CN104630543A - 一种换向器用低银铜镧合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流电机换向器用可替代常规铜银合金的含低量银和适量稀土的优质铜合金电工材料及其制备方法。本发明涉及的含稀土低银电工铜合金，采用特殊熔炼工艺制备杆坯，采用常规“上引连铸+连续挤压+高精冷拉”方法成形，可以生产出不同型号和规格的换向器用异型材，其电学性能和力学性能与常规铜银合金非常接近，且均可达到使用要求。该含稀土低银铜合金可取代常规银铜合金，应用于制造多种直流电机的换向器，效益显著，应用前景广阔。

Description

一种换向器用低银铜镧合金及制备方法

技术领域

本发明提供一种直流电机换向器用可替代常规铜银合金的含低量银和镧的优质铜合金电工材料及制备方法，属于新材料技术领域。

技术背景

换向器是在电动机和发电机中用来转换和传导电流的一类零件。除了鼠笼式感应电机外，其他电机都要使用换向器，因此，换向器质量的好坏直接影响电机的使用性能，是电机的重要零件。直流微电机是办公自动化设备、视听电子设备、通信设备、汽车及家电制造业不可缺少的电子器件。直流微电机采用三极换向器与电刷滑动接触，实现电力传输维持电机运转。换向器与电刷的工作状况对电机的稳定性和使用寿命有着举足轻重的影响。

在实际工作条件下，换向器主要承受载电磨损，以及在电流换向瞬间，电刷与换向器极片分离而产生电弧作用。因此，换向器材料需要具备良好的导电性、低接触电阻、耐腐蚀、抗氧化、耐磨损和耐电弧损伤等优良性能。

20世纪后期，贵金属复合材料的问世和大批量生产，使微电机换向器材料发生了根本性的变化。以贵金属复层优良的电接触性能和贱金属基带较好的机械性能和导电导热性能的组合来取代单一金属或合金，从而获得质优价廉的最佳效果，因此得到了迅速推广应用，为微电机产业的发展起到了有力的推动作用。

众所周知，银是贵金属中相对廉价且具有优良导电性和导热性的金属，铜也有良好的导电导热能力。为了提高换向器的耐磨损和耐电弧等性能，开发出多种银基合金用于换向器的制作。从成本和实际使用条件的考虑，还将银合金复合在铜合金基层表面得到层状复合材料。换向器通常采用铜合金制作，其中铜银合金具有高导电性、高软化温度和较高强度，是电机换向器的新材料。目前常规的含银量0.03-0.3％铜银合金是制作换向器的主要材料。

不同型号的铜银合金在换向器中的应用情况大致为：低银银铜合金(含银0.03％)主要用于一般的直流电机，或功率较小的电动工具和小家电电机；含银0.08-0.10％的铜银合金用于功率较大的电动工具或家用电器；含银0.2％的铜银合金应用于少数功率较大且震动较大要求较高的电动工具，目前应用不广泛；含银0.3％的铜银合金主要应用于吸尘器电机。可见，在小功率电机上可以采用含低银的铜合金材料制作换向器，但对于功率较大的直流电机，一般采用含银量高于0.1％的银铜合金制作换向器。

随着国内外电机的发展和机电行业的技术进步，换向器市场容量不断增大。目前国内电机换向器用铜银合金的年需求量约2-3万吨左右，并且还不断增长，由此可以推算用银约10-15吨。然而，我国是一个银资源相对贫乏的国家，工业用银很大一部分依赖进口，而大部分工业用银又用于电工材料上；相对而言，我国稀土资源丰富，且稀土纯镧(99％)的市场价格大约只有纯银的百分之一。因此，开发和使用性能可达到或接近常规铜银合金的含低量银的铜镧合金，其意义深远而重大。迄今为止，尚未有用含低量银(Ag≤0.02％)的铜镧合金作换向器材料的相关专利报道。

发明内容

本发明针对我国银资源相对贫乏而稀土资源丰富的现状，开发出一种直流电机换向器用含低量银的铜镧合金，其合金元素含量(重量百分比)为：银含量0.005-0.020％，稀土镧含量0.05-0.30％，铜含量99.68-99.94％，其余为不可避免的杂质。经优化的合金元素含量(重量百分比)为：银含量0.01-0.02％，稀土镧含量0.10-0.25％，铜含量99.73-99.89％，其余为不可避免的杂质。

本发明所述的一种直流电机换向器用含低量银的铜镧合金，采用含铜量99.95％的阴极铜板、含银量99.99％以上的电解银和含镧20％以上的铜镧中间合金，在非真空熔炼炉中熔炼。其工艺的创造性为：稀土镧以含镧20-40％的铜镧中间合金形式加入铜熔体。熔炼前在部分阴极铜板上加工沟槽，然后将易碎的铜镧中间合金镶入这些沟槽中；待铜熔体温度达到1120-1160℃时，将镶有铜镧中间合金的阴极铜板压入熔体底部进行熔化。

其后采用常规“上引连铸+连续挤压+高精冷拉”及机加工方法生产各种换向器用异型材，其电导率达95.5-97.0％IACS，室温下硬度达110-120HV。本发明的含低量银的铜镧合金，不仅可应用于小功率的直流电机换向器，而且可应用于较高功率的直流电机换向器，而其中的银含量仅为常规银铜合金(含银0.10-0.30％)的五分之一，甚至几十分之一，显著降低材料成本，具有明显的市场优势。

