CN102345033B - 一种用于电机转子的含稀土的微合金强化铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电机转子的含稀土的微合金强化铜合金，在铜中加入纯微合金强化元素硅、铁、混合稀土合金和硼，以质量百分比计，硅含量为0.18%～2.0%，铁为0.5%～1.0%，混合稀土合金为0.08%～0.36%，硼为0.001%～0.01%，微量杂质，余量为铜。其制备步骤是：⑴配料；⑵加铁和电解铜；⑶熔融；⑷加硅铜合金和硼铜合金，最后加入混合稀土合金；⑸浇铸锭坯。通过在铜基体中加入硅、铁、混合稀土合金和硼等微合金强化元素，充分满足了材料使用中对力学性能和导电性能的综合要求。

Description

一种用于电机转子的含稀土的微合金强化铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及有色金属材料领域，尤其涉及制作电机转子的铜合金材料，特别是一种用于大型深槽式或双鼠笼式异步电机转子导条的含稀土的微合金强化铜合金及其制备方法。

背景技术

大型异步电机以及高负载电机的起动性能一直是电机生产方和使用方关注的焦点，为了改善此类电机的起动性能，通常采用双鼠笼式或深槽式结构的电机转子。双鼠笼式转子的特点是将转子设计成具有内、外两层（内笼和外笼）独立的短路绕组；深槽式转子的特点是将转子槽设计成深而窄的槽，转子导体（也称作导条）沿槽高并联而成。一般使用紫铜、黄铜或青铜作为导条材料。

电机在起动之初，转子静止，而定子旋转磁场以同步转速高速旋转，磁场被转子导体切割的频率很高，由于电流的趋肤效应，这类电机的转子电流主要集中在转子表层或外笼的导条上。为了提高电机的起动性能，转子表层或外笼导条选用具有一定电阻率和较高力学性能的材料，以降低电机的起动电流，提高起动转距，保障电机顺利起动。当转子旋转后，随着转速升高，磁场被转子导体切割的频率逐渐减小，趋肤效应也随之减小，转子电流趋向于均布在整个转子导条上。而由于转子的内层或内笼导条采用电阻率较小的材料，因而转子损耗降低，提高了电机的运行效率。这样能使电机在起动时具有良好的起动性能，在正常运转时具有较小损耗和较高效率。作为电机转子的导体材料，首先应具备良好的导电性能，同时要求有足够的抗拉强度，如力学性能不足，在过大的冲击转矩下往往会造成外笼或外层导条断裂，断裂后的导条被甩出，将引起定子与转子相擦进而使电机烧毁。

材料的微合金化技术是根据材料的应用需要选择不同的合金元素，满足不同的性能要求。铜的微合金化技术是在原有铜或铜合金的基础上，添加微量的铁、硅、硼、银和稀土等一种或数种元素，以起到提高材料力学性能、耐蚀性能、耐磨性能或耐热性能的作用。对于电机转子导条材料来说，主要要求是材料在保持足够导电性能的同时具备较高的强度和硬度。元素添加量随微合金化的合金种类不同而异，相对于主加合金元素来说是微量的范围。如在纯铜基材的熔炼过程中添加少量的银，可起到提高材料力学性能和软化温度的作用。但添加银，对力学性能的提高非常有限，且银的价格昂贵，会使材料成本增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于鼠笼式（包括双鼠笼式和深槽式）电机转子的含有稀土的微合金强化铜合金材料，解决大型电机在高转矩起动条件下导条材料的力学性能不足以致发生断裂，甚至致使电机损毁的技术问题。

本发明的另一目的在于提供上述含有稀土的微合金强化铜合金材料的制备方法。

本发明的一种用于电机转子的含稀土的微合金强化铜合金，在铜中加入了纯微合金强化元素硅、铁、混合稀土合金和硼，以质量百分比计，硅含量为0.18%～2.0%，铁为0.5%～1.0%，混合稀土合金为0.08%～0.36%，硼为0.001%～0.01%，微量杂质，余量为铜。

