CN111663062A - 一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用热等静压近净成型制备Cu‑Cr‑Mg‑Zr‑Ce高性能端环的方法,该铜合金的重量百分比组成为:Cr:0.3wt%‑3.0wt%,Mg:0.03wt%‑1.3wt%,Zr:0.03wt%‑1.0wt%,Ce:0.01wt%‑1.0wt%,Cu:余量。该铜合金的制备过程为:配料混合—制作包套模具—装料—除气—密封—HIP—去包套—热处理—局部精加工—成品端环。本发明利用热等静压工艺,制备Cu‑Cr‑Mg‑Zr‑Ce高性能成品端环,极大提高了端环类产品的材料利用率,同时利用热等静压快速加热方式细化晶粒极大提高了铜合金的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及电机转子铜合金材料技术领域,具体是涉及一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法。
背景技术
轨道交通用大功率异步牵引电机转子是电动机的关键部件,目前轨道交通高速牵引电机都采用鼠笼式结构,端环是转子的关键部件之一。转子在运行的过程中承受着各种应力和运行时电机内的温升等情况。作用在转子上的应力主要有电磁应力、残余应力、热应力、机械应力和环境应力等。电机的温升会使转子变形或断裂,因此要求转子材料不仅要求较好的常温力学性能并且还要有一定的高温力学性能。同时由于电动机的启动转矩和负载转矩都很大,要求转子系统要求适宜的电导率,防止电机温升过高。总而言之,由于转子转速大、温度高,故需要开发强度更高、导电和导热性能都相对较好的高性能铜合金。
端环是大规格环件,端环的常规工艺是铸造成型,但是此工艺废品率较高、内部缺陷很多。近年来端环的制备工艺是锻造成型,但是此工艺面临的问题是材料利用率低,同时费用相对较高,并且在国家节能环保的号召下,锻造等热加工工艺属于对环境不利的环节,使得相关加工成本更有不断增加的趋势。
热等静压(HIP)工艺能生产基本不需要机加工的近终形部件,由于可做成接近最终成品形状的毛坯,因此用料少,其材料利用率一般可到到80-90%,比常规锻造工艺的材料利用率提高20%左右,同时还显著提高了机加工的时间和成本。特别是对于加工环状、大尺寸、复杂结构的端环产品具有较大的优势。。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本发明提供了一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法。
本发明的技术方案如下:
一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法,包括以下步骤:
S1、配料混粉:
按照重量百分比:Cr:0.3wt%-3.0wt%,Mg:0.03wt%-1.3wt%,Zr:0.03wt%-1.0wt%,Ce:0.01wt%-1.0wt%,Cu:余量,进行配料混粉,得到Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末;
S2、制作包套模具:
根据端环的形状和尺寸,制备相应的包套模具;
S3、装料:
将预先制备好的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末装入母材为Q235的包套中;
S4、除气、密封:
将装好材料的包套放入脱气设备中,抽真空至10-5Pa级别,再进行加热保温处理,然后密封;
S5、热等静压烧结:
将封装后的包套放入热等静压的炉腔内,以Ar作为气体传压介质进行热等静压烧结;
S6、去除包套:
将经HIP烧结后的致密的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金去除包套;
S7、热处理:
采用氮气作为保护气氛,进行时效处理:380℃保温4h;
S8、局部精加工
通过适当的机加工得到所需尺寸的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金端环产品。
进一步地,在上述方案中,所述步骤S2中,所述包套模具的制备方法为:根据端环的形状和尺寸,利用三维建模软件设计出包套的三维模型;所述包套的材料按重量百分比计包括:WC陶瓷粉1-3%、不锈钢粉余量;利用3D打印技术直接打印出包套模型,再进行2000-3000℃高温烧结处理,然后利用PVD法在烧结处理包套模型表面喷涂界面保护材料,即制得包套。本发明方法的包套制备方法具有工艺简单、取材容易、成本低的优点,且所制备的包套致密度好,表面喷涂的界面保护材料有利于后期的包套去除,避免产品与包套之间的粘连。
更进一步地,所述界面保护材料为石墨涂层。
更进一步地,步骤S2中,所述喷涂界面保护材料的喷涂次数为2-3次,喷涂厚度为0.3-0.6mm。
进一步地,在上述方案中,作为一种改进,步骤S3装料方法为:先将所述混合粉料取一部分进行真空熔炼,并浇筑制得小于所需端环高度或厚度尺寸1/10的合金块;按照一层合金块一层Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末的方式,将所述合金块装入包套中,合金块的装填率为70-86%(按体积百分比计),在相邻的合金块及包套的缝隙之间填充的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末占10-30%。先把合金粉末熔炼并制成合金块再与合金粉末混合,可以减小热等静压收缩量,减小包套的变形量,从而降低包套产生裂纹的风险。另外,因为此方法生产的坯料内部结构更加均匀稳定,能够便于制成尺寸较长的端环初材,并可直接用于切割成多个端环成品。且经多次试验验证,将合金块的尺寸控制在小于所需端环高度或厚度尺寸1/10之内,能够最大限度保证产品的性能,尺寸过大则抗拉强度略有降低,但尺寸过小的话又不能起到保护包套的作用。
更进一步地,所述真空熔炼的温度为1100-1300℃,时间为4-6h,真空度为-0.2MPa。
进一步地,在上述方案中,步骤S4中,所述加热及保温处理具体为:加热到400-600℃,保温6-10h,能够有效脱除Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末上吸附的空气。
