CN102392154A

CN102392154A - 一种高强高导铜合金材料

Info

Publication number: CN102392154A
Application number: CN2011103806285A
Authority: CN
Inventors: 佘京鹏; 陈钢; 李立鸿; 李上吉; 钟敏
Original assignee: SHANTOU HUAXING METALLURGICAL EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: Raoping Yuexing Copper Processing Co. Ltd.
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: CN102392154B

Abstract

本发明实施例公开了一种高强高导铜合金材料，包括Cu、Cr、和Zr，所述Cu、Cr、和Zr组分的质量百分比为：Cr：1.3%~1.5%，Zr：0.4%~0.5%，余量为Cu和不可避免的杂质。所述组分可进一步包括Zn，Fe，Mg，Ni中的一种或几种。本发明提高了产品的抗高温软化性能，防止由于温升降低材料强度而导致开裂，保证较高的高温抗拉强度、屈服强度和硬度的同时，能够保持较高的导电、导热性能。

Description

一种高强高导铜合金材料

技术领域

本发明涉及一种铜合金材料，尤其涉及一种高强高导铜合金材料。

背景技术

随着电气化铁路的改造、高速铁路和城市轨道交通的建设，电力机车的安全运行成了一个重要的研究课题。由于电力机车的频繁停靠站，牵引电机也频繁启动，频繁且巨大的启动电流造成牵引电机转子导体以及接触网零部件的温升提高，有时高达300℃，电机转子材料目前主要采用紫铜，其软化温度在250℃左右，当温升达到300℃时，电机转子材料强度急剧下降，容易发生材料开裂，造成牵引电机的停机事故和影响电力机车的安全运行。

紫铜虽然具有良好的导电性能，但其耐高温的机械强度一般，越来越难以满足现代工业发展对高强度高导电材料的需求。合金化是提高铜合金材料强度的主要途径，同时不降低铜材的导电性和导热性，因此应寻求一种恰当组分的铜合金材料在尽可能不降低铜材的导电性和导热性的前提下，提高其强度以达到导电性和强度的良好配合。

例如专利号为99101984.9的专利提供了一种高速列车用大功率异步牵引电动机铜合金导条和护环成分，其主要成分为：2-30%Zn，0.3-1%Cr，0.3-1%Zr，余量为铜，或者9-11.5%Al，2-7%Fe，2-7%Ni，0.3-1%Zr（或0.1-1.0%Ti），余量为铜。这种组分的导条和护环虽具有较高强度和硬度，但是它的体积电阻率高，导电、导热系数就较难满足需求。

又如中国专利申请号为200810017295.8，公开号为CN101225488A，所公开的一种引线框架用铜合金材料及其制备方法。该引线框架用铜合金材料，含有重量百分比为0. 9~3.5%镍、0. 18~0.8%硅、0. 02~0. 1%磷，其余为铜。这种材料做的电连接件的抗拉强度可以达到600~850MPa、电导率达到45~65%IACS、延伸率达到5~8%，软化温化450~500℃。其导电率不能满足需求。

在电网连接件中，尤其是高压电网电线之间的连接件和变压器与高压电网的连接件对材料的体积电阻率以及强度均有高要求，而目前的电网连接件导电率高，而其强度比较低，在连接件接触面产生氧化使接触电阻变大导致材料温度升高，同时在高紧压力作用下，连接件很容易出现裂痕，特别是在降霜降雪的低温环境下更难经受考验。

由此需要开发一种具有理想的硬度、导电率、软化温度、抗拉强度、屈服强度，而且金相组织细小均匀的铜合金材料，可以应用于电力机车牵引电机转子材料、大型高速涡轮发电机转子材料、高压电网连接件、变压器连接件以及铁路路轨电连接件等领域。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种高强高导铜合金材料。具有理想的硬度、导电率、软化温度、抗拉强度、屈服强度。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种高强高导铜合金材料，包括Cu、Cr、和Zr，所述Cu、Cr、和Zr组分的质量百分比为：Cr：1.3%~1.5%， Zr：0.4%~0.5%，余量为Cu和不可避免的杂质。

