CN104263992B - 电机整流子用铜银合金材料及其制备方法 - Google Patents

电机整流子用铜银合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电机整流子用铜银合金材料及其制备方法,属于有色金属加工领域。该材料的质量百分比组成为:Ag?0.02~0.035%,Sn?0.002~0.005%,Zn?0.005~0.01%,Li?0.005~0.01%,O<5ppm,其余为Cu。合金的制备加工方法包括a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及铸造,b.热轧,c.铣面,d粗中轧,e.中间退火,f.酸洗,g.精轧,h拉弯矫,i.分装入库。本发明铜银合金的抗拉强度σb为380~450MPa,塑性延伸率δ为6~10%,电导率≥96%IACS,抗软化温度≥350℃,完全满足当代电机整流子材料的使用要求。

Description

电机整流子用铜银合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜银合金材料及其制备加工方法,特别是一种电机整流子用铜银合金材料及其制备方法,属于有色金属加工领域。
背景技术
整流子是电机的重要部件之一,在电机运行中,整流子不仅要导电,而且要受到摩擦、发热以及离心等综合作用。因此,整流子的材料应具有良好的导电性、耐热性、耐磨性和较高的强度等性能,其技术指标为电导率大于96%IACS,抗拉强度大于275MPa,断后伸长率大于4%,抗软化温度不低于300℃。随着微特电机制造技术的发展,电机的转速越来越快,体积愈来愈小,整流子不断地与电刷产生高速摩擦,使得电机的电磁负荷增加,温升提高,传统的紫铜(T1)和无氧铜(TU1)材料已无法满足制造整流子材料的要求。
铜银合金是在铜基体中添加微量的银元素,能够在不明显减低电导率的前提下,提高合金的力学性能和抗软化温度,满足当代整流子材料的发展要求。然而铜银合金性能很大程度取决于合金中含氧量的高低,含氧量越高,电导率、韧性越差。为了进一步提高合金的性能,需要严格控制铜银合金的工业化生产中含氧量。因此,开发出一种适用于电机整流子用铜银合金及其制备方法已迫在眉睫。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有上述已有技术的不足,开发出一种可以适用于电机整流子用铜银合金材料。
为了达到上述目的,本发明是这样实现的:
一种铜银合金材料,可用作电机整流子用铜银合金带材,它含有如下质量百分比的化学成分:Ag0.02~0.035%,Sn0.002~0.005%,Zn0.005~0.01%,Li0.005~0.01%,O<5ppm,其余为Cu。
其中,所述铜银合金中还包含选自B和混合稀土中的至少一种,混合稀土为Ce、Y和Nd,Ce、Y和Nd三个元素之间的重量比优选为3:2:1,其质量百分比含量为B0.0005~0.001%,混合稀土0.001~0.005%。
所添加合金元素的作用:
银:少量的银元素在不明显减低合金电导率的前提下,除了可以提高合金的强度和抗高温软化性能外,还可以明显提高合金的疲劳强度,延长电机整流子的使用寿命。如果合金元素含量高则增加生产成本,低于下限则效果不明显,故银含量为0.02~0.035%。
锡:少量的锡元素可以提高合金的成型性和焊接性能,对铜的导电导热性影响较小。如果锡元素含量高,元素容易发生聚集,在合金表面容易形成花纹,影响表面质量,低于下限则效果不明显。因此,锡含量为0.002~0.005%。
锌:微量的锌元素可以提高合金的强度和抗高温软化性能。
锂:微量的锂元素可以作为铜的脱氧剂,并且能显著提高合金的耐磨性能。
硼和混合稀土:微量的硼和混合稀土可以起到细化晶粒、除氧、除杂以及增加熔体的流动性,易于浇注的作用。
本发明的另一目的是提供一种上述电机整流子用铜银合金材料的制备加工方法。
上述铜银合金的制备加工方法,包括以下工艺流程:a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及铸造,b.热轧,c.铣面,d粗中轧,e.中间退火,f.酸洗,g.精轧,h.拉弯矫,i.分装入库。
步骤a中,所述投料的具体顺序为:先加入电解铜,待熔化后,通入纯度为99.99wt%的氮气,加入银锭、锌锭、铜锂中间合金和锡锭,出炉前依次加入铜硼中间合金与铜混合稀土中间合金中的至少一种。
采用非真空中频感应炉进行半连续熔炼与铸造,所述熔炼的温度为1180~1230℃,所述浇铸的温度控制在1100~1130℃。
具体操作步骤为:加入电解铜,将温度升高到1180~1230℃,至熔体完全熔化后,通入纯度为99.99%的氮气,并覆盖30mm厚的硼砂,等熔体冒泡20min后,再添加银锭、锌锭、铜锂中间合金和锡锭,并覆盖50mm的灼烧木炭,最后出炉前添加铜硼中间合金、铜混合稀土中间合金中的至少一种,充分搅拌后,覆盖30mm厚的干燥石墨粉,填补硼砂与灼烧木炭中的间隙,保温10min后进行浇铸,浇铸温度控制在1100~1130℃。
步骤b中,将上述合金铸锭在步进炉中进行加热,温度为910~950℃,保温时间为1~5h,然后再进行热轧变形,终轧温度控制在700~750℃,随后进行水冷。
步骤e中,将冷轧板材放置钟罩式退火炉进行中间退火,中间退火温度为380~450℃,升温时间为5h,保温时间为4~8h,冷却方式为随炉冷却。
步骤g中,将酸洗后的板材进行精轧,加工率为30~60%,主要用于控制产品性能。
本发明的优点:通过对铜合金进行成分设计和优化,获得电机整流子用Cu-Ag合金带材的化学成分,其质量百分比含量:银为0.02~0.035%,锡为0.002~0.005%,锌为0.005~0.01%,锂为0.005~0.01%,其中还可以含有0.0005~0.001%的硼和/或0.001~0.005%的混合稀土。并且在合金的熔炼过程中,采取了一系列除氧措施,严格控制了氧含量,使其在5ppm以下。同时,本发明的Cu-Ag合金材料的抗拉强度σb为380~450MPa,塑性伸长率δ为6~10%,电导率≥96%IACS,抗软化温度≥350℃,完全满足当代电机整流子所需要的性能指标,解决现代电机整流子采用紫铜和无氧铜抗拉强度、抗软化性能等综合性能指标达不到使用要求的问题。
