DE10318378A1

DE10318378A1 - Highly conductive copper alloy for forming in the semi-solid state and manufacturing process therefor

Info

Publication number: DE10318378A1
Application number: DE10318378A
Authority: DE
Inventors: Sang-Yong Lee; Keun-Yong Sohn; Chang-Joo Kim
Original assignee: Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Current assignee: Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2003-11-27
Also published as: US20030209299A1; KR100441368B1; KR20030087241A

Abstract

Es wird eine Kupferlegierung offenbart mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit von zumindest 70% IACS und einem breiten Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich, welcher selbst bei verschieden hohen Temperaturen leicht einem Formgebungsverfahren im halbfesten Zustand unterzogen werden kann. Die Kupferlegierung ist geeignet zur Verwendung in einem Läufer von Elektromotoren von kleiner oder mittlerer Größe. Zusätzlich stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit zum Herstellen der Kupferlegierung zum Formen im halbfesten Zustand, welches den Schritt umfaßt des Schmelzens einer Kupfer-Kalzium-Legierung mit 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent von Kalzium und einem Restanteil von Kupfer, bei 1100 bis 1150 DEG C, um eine geschmolzene Kupfer-KalziumLegierung zu bilden, welche sodann für eine vorbestimmte Zeitdauer auf 1100 bis 1150 DEG C gehalten wird. Dann wird die geschmolzene Kupfer-Kalzium-Legierung in eine auf 100-150 DEG C vorgewärmte Form gefüllt und zu einem Kupferlegierungsbarren gegossen. Danach wird der Kupferlegierungsbarren einer thermomechanischen Behandlung unterzogen, um Ausscheidungen sowie Spannungen zu beseitigen, die während des Gießens entstanden sind, und um eine dendritische Struktur einer primären Kupferphase in eine kugelförmige Struktur umzuwandeln, wodurch eine primäre Kupferphase erhalten wird, welche die kugelförmige Struktur enthält, die geeignet ist zum Formen im halbfesten Zustand.A copper alloy is disclosed with a high electrical conductivity of at least 70% IACS and a wide solid-liquid two-phase range, which can easily be subjected to a shaping process in the semi-solid state even at different temperatures. The copper alloy is suitable for use in a rotor of small or medium size electric motors. In addition, the present invention provides a process for producing the semi-solid form copper alloy comprising the step of melting a copper-calcium alloy with 0.1 to 1.5 weight percent of calcium and a balance of copper, at 1100 to 1150 ° C to form a molten copper-calcium alloy, which is then held at 1100 to 1150 ° C for a predetermined period of time. Then the molten copper-calcium alloy is filled into a mold preheated to 100-150 ° C. and cast into a copper alloy ingot. Thereafter, the copper alloy ingot is subjected to a thermomechanical treatment in order to remove precipitates and stresses that have arisen during casting and to convert a dendritic structure of a primary copper phase into a spherical structure, whereby a primary copper phase is obtained which contains the spherical structure, which is suitable for molding in the semi-solid state.

Description

Background of the Invention Field of the Invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hochleitfähige Kupferlegierung zum Formen im halbfesten Zustand sowie Herstellungsverfahren hierfür. Genauer gesagt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Kupferlegierung mit einer im Vergleich zu herkömmlichen Kupferlegierungen, inklusive einer Cu-0,11%-O-Legierung, höheren elektrischen Leitfähigkeit und einem breiteren Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich, welche leicht bearbeitet werden kann durch Formen im halbfesten Zustand, um kompakte Elektromotoren mit hohem Energiewirkungsgrad herzustellen; sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben. The present invention relates to a highly conductive copper alloy for molding in the semi-solid state and the manufacturing process therefor. More specifically, that relates present invention on a copper alloy with a compared to conventional Copper alloys, including a Cu-0.11% -O alloy, higher electrical conductivity and a wider solid-liquid two-phase range that can be easily processed by forming in the semi-solid state to make compact electric motors with high To produce energy efficiency; and a method of manufacturing the same.

Description of the Prior Art

Elektromotoren sind Geräte zum Wandeln elektrischer Energie in mechanische Arbeit, wobei ungefähr 7 bis 25% an Energieverlusten auftreten. Gegenwärtig wird mehr als 50% der Elektrizität weltweit durch Motoren kleiner und mittlerer Größe verbraucht. Basierend auf der industriellen Entwicklung und dem Wirtschaftswachstum erwartet man, daß zukünftige Energieverbrauchsraten kontinuierlich ansteigen. Insbesondere in Korea wird erwartet, daß im Jahr 2005 zweimal so viel elektrische Leistung verbraucht wird wie im Vergleich zum Jahr 1995. Electric motors are devices used to convert electrical energy into mechanical work approximately 7 to 25% of energy losses occur. Currently more than 50% of the Electricity consumed worldwide by small and medium-sized motors. Based on the industrial development and economic growth are expected to future Energy consumption rates continue to rise. In Korea in particular, it is expected that Year 2005 consumed twice as much electrical power as compared to the year 1995th

Gemäß dem US-Ministerium für Energie (Department of Energie-DOE) wird von Elektromotoren, die stärker als 1/6 PS sind, berichtet, daß sie 60% der gesamten in den Vereinigten Staaten erzeugten elektrischen Energie verbrauchen, wobei wiederum 60% der durch Elektromotoren verbrauchten elektrischen Energie durch Motoren kleiner und mittlerer Größe mit 1 bis 25 PS verbraucht wird. According to the United States Department of Energy (DOE), Electric motors that are stronger than 1/6 horsepower are reported to be 60% of the total in the United States States use electrical energy, which in turn accounts for 60% of that Electric motors consumed electrical energy by small and medium size motors with 1 up to 25 HP is consumed.

