CN102392205B

CN102392205B - 一种精密铜件制作工艺

Info

Publication number: CN102392205B
Application number: CN 201110380633
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: Guangdong Huaxing Heat Exchange Equipment Co., Ltd
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: CN102392205A

Abstract

本发明涉及一种精密铜件制作工艺，所述制作工艺包括以下步骤：步骤1，熔铸，将合金原材料熔铸成铸锭；步骤2，切割与剥皮，将所述铸锭切割成粗坯，并剥掉外层的氧化皮；步骤3，热加工，在加热后保持一定的温度情况下，对所述粗坯进行塑性加工；步骤4，清洗，将所述粗坯进行清洗，去掉剩余的表层氧化皮；步骤5，固溶处理，将所述粗坯加热至高温并恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却；步骤6，冷加工，将冷却后的所述粗坯在常温下进行塑性加工；步骤7，时效处理，对所述粗坯加热并进行时效处理；步骤8，精加工，将所述粗坯加工为需要的尺寸。

Description

一种精密铜件制作工艺

技术领域

本发明涉及一种精密铜件制作工艺，尤其涉及高速列车、轻轨、地铁等轨道交通牵引电机用的一种高强高导精密铜件制作工艺。

背景技术

随着高速铁路、城际轻轨、地铁等轨道交通的发展需要，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。

对于牵引电机，由于电机的大功率、大起动转矩和起动频繁，因此对电机转子材料以及电气连接件的力学性能要求很高，并且要求具有较好的导电性能。然而，高强度与高导电性（即低电阻率）之间是一对矛盾，传统的工艺办法无法满足。为了解决这个矛盾同时拥有这些性能，需要新的技术、新的制作工艺来实现。

发明内容

本发明的目的为了克服高强度和高导电性不可兼得的矛盾，提出一种精密铜件制作工艺，所述制作工艺包括以下步骤：

步骤1，熔铸，先将电解铜放入熔化炉内，抽真空或加盖覆盖剂，以1200℃熔化；继续升温到1300℃，将Cr碎成小于2mm的小块，并用铜包覆起来投入所述熔化炉中；待 Cr熔化后，再向所述熔化炉内加入Cu-Zr中间合金；将所述熔化炉的温度降到1100℃，并加入Zn；待所述Zn熔化后，将所述熔化炉的温度升到1200℃-1300℃之间进行浇铸；

步骤2，切割与剥皮，将所述铸锭切割成粗坯，并剥掉外层的氧化皮；

步骤3，热加工，在加热后保持一定的温度情况下，对所述粗坯进行塑性加工；

步骤4，清洗，将所述粗坯进行清洗，去掉剩余的表层氧化皮；

步骤5，固溶处理，将所述粗坯加热至高温并恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却；

步骤6，冷加工，将冷却后的所述粗坯在常温下进行塑性加工；

步骤7，时效处理，对所述粗坯加热并进行时效处理；

步骤8，精加工，将所述粗坯加工为需要的尺寸。

所述步骤1的熔铸可以为真空熔铸，在真空环境下进行熔合和浇铸成铸锭。

加工环形精密铜件时，所述步骤3的热加工为热环轧，所述步骤6的冷加工为冷环轧或冷锻。所述热环轧的温度为900±20℃；

加工条形精密铜件时，所述步骤3的热加工为热挤压，所述步骤6的冷加工为冷拉拔。所述热挤压的温度为880℃~950℃。所述热挤压可以采用水封挤压工艺。

所述步骤5的固溶处理的温度为880~1000℃。

所述步骤7的时效处理为在400~500℃下时效处理3~6小时。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、本发明制作的精密铜件通过形变强化、固溶强化、析出强化的共同作用，大大地提高了产品的高温机械性能，同时也具有较低的体积电阻率，具有高导电率和良好的导热性能，能够满足牵引电机的需要。

2、环形精密铜件采用环轧工艺代替离心铸造和自由锻造工艺，机械性能明显提高，并在周向上各点性能更加均匀。

3、本发明制作的精密铜件金相组织细小均匀，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。

附图说明

图1为本发明的制作工艺简化流程图。

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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明的制作工艺可简述为图1所示的流程图。