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明,但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
本发明中所述的弹性锡黄铜合金的制备及加工方法为:包括以下工艺流程:a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及铸造,b.热轧,c.铣面,d粗中轧,e.中间退火,f.酸洗,g.精轧,h拉弯矫,i.分装入库。其中,具体的投料顺序为:先加入电解铜,熔化后,通入纯度为99.99%的氮气,再加入银锭、锌锭、铜锂中间合金和锡锭,出炉前加入铜硼中间合金与铜混合稀土中间合金中的至少一种。混合稀土为Ce、Y和Nd,Ce、Y和Nd可以任意比例混合;三个元素之间的重量比优选为3:2:1时,可以明显改善铸锭的表面质量。熔炼的温度为1180~1230℃,浇铸的温度控制在1100~1130℃;热轧温度为910~950℃,保温时间为1~5h,终轧温度控制在700~750℃;中间退火温度为380~450℃,时间为4~8h,冷却方式为随炉冷却;精轧加工率为30~60%。
实施例1
本发明的合金采用以下原料熔炼:电解铜、银锭、锌锭、铜锂中间合金、锡锭、铜硼中间合金。合金的成分见表1的实施例1。
1.熔炼:采用非真空中频感应电炉进行半连续熔炼与铸造。先加入电解铜,将温度升高到1180℃,至熔体完全熔化后,通入纯度为99.99%的氮气,并覆盖30mm厚的硼砂,等熔体冒泡20min后,再添加银锭、锌锭、铜锂中间合金和锡锭,并覆盖50mm的灼烧木炭,最后添加铜硼中间合金,充分搅拌后,覆盖30mm厚的干燥石墨粉,填补硼砂与灼烧木炭中的间隙,保温10min后进行浇铸,浇铸温度控制在1100℃。
2.热轧:对合金进行加热,加热温度为910℃,保温时间为5h,热加工变形量为80%,终轧温度为700℃,冷却方式为水冷。
3.粗中轧:将热轧后的合金板材进行90%的变形处理。
4.中间退火:将粗中轧的板材进行中间退火,升温时间为5h,退火温度为380℃,保温时间为8h,冷却方式为随炉冷却。
5.精轧:对中间退火后的板材进行精轧,加工率为30%。
经过以上熔炼与铸造、热轧、铣面、粗中轧、中间退火、酸洗、精轧、拉弯矫、分装入库等加工处理后,其性能见表2中的实施例1。
实施例2
本发明的合金采用以下原料熔炼:电解铜、银锭、锌锭、铜锂中间合金、锡锭、铜混合稀土中间合金。混合稀土为Ce、Y和Nd,Ce、Y和Nd为任意比例混合;在三个元素的重量比为3:2:1时,铸锭的表面质量最佳,以下实施例相同。合金的成分见表1的实施例2。
1.熔炼:采用非真空中频感应电炉进行半连续熔炼与铸造。先加入电解铜,将温度升高到1230℃,至熔体完全熔化后,通入纯度为99.99%的氮气,并覆盖30mm厚的硼砂,等熔体冒泡20min后,再添加银锭、锌锭、铜锂中间合金和锡锭,并覆盖50mm的灼烧木炭,最后添加铜混合稀土中间合金,充分搅拌后,覆盖30mm厚的干燥石墨粉,填补硼砂与灼烧木炭中的间隙,保温10min后进行浇铸,浇铸温度控制在1130℃。
2.热轧:对合金进行加热,加热温度为950℃,保温时间为1h,热加工变形量为80%,终轧温度为750℃,冷却方式为水冷。
3.粗中轧:将热轧后的合金板材进行90%的变形处理。
4.中间退火:将粗中轧的板材进行中间退火,升温时间为5h,退火温度为450℃,保温时间为4h,冷却方式为随炉冷却。
5.精轧:对中间退火后的板材进行精轧,加工率为40%。
经过以上熔炼与铸造、热轧、铣面、粗中轧、中间退火、酸洗、精轧、拉弯矫、分装入库等加工处理后,其性能见表2中的实施例2。
实施例3
本发明的合金采用以下原料熔炼:电解铜、银锭、锌锭、铜锂中间合金、锡锭、铜硼中间合金及铜混合稀土中间合金。合金的成分见表1的实施例3。
1.熔炼:采用非真空中频感应电炉进行半连续熔炼与铸造。先加入电解铜,将温度升高到1210℃,至熔体完全熔化后,通入纯度为99.99%的氮气,并覆盖30mm厚的硼砂,等熔体冒泡20min后,再添加银锭、锌锭、铜锂中间合金和锡锭,并覆盖50mm的灼烧木炭,最后添加铜硼和铜混合稀土中间合金,充分搅拌后,覆盖30mm厚的干燥石墨粉,填补硼砂与灼烧木炭中的间隙,保温10min后进行浇铸,浇铸温度控制在1100℃。
2.热轧:对合金进行加热,加热温度为930℃,保温时间为3h,热加工变形量为80%,终轧温度为720℃,冷却方式为水冷。
3.粗中轧:将热轧后的合金板材进行90%的变形处理。
4.中间退火:将粗中轧的板材进行中间退火,升温时间为5h,退火温度为410℃,保温时间为6h,冷却方式为随炉冷却。
5.精轧:对中间退火后的板材进行精轧,加工率为50%。
经过以上熔炼与铸造、热轧、铣面、粗中轧、中间退火、酸洗、精轧、拉弯矫、分装入库等加工处理后,其性能见表2中的实施例3。
实施例4
本发明的合金采用以下原料熔炼:电解铜、银锭、锌锭、铜锂中间合金、锡锭、铜硼中间合金及铜混合稀土中间合金。合金的成分见表1的实施例4。
1.熔炼:采用非真空中频感应电炉进行半连续熔炼与铸造。先加入电解铜,将温度升高到1200℃,至熔体完全熔化后,通入纯度为99.99%的氮气,并覆盖30mm厚的硼砂,等熔体冒泡20min后,再添加银锭、锌锭、铜锂中间合金和锡锭,并覆盖50mm的灼烧木炭,最后添加铜硼和铜混合稀土中间合金,充分搅拌后,覆盖30mm厚的干燥石墨粉,填补硼砂与灼烧木炭中的间隙,保温10min后进行浇铸,浇铸温度控制在1130℃。
2.热轧:对合金进行加热,加热温度为950℃,保温时间为4h,热加工变形量为80%,终轧温度为750℃,冷却方式为水冷。
3.粗中轧:将热轧后的合金板材进行90%的变形处理。
4.中间退火:将粗中轧的板材进行中间退火,升温时间为5h,退火温度为430℃,保温时间为5h,冷却方式为随炉冷却。
5.精轧:对中间退火后的板材进行精轧,加工率为60%。
经过以上熔炼与铸造、热轧、铣面、粗中轧、中间退火、酸洗、精轧、拉弯矫、分装入库等加工处理后,其性能见表2中的实施例4。
表1实施例1-4的合金成分配方(wt%)
注“—”标记为未添加合金量
表2实施例1-4的合金性能表
本发明铜银合金材料的抗拉强度σb为380~450MPa,塑性延伸率δ为6~10%,电导率≥96%IACS,抗软化温度≥350℃,含氧量低,电导率、韧性等性能完全满足电机整流子材料的使用要求。

