CN102758099A - 一种抗高温软化的含硼黄铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗高温氧化和高温软化的含硼黄铜合金及其制备方法。该合金的化学成份为：铜90～91wt%，硼0.015～0.5wt%，其余为锌和不可避免的杂质。其制造是采用合金化处理和覆盖保护变质清渣净化精炼方法，熔炼含硼黄铜合金，在1200～1300℃温度下连续铸造成铸坯，经10～60%加工率的冷加工，在400～650℃温度下进行中间热处理，加工最终成品在250～350℃温度下进行成品退火。本发明合金具有较高的高低温力学性能，具有优异的高温抗软化、抗氧化性能，具有优异的焊接性能和优良的易控电性能，而且其工艺性能优异、成本较低，是一种应用于高速铁路及轨道交通牵引电机导条的新型黄铜合金材料。

Description

一种抗高温软化的含硼黄铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种黄铜合金，尤其涉及一种具有较高的高低温力学性能、具有优异的高温抗软化、抗氧化性能，具有优异的焊接性能和优良的易控电性能的含硼黄铜合金及其制造方法，它特别适用于高速列车大功率重载货运列车、城际轻轨等交通运输领域的牵引电机导条生产。 

背景技术

近年来，世界各国都在加大力度研究列车的高速化，我国在这一领域起步较晚，但近几年通过引进、消化、吸收国外的相关技术，已经开始在全国范围内建设、投入使用高速铁路交通，使我国的铁路进入高速化时代。而制约高速铁路、城市轨道交通等高速化发展的重要关键部件之一就是牵引电机。 

现在世界上绝大多数电力机车是交-直-交流电力机车。交-直-交流电力机车采用交流无整流子牵引电动机，即三相异步电动机。而三相异步电动机在电力机车上应用最大的限制就是调速困难。根据转子绕组的构造不同，三相异步电动机分为鼠笼式电动机和绕线式电动机。目前研究开发的多数为鼠笼式电动机。鼠笼式电动机由定子和转子组成。鼠笼式电动机的转子是在外面有槽的硅钢片叠成的铁芯，槽内嵌放导电的铜合金导条，端部用端环焊接形成一体。 

由于牵引电机的运行，转子处于高速运转状态，随着电动机功率的提高和转速的加快，转子的发热会越严重，所以作为转子的部件之一的导条要承受瞬间的高温（温度可达几百度），这就要求制备导条的金属材料具有优异的高温抗软化及抗氧化性能，稳定的高温抗拉强度和适中的易控电性能。同时还要保证在一定的电阻率条件下，通过导条金属的电阻来有效控制和调节牵引电机的牵引速度，从而达到全程准确控制电力机车速度的目的。目前，高速电机转子导条对材料的性能要求为电阻率0.037-0.042Ω.mm²/m,常温抗拉强度大于400MPa，延伸率大于12%，高温（350℃）抗拉强度大于280MPa，延伸率大于10%，同时具有较好的焊接性能。 

现在用于生产高速电机转子导条的材料主要有铬锆铜、H90Cr等。但铬锆铜生产成本高，在导条金属中应用受限；而H90Cr虽然也用于导条生产，但H90Cr的高、低温条件下的强度均存不足，难以满足高速列车牵引电机的要求，且焊接性能不佳，焊接容易开裂。 

目前，导条用铜合金的研究主要集中于铬锆铜，如专利号为ZL99101984.9的中国专 利公开的“高速列车用大功率异步牵引电动机铜合金导条和护环”、申请号为CN200710020296.3的中国专利申请公开的“电机导条材料及其用该材料制作电机导条的方法”、专利号为ZL201010181509.2的中国专利公开的“一种大功率调频调速异步牵引电机用铜合金导条和端环及其制备方法”、申请号为CN201110380628.5的中国专利申请公开的“一种高强高导铜合金材料”等。 

铬锆铜除了成本较高外，还因为其组织特点，在电机运行中出现短暂高温或焊接高温条件下，较易出现中温回火脆性现象，并将因这一原因而使材料的机械强度降低，影响电机的使用寿命。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术状况而提供一种成本较低且各项性能均衡、适用于高速牵引电机导条的黄铜合金及该黄铜合金的制造方法。 

本发明是通过提供具有如下各种合金元素组成的含硼黄铜合金而实现的： 

本发明抗高温软化含硼黄铜合金的组成为：铜：90～91wt%，硼：0.0150～0.0495wt%，其余为锌和不可避免的杂质；并且（铜+锌+硼）wt%≥99.700wt%。铜和锌的含量基本与H90一致，保持了H90黄铜的基本特性和成本，但加入硼进行合金化处理起到了合金细化晶粒和强化作用，明显提高了材料的高低温强度、高温抗氧化和抗软化性能，同时，还提高了焊接性能及易控电性能。试验中发现，当硼含量小于0.0150%时，提高抗高温软化性能不明显，当硼含量大于0.0495%时，则高温导电性能满足不了牵引电机的需求。故硼的含量选择为0.0150～0.0495wt%。 