下面本发明将结合实施例来对所述工艺做进一步的描述：

实施例1：条形精密铜件的制作工艺

1. 真空熔铸。加入铜合金到真空熔化炉，在真空环境下进行熔合和浇注。合金元素的烧损主要是氧化和挥发造成的。氧化烧损与生成的氧化膜的性质有关。真空环境下，可以防止氧化和减少铜合金中氧的含量。

2. 切割与剥皮。将真空熔铸形成的铸锭去掉头尾，切割成尺寸为所需要大小的粗坯，并剥掉外层的氧化皮；这一步骤是为了去掉多余的不能使用的部分，并且加工成所需坯料规格方便后续加工。

3. 热挤压。在为880℃~950℃温度下，通过挤压机将所述粗坯挤压成长条状。热挤压也是一个形变强化的过程。形变强化是同时利用塑性变形和热处理进行强化的工艺方法。形变强化过程中，铜合金既有机械力引起的组织结构及形状的变化，又有热引起的组织变化，二者相互作用、相互影响。形变产生的大量错位在回复过程中形成稳定的亚结构，造成亚结构强化，同时亚结构会直接影响热处理时固态形变的特征。大量沿位错析出的弥散质点对位错运动具有强烈的钉扎作用，使位错的运动更加困难，从而提高材料的强度。

所述的热挤压也可以是水封挤压，在水封环境下进行，挤制坯料出模孔后，直接进入低温的水中；由于坯料不经过中转，无热量损失，达到开坯、淬火两道工序合二为一，降低能源消耗和金属损耗，缩短工艺流程，提高生产效率，并可获得组织均匀、固溶效果好的坯料。

4. 清洗。将所述粗坯进行清洗，去掉剩余的表层氧化皮。可以采用低浓度硫酸溶液或者草酸进行酸洗。

5. 固溶处理。将所述粗坯加热至高温并恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却。温度可设定在900-960℃。固溶强化是利用金属材料内部的点缺陷对金属基体进行强化。铜中加入合金元素形成间隙式或置换式固溶体时，溶质原子会引起铜晶体发生点阵畸变，在溶质原子周围形成应力场。该应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，结果增加了位错运动的阻力，产生固溶强化效果。固溶强化的根本原因在于溶质原子与位错交互作用，这种交互作用是多方面的，溶质原子对位错运动的钉扎作用起到主要的强化作用。

6. 冷拉拔。常温下通过拉拔机对长条形粗坯进行拉拔。冷拉拔一方面通过变形到达所需要的规格尺寸，使材料有较好的表面光洁度和尺寸精度；另一方面通过变形在金属基体中产生大量位错，高密度的位错相互作用，使其强度和硬度大大提高。这个形变获得的强度在随后的回火过程中很快消失，因此与时效处理结合使用。

7. 时效处理，对所述粗坯加热并在400~500℃下时效处理4小时。这是通过大量的研究实验我们确定的最佳时效处理温度和时间。时效处理可以在普通的电阻炉内进行，根据批量大小选用不同功率和空间容量的电阻炉。时效处理的目的就是使铜合金产生析出强化，其原理是加入室温下固溶度很低的合金元素，通过高温固溶处理，析出过饱和固溶体，造成铜的晶格严重畸变，从而强度提高而导电性恶化，然后经时效处理后，大部分合金元素从基体中析出，形成弥散分布的沉淀相，这些弥散的沉淀相能有效阻碍晶界和位错的移动，从而提高铜材的强度；同时，由于固溶原子所引起的晶格畸变对电子的散射作用比第二相对电子的散射作用强得多，所以时效处理后，材料的导电性又恢复到较高的水平。从而可以达到提高产品的高温机械性能，同时也具有较低的体积电阻率，获得较高的导电率和良好的导热性能。

8. 精加工，将前述步骤处理过的粗坯通过切割、车削、去毛刺等精加工成为需要的产品尺寸。最后经过检验合格后成为产成品。

实施例2：环形精密铜件的制作工艺

1. 熔铸。将电解铜放入中频感应炉在1200℃下熔化，并加盖覆盖剂，然后升温到1300℃，将Cr碎成2mm大小的小块并用铜包起来投进熔化炉中，等Cr熔化后，再加入Cu-Zr中间合金，之后，将炉温降到1100℃后再加Zn，熔化后，将炉温升到1200-1300℃之间进行浇注，通过半连续铸造成铸锭。合金元素的烧损主要是氧化和挥发造成的，所以需加盖覆盖剂，必要时向炉内吹氩气。