Claims (3)

1.一种电机整流子用铜银合金材料,其特征在于:该材料的质量百分比组成为:Ag0.02~0.035%,Sn0.002~0.005%,Zn0.005~0.0l%,Li0.005~0.0l%,O<5ppm,其余为Cu,所述铜银合金材料中还包含选自B和混合稀土中的至少一种,其中所述混合稀土为Ce、Y和Nd,其质量百分比含量为B0.0005~0.001%,混合稀土0.001~0.005%。
2.如权利要求1所述的电机整流子用铜银合金材料,其特征在于:Ce、Y和Nd的重量比为3:2:1。
3.如权利要求1-2中任一项所述的电机整流子用铜银合金材料的制备方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及铸造,b.热轧,c.铣面,d.粗中轧,e.中间退火,f.酸洗,g.精轧,h.拉弯矫,i.分装入库;其中,投料顺序为:先加入电解铜,熔化后,通入纯度为99.99%的氮气,再加入银锭、锌锭、铜锂中间合金和锡锭,出炉前加入铜硼中间合金与铜混合稀土中间合金中的至少一种;所述熔炼的温度为1180~1230oC,所述浇铸的温度为1100~1130oC;所述热轧的温度为910~950oC,保温时间为1~5h,终轧温度控制在700~750oC;中间退火温度为380~450oC,时间为4~8h,冷却方式为随炉冷却;所述精轧的加工率为30~60%。
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