一种高强、中导新型铜合金Cu‑Zn‑Cr‑RE导条及制备方法与流程

本发明涉及电机转子材料制造技术领域，具体涉及一种异步牵引电机转子用高强、中导新型铜合金Cu-Zn-Cr-RE导条的制备方法。

背景技术：

随着轨道交通和高铁的发展，对其牵引动力—异步牵引电动机的要求越来越高，电机转子是异步牵引电机的核心部件。目前电机转子有三种制造技术，铸铝转子耗能高、效率低，铸铜技术还处于研发阶段，一般高速异步牵引电机转子采用导条嵌在铁芯上，并与端环焊接在一起。因此，导条的性能和质量直接关系到异步牵引电机的性能。

电机转子在运转过程中，由于作用在转子上的各种应力以及运行时电机的温升情况，会造成转子导条由于温升而造成的软化现象，并影响电机的服役能力，这种情况对于经常服役在较高温度下的高强度要求、中导电性要求的导条影响更为明显。因此要求导条具备高强度、中导电性时，同时需要具备高的室温强度和较高的高温强度。而目前这种高强度、中导电性导条通常采用Cu-Zn合金，Cu-Zn合金具备高的室温强度和中等的电导率，但当温度升高至200℃以上持续使用时强度会明显降低。针对目前使用的Cu-Zn合金存在的缺点，开发新型合金Cu-Zn-Cr-RE。

Cu-Zn合金为典型的固溶强化合金，Zn能大量固溶于Cu中，形成α固溶体，450℃时溶解度可达39％。实验合金中Zn含量只有10％，因此Zn在合金中的存在形式完全为α固溶体，整个加工、热处理过程对其几乎没有影响。Zn的固溶体在本文中的强化作用并不明显，添加Zn主要是用于调控合金电导率。CuZn10合金为单相固溶体合金，且电阻可调，不足之处就是高温强度较差。但Cu-Zn合金具有与Cu相同的面心立方晶格，预计在Cu-Zn合金中加Cr应具有与Cu-Cr合金类似的效果。RE能够细化晶粒，提高合金的电导率和软化温度，改善和提高合金的综合性能。本发明设计Cu-Zn-Cr-RE的思路就是基于这样的原理，以达到高温强度高和电阻率适宜的目的。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明提供一种高强、中导新型铜合金Cu-Zn-Cr-RE导条及制备方法的制备方法。

本发明的技术方案为：一种高强、中导新型铜合金Cu-Zn-Cr-RE导条，其特征在于，化学组成及其重量百分比为：0.25-0.35％Cr、6-10％Zn、0.05-0.15％RE、0-0.05％Fe、0-0.03％Pb，其余为铜。

一种高强、中导新型铜合金Cu-Zn-Cr-RE导条及制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)配料：按照所述的成分及配比要求对各合金元素进行配比，选择并称取相应的原料；Cu采用铜板方式加入，Zn采用锌锭方式加入，Cr采用Cu-Cr中间合金方式加入，RE采用La-Ce中间合金方式加入；其中，所述的铜板为电解铜板，纯度大于99％。其中，所述的锌锭为市售二号锌，纯度大于99.95％。

(2)熔炼：采用非真空中频感应电炉熔炼，待铜板与Cu-Cr中间合金熔炼完后，加入锌锭，再加入La-Ce中间合金，熔炼完成之后，浇筑成铸锭，冷却至室温。

(3)制备导条型材：将所述铸锭进行预加热、热挤压、冷拉拔和时效热处理，得到所述导条。

进一步的，Cu-Cr中间合金的制备：将质量百分比为89-91％的铜在非真空中频感应电炉中熔解完全，熔解温度为1250-1300℃，再加入质量百分比为9-11％，粒径为60-80目的铬粒，加入脱氧剂进行脱氧，加盖厚度为20-40mm特制覆盖剂，迅速升温至1350-1400℃，保温15-20min，再依次进行铸锭和热挤压，得到Cu-Cr中间合金板材或棒材。

进一步的，铜基La-Ce(RE)中间合金的制备：将质量分数为5-7％的La-Ce(RE)混合稀土在电子天平上称重，得到重量G1，然后将La-Ce混合稀土在打磨机中打磨10-15min去掉表面氧化层，称重，得到重量G2，使得(G1-G2)÷G1＝0.05-0.07，得到去氧化La-Ce(RE)混合稀土，将质量分数为93-95％的铜在非真空中频感应电炉内完全熔融，熔融温度为1250-1300℃，再将所述去氧化La-Ce(RE)混合稀土加入，加盖厚度为20-40mm特制覆盖剂，再依次进行铸锭、热挤压，得到铜基La-Ce(RE)中间合金板材或棒材。