所述合金材料中的微量杂质是由于电解铜中不可避免地含有杂质所致，杂质元素有铋、磷和铅，以质量百分比计，铋≤0.001%，磷≤0.001%，铅≤0.005%。

本发明还提供了制备上述一种用于电机转子的含稀土的微合金强化铜合金的方法。其步骤是：

⑴ 按照所述材料配方称取硅、铁、混合稀土合金、硼和铜各成分，其中硼以硼铜中间合金的形式加入，硼在所述硼铜中间合金中的质量百分比为4.5%～5.5%，余量为铜；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质量百分比为：镧23%～25%，铈1.7%～2.0%，镨1%～2%，钕2.5%～4.0%，余量为硅；硅以硅铜中间合金的形式加入，硅在所述硅铜中间合金中的质量百分比为13%～15%，余量为铜，硅按配方重量减去混合稀土合金中的硅后的数量称取；电解铜按配方重量减去硅铜中间合金中余量的铜，再减去硼铜中间合金中余量的铜之后的重量称取；

⑵ 将称取的全部铁和电解铜加入工频感应熔炼炉内，用干馏的木炭完全覆盖；

⑶ 开始加热升温至铜熔化，铜液温度升至1150℃～1220℃；

⑷ 在铜液中加入硅铜中间合金和硼铜中间合金，最后加入混合稀土合金，添加时分别用石墨导板将中间合金和混合稀土合金压入表面覆盖有木炭层的铜液之中，搅拌均匀；

⑸静置5分钟后出炉浇铸锭坯，浇铸温度1150℃～1200℃。

锭坯供作为拉制导条之用。

本发明的突出的特点在于：通过在铜中引入硅和铁，提高了所述铜合金的硬度和抗拉强度、热稳定性、耐磨和耐蚀性能；铁的加入，还可以和杂质磷结合，形成化合物，提高材料的强度和刚性及抗弯曲、扭转性能。稀土元素的加入，可以净化材料基体组织，它与材料中的硫、氧、氢结合，起到脱硫、脱氧、除氢的作用；可以与铜基体中的杂质铅、铋等形成高熔点化合物的细小球形质点，部分随炉渣上浮，起到净化基体的作用，另一部分均匀地弥散于晶粒内，抑制金属间化合物的长大，起到弥散强化的作用；硼的加入，能起到细化基体晶粒的作用，同时硼可以在材料表面形成富集，提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。

因此，通过在铜基体中加入硅、铁、混合稀土合金和硼等微合金强化元素，提高了鼠笼式电机转子用导条材料的力学性能。使所述材料保持了基体铜足够的导电性能。充分满足了材料使用中对力学性能和导电性能的综合要求。

具体实施方式

现结合若干实施例对本发明作进一步说明。其中组成均采用质量百分比。

实施例1：

配料比例：硅0.18%，铁0.5%，混合稀土0.08%，硼0.001%，铜余量

先将称取的铁7.5kg和铜1488.3kg装入工频感应熔炼炉内，用干馏的木炭覆盖，加热升温至铜熔化，当温度达到1150℃～1160℃时，先后分别加入称取的硼铜中间合金（含硼5%）0.3kg，混合稀土合金（含混合稀土30.6%）3.9kg。添加时分别用石墨导板将中间合金和混合稀土合金压入表面覆盖有木炭层的铜液之中，搅拌均匀。成分分析与调整到达到要求后，静置5分钟后出炉浇铸，浇铸温度1150℃～1160℃。

实施例2：

配料比例：硅0.27%，铁0.5%，混合稀土0.12%，硼0.001%，铜余量

先将称取的铁7.5kg和铜1486.3kg装入工频感应熔炼炉内，用干馏的木炭覆盖，加热升温至铜熔化，当温度达到1150℃～1160℃时，先后分别加入称取的硼铜中间合金（含硼5%）0.3kg，混合稀土合金（含混合稀土30.6%）5.9kg。添加时分别用石墨导板将中间合金和混合稀土合金压入表面覆盖有木炭层的铜液之中，搅拌均匀。静置5分钟后出炉浇铸，浇铸温度1150℃～1160℃。