Deshalb ist die Erhöhung des Wirkungsgrads von Motoren eng verknüpft mit Energieeinsparungen. Der Wirkungsgrad eines Elektromotors ergibt sich als das Verhältnis zwischen hineingesteckter mechanischer Energie zur ausgegebenen elektrischen Energie. Je höher der Wirkungsgrad eines Elektromotors ist, desto kleiner ist die verbrauchte elektrische Energie. Der Wirkungsgrad von Induktionsmotoren wird wesentlich beeinflußt durch die elektrische Leitfähigkeit eines Läufers in den Motoren. Therefore, increasing the efficiency of engines is closely linked to Energy savings. The efficiency of an electric motor is the ratio between mechanical energy inserted into the electrical energy output. The higher the The efficiency of an electric motor is, the smaller the electrical energy consumed. The efficiency of induction motors is significantly influenced by the electrical Conductivity of a rotor in the motors.

Aluminium von handelsüblicher Reinheit ist oft verwendet worden als Material für den Läufer in Motoren kleiner und mittlerer Größe. Reines Aluminium (Al) hat eine elektrische Leitfähigkeit, die ungefähr 60% der von reinem Kupfer (Cu) entspricht, und der Energieverlust hiervon ist aufgrund eines großen elektrischen Widerstands groß. Somit kann durch Ersetzen des Aluminiumläufers durch eine Kupferlegierung mit hoher Leitfähigkeit der Wirkungsgrad von Induktionsmotoren verbessert werden. Jedoch ist die Verwendung von. Kupferlegierungen gegenwärtig beschränkt gewesen auf den Läufer in Motoren mit großen Abmessungen, welche durch teure und arbeitsintensive Arbeitsschritte hergestellt worden sind. Ein Aluminiumläufer für Motoren mittlerer und kleiner Größe ist hergestellt worden durch Druckgußverfahren. Dies liegt daran, daß Aluminium preiswert ist und leicht in komplizierte Formen geformt werden kann. Zusätzlich kann der Aluminiumläufer aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts unter Verwendung von niedrigpreisigen Stahlformen hergestellt werden. Commercial grade aluminum has often been used as a material for the Runner in small and medium size motors. Pure aluminum (Al) has an electrical one Conductivity equivalent to approximately 60% that of pure copper (Cu), and that Energy loss from this is large due to a large electrical resistance. Thus through Replacing the aluminum rotor with a copper alloy with high conductivity Efficiency of induction motors can be improved. However, the use of. Copper alloys have currently been limited to the rotor in large engines Dimensions that have been produced by expensive and labor-intensive work steps. An aluminum rotor for medium and small size motors has been manufactured by Die-casting. This is because aluminum is inexpensive and easily complicated Shapes can be molded. In addition, due to the low Melting point can be produced using low-priced steel molds.

Jedoch ist ein Kupferläufer schwer durch Druckgußverfahrn herzustellen, da aufgrund des hohen Schmelzpunkts von reinem Kupfer (1.085°C) teure feuerfeste Auskleidungsmaterialien für die Form verwendet werden sollten, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen. However, a copper runner is difficult to manufacture by die casting processes because of the high melting point of pure copper (1,085 ° C) expensive refractory Lining materials should be used for the mold, which increases manufacturing costs.

Anders als beim Druckgießen wird ein Formen im halbfesten Zustand durchgeführt in einem Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich. Deshalb ist die Betriebstemperatur für das Formen im halbfesten Zustand 100 bis 200°C niedriger als das beim Druckgußverfahren, wodurch sich der Energieverbrauch verringert und die Lebensdauer der Gußform erhöht. In contrast to die casting, molding is carried out in a semi-solid state in one Solid-liquid two-phase region. That is why the operating temperature for molding in semi-solid state 100 to 200 ° C lower than that in the die-casting process, whereby reduces energy consumption and increases the life of the mold.

Die Legierung für das Formen im halbfesten Zustand sollte einen ausreichenden Schmelzbereich aufweisen. Ist der Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich zu schmal, so wird die Legierung leicht durch geringe Temperaturschwankungen geschmolzen oder verfestigt, was es schwierig macht, ein Verfahren zum Formen im halbfesten Zustand durchzuführen. The alloy for semi-solid forming should be sufficient Have melting range. If the solid-liquid two-phase range is too narrow, the alloy becomes easily melted or solidified by slight temperature fluctuations, making it difficult makes a process for molding in the semi-solid state.

Ein anderer für das Läufermaterial zu berücksichtigende Faktor ist, daß die Legierung eine vernünftige elektrische Leitfähigkeit aufweisen sollte, und eine höhere Leitfähigkeit als die von reinem Aluminium. In der Praxis ist erforderlich, daß eine Kupferlegierung eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 70% IACS aufweisen sollte. Jedoch verringert die Hinzugabe von Legierungselementen zu reinem Kupfer die elektrische Leitfähigkeit, obwohl die Reduktionsrate von den Legierungselementen abhängt. Another factor to consider for the rotor material is that the alloy is a should have reasonable electrical conductivity, and higher conductivity than that of pure aluminum. In practice, a copper alloy is required to be a should have electrical conductivity of at least 70% IACS. However, the Adding alloying elements to pure copper's electrical conductivity, though the reduction rate depends on the alloying elements.