优选地，所述的合金组成中铜的含量为90.10～90.80wt%，硼的含量为：0.020～0.040%。 

本发明制备含硼黄铜合金的方法是：采用合金化处理和覆盖剂保护去渣变质净化的精炼方法，熔炼含硼黄铜合金，在1200～1300℃温度下连续铸造成含硼黄铜合金铸坯，经10～60%加工率的冷加工（小于10%的冷加工率，高底温强度满足不了应用要求；大于60%的冷加工率，则材料容易开裂），在400～650℃温度下进行多级中间热处理（低于400℃的中间热处理，增加了冷加工的难度，并且容易开裂；而高于650℃的中间热处理则会使晶粒粗大），加工最终成品在250～450℃温度下进行成品退火。 

本发明合金在简单黄铜H90的基础上，通过添加微量的硼，以均匀细化晶粒，而且因为硼的加入，显著提高了合金的高、低温强度，克服了H90黄铜高温易软化和易氧化的缺点，而且焊接性能优良，解决了导条在组装焊接时的容易开裂问题，同时电性能易控，是一款适用于牵引电机转子导条的具有较高的高低温力学性能、具有优异的高温抗软化、抗氧化性能，具有优异的焊接性能和优良的易控电性能的新型黄铜合金材料。 

与现有技术相比，本发明的优点在于： 

1、具有较高的高低温力学性能、具有优异的高温抗软化、抗氧化性能，具有优异的焊接性能和优良的易控电性能，可以承受牵引电机瞬间高温对材料的影响； 

2、工艺性能良好，易冷热加工成型、焊接等工艺生产并且不开裂； 

3、性价比优越，本发明产品的成本比铬锆铜低约30%，且不会出现铬锆铜的中温回火脆性现象。 

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。 

实施例： 

本发明实施例中含硼黄铜合金的生产工艺流程如下： 

原材料准备及配料——微合金化处理精炼——水平连续铸造坯料——拉伸——中间热处理——酸洗——拉伸——中间热处理——拉伸——成品退火——检验成品包装入库。 

具体可表述如下：采用合金化处理和覆盖保护去渣变质精炼的方法熔铸含硼黄铜合金，并在1200～1300℃温度下连续铸造成含硼黄铜合金坯杆，经10～60%冷加工，在400～650℃温度下中间热处理，加工最终成品在250～450℃温度下进行成品退火。 

实施例中，本发明的含硼黄铜合金按表1中的合金成份组成连铸坯，在相同的设备条件下，拉伸、热处理成7.29×23的导条，其具体成份含量见表1所示： 

表1本发明含硼黄铜合金的成份组成实例（重量%）： 

为与在牵引电机上使用的导条要求相符，将本发明合金生产成满足客户要求的导条，高速电机转子导条对材料的性能要求为电阻率0.037-0.042Ω.mm²/m,常温抗拉强度大于400MPa，延伸率大于12%，高温抗拉强度大于280MPa，延伸率大于10%，同时具有较好的焊接性能。在此基础上按国家标准规定方法检测合金的高、低温抗拉强度，高、低温屈服强度以及导电率和电阻率。其中高温抗拉强度的测试温度为350℃. 

本发明含硼黄铜合金的以上试验结果见表2 

表2本发明含硼黄铜合金导条的试验结果 

由上述表格中数据可见，本发明实施合金的常温和高温性能、焊接性以及电性能等均满足用户的设计要求，而对比例H90合金则达不到要求。 

Claims (4)

1.一种抗高温软化含硼黄铜合金，其特征在于所述合金的组成为：铜：90～91wt%，硼：0.0150～0.0495wt%，其余为锌和不可避免的杂质；并且（铜+锌+硼）wt%＞99.700wt%。

2.根据权利要求1所述的含硼黄铜合金，其特征在于所述的合金组成中铜的含量为90.10～90.80wt%。

3.根据权利要求1或2所述的含硼黄铜合金，其特征在于所述的合金组成中硼的含量为0.020～0.040wt%。

4.一种制备如权利要求1至3中任一权利要求所述的含硼黄铜合金的方法，其特征在于：采用合金化处理和覆盖保护去渣变质精炼的方法熔铸含硼黄铜合金，并在1200～1300℃温度下连续铸造成含硼黄铜合金坯杆，经10～60%冷加工，在400～650℃温度下中间热处理，加工最终成品在250～450℃温度下进行成品退火。