CN106676320B - 一种用于高速列车牵引电机收缩环的新材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高速列车牵引电机收缩环的新材料及其制备方法，具体涉及电机转子材料制造技术领域。本发明的新材料化学组成及其重量百分比为：Cu：余量；Ni：13.0‑16.0％；Al：1.8‑2.8％；Mn：0.5‑1.5％；Fe：0.8‑1.8％。制备方法为：配料、熔炼、浇注、锻造、退火热处理。本发明合金的收缩环具有高强度、较高延伸率、以及较高的高温强度，室温强度达到850Mpa，延伸率达到15％，300℃高温强度达到815Mpa。该发明铜合金收缩环可以满足异步牵引电动机转速高、工作温度高、稳定性好的要求，特别是能够满足350℃下性能好的要求。

Description

一种用于高速列车牵引电机收缩环的新材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电机转子材料制造技术领域，具体是涉及一种用于高速列车牵引电机收缩环的新材料及其制备方法。
背景技术
随着轨道交通和高铁领域的发展，牵引电机的转速及功率也在不断提高，因此对电机的核心部件—电机转子的要求也越来越高。一般高速异步牵引电机转子的制造技术采用导条嵌在铁芯上，并与端环焊接在一起。转子在运行过程中受到热应力、电磁应力、机械应力、残余应力、动态应力等综合作用，各种应力过大时，对端环的损伤较大，因此目前采用在端环外周套高强度材料收缩环的方法解决该问题。
目前最常见的电机转子收缩环材料为CuAl10Ni5Fe4，该材料中主要合金元素的成分为(质量百分比，下同)：Cu：余量，Al：8.5-11.0％，Ni：4.0-6.0％，Fe：3.0-5.0％，Mn≤1.0％，合金抗拉强度、屈服强度、延伸率及硬度典型值为：790Mpa、450Mpa、12％及220HB(王祝堂，田荣璋，铜合金及其加工手册，长沙，中南大学出版社，2002)。这种合金由于Al元素含量较高，Fe、Ni比在合金中不好控制，所以合金的强化效果有限，要得到较高的抗拉强度，就要牺牲延伸率；另一方面，电机运转过程中，电机转子温升较高，通常会超过200℃，而该材料在较高温度下使用时，其强度下降非常明显，例如300℃时检测抗拉强度为590Mpa。考虑到收缩环的使用环境，高强度、较高延伸率、高的高温强度是非常重要的设计参数，因此CuAl10Ni5Fe4材料在护环的应用中受到限制。一种能替代CuAl10Ni5Fe4的新型铜合金材料对于护环的应用推广就显得非常重要。
铝白铜是一种沉淀硬化型合金。Cu-Ni-Al合金中会产生Ni3Al化合物(θ相或α1相)，有明显的沉淀硬化作用，提高合金的硬度和强度。同时合金中加入少量的Mn合金元素，在不降低强度的前提下，可适当提高材料的塑性。因此Cu-Ni-Al-Fe-Mn合金能够具备高强度、较高延伸率、较高高温强度，可以满足收缩环材料使用要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是，现有的电机转子收缩环材料性能不能满足高强度、较高延伸率、耐高温的要求，提供了一种用于高速列车牵引电机收缩环的新材料及其制备方法。
本发明的技术方案是：
一种用于高速列车牵引电机收缩环的新材料，所述材料的组成及其重量百分比为：
Ni：13.0-16.0％；
Al：1.8-2.8％；
Mn：0.5-1.5％；
Fe：0.8-1.8％；
Cu：余量。
所述的铜的纯度大于99.9％。
一种用于高速列车牵引电机收缩环的新材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照所述配比称取相应的原料，Cu采用电解铜板方式加入，Ni采用电解镍板方式加入，Al采用纯铝块方式加入，Fe采用工业纯铁方式加入，Mn采用锰块方式加入；
(2)熔炼：采用真空中频感应电炉熔炼，熔炼时所有原料可一起加入，熔炼过程确保真空度低于5Pa，熔体表面用覆盖剂保护；
(3)浇注：待所有合金元素熔炼完后，浇注获得需要规格的铸锭，浇注温度1250℃-1300℃，浇铸的原则为先慢后快再慢，后期放慢速度为了保证充分的补缩。
一种制备高速列车牵引电机收缩环的方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照所述配比称取相应的原料，Cu采用电解铜板方式加入，Ni采用电解镍板方式加入，Al采用纯铝块方式加入，Fe采用工业纯铁方式加入，Mn采用锰块方式加入；