本发明低银铜镧合金设计的依据如下：

铜银合金为换向器常用材料，稀土加入铜银合金中具有以下效果：(1)起到细化晶粒的效果，兼具造渣、净化铜液的作用，可明显改善铸锭的组织及性能；(2)改善铜合金的抗氧化能力及耐高温强度；(3)起到脱氧、脱硫的效果，从而降低氧和硫的有害影响；(4)提高其耐磨性，显著降低材料的磨损流失速率，使其主要磨损机制由严重的粘着磨损变为较轻的磨粒磨损。同时，银是贵金属中相对廉价且具有优良导电性和导热性的金属，故保留微量的银可进一步提高其导电性以及耐热性和耐磨性。

加入适量的稀土镧(0.05-0.3％)，对铜合金的导电性能影响很小，但加入过量的稀土镧(＞0.3％)，会形成稀土氧化物，从而降低铜的流动性，导致“粘渣”现象，严重影响其铸造性能及使用性能，故一定要选取适量的稀土镧，以此来提高铜合金的抗拉强度、硬度、高温强度、耐磨性和耐热性，节约昂贵的金属银。稀土镧活性极高，在熔炼过程中，稀土镧极容易烧损，因此本发明采用特殊熔炼工艺，即首先在真空条件下制备含镧20-40％高稀土含量的铜镧中间合金；熔炼前在部分阴极铜板上加工沟槽，然后将易碎的铜镧中间合金镶入这些沟槽中；待铜熔体温度达到1120-1160℃时，将镶有铜镧中间合金的阴极铜板压入熔体底部进行熔化。本发明不采用常规的用石墨钟罩将中间合金加入熔体的方法，主要是为了防止钟罩带入杂质。本发明的熔炼工艺，不仅可显著降低镧的烧损，且采用高稀土含量的铜镧中间合金，加入量少，进一步降低了熔体被二次污染的几率。

具体实施方式

以下结合本发明的原理和特征进行具体描述，所举实施例只用于解释本发明，使本发明的上述及其他目的、特征和其他优势更加清晰，并非用于限定本发明的应用范围。

实施例1

按本发明的成分要求配置低银铜镧合金。选用含镧30％铜镧中间合金(考虑中间合金烧损率10％)；选用的阴极铜板含铜量99.95％。称量阴极铜板99.58kg，纯银0.02kg，铜镧中间合金0.45kg。工频感应炉升温至1140℃-1160℃时，依次加电解铜90.18kg，熔化后加入纯银，之后将镶有铜镧中间合金的阴极铜板9.40kg压入铜液内；熔化区铜液表面用木炭覆盖，铸造区用石墨鳞片覆盖。如此反复，直至炉内液位符合要求，停止加料，扒渣，保温1小时左右，开始上引连续铸造，同时根据前面合金比例和方法适时加料。上引合金杆经连续挤压、拉拔和退火后进行性能检测，检测结果列入表1。

实施例2

按本发明的成分要求配置低银铜镧合金。选用含镧30％铜镧中间合金(考虑中间合金烧损率10％)；选用的阴极铜板含铜量99.95％。称量阴极铜板99.28kg，纯银0.02kg，铜镧中间合金0.74kg。工频感应炉升温至1140℃-1180℃时，依次加电解铜89.88kg，熔化后加入纯银，之后将镶有铜镧中间合金的阴极铜板9.40kg压入铜液内；熔化区铜液表面用木炭覆盖，铸造区用石墨鳞片覆盖。如此反复，直至炉内液位符合要求，停止加料，扒渣，保温1小时左右，开始上引连续铸造，同时根据前面合金比例和方法适时加料。上引合金杆经连续挤压、拉拔和退火后进行性能检测，检测结果列入表1。

表1按本发明方案生产的低银铜镧合金与铜银合金性能对比

可见，按照本发明制备的含Ag0.02％的铜镧合金(含La分别为0.12％和0.20％)，与含Ag0.10％的铜银合金相比，除了导电率略低，其它性能均高于铜银合金。两实施例中的铜镧合金性能均可满足换向器使用要求。

本发明提供的一种直流电机换向器用含低量银的铜镧合金，具体涉及该合金的成分配比和熔炼工艺。上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，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 (4)

1.一种直流电机换向器用低银铜镧合金，其特征在于，其合金元素的重量百分比含量为：银含量0.005-0.020％，稀土镧含量0.05-0.30％，铜含量99.68-99.94％，其余为不可避免的杂质。

2.如权利要求1中所述的低银铜镧合金，其特征在于，经优化的合金元素的重量百分比含量为：银含量0.01-0.02％，稀土镧含量0.10-0.25％，铜含量99.73-99.89％，其余为不可避免的杂质。

3.一种如权利要求1中所述的低银铜镧合金生产换向器用异型材的方法，其特征在于，采用含铜量99.95％的阴极铜板、含银量99.99％以上的电解银和含镧20％以上的铜镧中间合金，在非真空熔炼炉中熔炼；其中：稀土镧以含镧20-40％的铜镧中间合金形式加入铜熔体；熔炼前在部分阴极铜板上加工沟槽，然后将易碎的铜镧中间合金镶入这些沟槽中；待铜熔体温度达到1120-1160℃时，将镶有铜镧中间合金的阴极铜板压入熔体底部；其后采用“上引连铸+连续挤压+高精冷拉”方法生产换向器用异型材。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法获得的换向器用异型材的电导率达95.5-97.0％IACS，室温下硬度达110-120HV。