进一步的，在加入La-Ce中间合金后使用环头搅拌杆搅拌1-3min至金属熔液混合均匀，加盖厚度为30-60mm的特制覆盖剂，静置保温20-40min，在水冷金属型中浇铸成铸锭。

进一步的，所述的环头搅拌杆材料优选的使用氧化锆陶瓷，耐热温度大于2200℃。

进一步的，所述的特制覆盖剂是由以下重量组分物质组成：20-22份碳纤维粉、10-16份云母粉、40-50份膨化蛭石粉、18-22份苏打石粉，上述重量组分粒径为100-150目。

进一步的，步骤(3)所述的预加热温度为750℃-800℃。

进一步的，步骤(3)所述的热挤压工艺参数为：挤压筒及挤压模具预热温度350℃-400℃，开始挤压温度≥700℃，挤压比为50-80，挤压速度≤12mm/s。

进一步的，步骤(3)所述的冷拉拔变形量为25％-30％。

进一步的，步骤(3)所述的时效处理工艺参数为：时效温度为400℃-500℃，时效时间为3-5h。

与现有技术相比本发明的有益效果为：(1)由本发明设计的Cu-Zn-Cr-RE合金材料制造的导条，弥散析出的Cr颗粒以及稀土元素RE的综合作用，显著细化了Cu-Zn合金导条的晶粒尺寸，从而提高了材料的力学性能。(2)由于弥散析出的Cr颗粒以及稀土元素RE对晶界的综合作用，提高了Cu-Zn合金的高温力学性能，使得Cu-Zn合金在350℃仍然具有较高的抗拉强度。(3)本发明利用Cu-Zn合金固溶体基体电导性能随Zn含量的变化连续稳定可调的特性，通过控制Zn含量来调节电阻率，从而得到理想的电阻率范围。同时Cr及RE对电阻率的影响极小，进而发明了Cu-Zn-Cr-RE合金导条，满足了轨道交通异步电机电阻率可调且稳定的特点。

附图说明

图1是Cu-10Zn-0.25Cr合金导条产品的金相组织照片；

图2是Cu-10Zn-0.25Cr-0.08RE合金导条产品的金相组织照片；

图3是Cu-6Zn-0.3Cr-0.06RE合金导条产品的金相组织照片；

图4是Cu-8Zn-0.3Cr-0.1RE合金导条产品的金相组织照片。

具体实施方式

实施例1：

一种高强、中导新型铜合金Cu-10Zn-0.25Cr-0.08RE导条及制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)配料：按照所述的成分及配比要求对各合金元素进行配比，选择并称取相应的原料；Cu采用铜板方式加入，Zn采用锌锭方式加入，Cr采用Cu-Cr中间合金方式加入，RE采用La-Ce中间合金方式加入；其中，所述的铜板为电解铜板，纯度大于99％。其中，所述的锌锭为市售二号锌，纯度大于99.95％。

(2)熔炼：采用非真空中频感应电炉熔炼，待铜板与Cu-Cr中间合金熔炼完后，加入锌锭，再加入La-Ce中间合金，熔炼完成之后，浇筑成铸锭，冷却至室温。其中，Cu-Cr中间合金是将质量百分比为91％的铜在非真空中频感应电炉中熔解完全，熔解温度为1250℃，再加入质量百分比为9％，粒径为60目的铬粒，加入脱氧剂进行脱氧，加盖厚度为20mm特制覆盖剂，迅速升温至1350℃，保温15min，再依次进行铸锭和热挤压，得到Cu-Cr中间合金板材或棒材。其中，La-Ce中间合金是将质量分数为5％的La-Ce(RE)混合稀土在电子天平上称重，得到重量G1，然后将La-Ce混合稀土在打磨机中打磨10-15min去掉表面氧化层，称重，得到重量G2，使得(G1-G2)÷G1＝0.05，得到去氧化La-Ce(RE)混合稀土，将质量分数为95％的电解铜板在非真空中频感应电炉内完全熔融，熔融温度为1250℃，再将所述去氧化La-Ce(RE)混合稀土加入，加盖厚度为20mm特制覆盖剂，再依次进行铸锭、热挤压，得到铜基La-Ce(RE)中间合金板材或棒材；其中，在加入La-Ce中间合金后使用环头搅拌杆搅拌1min至金属熔液混合均匀，加盖厚度为30mm的特制覆盖剂，静置保温20min，在水冷金属型中浇铸成铸锭。其中，所述的特制覆盖剂是由以下重量组分物质组成：20份碳纤维粉、10份云母粉、40份膨化蛭石粉、18份苏打石粉，上述重量组分粒径为100目。其中，所述的环头搅拌杆材料优选的使用氧化锆陶瓷，耐热温度大于2200℃。

