板將中間合金和混合稀土合金壓入表面覆蓋有木炭層的銅液之中，攪拌均勻。靜置5分鐘后出爐澆鑄，澆鑄溫度1190°C 1200°C。上述實施例5和實施例6材料的綜合性能為抗拉強度295 310 N/mm2,伸長率 22 23%，布氏硬度HB89 91，導(dǎo)電率26. Γ27. 9%IACS。實施例7
配料比例硅1. 7%，鐵0. 8%，混合稀土 0. 28%,硼0. 01%,銅余量先將稱取的稱取的鐵12kg和銅1357. 3kg裝入工頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，用干餾的木炭覆蓋， 加熱升溫至銅熔化，當(dāng)溫度達(dá)到1200°C 1210°C時，先后分別加入稱取的硅銅中間合金 (含硅14%) 114kg，硼銅中間合金(含硼5%) 3kg，混合稀土合金(含混合稀土 30. 6%) 13. 7kg。 添加時分別用石墨導(dǎo)板將中間合金和混合稀土合金壓入表面覆蓋有木炭層的銅液之中，攪拌均勻。靜置5分鐘后出爐澆鑄，澆鑄溫度1200°C 1210°C。實施例8
配料比例硅2. 0%，鐵0. 8%，混合稀土 0. 36%，硼0. 005%,銅余量先將稱取的稱取的鐵12kg和銅1342kg裝入工頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，用干餾的木炭覆蓋，加熱升溫至銅熔化，當(dāng)溫度達(dá)到1210°C 1220°C時，先后分別加入稱取的硅銅中間合金(含硅14%) 127kg，硼銅中間合金(含硼5%) 1. 5kg，混合稀土合金(含混合稀土 30. 6%) 17. 6kg。 添加時分別用石墨導(dǎo)板將中間合金和混合稀土合金壓入表面覆蓋有木炭層的銅液之中，攪拌均勻。靜置5分鐘后出爐澆鑄，澆鑄溫度1210°C 1220°C。實施例9
配料比例硅2. 0%，鐵1. 0%，混合稀土 0. 36%，硼0. 01%,銅余量先將稱取的稱取的鐵15kg和銅1337. 4kg裝入工頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，用干餾的木炭覆蓋， 加熱升溫至銅熔化，當(dāng)溫度達(dá)到1210°C 1220°C時，先后分別加入稱取的硅銅中間合金 (含硅14%) 127kg，硼銅中間合金(含硼5%) 3kg，混合稀土合金(含混合稀土 30. 6%) 17. 6kg。 添加時分別用石墨導(dǎo)板將中間合金和混合稀土合金壓入表面覆蓋有木炭層的銅液之中，攪拌均勻。靜置5分鐘后出爐澆鑄，澆鑄溫度1210°C 1220°C。上述實施例7、實施例8和實施例9材料的綜合性能為抗拉強度530 568 N/mm2, 伸長率15 18%，布氏硬度HBllO 125，導(dǎo)電率12. 9 14. 6%IACS。
權(quán)利要求
1.一種用于電機轉(zhuǎn)子的含稀土的微合金強化銅合金，其特征是在銅中加入了微合金強化元素硅、鐵、混合稀土合金和硼，以質(zhì)量百分比計，硅含量為0. 18% 2. 0%，鐵為0. 5% 1. 0%，混合稀土合金為0. 08% 0. 36%，硼為0. 001% 0. 01%,余量為銅。
2.如權(quán)利要求1所述的含稀土的微合金強化銅合金，其特征是其中硼以硼銅中間合金的形式引入，稀土以混合稀土合金的形式引入，硅以硅銅中間合金的形式引入。
3.如權(quán)利要求1所述一種用于電機轉(zhuǎn)子的含稀土的微合金強化銅合金的制備方法，其步驟是⑴按照配方的質(zhì)量百分比稱取硅、鐵、混合稀土合金、硼和銅各成分，其中硼以硼銅中間合金的形式加入，硼在所述硼銅中間合金中的質(zhì)量百分比為4. 5% 5. 5%，余量為銅；稀土以混合稀土合金的形式加入，所述混合稀土合金成分的質(zhì)量百分比為鑭23% 25%，鈰 1. 7% 2. 0%，鐠1% 2%，釹2. 5% 4. 0%，余量為硅；硅以硅銅中間合金的形式加入，硅在所述硅銅中間合金中的質(zhì)量百分比為13% 15%，余量為銅，硅按配方重量減去混合稀土合金中的硅后的數(shù)量稱?。浑娊忏~按配方重量減去硅銅中間合金中余量的銅，再減去硼銅中間合金中余量的銅之后的重量稱取；⑵將稱取的全部鐵和電解銅加入工頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，用干餾的木炭完全覆蓋；(3)開始加熱升溫至銅熔化，銅液溫度升至1150°C 1220°C ；⑷在銅液中加入硅銅中間合金和硼銅中間合金，最后加入混合稀土合金，添加時分別用石墨導(dǎo)板將中間合金和混合稀土合金壓入表面覆蓋有木炭層的銅液之中，攪拌均勻；( 靜置5分鐘后出爐澆鑄錠坯，澆鑄溫度1150°C 1200°C。
全文摘要
一種用于電機轉(zhuǎn)子的含稀土的微合金強化銅合金，在銅中加入純微合金強化元素硅、鐵、混合稀土合金和硼，以質(zhì)量百分比計，硅含量為0.18%～2.0%，鐵為0.5%～1.0%，混合稀土合金為0.08%～0.36%，硼為0.001%～0.01%，微量雜質(zhì)，余量為銅。其制備步驟是⑴配料；⑵加鐵和電解銅；⑶熔融；⑷加硅銅合金和硼銅合金，最后加入混合稀土合金；⑸澆鑄錠坯。通過在銅基體中加入硅、鐵、混合稀土合金和硼等微合金強化元素，充分滿足了材料使用中對力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的綜合要求。
文檔編號C22C9/10GK102345033SQ20111029753
公開日2012年2月8日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者周洪雷, 郭莉 申請人:上海飛輪實業(yè)有限公司, 上海飛馳銅鋁材有限公司