CN110079696B - 一种节能电机转子用Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金及其制备方法 - Google Patents

一种节能电机转子用Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型节能电机转子用Cu‑Fe‑Ag‑RE磁性铜合金，所述磁性铜合金的化学组成及其重量百分比为：Fe：5～90％；Ag：0.01～1.5％；RE：0.05‑0.15％；Cu：余量；所述方法包括：步骤一：配料；步骤二：熔炼；步骤三：浇铸；本发明所制备合金具有成本低，易熔炼，较好的强度和塑性的优点；具有良好的导电导磁性能，可以改善电机起动过程中的起动转矩，降低起动电流，改善电机性能，达到节能降耗、提高能源利用率的目的。

Description

一种节能电机转子用Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及电机转子材料制造技术领域，具体涉及一种新型节能电机转子用 Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金及其制备方法。
背景技术
电动机是依据电磁感应原理实现将从电系统吸收的电能到向机械系统输出的机械能转换的系统，电动机作为原动机，已成为人类生活、生产的主要动力来源，在我国其用电量高达总用电量的60％以上，尤以小型异步电动机耗能最多。异步牵引电机的优点在于结构简单，性能稳定，维护方便，价格便宜，且制造工艺简单，因此异步电机在工业中得到了最广泛的应用。
异步电机又分为鼠笼型电机和绕线型电机，其区别在于转子的不同。鼠笼型大多数使用的是铜转子，其缺点在于铜转子在旋转的电子磁场中切割磁感线获得的转矩较小，且起动电流较大。尽管增加铁芯长度及数量可以获得更多的转矩，但力度十分有限，同时铁芯的增加使转子的重量增加。绕线型异步电机相对于鼠笼型电机增加了滑环、水电阻等，在整体设备价格上有一定的提高。
在全球资源紧缺的大环境下，高效节能已经成为异步电机发展的主要方向。近年来，随着科学技术的发展，使得一些高新材料在各行各业得到广泛的应用，同时新品种电机也因高新材料的出现而得到良好的发展。为了适应社会的发展、节能、安全和环保的要求，进行新型节能电动机用材料的研究和开发，具有重要的现实意义。
普通感应电动机，虽然效率较高，但起动电流较大，起动转矩并不大。为此，我们开发了此种新型Cu-Fe-Ag-RE材料用于电机转子。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明一方面提供了一种新型节能电机转子用 Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金，另一方面提供了一种新型节能电机转子用 Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金的制备方法；本发明是一种新型的、具有很大发展前途的工程材料，它不仅保留了组成材料各自存在时的优点，而且具有单一材料所没有的优异性能；利用该合金的导磁导电性能既能增加起动转矩、降低起动电流，又能使其运行性能与普通鼠笼型异步电动机基本相同。
本发明的技术方案为：一种新型节能电机转子用Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金，所述磁性铜合金的化学组成及其重量百分比为：
Fe：5～90％；
Ag：0.01～1.5％；
RE：0.05-0.15％；
Cu：余量。
一种新型节能电机转子用Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：配料
按照Fe：5～90％、Ag：0.01～1.5％、RE：0.05-0.15％、Cu：余量的材料成分要求对各合金元素配比，选择并称取相应的原料；
步骤二：熔炼
采用非真空中频感应电炉熔炼，首先加入工业纯铁，待工业纯铁融化后，加入电解铜并在1300℃保温30min，使用石英玻璃管搅拌均匀，然后加入银颗粒和 RE；经除气、精炼，最后使用木炭覆盖保温30min，为浇铸做准备；
步骤三：浇铸
当合金液保温时间结束后，迅速去除表面覆盖的木炭，并使用红外测温仪测定浇铸温度，然后进行浇铸形成铸锭；其中，浇铸使用的是水冷铜模。
进一步地，所述步骤一中Cu采用电解铜板方式加入，Fe采用工业纯铁方式加入，Ag以化学银颗粒加入，RE采用La-Ce合金方式加入；采用较纯的原料加入能够有效地避免杂质对后期合金的性能造成影响。
进一步地，所述步骤三中铸锭加热至900℃-1100℃后保温30min，再进行热挤压或者锻造处理；经过900℃-1100℃的高温保温30min后，合金更易成形。