进一步地,在上述方案中,步骤S5中,热等静压工艺为:压力为100-120MPa,保温时间为0.5-3h,烧结温度为900-1050℃。压力过大或者过小均不利于材料的致密化,保温时间过长材料晶粒容易长大、保温时间过短反应不充分。
与现有制备方法相比,本发明的有益效果为:
1)与常规铸造工艺,本发明的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环成品率提高,内部缺陷显著减少,材料致密度更高;与锻造工艺相比,节约了锻造费用,同时由于为近净成型,材料利用率提升约20%;
2)本发明Cu-Cr-Mg-Zr-Ce,在常规的Cu-Cr-Zr基础上增加了可以抑制析出相在晶界上的析出同时细化晶粒的Mg,以及不仅可以提高该材料的高温力学性能同时可以净化铜合金基体提高合金材料的导电率的稀土元素Ce,使合金具有较好的综合力学性能。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是本发明实施例1的流程示意图。
图3是实施例3的金相组织图。
图4是实施例7的金相组织图。
具体实施方式
本发明提出的一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法,其工艺流程图及流程示意图分别如图1及图2所示。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明,不能理解为对本发明保护范围的限定,该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
将预先制备好的Cu-0.56Cr-0.03Mg-0.24Zr合金粉末装入母材为Q235的包套中进行脱气封装。脱气工艺为:抽真空至10-5Pa级别,再加热到400℃,保温6h;将封装后的包套放入热等静压的炉腔内,以Ar作为气体传压介质进行HIP烧结,HIP工艺为:压力为100MPa,保温时间为0.5h,烧结温度为900℃。将经HIP烧结后的致密的铜合金去除包套后,通过时效热处理380℃保温4h调整合金的力学性能和电学性能,最后通过机加工得到Φ400×Φ300×40的Cu-Cr-Mg-Zr合金端环产品。
实施例2
将预先制备好的Cu-0.82Cr-0.36Zr-0.04Ce合金粉末装入母材为Q235的包套中进行脱气封装。脱气工艺为:抽真空至10-5Pa级别,再加热到500℃,保温7h;将封装后的包套放入热等静压的炉腔内,以Ar作为气体传压介质进行HIP烧结,HIP工艺为:压力为110MPa,保温时间为2h,烧结温度为950℃。将经HIP烧结后的致密的铜合金去除包套后,通过热处理调整合金的力学性能和电学性能,最后通过适当的机加工得到Φ400×Φ300×40的Cu-Cr-Zr-Ce合金端环产品。
实施例3
将预先制备好的Cu-0.74Cr-0.03Mg-0.38Zr-0.03Ce合金粉末装入母材为Q235的包套中进行脱气封装。脱气工艺为:抽真空至10-5Pa级别,再加热到600℃,保温6h;将封装后的包套放入热等静压的炉腔内,以Ar作为气体传压介质进行HIP烧结,HIP工艺为:压力为120MPa,保温时间为2h,烧结温度为1000℃。将经HIP烧结后的致密的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金去除包套后,通过热处理调整合金的力学性能和电学性能,最后通过适当的机加工得到Φ400×Φ300×40的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金端环产品。
实施例4
将预先制备好的Cu-0.84Cr-0.05Mg-0.28Zr-0.03Ce合金粉末装入母材为Q235的包套中进行脱气封装。脱气工艺为:抽真空至10-5Pa级别,再加热到600℃,保温6h;将封装后的包套放入热等静压的炉腔内,以Ar作为气体传压介质进行HIP烧结,HIP工艺为:压力为120MPa,保温时间为2h,烧结温度为1050℃。将经HIP烧结后的致密的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金去除包套后,通过热处理调整合金的力学性能和电学性能,最后通过适当的机加工得到Φ400×Φ300×40的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金端环产品。
实施例5
将预先制备好的Cu-0.96Cr-0.05Mg-0.28Zr-0.03Ce合金粉末装入母材为Q235的包套中进行脱气封装。脱气工艺为:抽真空至10-5Pa级别,再加热到600℃,保温6h;将封装后的包套放入热等静压的炉腔内,以Ar作为气体传压介质进行HIP烧结,HIP工艺为:压力为120MPa,保温时间为2h,烧结温度为1050℃。将经HIP烧结后的致密的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金去除包套后,通过热处理调整合金的力学性能和电学性能,最后通过适当的机加工得到Φ400×Φ300×40的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金端环产品。
实施例6
与实施例5不同之处在于,所用包套模具的制备方法为:根据端环的形状和尺寸,利用三维建模软件设计出包套的三维模型;所述包套的材料按重量百分比计包括:WC陶瓷粉2%、不锈钢粉余量;利用3D打印技术直接打印出包套模型,再进行2000℃高温烧结处理,然后利用PVD法在烧结处理包套模型表面喷涂石墨涂层,喷涂次数为2次,喷涂厚度为0.5mm,即制得包套。
经使用本实施例的包套模具,发现在后期的包套去除时,有效地避免了产品与包套之间的粘连。
实施例7
与实施例5不同之处在于,步骤S3装料方法为:先将所述混合粉料取一部分进行真空熔炼,真空熔炼的温度为1100℃,时间为4h,真空度为-0.2MPa,并浇筑制得等于所需端环高度或厚度尺寸1/12的合金块;按照一层合金块一层Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末的方式,将所述合金块装入包套中,合金块的装填率为70%(按体积百分比计),在相邻的合金块及包套的缝隙之间填充的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末占30%。