上述实施例1和实施例2材料的综合性能为：抗拉强度280～290 N/mm²，伸长率28～30%，布氏硬度HB83～85，导电率58.5~59.6%IACS（IACS是金属或合金的导电率，定义为标准退火纯铜的导电率为100%IACS）。

实施例3：

配料比例：硅0.5%，铁0.6%，混合稀土0.15%，硼0.002%，铜余量

先将称取的铁9kg和铜1466kg装入工频感应熔炼炉内，用干馏的木炭覆盖，加热升温至铜熔化，当温度达到1160℃～1170℃时，先后分别加入称取的硅铜中间合金（含硅14%）17.1kg，硼铜中间合金（含硼5%）0.6kg，混合稀土合金（含混合稀土30.6%）7.4kg。添加时分别用石墨导板将中间合金和混合稀土合金压入表面覆盖有木炭层的铜液之中，搅拌均匀。静置5分钟后出炉浇铸，浇铸温度1160℃～1170℃。

实施例4：

配料比例：硅0.55%，铁0.7%，混合稀土0.17%，硼0.002%，铜余量

先将称取的称取的铁10.5kg和铜1463kg装入工频感应熔炼炉内，用干馏的木炭覆盖，加热升温至铜熔化，当温度达到1170℃～1180℃时，先后分别加入称取的硅铜中间合金（含硅14%）17.6kg，硼铜中间合金（含硼5%）0.6kg，混合稀土合金（含混合稀土30.6%）8.3kg。添加时分别用石墨导板将中间合金和混合稀土合金压入表面覆盖有木炭层的铜液之中，搅拌均匀。静置5分钟后出炉浇铸，浇铸温度1170℃～1180℃。

上述实施例3和实施例4材料的综合性能为：抗拉强度290～300 N/mm²，伸长率26～29%，布氏硬度HB85～87，导电率33.7~35.1%IACS。

实施例5：

配料比例：硅0.85%，铁0.7%，混合稀土0.20%，硼0.005%，铜余量

先将称取的称取的铁10.5kg和铜1436kg装入工频感应熔炼炉内，用干馏的木炭覆盖，加热升温至铜熔化，当温度达到1180℃～1190℃时，先后分别加入称取的硅铜中间合金（含硅14%）42.5kg，硼铜中间合金（含硼5%）1.5kg，混合稀土合金（含混合稀土30.6%）9.8kg。添加时分别用石墨导板将中间合金和混合稀土合金压入表面覆盖有木炭层的铜液之中，搅拌均匀。静置5分钟后出炉浇铸，浇铸温度1180℃～1190℃。

实施例6：

配料比例：硅0.95%，铁0.8%，混合稀土0.28%，硼0.005%，铜余量

先将称取的称取的铁12kg和铜1439kg装入工频感应熔炼炉内，用干馏的木炭覆盖，加热升温至铜熔化，当温度达到1190℃～1200℃时，先后分别加入称取的硅铜中间合金（含硅14%）34kg，硼铜中间合金（含硼5%）1.5kg，混合稀土合金（含混合稀土30.6%）13.7kg。添加时分别用石墨导板将中间合金和混合稀土合金压入表面覆盖有木炭层的铜液之中，搅拌均匀。静置5分钟后出炉浇铸，浇铸温度1190℃～1200℃。