(2)熔炼：采用真空中频感应电炉熔炼，熔炼时所有原料可一起加入，熔炼过程确保真空度低于5Pa，熔体表面用覆盖剂保护；
(3)浇注：待所有合金元素熔炼完后，浇注获得需要规格的铸锭，浇注温度1250℃-1300℃，浇铸的原则为先慢后快再慢，后期放慢速度为了保证充分的补缩；
(4)对所得到的铸锭进行锻造；
(5)对锻造获得的收缩环进行退火热处理，即得到所述高速列车牵引电机收缩环。
进一步地，所述的覆盖剂的量为铝熔体质量的0.1-0.3％，覆盖剂按质量百分比计，包括：炭黑：1％-10％，NaCl：0.1％-1％，CaO：5％-30％，MgO：5％-30％，CaF2：5％-10％，余量为蛭石粉。
进一步地，在上述方案中，所述铸锭加热温度950℃-980℃，开始锻造温度不低于920℃，工装及模具预热温度250℃-350℃，终锻温度不低于800℃。
进一步地，在上述方案中，所述退火温度控制在700℃±50℃，退火时间为1-2h，冷却方式采用空冷。
本发明的有益效果是：本发明的材料由于Ni3Al相的析出，具有非常高的室温抗拉强度，较高的高温抗拉强度；Mn合金元素由于对材料的工艺性能具有有益作用，在不降低材料强度的前提下，提高材料的塑性。本发明合金的收缩环具有高强度、较高延伸率、以及较高的高温强度，室温强度达到850Mpa，延伸率达到15％，300℃高温强度达到815Mpa。高的抗拉强度、较高的高温强度、较高的延伸率，大大提高了收缩环的服役能力，可以满足高速列车牵引电机收缩环的材料使用要求。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方法不限于此。
实施例1
一种用于高速列车牵引电机收缩环的新材料及其制备方法，所述材料的组成及其重量百分比为：
Ni：13.0％；Al：1.8％；Mn：0.5％；Fe：0.8％；Cu：余量。
制备高速列车牵引电机收缩环的方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照所述配比称取相应的原料，Cu采用电解铜板方式加入，Ni采用电解镍板方式加入，Al采用纯铝块方式加入，Fe采用工业纯铁方式加入，Mn采用锰块方式加入；
(2)熔炼：采用真空中频感应电炉熔炼，熔炼时所有原料一起加入，熔炼过程确保真空度低于4Pa，熔体表面用覆盖剂保护；
(3)浇注：待所有合金元素熔炼完后，浇注获得需要规格的铸锭，浇注温度1250℃，浇铸的原则为先慢后快再慢，后期放慢速度为了保证充分的补缩，浇注完成后得到Φ150mmm铸锭；
(4)对所得到的铸锭进行锻造，铸锭加热温度950℃，开始锻造温度为925℃，工装及模具预热温度300℃，终锻温度820℃；
(5)对锻造获得的收缩环进行退火热处理，将锻造后的环件加热至650℃，保温1.5个小时进行退火热处理，冷却方式为空冷，即得到所述高速列车牵引电机收缩环。
获得的收缩环取样检测机械性能，包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、布氏硬度和300℃高温抗拉强度。检测结果如表1所示。
实施例2
一种用于高速列车牵引电机收缩环的新材料及其制备方法，所述材料的组成及其重量百分比为：
Ni：14.5％；Al：2.3％；Mn：1.0％；Fe：1.3％；Cu：余量。
制备高速列车牵引电机收缩环的方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照所述配比称取相应的原料，Cu采用电解铜板方式加入，Ni采用电解镍板方式加入，Al采用纯铝块方式加入，Fe采用工业纯铁方式加入，Mn采用锰块方式加入；
(2)熔炼：采用真空中频感应电炉熔炼，熔炼时所有原料一起加入，熔炼过程确保真空度低于4Pa，熔体表面用覆盖剂保护；
(3)浇注：待所有合金元素熔炼完后，浇注获得需要规格的铸锭，浇注温度1600℃，浇铸的原则为先慢后快再慢，后期放慢速度为了保证充分的补缩，浇注完成后得到Φ150mmm铸锭；
(4)对所得到的铸锭进行锻造，铸锭加热温度980℃，开始锻造温度为950℃，工装及模具预热温度300℃，终锻温度820℃；
(5)对锻造获得的收缩环进行退火热处理，将锻造后的环件加热至700℃，保温1个小时进行退火热处理，冷却方式为空冷，即得到所述高速列车牵引电机收缩环。
获得的收缩环取样检测机械性能，包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、布氏硬度和300℃高温抗拉强度。检测结果如表1所示。