Die Forschung bei der Entwicklung von Kupferlegierungen zum Formen im halbfesten Zustand ist nicht intensiv durchgeführt worden. Insbesondere sind wenig Versuche durchgeführt worden zum Entwickeln von Kupferlegierungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zum Formen im halbfesten Zustand. Verfahren zum Formen im halbfesten Zustand für den Läufer sind versuchsweise durchgeführt worden im Labormaßstab unter Verwendung von Sauerstoff-Kupfer (Cu-0,11% O), welches einen relativ schmalen Schmelzbereich von 17 bis 20°C aufweist, wodurch es schwierig ist, in der Praxis verwendet zu werden. Research in the development of copper alloys for molding in semi-solid Condition has not been carried out intensively. In particular, there are few attempts has been carried out to develop copper alloys with high electrical conductivity for forming in the semi-solid state. Process in the semi - solid state for the Runners have been attempted on a laboratory scale using Oxygen-copper (Cu-0.11% O), which has a relatively narrow melting range from 17 to 20 ° C, making it difficult to use in practice.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kupferlegierung bereitzustellen zum Formen im halbfesten Zustand, welche einen ausreichend breiten Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich sowie eine hohe elektrische Leitfähigkeit von zumindest 70% IACS aufweist, wobei die Kupferlegierung leicht hergestellt werden kann durch Formen im halbfesten Zustand, und verwendet werden kann zur Herstellung eines Läufers für Elektromotoren kleiner und mittlerer Größe. Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine Kupferlegierung mit hoher Leitfähigkeit für das Formen im halbfesten Zustand bereitzustellen. An object of the present invention is to provide a copper alloy for molding in the semi-solid state, which has a sufficiently wide solid-liquid two-phase range and has a high electrical conductivity of at least 70% IACS, the Copper alloy can be easily manufactured by molding in the semi-solid state, and can be used to make a rotor for electric motors smaller and medium size. Another object of the present invention is to provide a manufacturing method for a copper alloy with high conductivity for molding in the semi-solid state provide.

Summary of the invention

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden 0,1 bis 1,5 Gew.-% an Kalzium zu Kupfer hinzugefügt, um eine Kupfer-Kalzium-Legierung zu ergeben, welche dann erhitzt wird, wodurch sich eine Primärphase der Legierung ergibt, die eine kugelförmige Struktur enthält. Solch eine Legierung, die eine kugelförmige Struktur enthält, kann einem Verfahren zum Formen im halbfesten Zustand in einem breiteren Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich unterzogen werden, welcher einen Temperaturbereich von 130°C oder mehr abdeckt, mit einer elektrischen Leitfähigkeit von zumindest 75% IACS, wodurch der Wirkungsgrad bei der Energieeinsparung in einem Elektromotor kleiner oder mittlerer Größe wesentlich verbessert wird. According to the present invention, 0.1 to 1.5% by weight of calcium becomes copper added to give a copper-calcium alloy, which is then heated, resulting in a primary phase of the alloy that contains a spherical structure. Such an alloy containing a spherical structure can be a method for Molds in the semi-solid state in a broader solid-liquid two-phase range which covers a temperature range of 130 ° C or more with a electrical conductivity of at least 75% IACS, which increases the efficiency at the Energy saving in an electric motor of small or medium size is significantly improved.

Um die obengenannten Ziele zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Kupferlegierung mit hoher Leitfähigkeit zum Formen im halbfesten Zustand bereit, welche 0,1 bis 1,5 Gew.-% Kalzium und einen Restanteil von Kupfer enthält, die zusammen gegossen werden, um eine gegossene Kalzium-Kupfer-Legierung zu ergeben. To achieve the above objects, the present invention provides one Copper alloy with high conductivity ready for molding in the semi-solid state, which 0.1 to 1.5 % By weight of calcium and a remainder of copper, which are cast together, to make a cast calcium-copper alloy.

Was die Kupferlegierung betrifft, so wird die gegossene Kalzium-Kupfer-Legierung einer Wärmebehandlung unterzogen, um eine elektrische Leitfähigkeit von 75 bis 95% IACS zu erhalten sowie einen Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich, welcher einen Temperaturbereich von 910 bis 1.085°C aufweist. As for the copper alloy, the cast calcium-copper alloy becomes one Heat treated to achieve an electrical conductivity of 75 to 95% IACS obtained as well as a solid-liquid two-phase range, which has a temperature range of 910 to 1,085 ° C.

Was die Kupferlegierung anbetrifft, so wird die gegossene Kalzium-Kupfer-Legierung vor der Wärmebehandlung um 0,1 bis 30% verdichtet. As for the copper alloy, the cast calcium-copper alloy is made before Heat treatment compressed by 0.1 to 30%.

Zusätzlich stellt die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Kupferlegierung mit hoher Leitfähigkeit zum Formen im halbfesten Zustand bereit, welches die folgenden Schritte umfaßt: In addition, the present invention provides a manufacturing method for a copper alloy with high conductivity ready for molding in the semi-solid state, which the following Steps include:

Schmelzen einer Kupfer-Kalzium-Legierung, die 0,1 bis 1,5 Gew.-% von Kalzium und als Restbestandteil Kupfer enthält, bei 1.100 bis 1.150°C, um eine geschmolzene Kupfer-Kalzium-Legierung zu bilden, welche sodann bei derselben Temperatur während 1 bis 5 Minuten gehalten wird; Melt a copper-calcium alloy containing 0.1 to 1.5% by weight of calcium and as The remaining component contains copper, at 1,100 to 1,150 ° C, around a molten one Form copper-calcium alloy, which is then at the same temperature for 1 to 5 minutes is held;