上述实施例5和实施例6材料的综合性能为：抗拉强度295～310 N/mm²，伸长率22～23%，布氏硬度HB89～91，导电率26.1~27.9%IACS。

实施例7：

配料比例：硅1.7%，铁0.8%，混合稀土0.28%，硼0.01%，铜余量

先将称取的称取的铁12kg和铜1357.3kg装入工频感应熔炼炉内，用干馏的木炭覆盖，加热升温至铜熔化，当温度达到1200℃～1210℃时，先后分别加入称取的硅铜中间合金（含硅14%）114kg，硼铜中间合金（含硼5%）3kg，混合稀土合金（含混合稀土30.6%）13.7kg。添加时分别用石墨导板将中间合金和混合稀土合金压入表面覆盖有木炭层的铜液之中，搅拌均匀。静置5分钟后出炉浇铸，浇铸温度1200℃～1210℃。

实施例8：

配料比例：硅2.0%，铁0.8%，混合稀土0.36%，硼0.005%，铜余量

先将称取的称取的铁12kg和铜1342kg装入工频感应熔炼炉内，用干馏的木炭覆盖，加热升温至铜熔化，当温度达到1210℃～1220℃时，先后分别加入称取的硅铜中间合金（含硅14%）127kg，硼铜中间合金（含硼5%）1.5kg，混合稀土合金（含混合稀土30.6%）17.6kg。添加时分别用石墨导板将中间合金和混合稀土合金压入表面覆盖有木炭层的铜液之中，搅拌均匀。静置5分钟后出炉浇铸，浇铸温度1210℃～1220℃。

实施例9：

配料比例：硅2.0%，铁1.0%，混合稀土0.36%，硼0.01%，铜余量

先将称取的称取的铁15kg和铜1337.4kg装入工频感应熔炼炉内，用干馏的木炭覆盖，加热升温至铜熔化，当温度达到1210℃～1220℃时，先后分别加入称取的硅铜中间合金（含硅14%）127kg，硼铜中间合金（含硼5%）3kg，混合稀土合金（含混合稀土30.6%）17.6kg。添加时分别用石墨导板将中间合金和混合稀土合金压入表面覆盖有木炭层的铜液之中，搅拌均匀。静置5分钟后出炉浇铸，浇铸温度1210℃～1220℃。

上述实施例7、实施例8和实施例9材料的综合性能为：抗拉强度530～568 N/mm²，伸长率15～18%，布氏硬度HB110～125，导电率12.9~14.6%IACS。

Claims (2)

1.一种用于电机转子的含稀土的微合金强化铜合金，其特征是：在铜中加入了微合金强化元素硅、铁、混合稀土合金和硼，以质量百分比计，硅含量为0.18%～2.0%，铁为0.5%～1.0%，混合稀土合金为0.08%～0.36%，硼为0.001%～0.01%，微量杂质，杂质元素有铋、磷和铅，以质量百分比计，铋≤0.001%，磷≤0.001%，铅≤0.005%，余量为铜。

2.如权利要求1所述一种用于电机转子的含稀土的微合金强化铜合金的制备方法，其步骤是：

⑴ 按照配方的质量百分比称取硅、铁、混合稀土合金、硼和铜各成分，其中硼以硼铜中间合金的形式加入，硼在所述硼铜中间合金中的质量百分比为4.5%～5.5%，余量为铜；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质量百分比为：镧23%～25%，铈1.7%～2.0%，镨1%～2%，钕2.5%～4.0%，余量为硅；硅以硅铜中间合金的形式加入，硅在所述硅铜中间合金中的质量百分比为13%～15%，余量为铜，硅按配方重量减去混合稀土合金中的硅后的数量称取；电解铜按配方重量减去硅铜中间合金中余量的铜，再减去硼铜中间合金中余量的铜之后的重量称取；

⑵ 将称取的全部铁和电解铜加入工频感应熔炼炉内，用干馏的木炭完全覆盖；

⑶ 开始加热升温至铜熔化，铜液温度升至1150℃～1220℃；

⑷ 在铜液中加入硅铜中间合金和硼铜中间合金，最后加入混合稀土合金，添加时分别用石墨导板将中间合金和混合稀土合金压入表面覆盖有木炭层的铜液之中，搅拌均匀；

⑸静置5分钟后出炉浇铸锭坯，浇铸温度1150℃～1200℃。