(3)制备导条型材：将所述铸锭进行预加热、热挤压、冷拉拔和时效热处理，得到所述导条。其中，将所述的铸锭经车削去氧化层，车削后铸锭直径为将所述车削后铸锭进行热挤压，铸锭温度为750℃，再经水冷却、冷拉拔、时效处理，其中，所述的热挤压工艺参数为：挤压筒预热温度为380℃，挤压模具预热温度400℃，开始挤压温度为720℃，挤压比为75，挤压速度为10mm/s；所述的冷拉拔的变形量为27％，所述的时效处理工艺参数为：时效温度为430℃，时效时间为4h，得到Cu-10Zn-0.25Cr-0.08RE合金粗成品。

(4)合金性能测试及加工：将所述的Cu-10Zn-0.25Cr-0.08RE合金粗成品进行金相组织、电学性能、常温力学性能及高温力学性能等性能测试，选出合格产品，将所述合格产品进行拉拔或旋锻加工成型，按规格制备成所需成品。具体如表一及图2所示。

实施例2：

一种高强、中导新型铜合金Cu-6Zn-0.3Cr-0.06RE导条及制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)配料：按照所述的成分及配比要求对各合金元素进行配比，选择并称取相应的原料；Cu采用铜板方式加入，Zn采用锌锭方式加入，Cr采用Cu-Cr中间合金方式加入，RE采用La-Ce中间合金方式加入；其中，所述的铜板为电解铜板，纯度大于99％。其中，所述的锌锭为市售二号锌，纯度大于99.95％。

(2)熔炼：采用非真空中频感应电炉熔炼，待铜板与Cu-Cr中间合金熔炼完后，加入锌锭，再加入La-Ce中间合金，熔炼完成之后，浇筑成铸锭，冷却至室温。其中，将质量百分比为90％的电解铜板在非真空中频感应电炉中熔解完全，熔解温度为1280℃，再加入质量百分比为10％，粒径为70目的铬粒，加入脱氧剂进行脱氧，加盖厚度为30mm特制覆盖剂，迅速升温至1380℃，保温17min，再依次进行铸锭和热挤压，得到Cu-Cr中间合金板材或棒材。其中，将质量分数为6％的La-Ce(RE)混合稀土在电子天平上称重，得到重量G1，然后将La-Ce混合稀土在打磨机中打磨12min去掉表面氧化层，称重，得到重量G2，使得(G1-G2)÷G1＝0.06，得到去氧化La-Ce(RE)混合稀土，将质量分数为94％的电解铜板在非真空中频感应电炉内完全熔融，熔融温度为1280℃，再将所述去氧化La-Ce(RE)混合稀土加入，加盖厚度为30mm特制覆盖剂，再依次进行铸锭、热挤压，得到铜基La-Ce(RE)中间合金板材或棒材；其中，铜基La-Ce(RE)中间合金完全熔解后，使用环头搅拌杆搅拌2min至金属熔液混合均匀，其中，所述的环头搅拌杆材料优选的使用氧化锆陶瓷，耐热温度大于2200℃，加盖厚度为45mm的特制覆盖剂，静置保温30min，在水冷金属型中浇铸成铸锭。其中，所述的特制覆盖剂是由以下重量组分物质组成：21份碳纤维粉、13份云母粉、45份膨化蛭石粉、20份苏打石粉，上述重量组分粒径为120目。

(3)制备导条型材：将所述铸锭进行预加热、热挤压、冷拉拔和时效热处理，得到所述导条。其中，将所述的铸锭经车削去氧化层，车削后铸锭直径为将所述车削后铸锭进行热挤压，铸锭温度为780℃，再经水冷却、冷拉拔、时效处理，其中，所述的热挤压工艺参数为：挤压筒预热温度为380℃，挤压模具预热温度为400℃，开始挤压温度750℃，挤压比为75，挤压速度7.5mm/s；所述的冷拉拔的变形量为27％，所述的时效处理工艺参数为：时效温度为430℃，时效时间为4h，得到Cu-6Zn-0.3Cr-0.06RE合金粗成品；