Gießen der geschmolzenen Kupfer-Kalzium-Legierung in einen Kupfer-Legierungsbarren unter Verwendung einer Form, die auf 100 bis 150°C vorgewärmt worden ist; und
Erwärmen des Kupferlegierungsbarrens auf 910 bis 1.085°C, was einem Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich entspricht, und Halten des erwärmten Kupferlegierungsbarrens auf 910 bis 1.085°C während 5 bis 10 Minuten, gefolgt vom Abkühlen des erwärmten Barrens, um Ausscheidungen zu entfernen sowie Spannungen, die während des Schritts des Gießens entstanden sind, und um eine dendritische Struktur einer primären Kupferphase in eine kugelförmige Struktur zu wandeln, wodurch die primäre Kupferphase erhalten wird, die eine kugelförmige Struktur umfaßt, und welche zum Formen im halbfesten Zustand geeignet ist. Pouring the molten copper-calcium alloy into a copper alloy ingot using a mold that has been preheated to 100 to 150 ° C; and
Heating the copper alloy ingot to 910 to 1,085 ° C, which corresponds to a solid-liquid two-phase range, and holding the heated copper alloy ingot to 910 to 1,085 ° C for 5 to 10 minutes, followed by cooling the heated ingot to remove excretions and tensions, formed during the casting step and to convert a dendritic structure of a primary copper phase to a spherical structure, thereby obtaining the primary copper phase, which comprises a spherical structure and which is suitable for molding in the semi-solid state.

Das Herstellungsverfahren für die Kupferlegierung umfaßt weiterhin den Schritt des Verdichtens des Kupferlegierungsbarrens um 0,1 bis 30% vor dem Schritt des Erwärmens. The manufacturing process for the copper alloy further includes the step of Compact the copper alloy ingot by 0.1 to 30% prior to the heating step.

Brief description of the figures

Es zeigen Show it

Fig. 1 ein Diagramm, welches die Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Vergrößerung eines Kalziumanteils in einer Kupfer-Kalzium- Legierung zeigt; Fig. 1 is a diagram showing the reduction of the electrical conductivity as a function of increasing a calcium content in a copper-calcium alloy;

Fig. 2 ein Diagramm, welches die Ergebnisse einer Thermoanalyse der Kupfer-Kalzium- Legierung zeigt, und welches Fest-Flüssig-Zweiphasenbereiche sowie eutektische Spitzenwerte (912°C) zeigt, die vergrößert werden beim Vergrößern des Anteils des Kalziums in der Legierung; Fig. 2 is a graph showing the results of thermal analysis of the copper-calcium alloy, and showing solid-liquid two-phase areas and peak eutectic values (912 ° C), which are increased as the proportion of calcium in the alloy is increased;

Fig. 3a ist eine optische Mikrofotografie, welche Kupferdendrite zeigt und eine eutektische Cu-Cu₅Ca Struktur einer gegossenen Cu-0,22Ca-Legierung; Fig. 3a is an optical microphotograph showing copper dendrites and a Cu-Cu ₅ Ca eutectic structure of a cast Cu-0.22Ca alloy;

Fig. 3b eine optische Mikrofotografie, welche kugelförmiges primäres Kupfer in einer CU-0,22Ca-Legierung zeigt, nachdem diese einer Verdichtung und Wärmebehandlung zum Formen im halbfesten Zustand unterzogen worden ist; Fig. 3b is an optical microphotograph showing spherical primary copper in a CU-0.22Ca alloy after being subjected to compression and heat treatment for molding in the semi-solid state;

Fig. 3c eine optische Mikrofotografie, welche kugelförmiges Primärkupfer in einer Cu-0,22Ca-Legierung zeigt, nachdem diese nur einer Wärmebehandlung zum Formen im halbfesten Zustand unterzogen worden ist; Fig. 3c shows an optical photomicrograph of spherical primary copper in a Cu-0,22Ca alloy after it has been subjected to only a heat treatment for forming in the semisolid state;

Fig. 4a eine optische Mikrofotografie, welche Kupferdendrite zeigt sowie eine eutektische Cu-Cu₅Ca Struktur einer gegossenen Cu-0,34Ca-Legierung; FIG. 4a is an optical photomicrograph, shows that Kupferdendrite and a eutectic Cu-Cu ₅ Ca structure of a molded Cu-0,34Ca alloy;

Fig. 4b eine optische Mikrofotografie, welche kugelförmiges Primärkupfer in einer Cu- 0,34Ca-Legierung zeigt, nachdem diese einer Verdichtung und Wärmebehandlung zum Formen im halbfesten Zustand unterzogen worden ist; FIG. 4b in a Cu shows an optical photomicrograph of spherical primary copper 0,34Ca alloy after it has been subjected to compression and heat treatment for forming in the semisolid state;

Fig. 4c eine optische Mikrofotografie, welche kugelförmiges Primärkupfer in einer Cu- 0,34Ca-Legierung zeigt, nachdem diese nur einer Wärmebehandlung zum Formen im halbfesten Zustand unterzogen worden ist; Fig. 4c in a Cu shows an optical photomicrograph of spherical primary copper 0,34Ca alloy after it has been subjected to only a heat treatment for forming in the semisolid state;

Fig. 5a eine optische Mikrofotografie, welche Kupferdendrite zeigt sowie eine eutektische CU-Cu₅Ca Struktur einer gegossenen Cu-0,69Ca-Legierung; FIG. 5a is an optical photomicrograph shows a eutectic which Kupferdendrite and _CU-5 Cu Ca structure of a molded Cu-0,69Ca alloy;

Fig. 5b eine optische Mikrofotografie, welche kugelförmiges Primärkupfer in einer Cu- 0,69Ca-Legierung zeigt, nachdem diese einer Verdichtung und Wärmebehandlung zum Formen im halbfesten Zustand unterzogen worden ist; Fig. 5b is an optical microphotograph showing spherical primary copper in a Cu-0.69Ca alloy after being subjected to compression and heat treatment for molding in the semi-solid state;

Fig. 5c eine optische Mikrofotografie, welche kugelförmiges Primärkupfer in einer Cu- 0,69Ca-Legierung zeigt, nachdem diese nur einer Wärmebehandlung zum Formen im halbfesten Zustand unterzogen worden ist; und Fig. 5c in a Cu shows an optical photomicrograph of spherical primary copper 0,69Ca alloy after it has been subjected to only a heat treatment for forming in the semisolid state; and

Fig. 6 ein Diagramm, welches einen Anteil einer flüssigen Fraktion einer Kupfer-Kalzium-Legierung zeigt, wobei der Anteil der flüssigen Fraktion sich mit ansteigendem Kalziumgehalt erhöht. Fig. 6 is a diagram showing a copper-calcium alloy shows a portion of a liquid fraction, wherein the proportion of the liquid fraction is increased with increasing calcium content.