进一步地，所述铜合金材料还包括Zn，Fe，Ni中的至少一种。

进一步地，所述Zn的含量为0.01%~30%。

进一步地，所述Fe≤0.08%。

进一步地，所述Mg≤0.3%。

进一步地，所述Ni≤0.1%。

作为上述方案的改进，所述高强高导铜合金材料组分的质量百分比为Cr：1.4%，Zr：0.5%，余量为Cu和不可避免的杂质。

作为上述方案的改进，所述高强高导铜合金材料组分的质量百分比为Cr：1.3%，Zr：0.4%，Zn：2.0%，Ni：0.04%，余量为Cu和不可避免的杂质。

作为上述方案的改进，所述高强高导铜合金材料组分的质量百分比为Cr：1.5%，Zr：0.5%，Fe：0.08%，Ni：0.1%，余量为Cu和不可避免的杂质。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、采用本发明组分的铜合金代替紫铜材料，提高了产品的抗高温软化性能，防止由于温升降低强度而导致开裂。

2、保证较高的高温抗拉强度、屈服强度和硬度的同时，能够保持较高的导电和导热性能，有利于电机转子材料的稳定运行，满足牵引电机高速驱动的需求。

3、金相组织细小均匀，有效地避免电机转子材料以及连接件在焊接过程出现材料晶粒变粗或偏析，引起机械强度下降和内部缺陷，有利于提高铜合金的综合性能。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例给出本发明的铜合金导体材料应用于鼠笼式电机转子精密铜件的实施方式。

在本实施例中，应用于电机转子精密铜件的铜合金导体材料包括Cu、Cr、和Zr组分，各组分质量百分比为：Cr：1.4%， Zr：0.5%，余量为Cu和不可避免的杂质。

在上述的合金组分中，Cr与Zr主要起时效析出强化和阻碍再结晶的作用。在铜中加入溶解度随温度降低而明显减小的合金元素（如Cr、Zr）通过高温固溶处理形成饱和固溶体，而后通过时效，使过饱和固溶体分解，合金元素以沉淀相的形式析出弥散分布在基体中。沉淀相能有效地阻止晶界和位错的移动，大大提高合金强度。在时效析出过程中，Cr常以极细的Cr粒子均匀沉淀分布于合金中，Zr则以微细铜锆化合物的形式沉淀。在Cr与Zr复合并以一定的质量百分比添加时，除上述两种沉淀方式外，还以微细CrZr化合物的形式均匀沉淀。上述微粒子均匀沉淀分布不显著影响合金的电阻率，但提高了合金室温强度，而且上述沉淀析出物具有阻碍热加工过程中再结晶和冷加工后退火过程再结晶的作用，显著提高了合金抗软化温度和高温强度。

实施例二：

本发明应用于电机转子导体的铜合金导体材料包括Cu、Cr、和Zr组分，并进一步包括Zn，Fe，Mg，Ni中的一种或多种，在本实施例中，各组分质量百分比为：Cr：1.3%，Zr：0.4%，Zn：2.0%，Ni：0.04%，余量为Cu和不可避免的杂质。

其中添加Zn可以调整电阻率，在与铜能形成溶体的所有元素中，Zn对电阻率的影响最小，可以用来调整铜合金电阻，同时，锌在铜合金中还有明显的固溶强化效果，有利于提高铜合金的室温和高温强度，使得电机转子导体的电阻得以调整，也保证了电机转子导体的铸造性能与抗拉强度。

实施例三：

本发明应用于电机转子导体、高压电网的连接件、变压器连接件以及铁路路轨电连接件的铜合金导体材料包括Cu、Cr、和Zr组分，并进一步包括Zn，Fe，Mg，Ni中的一种或多种，在本实施例中，各组分质量百分比为：Cr：1.5%，Zr：0.5%，Fe：0.08%，Ni：0.1%，余量为Cu和不可避免的杂质。

其中，Fe和Ni的加入配比一般约为0.8:1，它们的加入能够提高合金强度的同时，仍能维持合金较好的塑性。Fe、Ni还有细化合金铸造组织，阻碍再结晶的作用，从而提高该合金高温性能。