(4)合金性能测试及加工：将所述的Cu-6Zn-0.3Cr-0.06RE合金粗成品进行金相组织、电学性能、常温力学性能及高温力学性能等性能测试，选出合格产品，将所述合格产品进行拉拔或旋锻加工成型，按规格制备成所需成品。具体如表一及图3所示。

实施例3：

一种高强、中导新型铜合金Cu-8Zn-0.3Cr-0.1RE导条及制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)配料：按照所述的成分及配比要求对各合金元素进行配比，选择并称取相应的原料；Cu采用铜板方式加入，Zn采用锌锭方式加入，Cr采用Cu-Cr中间合金方式加入，RE采用La-Ce中间合金方式加入；其中，所述的铜板为电解铜板，纯度大于99％。其中，所述的锌锭为市售二号锌，纯度大于99.95％。

(2)熔炼：采用非真空中频感应电炉熔炼，待铜板与Cu-Cr中间合金熔炼完后，加入锌锭，再加入La-Ce中间合金，熔炼完成之后，浇筑成铸锭，冷却至室温。其中，将质量百分比为89％的电解铜板在非真空中频感应电炉中熔解完全，熔解温度为1300℃，再加入质量百分比为11％，粒径为80目的铬粒，加入脱氧剂进行脱氧，加盖厚度为20-40mm特制覆盖剂，迅速升温至1400℃，保温20min，再依次进行铸锭和热挤压，得到Cu-Cr中间合金板材或棒材。其中，将质量分数为7％的La-Ce(RE)混合稀土在电子天平上称重，得到重量G1，然后将La-Ce混合稀土在打磨机中打磨15min去掉表面氧化层，称重，得到重量G2，使得(G1-G2)÷G1＝0.07，得到去氧化La-Ce(RE)混合稀土，将质量分数为93％的电解铜板在非真空中频感应电炉内完全熔融，熔融温度为1300℃，再将所述去氧化La-Ce(RE)混合稀土加入，加盖厚度为40mm特制覆盖剂，再依次进行铸锭、热挤压，得到铜基La-Ce(RE)中间合金板材或棒材；其中，铜基La-Ce(RE)中间合金完全熔解后，使用环头搅拌杆搅拌3min至金属熔液混合均匀，其中，所述的环头搅拌杆材料优选的使用氧化锆陶瓷，耐热温度大于2200℃，加盖厚度为60mm的特制覆盖剂，静置保温40min，在水冷金属型中浇铸成铸锭。其中，所述的特制覆盖剂是由以下重量组分物质组成：22份碳纤维粉、16份云母粉、50份膨化蛭石粉、22份苏打石粉，上述重量组分粒径为150目。

(3)制备导条型材：将所述铸锭进行预加热、热挤压、冷拉拔和时效热处理，得到所述导条。其中，将所述的铸锭经车削去氧化层，车削后铸锭直径为将所述车削后铸锭进行热挤压，铸锭温度为750℃，再经水冷却、冷拉拔、时效处理，其中，所述的热挤压工艺参数为：挤压筒预热温度为380℃，挤压模具预热温度400℃，开始挤压温度720℃，挤压比为60，挤压速度10mm/s；所述的冷拉拔的变形量为27％，所述的时效处理工艺参数为：时效温度为430℃，时效时间为4h，得到Cu-8Zn-0.3Cr-0.1RE合金粗成品；

(4)合金性能测试及加工：将所述的Cu-8Zn-0.3Cr-0.1RE合金粗成品进行金相组织、电学性能、常温力学性能及高温力学性能等性能测试，选出合格产品，将所述合格产品进行拉拔或旋锻加工成型，按规格制备成所需成品。具体如表一及图4所示。

表一：不同成分导条产品的力学性能

根据图1-4不同成分导条产品的金相组织照片，可看出添加RE的合金晶粒得到明显的细化。

尽管已参照其具体实施方案描述和阐明了本发明，但本领域技术人员会认识到，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下对其作出各种改变、修改和取代。因此，本发明意在仅受下列权利要求的范围限制且这些权利要求应在合理的程度上尽可能广义地解释。