Detailed description of the invention

Im Folgenden wird eine ausführliche Beschreibung einer Kupferlegierung mit hoher Leitfähigkeit zum Formen im halbfesten Zustand sowie ein Herstellungsverfahren hierfür erläutert, und zwar in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen. The following is a detailed description of a high alloy copper alloy Conductivity for molding in the semi-solid state and a manufacturing process therefor explained, in connection with the following drawings.

Was die Kupferlegierung betrifft, die geeignet ist zur Verwendung beim Formen im halbfesten Zustand gemäß der vorliegenden Erfindung, so wird preiswertes Kalzium zu reinem Kupfer hinzugefügt, um einen Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich zu verbreitern. Dadurch ist es möglich, ein Fest-Flüssig-Formgebungsverfahren durchzuführen. Zusätzlich verbleibt die elektrische Leitfähigkeit einer Kupferlegierung bei zumindest 75% IACS, wodurch die Kupferlegierung verwendet werden kann zur Herstellung eines Läufers eines Elektromotors. As for the copper alloy that is suitable for use in molding in semi-solid state according to the present invention, so inexpensive calcium becomes pure Copper added to broaden a solid-liquid two-phase area. That’s it possible to carry out a solid-liquid molding process. In addition, the electrical conductivity of a copper alloy at at least 75% IACS, which makes the Copper alloy can be used to manufacture a rotor of an electric motor.

Die Kupfer-Kalzium-Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich aufweist, der einen Temperaturbereich von 150°C oder mehr abdeckt, mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit von zumindest 80% IACS, wenn 1 Gew.-% oder weniger von Kalzium in der Legierung enthalten ist. Wird die Kupferlegierung einer Verdichtung und Wärmebehandlung zu Formen im halbfesten Zustand unterworfen, so werden zusätzlich alle dendritischen Strukturen einer primären Kupferphase in eine kugelförmige Struktur umgewandelt. Dadurch kann die Kupferlegierung auf einfache Weise einem Formen im halbfesten Zustand unterzogen werden. The copper-calcium alloy according to the present invention is thereby characterized in that it has a solid-liquid two-phase range which is a temperature range of 150 ° C or more, with a high electrical conductivity of at least 80% IACS when 1 wt% or less of calcium is contained in the alloy. Will the Copper alloy compression and heat treatment to form semi-solid all dendritic structures are also subjected to a primary copper phase transformed into a spherical structure. This allows the copper alloy to be simple Be subjected to molding in the semi-solid state.

Bei der vorliegenden Erfindung enthält die Kupferlegierung, die geeignet ist zur Verwendung beim Formen im halbfesten Zustand, 0,1 bis 1,5 Gew.-% an Kalzium, wobei der Restbestandteil aus Kupfer besteht. In the present invention, contains the copper alloy which is suitable for use when molding in the semi-solid state, 0.1 to 1.5 wt .-% of calcium, the The remaining component consists of copper.

Eine Kalziumkomponente (Ca) reagiert mit Kupfer (Cu), um eine intermetallische CuSCa- Verbindung zu ergeben mit einem Schmelzpunkt bei 950°C. Eine eutektische Reaktion zwischen Kupfer und einer intermetallischen Cu₅Ca-Verbindung, die Cu und 7 Gew.-% Ca enthält, findet bei 917°C statt. Deshalb umfaßt der Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich der Kupferlegierung einen Temperaturbereich von bis zu 168°C. Während der Kalziumgehalt in der Kupferlegierung vergrößert wird, sinkt der Temperaturbereich des Fest-Flüssig-Zweiphasenbereichs. A calcium component (Ca) reacts with copper (Cu) to give an intermetallic CuSCa compound with a melting point at 950 ° C. A eutectic reaction between copper and an intermetallic Cu ₅ Ca compound containing Cu and 7 wt% Ca takes place at 917 ° C. Therefore, the solid-liquid two-phase range of the copper alloy covers a temperature range of up to 168 ° C. As the calcium content in the copper alloy increases, the temperature range of the solid-liquid two-phase range decreases.

Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer wird verringert durch Vergrößern des Anteils der Legierungselemente, wobei die Reduktionsrate von der Art der Legierungselemente abhängt. The electrical conductivity of copper is reduced by increasing the proportion of the Alloy elements, the reduction rate depending on the type of alloy elements.

Die durchschnittliche Reduktionsrate der elektrischen Leitfähigkeit der Kupfer-Kalzium- Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung betrug 22,1% IACS/Gew.-% Ca. Durch Hinzufügung von 1,1 Gew.-% an Kalzium zu Kupfer hat die erfindungsgemäße Legierung eine hohe elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 77% IACS. The average rate of reduction in electrical conductivity of copper-calcium Alloy according to the present invention was 22.1% IACS / wt% Ca. By The alloy according to the invention has an addition of 1.1% by weight of calcium to copper high electrical conductivity of approximately 77% IACS.