进一步地，所述将热挤压或锻造后的材料进行冷变形加工，变形量为 20％-80％；冷变形加工不仅能够增加材料的硬度和强度，并且能够有效地提高耐磨性能和增加韧性。
进一步地，对制备的Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金进行时效处理，时效温度控制在300℃-500℃，时效时间控制在2-6小时；能够有效地增加Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金的硬度和强度。
进一步地，通过以上工艺制备的Cu-Fe-Ag-RE合金，强度达600-1200MPa，电导率为20％-65％IACS，具有一定的磁导率，磁导率可根据不同的铁含量进行调节。
与现有技术相比，本发明有益效果：
1、本发明设计的Cu-Fe-Ag-RE合金是一种新型的电机转子材料，具有成本低，易熔炼，较好的强度和塑性的优点。
2、本发明设计的Cu-Fe-Ag-RE合金转子材料，不但具有结构材料的特点还具有功能材料的特征。具有良好的导电导磁性能，可以改善电机起动过程中的起动转矩，降低起动电流，改善电机性能，达到节能降耗、提高能源利用率的目的。
3、本发明设计的Cu-Fe-Ag-RE合金转子材料使得转子中磁场的交变频率逐渐降低，集肤效应越来越不明显，转子导条中的电流密度逐渐趋于均匀分布，转子的等效电阻变小，使带一定负载的电机异步运行的机械特性的斜率变小，使得异步电机的效率得到明显的提高。
附图说明
图1是本发明实施例3制备合金铸态在100倍镜下的显微组织图；
图2是本发明实施例3制备合金铸态在500倍镜下的显微组织图；
图3是本发明实施例5制备合金铸态在100倍镜下的显微组织图；
图4是本发明实施例5制备合金铸态在500倍镜下的显微组织图。
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1：一种新型节能电机转子用Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：配料
按照Fe：5％、Ag：0.15％、RE：0.08％、Cu：余量的材料成分要求对各合金元素配比，选择并称取相应的原料；其中，Cu采用电解铜板加入，Fe采用工业纯铁加入，Ag以化学银颗粒加入，RE采用La-Ce合金方式加入；
步骤二：熔炼
采用非真空中频感应电炉熔炼，首先加入工业纯铁，待工业纯铁融化后，加入电解铜并在1300℃保温30min，使用石英玻璃管搅拌均匀，然后加入银颗粒和 RE；经除气、精炼，最后使用木炭覆盖保温30min，为浇铸做准备；
步骤三：浇铸
当合金液保温时间结束后，迅速去除表面覆盖的木炭，并使用红外测温仪测定浇铸温度，然后进行浇铸形成Cu-Fe-Ag-RE铸锭，铸锭的规格为Φ200；其中，浇铸使用的是水冷铜模；具体成份为铁5.2wt％，银0.15wt％，氧0.0006wt％，氮0.0006wt％，碳0.012wt％，硫0.0038wt％，余量为铜。
以上方法制备的材料，导电率为：70％IACS，强度为：635MPa，具有一定的磁导率。
实施例2：与实施例1不同的是，对步骤三所得Cu-Fe-Ag-RE铸锭加热到 900℃进行热挤压，然后对热挤压后的型材进行冷拉拔，冷变形量为50％；然后进行时效处理，时效处理温度为400℃，保温时间为3小时。
以上方法制备的材料，导电率为：65％IACS，强度为：685MPa，具有一定的磁导率。
实施例3：一种新型节能电机转子用Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：配料
按照Fe：10％、Ag：0.25％、RE：0.08％、Cu：余量的材料成分要求对各合金元素配比，选择并称取相应的原料；其中，Cu采用电解铜板加入，Fe采用工业纯铁加入，Ag以化学银颗粒加入，RE采用La-Ce合金方式加入；
步骤二：熔炼
采用非真空中频感应电炉熔炼，首先加入工业纯铁，待工业纯铁融化后，加入电解铜并在1300℃保温30min，使用石英玻璃管搅拌均匀，然后加入银颗粒和 RE；经除气、精炼，最后使用木炭覆盖保温30min，为浇铸做准备；
步骤三：浇铸
当合金液保温时间结束后，迅速去除表面覆盖的木炭，并使用红外测温仪测定浇铸温度，然后进行浇铸形成Cu-Fe-Ag-RE铸锭，铸锭的规格为Φ200，该合金铸态的显微组织如图1、2所示；其中，浇铸使用的是水冷铜模；具体成份为铁10.5wt％，银0.25wt％，氧0.0006wt％，氮0.0005wt％，碳0.012wt％，硫 0.0046wt％，余量为铜；
步骤四：热挤压
将上述Cu-Fe-Ag-RE铸锭加热到900℃进行热挤压，然后对热挤压后的型材进行冷拉拔，冷变形量为60％；
步骤五：时效处理
对冷拉拔处理后的Cu-Fe-Ag-RE合金进行时效处理，时效处理温度为400℃，保温时间为3小时。
以上方法制备的材料，导电率为：60％IACS，强度为：735MPa，具有一定的磁导率。