实施例3
一种用于高速列车牵引电机收缩环的新材料及其制备方法，所述材料的组成及其重量百分比为：
Ni：16.0％；Al：2.8％；Mn：1.5％；Fe：1.8％；Cu：余量。
制备高速列车牵引电机收缩环的方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照所述配比称取相应的原料，Cu采用电解铜板方式加入，Ni采用电解镍板方式加入，Al采用纯铝块方式加入，Fe采用工业纯铁方式加入，Mn采用锰块方式加入；
(2)熔炼：采用真空中频感应电炉熔炼，熔炼时所有原料一起加入，熔炼过程确保真空度低于5Pa，熔体表面用覆盖剂保护；
(3)浇注：待所有合金元素熔炼完后，浇注获得需要规格的铸锭，浇注温度1300℃，浇铸的原则为先慢后快再慢，后期放慢速度为了保证充分的补缩，浇注完成后得到Φ150mmm铸锭；
(4)对所得到的铸锭进行锻造，铸锭加热温度980℃，开始锻造温度为950℃，工装及模具预热温度300℃，终锻温度830℃；
(5)对锻造获得的收缩环进行退火热处理，将锻造后的环件加热至700℃，保温1个小时进行退火热处理，冷却方式为空冷，即得到所述高速列车牵引电机收缩环。
获得的收缩环取样检测机械性能，包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、布氏硬度和300℃高温抗拉强度。检测结果如表1所示。
对比例：本对比例中，对现有的CuAl10Ni5Fe4合金材料收缩环取样检测机械性能。检测结果如表1所示：
表1检测结果
通过以上数据可以看出，本发明合金的收缩环具有高强度、较高延伸率、以及较高的高温强度，室温强度达到850Mpa，延伸率达到15％，300℃高温强度达到815Mpa。
如上所述，便可较好地实施本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化和修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (1)

1.一种用于高速列车牵引电机收缩环的新材料，其特征在于，所述材料的组成及其重量百分比为：
Ni：13.0-16.0%；
Al：1.8-2.8%；
Mn：0.5-1.5%；
Fe：0.8-1.8%；
Cu：余量；
所述新材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）配料：按照所述配比称取相应的原料，Cu采用电解铜板方式加入，Ni采用电解镍板方式加入，Al采用纯铝块方式加入，Fe采用工业纯铁方式加入，Mn采用锰块方式加入；
（2）熔炼：采用真空中频感应电炉熔炼，熔炼时所有原料一起加入，熔炼过程确保真空度低于5Pa，熔体表面用覆盖剂保护；
（3）浇注：待所有合金元素熔炼完后，浇注获得需要规格的铸锭，浇注温度1250℃-1300℃，浇铸的原则为先慢后快再慢，后期放慢速度为了保证充分的补缩；
所述高速列车牵引电机收缩环的方法，包括以下步骤：
（1）配料：按照所述配比称取相应的原料，Cu采用电解铜板方式加入，Ni采用电解镍板方式加入，Al采用纯铝块方式加入，Fe采用工业纯铁方式加入，Mn采用锰块方式加入；
（2）熔炼：采用真空中频感应电炉熔炼，熔炼时所有原料一起加入，熔炼过程确保真空度低于5Pa，熔体表面用覆盖剂保护；
（3）浇注：待所有合金元素熔炼完后，浇注获得需要规格的铸锭，浇注温度1250℃-1300℃，浇铸的原则为先慢后快再慢；
（4）对所得到的铸锭进行锻造；
（5）对锻造获得的收缩环进行退火热处理，即得到所述高速列车牵引电机收缩环；
所述锻造过程中锻造加热温度950℃-980℃，开始锻造温度不低于920℃，工装及模具预热温度250℃-350℃，终锻温度不低于800℃；
所述退火温度控制在700℃±50℃，退火时间为1-2h，冷却方式采用空冷。
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微量合金元素对Cu-17Ni-3Al合金组织和性能的影响;翁远辉;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20150115;第7-11页
离心铸造Cu-17Ni-3Al-X合金铸件的组织特征和宏观偏析;罗宗强等;《热加工工艺》;20120910;第41卷(第17期);第31-34页

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