Basierend auf der vorliegenden Erfindung sollte eine zur Verwendung in einem Formungsverfahren im halbfesten Zustand geeignete Kupferlegierung eine hohe elektrische Leitfähigkeit von zumindest 70% IACS aufweisen sowie einen breiten Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich. Based on the present invention, one should be used in a Forming process in the semi-solid state, suitable copper alloy high electrical conductivity of at least 70% IACS and a wide solid-liquid two-phase range.

Fig. 1 zeigt die Schwankungen in der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer in Abhängigkeit von Kalziumgehalt in gegossenen Probestücken. Die Probestücke wurden hergestellt durch Schmelzen der Kupfer-Calzium-Legierung in einem Induktionsofen bei 1.120°C, gefolgt vom Ausgießen der geschmolzenen Kupferlegierungen in eine auf 120°C vorgeheizte Form, wodurch sich ein gegossener Kupferlegierungsbarren ergab. Fig. 1 shows the variations in the electrical conductivity of copper as a function of calcium content in the cast specimens. The specimens were made by melting the copper-calcium alloy in an induction furnace at 1120 ° C, followed by pouring the molten copper alloys into a mold preheated to 120 ° C to give a cast copper alloy ingot.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, wird gemäß der analytischen ICP-Zusammensetzung der Probe, wenn der Kalziumanteil, der verwendet wird, im Anteil von 0,052, 0,22, 0,34, 0,69 und 1,07 Gew.-% vorliegt, die elektrische Leitfähigkeit der Kupfer-Kalzium-Legierung kontinuierlich im Bereich von 100% IACS auf 78% IACS verringert. In so einem Fall wird die durchschnittliche Reduktionsrate der elektrischen Leitfähigkeit auf den Gehalt an Kalzium in der Kupferlegierung zu 22,1% IACS/Gew.-% Ca berechnet. As can be seen in Fig. 1, according to the analytical ICP composition of the sample, when the calcium content used is 0.052, 0.22, 0.34, 0.69 and 1.07% by weight. % is present, the electrical conductivity of the copper-calcium alloy is continuously reduced in the range from 100% IACS to 78% IACS. In such a case, the average reduction rate of the electrical conductivity to the calcium content in the copper alloy is calculated to be 22.1% IACS /% Ca by weight.

Dies bedeutet, daß sich die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer mit zunehmenden Kalziumgehalt nicht drastisch verringert. Selbst wenn ein großer Anteil von Kalzium bis zu 1,1 Gew.-% verwendet wird, zeigte die erfindungsgemäße Kupferlegierung eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit. This means that the electrical conductivity of copper increases with increasing Calcium levels are not drastically reduced. Even if a large proportion of calcium up to 1.1 wt .-% is used, the copper alloy according to the invention showed a relatively high electric conductivity.

Zusätzlich zu der hohen elektrischen Leitfähigkeit sollte die Kupferlegierung zum Formen im halbfesten Zustand einen vernünftigen Bereich für den Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich aufweisen. In einer Kupfer-Kalzium-Legierung findet die eutektische Reaktion zwischen Kupfer und der intermetallischen Cu₅Ca-Verbindung bei 917°C in einem Gleichgewichtsphasendiagramm statt, wobei ein Zweiphasenbereich in dem Zusammensetzungsbereich von ungefähr 0 Gew.-% Ca bis 7 Gew.-% Ca in Cu/Ca vorliegt. Solch ein Zweiphasenbereich deckt einen Bereich von Temperaturen von 168° im Gleichgewichtsphasendiagramm ab. Wird der Kalziumgehalt vergrößert, so verringert sich der Temperaturbereich des Zweiphasenbereichs. In addition to the high electrical conductivity, the semi-solid copper alloy should have a reasonable range for the solid-liquid two-phase range. In a copper-calcium alloy, the eutectic reaction between copper and the intermetallic Cu ₅ Ca compound takes place at 917 ° C in an equilibrium phase diagram, with a two-phase range in the composition range from approximately 0% by weight Ca to 7% by weight Ca is in Cu / Ca. Such a two-phase range covers a range of temperatures of 168 ° in the equilibrium phase diagram. If the calcium content is increased, the temperature range of the two-phase range decreases.

Der Temperaturbereich des Fest-Flüssig-Zweiphasenbereichs einer kompatiblen Legierung wird durch Thermoanalyse bestätigt. Fig. 2 zeigt die Thermoanalyseergebnisse mittels eines DTA (Differenzialthermoanalysators), wobei eine jede Legierung von Zimmertemperatur auf 1.100°C erhitzt worden ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, zeigten alle Proben während der Erwärmung im Temperaturbereich von 910 bis 920°C eine starke endothermische Reaktion. Die Energieabsorbtionsspitzenwerte sind im Verhältnis zu dem Anstieg des Gehalts an Kalzium vergrößert. Nach Vollendung der primären endothermischen Reaktion fand eine zweite starke endothermische Reaktion bei 1.070°C oder höher statt. Die endothermische Reaktion in einer DTA-Kurve bedeutet, daß ein Teil einer beliebigen Phase in der Legierungsprobe geschmolzen ist. Der primäre endotherme Spitzenwert entspricht einer eutektischen Reaktionstemperatur eines Cu-Ca-Systems. Die zweite endothermische Reaktion findet statt, während die primäre Kupferphase, die in eine dendritische Struktur gegossen worden ist, schmilzt. The temperature range of the solid-liquid two-phase range of a compatible alloy is confirmed by thermal analysis. Fig. 2 shows the thermal analysis results by means of a DTA (differential thermal), wherein each alloy has been heated from room temperature to 1,100 ° C. As shown in Fig. 2, all samples showed a strong endothermic reaction during heating in the temperature range from 910 to 920 ° C. The energy absorption peaks are increased in proportion to the increase in the calcium content. After completion of the primary endothermic reaction, a second strong endothermic reaction took place at 1,070 ° C or higher. The endothermic reaction in a DTA curve means that part of any phase in the alloy sample has melted. The primary endothermic peak value corresponds to a eutectic reaction temperature of a Cu-Ca system. The second endothermic reaction takes place as the primary copper phase, which has been poured into a dendritic structure, melts.