实施例4：一种新型节能电机转子用Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：配料
按照Fe：20％、Ag：2％、RE：0.08％、Cu：余量的材料成分要求对各合金元素配比，选择并称取相应的原料；其中，Cu采用电解铜板加入，Fe采用工业纯铁加入，Ag以化学银颗粒加入，RE采用La-Ce合金方式加入；
步骤二：熔炼
采用非真空中频感应电炉熔炼，首先加入工业纯铁，待工业纯铁融化后，加入电解铜并在1300℃保温30min，使用石英玻璃管搅拌均匀，然后加入银颗粒和 RE；经除气、精炼，最后使用木炭覆盖保温30min，为浇铸做准备；
步骤三：浇铸
当合金液保温时间结束后，迅速去除表面覆盖的木炭，并使用红外测温仪测定浇铸温度，然后进行浇铸形成Cu-Fe-Ag-RE铸锭，铸锭的规格为Φ200；其中，浇铸使用的是水冷铜模；具体成份为铁20wt％，银2.1wt％，氧0.0007wt％，氮 0.0006wt％，碳0.015wt％，硫0.0042wt％，余量为铜；
步骤四：热挤压
将铸锭加热到950℃保温30min后进行锻造，终锻温度控制700℃，然后冷锻成所需要的尺寸；
步骤五：时效处理
对冷锻后的Cu-Fe-Ag-RE合金进行时效处理，时效处理温度为400℃，保温时间为4小时。
以上方法制备的材料，导电率为：53％IACS，强度为：845MPa，具有一定的磁导率。
实施例5：一种新型节能电机转子用Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：配料
按照Fe：50％、Ag：1.3％、RE：0.07％、Cu：余量的材料成分要求对各合金元素配比，选择并称取相应的原料；其中，Cu采用电解铜板加入，Fe采用工业纯铁加入，Ag以化学银颗粒加入，RE采用La-Ce合金方式加入；
步骤二：熔炼
采用非真空中频感应电炉熔炼，首先加入工业纯铁，待工业纯铁融化后，加入电解铜并在1300℃保温30min，使用石英玻璃管搅拌均匀，然后加入银颗粒和 RE；经除气、精炼，最后使用木炭覆盖保温30min，为浇铸做准备；
步骤三：浇铸
当合金液保温时间结束后，迅速去除表面覆盖的木炭，并使用红外测温仪测定浇铸温度，然后进行浇铸形成Cu-Fe-Ag-RE铸锭，铸锭的规格为Φ200，该合金铸态的显微组织如图3、4所示；其中，浇铸使用的是水冷铜模；具体成份为铁49.68wt％，银1.3wt％，氧0.05wt％，氮0.0016wt％，碳0.024wt％，硫0.001wt％，余量为铜；
步骤四：热挤压
将铸锭加热到950℃保温30min后进行锻造，终锻温度控制800℃，然后冷锻成所需要的尺寸；
步骤五：时效处理
对冷锻后的Cu-Fe-Ag-RE合金进行时效处理，时效处理温度为450℃，保温时间为4小时。
以上方法制备的材料，导电率为：30％IACS，强度为：946MPa，具有一定的磁导率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种节能电机转子用Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金，其特征在于，所述磁性铜合金强度达600-1200MPa，电导率为20％-65％IACS；且磁性铜合金的化学组成及其重量百分比为：
Fe：10～90％；Ag：0.01～1.5％；RE：0.05-0.15％；Cu：余量；
所述合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：配料
按照Fe：10～90％、Ag：0.01～1.5％、RE：0.05-0.15％、Cu：余量的材料成分要求对各合金元素配比，选择并称取相应的原料；其中，Cu采用电解铜板方式加入，Fe采用工业纯铁方式加入，Ag以化学银颗粒加入，RE采用La-Ce合金方式加入；
步骤二：熔炼
采用非真空中频感应电炉熔炼，首先加入工业纯铁，待工业纯铁融化后，加入电解铜并在1300℃保温30min，使用石英玻璃管搅拌均匀，然后加入银颗粒和RE；经除气、精炼，最后使用木炭覆盖保温30min，为浇铸做准备；
步骤三：浇铸
当合金液保温时间结束后，迅速去除表面覆盖的木炭，并使用红外测温仪测定浇铸温度，然后进行浇铸形成铸锭；其中，浇铸使用的是水冷铜模；铸锭加热至900℃-1100℃后保温30min，再进行热挤压或者锻造处理，然后再进行冷变形加工，变形量为20％-80％；制备得到Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金，然后对制备的Cu-Fe-Ag-RE磁性铜合金进行时效处理，时效温度控制在300℃-500℃，时效时间控制在2-6小时。
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