实施例四：

本发明应用于高压电网的连接件、变压器连接件以及铁路路轨电连接件的铜合金导体材料包括Cu、Cr、和Zr组分，并进一步包括Zn，Fe，Mg，Ni中的一种或多种，在本实施例中，各组分质量百分比为：Cr：1.3%，Zr：0.4%，Zn：30 %，Fe：0.08%，Mg：0.3%，Ni：0.1%，余量为Cu和不可避免的杂质。

Zn调整了电气接触件的整体电阻率，在与铜能形成溶体的所有元素中，Zn对电阻率的影响最小，可以用来调整铜合金电阻，同时，锌在铜合金中还有明显的固溶强化效果，有利于提高铜合金的室温和高温强度。

Mg形成的合金材料比强度高、减振性好、热疲劳性能好、不易老化，又有良好的导热性、良好的压铸工艺性能。

应用本发明的高强高导铜合金材料的铜件需要特殊工艺流程制成，如下：

电机转子材料按配制好质量百分比的铜合金制作的工艺流程：合金熔铸—机加工—塑性加工—固溶处理—塑性加工—时效处理—精整/精加工—无损检测—成品。

高压电网的连接件、变压器连接件以及铁路路轨电连接件按配制好质量百分比的铜合金制作的工艺流程：合金熔合—连铸热连轧—连续挤压—清洗—时效处理—精整/精加工—无损检测—成品。

各组分的高强高导铜合金材料机械性能和物理性能良好，对于电机转子材料来说，例如端环20℃抗拉强度可达Rm≥360Mpa，屈服强度R_p0.2≥270MPa，断后伸长率可达A≥15%，硬度≥110HB，电导率达78%以上，晶粒度<30~50μm，150℃时体积电阻率在2.5～5μΩ·cm。导条20℃抗拉强度可达Rm≥420Mpa，屈服强度R_p0.2≥300MPa，断后伸长率可达A≥15%，硬度≥110HB，对于物理性能来说，电导率达78% IACS以上，晶粒度<30-50μm，150℃时体积电阻率在2.5～5μΩ·cm。

本发明高强高导铜合金材料应用于牵引电机的实施例与专利99101984.9中的实施例进行比较，所得到的铜合金性能如下表1所示。

Figure 2011103806285100002DEST_PATH_IMAGE001

表1

从实施例与现有技术的比较中看出，本发明高强高导铜合金材料能够实现较高的高温机械性能的同时保持较低的体积电阻率。这对于电动机转子材料的安全使用非常有利。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强高导铜合金材料，其特征在于：所述铜合金材料包括Cu、Cr和Zr，所述Cu、Cr、和Zr组分的质量百分比为：Cr：1.3%~1.5%， Zr：0.4%~0.5%，余量为Cu和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高强高导铜合金材料，其特征在于：所述铜合金材料还包括Zn，Fe，Mg，Ni中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的高强高导铜合金材料，其特征在于：所述Zn的含量为0%~30%。

4.根据权利要求2所述的高强高导铜合金材料，其特征在于：所述Fe≤0.08%。

5.根据权利要求2所述的高强高导铜合金材料，其特征在于：所述Ni≤0.1%。

6.根据权利要求2所述的高强高导铜合金材料，其特征在于：所述Mg≤0.3%。

7.根据权利要求1所述的高强高导铜合金材料，其特征在于：所述高强高导铜合金材料组分的质量百分比为Cr：1.4%，Zr：0.5%，余量为Cu和不可避免的杂质。

8.根据权利要求3所述的高强高导铜合金材料，其特征在于：所述高强高导铜合金材料组分的质量百分比为Cr：1.3%，Zr：0.4%，Zn：2.0%，Ni：0.04%，余量为Cu和不可避免的杂质。

9.根据权利要求2所述的高强高导铜合金材料，其特征在于：所述高强高导铜合金材料组分的质量百分比为Cr：1.5%，Zr：0.5%，Fe：0.08%，Ni：0.1%，余量为Cu和不可避免的杂质。