Aus den obengenannten Ergebnissen kann abgeleitet werden, daß die Kupfer-Kalzium- Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich aufweist, der einen Temperaturbereich von 150°C oder mehr abdeckt. From the above results it can be deduced that the copper-calcium Alloy according to the present invention has a solid-liquid two-phase region, covering a temperature range of 150 ° C or more.

Die Mikrostruktur der primären Phase sollte in kugelförmiger Gestalt sein, damit die Materialien leicht ausgeformt werden können bei Formgebungsverfahren im halbfesten Zustand, da dendritische Strukturen einen gleichmäßigen Materialfluß während des Thixoformens behindern und Fest-Flüssig-Phasentrennungen begünstigen. Bei der vorliegenden Erfindung, welche das Ziel verfolgt, dendritische Strukturen der primären Kupferphase in der Kupfer-Kalzium- Legierung in kugelförmige Strukturen umzuwandeln, werden Verdichtungs- und Wärmebehandlungsschritte durchgeführt. The microstructure of the primary phase should be spherical in shape so that the Materials can be easily molded in the molding process in the semi-solid state because dendritic structures ensure an even flow of material during thixoforming hinder and favor solid-liquid phase separations. In the present invention, which pursues the goal of dendritic structures of the primary copper phase in the copper-calcium Converting alloy into spherical structures becomes compaction and Heat treatment steps carried out.

Bei den Kupfer-Kalzium-Legierungsproben ohne Verdichtung, sowie den Legierungsproben, die um 13%, 20% und 33% verdichtet worden waren, wurde eine Induktionserwärmung auf 1.050°C durchgeführt, welche einem Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich entspricht, und sie wurden während sieben Minuten auf derselben Temperatur gehalten. Fig. 3a, 4a und 5a sind optische Mikrofotografien der gegossenen Kupfer-Kalzium-Legierungen. Die Fig. 3b, 4b und 5b sind optische Mikrofotografien der Kupfer-Kalzium-Legierungen nach Verdichtung und Wärmebehandlung. Fig. 3c, 4c und 5c sind optische Mikrofotografien der Kupfer- Kalzium-Legierung, nachdem nur eine Wärmebehandlung stattgefunden hat. Induction heating to 1,050 ° C, which corresponds to a solid-liquid two-phase range, was carried out on the copper-calcium alloy samples without compression, as well as the alloy samples that had been compressed by 13%, 20% and 33%, and they were during held at the same temperature for seven minutes. Fig. 3a, 4a and 5a are optical photomicrographs of the cast copper-calcium alloys. Figs. 3b, 4b and 5b are optical photomicrographs of the copper-calcium alloys by compaction and heat treatment. Figures 3c, 4c and 5c are optical microphotographs of the copper-calcium alloy after only one heat treatment has taken place.

Wie in Fig. 3a, 4a und 5a gezeigt, werden typische dendritische Strukturen in den gegossenen Proben beobachtet. Die dendritischen Strukturen der primären Kupferphase wurden in kugelförmige Strukturen verwandelt, welche geeignet sind zum Formen im halbfesten Zustand nach einer Verdichtung und Wärmebehandlung, wie in Fig. 3b, 4b und 5b gezeigt. In der kugelförmigen primären Kupferphase werden auch Zwillingskristalle beobachtet, welche ausgeformt werden während der Verdichtung und Erwärmung. As shown in Figures 3a, 4a and 5a, typical dendritic structures are observed in the cast samples. The dendritic structures of the primary copper phase have been transformed into spherical structures which are suitable for shaping in the semi-solid state after compression and heat treatment, as shown in FIGS . 3b, 4b and 5b. In the spherical primary copper phase, twin crystals are also observed, which are formed during the compression and heating.

Bei den Proben, welche einer Wärmebehandlung ohne Verdichtung (Verdichtungsrate 0%) unterzogen worden sind, zeigte die primäre Kupferphase eine kugelförmige Struktur, welche vollständig aus der in Fig. 3c, 4c und 5c gezeigten dendritischen Struktur umgewandelt worden war. Somit kann bestätigt werden, daß eine gleichförmige Struktur der Kupferlegierung erhalten werden kann, die geeignet ist zum Formen im halbfesten Zustand, und zwar selbst dann, wenn ein Wärmebehandlungsverfahren angewandt wird. In the samples which were subjected to heat treatment without compression (compression rate 0%), the primary copper phase showed a spherical structure which had been completely converted from the dendritic structure shown in FIGS. 3c, 4c and 5c. Thus, it can be confirmed that a uniform structure of the copper alloy which is suitable for molding in the semi-solid state can be obtained even if a heat treatment method is used.

Fig. 6 zeigt, daß sich der Anteil einer flüssigen Fraktion in der Kupfer-Kalzium-Legierung zwischen 10 bis 20% bewegt, was durch Bildanalyse festgestellt wurde. Wie in Fig. 6 gezeigt, gilt, daß je größer der Anteil von Kalzium in Kupfer ist, der Anteil der flüssigen Fraktion um so höher ausfällt. Fig. 6 shows that the proportion of a liquid fraction in the copper-calcium alloy ranges between 10 to 20%, which was determined by image analysis. As shown in FIG. 6, the larger the proportion of calcium in copper, the higher the proportion of the liquid fraction.