实施例8
与实施例7不同之处在于,所述真空熔炼的温度为1300℃,时间为6h,并浇筑制得等于所需端环高度或厚度尺寸1/15的合金块;按照一层合金块一层Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末的方式,将所述合金块装入包套中,合金块的装填率为86%(按体积百分比计),在相邻的合金块及包套的缝隙之间填充的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末占14%。
对上述实施例所制备的产品各项性能参数进行测量,统计结果见下表1。
表1:个实施例所制备的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce端环产品的性能参数
通过上述表1的实施例1-5数据对比可见,在其他工艺参数相同的条件下,将原料配比选用实施例5的配比,所制备的端环产品性能最优,在保持较好的导电率的同时,其抗拉强度、硬度及软化温度最高。
通过实施例6余实施例5的数据对比可见,采用新的包套磨具基本不影响产品的性能,反而是能够避免产品与包套粘连。
通过实施例7和8余实施例5的数据对比可见,当采用先把合金粉末熔炼并制成合金块再与合金粉末混合的装料方法时,所制备的到的合金端环产品的抗拉强度、硬度、导电率及软化温度均有一定的提升。尤其是当实施例8的方法所制备得到的产品性能最优。
通过图3与图4的对比可见,实施例7的端环产品金相组织明显更加致密,内部缺陷显著减少。
Claims (9)
1.一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、配料混粉:
按照重量百分比:Cr:0.3wt%-3.0wt%,Mg:0.03wt%-1.3wt%,Zr:0.03wt%-1.0wt%,Ce:0.01wt%-1.0wt%,Cu:余量,进行配料混粉,得到Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末;
S2、制作包套模具:
根据端环的形状和尺寸,制备相应的包套模具;
S3、装料:
将预先制备好的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末装入母材为Q235的包套中;
S4、除气、密封:
将装好材料的包套放入脱气设备中,抽真空至10-5Pa级别,再进行加热保温处理,然后密封;
S5、热等静压烧结:
将封装后的包套放入热等静压的炉腔内,以Ar作为气体传压介质进行热等静压烧结;
S6、去除包套:
将经HIP烧结后的致密的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金去除包套;
S7、热处理:
采用氮气作为保护气氛,进行时效处理:380℃保温4h;
S8、局部精加工
通过适当的机加工得到所需尺寸的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金端环产品。
2.如权利要求1所述的一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法,其特征在于,步骤S2中,所述包套模具的制备方法为:采用Q235钢为母材,先制作成一个钢管,然后焊接住一个底面,装完粉末后封住另外一个面。
3.如权利要求1所述的一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法,其特征在于,步骤S2中,所述包套模具的制备方法为:根据端环的形状和尺寸,利用三维建模软件设计出包套的三维模型;所述包套的材料按重量百分比计包括:WC陶瓷粉1-3%、不锈钢粉余量;利用3D打印技术直接打印出包套模型,再进行高温烧结处理,然后在烧结处理包套模型表面喷涂界面保护材料,即制得包套。
4.如权利要求3所述的一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法,其特征在于,所述界面保护材料为石墨涂层。
5.如权利要求3所述的一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法,其特征在于,步骤S2中,所述喷涂界面保护材料的喷涂次数为2-3次,喷涂厚度为0.3-0.6mm。
6.如权利要求1所述的一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法,其特征在于,步骤S3装料方法为:先将所述混合粉料取一部分进行真空熔炼,并浇筑制得小于所需端环高度或厚度尺寸1/10的合金块;按照一层合金块一层Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末的方式,将所述合金块装入包套中,合金块的装填率为70-86%,在相邻的合金块及包套的缝隙之间填充的Cu-Cr-Mg-Zr-Ce合金粉末占10-30%。
7.如权利要求5所述的一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法,其特征在于,所述真空熔炼的温度为1100-1300℃,时间为4-6h,真空度为-0.2MPa。
8.如权利要求1所述的一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法,其特征在于,步骤S4中,所述加热及保温处理具体为:加热到400-600℃,保温6-10h。
9.如权利要求1所述的一种利用热等静压近净成型制备Cu-Cr-Mg-Zr-Ce高性能端环的方法,其特征在于,步骤S5中,热等静压工艺为:压力为100-120MPa,保温时间为0.5-3h,烧结温度为900-1050℃。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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