2. 切割与剥皮。将所述铸锭去掉头尾，切割成所需粗坯大小并剥掉外层的氧化皮；这一步骤去掉多余的不能使用的部分，并且加工成所需坯料规格方便后续加工。

3. 热环轧。在加热炉内加热至900±20℃，在环轧机上进行环轧加工成圆环状粗坯规格。形变强化是同时利用塑性变形和热处理进行强化的工艺方法。形变热处理过程中，合金既有机械力引起的组织结构及形状的变化，又有热引起的组织变化，二者相互作用、相互影响。形变产生的大量错位在回复过程中形成稳定的亚结构，造成亚结构强化，同时亚结构会直接影响热处理时固态形变的特征。大量沿位错析出的弥散质点对位错运动具有强烈的钉扎作用，使位错的运动更加困难，从而提高材料的强度。

4. 清洗。将所述坯料进行清洗，去掉剩余的表层氧化皮。可以采用低浓度硫酸溶液或者草酸进行酸洗。

5. 固溶处理。将所述坯料加热至高温并恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却。温度可设定在在900-960℃。固溶强化是利用金属材料内部的点缺陷对金属基体进行强化。铜中加入合金元素形成间隙式或置换式固溶体时，溶质原子会引起铜晶体发生点阵畸变，在溶质原子周围形成应力场。该应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，结果增加了位错运动的阻力，产生固溶强化效果。固溶强化的根本原因在于溶质原子与位错交互作用，这种交互作用是多方面的，溶质原子对位错运动的钉扎作用起到主要的强化作用。

6. 冷锻。常温下通过锻压机对圆环状坯料进行锻打。锻打通过变形在金属基体中产生大量位错，高密度的位错相互作用，使其强度和硬度大大提高。这个形变获得的强度在随后的回火过程中很快消失，因此与时效处理结合使用。

7. 时效处理。对坯料加热并在400~500℃下时效处理4小时。时效处理可以在普通的电阻炉内进行，根据批量大小选用不同功率和空间容量的电阻炉。时效处理的目的就是使铜合金产生析出强化，其原理是加入室温下固溶度很低的合金元素，通过高温固溶处理，析出过饱和固溶体，造成铜的晶格严重畸变，从而强度提高而导电性恶化，然后经时效处理后，大部分合金元素从基体中析出，形成弥散分布的沉淀相，这些弥散的沉淀相能有效阻碍晶界和位错的移动，从而提高铜的强度；同时，由于固溶原子所引起的晶格畸变对电子的散射作用比第二相对电子的散射作用强得多，所以时效处理后，材料的导电性又恢复到较高的水平。从而可以达到提高产品的高温机械性能，同时也具有较低的体积电阻率，较高导电率和良好的导热性能。

8. 精加工，将前面处理过的坯料通过机加工成为需要的产品尺寸。最后经过检验合格后成为产成品。

通过本发明的制作工艺生产出来的精密铜件具有良好的机械性能和物理性能，能够满足牵引电机的需要。生产的铜合金产品性能参数可以达到：

环形精密铜件的室温抗拉强度Rm≥360Mpa，屈服强度R_p0.2≥270MPa，断后伸长率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。。

条形精密铜件的室温抗拉强度Rm≥420Mpa，屈服强度R_p0.2≥300MPa，断后伸长率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。

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

1.一种精密铜件制作工艺，其特征在于：所述制作工艺包括以下步骤：

步骤7，时效处理，对所述粗坯加热并进行时效处理；

步骤8，精加工，将所述粗坯加工为需要的尺寸。

2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤1的熔铸为真空熔铸，在真空环境下进行熔合和浇铸形成铸锭。

3. 如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤3的热加工为热环轧，所述步骤6的冷加工为冷环轧或冷锻。

4. 如权利要求3所述的工艺，其特征在于：所述热环轧的温度为900±20℃。

5. 如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤3的热加工为热挤压，所述步骤6的冷加工为冷拉拔。

6. 如权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述热挤压的温度为880℃~950℃。

7. 如权利要求6所述的工艺，其特征在于：所述热挤压为水封挤压工艺。

8. 如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤5的固溶处理温度为880-1000℃。

9. 如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤7的时效处理为在400~500℃下时效处理3~6小时。