Wie oben beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung eine Kupferlegierung zum Formen im halbfesten Zustand bereit, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine elektrische Leitfähigkeit von 75 bis 95% IACS aufweist, wobei ein Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich einen Temperaturbereich von 150°C oder mehr abdeckt. Somit ist die erfindungsgemäße Kupferlegierung geeignet zum Formen im halbfesten Zustand bei Temperaturen, die 100-200°C niedriger sind als die bei Druckgußverfahren. As described above, the present invention provides a copper alloy for molding in semi-solid state ready, which is characterized in that it is an electrical Has conductivity of 75 to 95% IACS, with a solid-liquid two-phase range Temperature range of 150 ° C or more. Thus is the invention Copper alloy suitable for forming in the semi-solid state at temperatures of 100-200 ° C are lower than those in die casting processes.

Verglichen mit herkömmlichen Sauerstoff-Kupfer-(Cu-0,11%O)Legierungen hat die erfindungsgemäße Kupferlegierung einen Fest-Flüssig-Zweiphasenbereich, der einen Temperaturbereich abdeckt, der um 130°C und mehr verbreitert worden ist. Somit wird die erfindungsgemäße Legierung nicht beeinflußt durch Temperaturschwankungen während des Herstellungsverfahrens, und hat eine elektrische Leitfähigkeit, die geeignet ist zur Verwendung in einem Läufer eines Elektromotors. Compared to conventional oxygen-copper (Cu-0.11% O) alloys, the copper alloy according to the invention a solid-liquid two-phase region, the one Temperature range that has been broadened by 130 ° C and more. Thus the Alloy according to the invention is not influenced by temperature fluctuations during the Manufacturing process, and has an electrical conductivity that is suitable for use in a rotor of an electric motor.

Um eine dendritische Struktur in eine kugelförmige Struktur zu verwandeln, die geeignet ist zum Formen im halbfesten Zustand, kann die erfindungsgemäße Legierung nur durch Wärmebehandlung ohne zuvorgehende Verformung bearbeitet werden, wodurch sich der Energieverbrauch und die Anzahl der Prozeßschritte im Vergleich zu einer Legierung zum Formen im halbfesten Zustand, die einen Verdichtungsprozeßschritt benötigt, verringert. To transform a dendritic structure into a spherical structure that is suitable for molding in the semi-solid state, the alloy according to the invention can only by Heat treatment can be processed without previous deformation, which is the Energy consumption and the number of process steps compared to an alloy for forming in semi-solid state that requires a compression process step is reduced.

Gegenwärtig wird ungefähr 50% oder mehr des gesamten weltweiten elektrischen Energieverbrauchs durch Elektromotoren verursacht. Dementsprechend wird erwartet, daß, wenn ein Läufer für Motoren kleiner und mittlerer Größe aus einer Kupferlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht, sich der Wirkungsgrad einens solchen Motors zusammen mit baulichen Verbesserungen bei 1-1,5% vergrößert. Currently, about 50% or more of the world's total is electrical Energy consumption caused by electric motors. Accordingly, it is expected that if a Rotor for small and medium size motors made of a copper alloy according to the present invention, the efficiency of such a motor together with structural improvements increased at 1-1.5%.

Die vorliegende Erfindung wurde beispielhaft beschrieben; es versteht sich, daß die verwendete Terminologie mehr dem Zwecke der Beschreibung als dem der Beschränkung dienen soll. Viele Änderungen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung sind möglich in Anbetracht der oben gegebenen Lehre. Deshalb versteht sich, daß innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche die Erfindung auch auf andere Weise durchgeführt werden kann als es ausdrücklich beschrieben worden ist. The present invention has been described by way of example; it is understood that the terminology used is for the purpose of description rather than limitation should. Many changes and modifications of the present invention are possible in Given the teaching given above. Therefore it is understood that within the Scope of the appended claims, the invention is carried out in other ways can be described as being expressly described.

Claims

1. Copper alloy with high conductivity for molding in the semi-solid state, which 0.1 contains up to 1.5 percent by weight calcium and the remaining constituent consists of copper, which are cast together to make cast copper-calcium alloys result.

2. The copper alloy of claim 1, wherein the cast copper-calcium alloy is subjected to a heat treatment around a solid-liquid two-phase area to have, which extends over a temperature range of 910 to 1085 ° C and has an electrical conductivity of 75 to 95 ° IACS.

3. Copper alloy according to claim 1 or 2, wherein the cast Copper-calcium alloy is compressed by 0.1 to 30% before the heat treatment.

4. A method of manufacturing a high conductivity copper alloy for forming in the semi-solid state, comprising the following steps:
Melting a copper-calcium alloy containing 0.1 to 1.5 weight percent of calcium, the remainder being copper, at 1,100 to 1,150 ° C to form molten copper-calcium alloys which are then at the same temperature held for 1 to 5 minutes;
Pouring the molten copper-calcium alloy into a copper alloy ingot using a mold that has been preheated to 100 to 150 ° C; and
Heating the copper alloy ingot to 910 to 1,085 ° C, which corresponds to a solid-liquid two-phase range, and holding the heated copper alloy ingot to 910 to 1,085 ° C for 5 to 10 minutes, followed by cooling the heated copper alloy ingot to remove excretions and stresses, formed during the casting step and for converting a dendritic structure of a primary copper phase into a spherical structure, thereby obtaining a primary copper phase containing a spherical structure and which is suitable for molding in the semi-solid state.

5. The method of claim 4, further comprising the step of heating Step of densifying the copper alloy ingot by 0.1 to 30%.