第一節(jié) 電機銅件產品基本生產技術、工藝或流程

轉子銅合金導條制備工藝流程圖

轉子銅合金端環(huán)制備

端環(huán)銅合金成份設計→煉、鑄造→鑄錠均勻化→鍛造工藝→熱處理工藝

轉子護環(huán)制備

護環(huán)銅合金成份設計→熔煉、鑄造→鑄錠均勻化→鍛造工藝→穩(wěn)定化退火處理工藝

第二節(jié) 電機銅件產品新技術研發(fā)、應用情況

1、電機轉子導條和端環(huán)用高強高導銅合金 研究 概況

功率較小、轉速較低的電機可以采用純銅作為其導條和端環(huán)。因為純銅具有優(yōu)良的導電性、導熱性、耐蝕性及良好的加工性能，但純銅強度較低，軟態(tài)僅為230~290MPa，冷加工后雖可達400MPa以上，但延伸率僅為2％左右，同時純銅高溫下抗軟化能力低，如純銅冷軋后在82℃下長時間停留，強度即恢復到冷軋前的狀態(tài)。

作為軌道交通牽引動力的電動機，功率大，轉速高，龍其是作為地鐵牽引動力時，處于一個相對封閉的環(huán)境，環(huán)境溫度較高，純銅已經不能滿足使用要求，需要采用強度更高、導電和導熱性能也相對較好的高性能銅合金。導電率與強度的良好配合既是技術的要求，又是經濟的要求。因此，如何在不降低銅電導率的前提下，大幅度提高銅材料的強度，已成為軌道交通牽引電機用高性能銅合金 研究 開發(fā)的中心任務之一。

高強度高導電銅合金作為具有優(yōu)良綜合物理性能和力學性能的功能結構材料，它既具有較高的強度和良好的塑性，又具備優(yōu)良的導電性能，還具有抗氧化、抗應力松弛、抗蠕變、抗應力腐蝕能力好，疲勞性能好，無氫脆等性能特點。高強度高導電銅合金不但克服了純銅應用上的局限性，而且材料用量大大節(jié)省，環(huán)境適應性強，使用壽命長，是制備高速鐵路電力機車架空導線芯、高速軌道交通異步牽引電動機轉子等器件的優(yōu)良材料。

異步牽引電動機的轉子是電動機的關鍵部件之一，轉子材料主要有銅條轉子和鑄鋁轉子兩類。目前軌道交通高速異步牽引電動機轉子都采用鼠籠式結構，轉子材料包括導條、端環(huán)和護環(huán)。導條材料主要有冷拉銅，鉻銅或鋯銅，這些材料的性能見表。冷拉銅在溫度高于200℃時顯著軟化，并且交變疲勞極限很低。鎳銅的力學性能雖好，但其電導率很低。鉻銅和鋯銅具有較好的力學性能和電學性能，是比較好的電機轉子材料。

典型銅合金導奈材料的性能

異步牽引電動機轉子如圖所示，轉子銅導條嵌在鐵芯上，之后與端環(huán)焊在一起，護環(huán)則熱套于兩端的端環(huán)上。

大功率異步牽引電動機轉子

導條、端環(huán)與護環(huán)的性能與質量直接關系到異步牽引電動機乃至整個機車的性能。影響導條與護環(huán)的主要因素是作用在轉子上的各種應力和運行時電機內的溫升情況。作用在轉子上的應力主要有熱應力、電磁應力、殘余應力、動態(tài)應力、環(huán)境應力和機械應力等。電機溫升主要是由于定子和轉子的銅耗造成的，溫度升高會使得釬焊接頭軟化或熔化，導條材料本身在溫升條件下也會軟化，使蠕變阻力降低而導致轉子導條的變形或斷裂。因此要求轉子材料不僅要有一定的常溫力學性能而且還有有一定的高溫性能。另一方面，大功率電動機的起動轉矩和負載轉矩都很大，且啟動頻繁，轉子導條材料也要求具有適宜的電阻率，以降低起動電流，加大起動轉矩，防止電機溫升過高。但電動機轉子電阻大，正常運行時效率較低，因此在確定電動機轉子導條電阻時要兼顧起動特性和運轉效率兩方面的要求，既不能太大也不能太低。為利于變頻電路的平衡，還要求異步牽引電動機轉子材料的電阻率有很高的精度。

2、電機轉子護環(huán)用高強高韌銅合金 研究 概況

護環(huán)是電動機轉子上的重要部件之一。它熱套于端環(huán)上，受緊配合力、本身及繞組端部的離心力、彎曲應力等作用，疊加應力很高。因此要求護環(huán)材料必須有足夠的強度和盡可能高的塑性與韌性、最小的殘余應力、最少的危害性缺陷。為了減少漏磁和渦流損耗，要求護環(huán)材料必須無磁性。隨著電動機功率的不斷提高，護環(huán)所承受的應力也逐步上升，在機組運轉時，由于電磁場及電流的作用，會使護環(huán)發(fā)熱。通常情況下溫升有近百度，特殊情況下瞬時能高達幾百度。因此，護環(huán)材料也應注意高溫軟化問題。

因電機護環(huán)產生疲勞裂紋而發(fā)生的事故，已有許多次，從750千瓦到12500千瓦電機都有。上世紀50年代初，加拿大安大略(Ontario)公司為多倫多(Toronto)電站訂購的4臺10萬千瓦汽輪發(fā)電機，僅運行一年多，其中1撐，2撐機相繼發(fā)生爆炸。德國西門子公司一臺5萬千瓦1500轉／分電機，由于護環(huán)選擇不當，也在運行中發(fā)生爆炸。60年代初期，日本寶蘭工廠用Mn-Ni．Cr鋼鍛成的護環(huán)，發(fā)生過兩起爆炸事故。為此，材料科學工作者探討了護環(huán)材料及加工的影響，護環(huán)設計結構的影響，以及電機運行條件的影響，并對裂紋的特性及產生原因做了 研究 。通過護環(huán)強度破壞試驗、殘余應力試驗、疲勞試驗、應力腐蝕試驗和脆性破壞試驗，最后證明護環(huán)損壞的主要原因在于：電機運行過程中的溫升引起護環(huán)內外壁的溫度差而產生熱應力，從而造成晶間腐蝕破壞。

目前，德國西門子公司、同本三菱公司等生產的牽引電機均使用銅基合金作護環(huán)材料。銅基合會除了保持鋼護環(huán)的高強度性能外，還具有較高的韌性和良好的導熱性及抗應力腐蝕，這對降低轉子溫升，減少轉子端部斷裂有明顯效果。

3、電機轉子導條和端環(huán)焊接配用焊料 研究 概況

國外高速列車、地鐵列車和輕軌列車發(fā)展較早，大功率調頻調速異步電動機已有成熟的制造技術，焊料是大功率異步電動機的釬焊連接材料，有系列產品可供選擇。俄羅斯莫斯科有色金屬加工 研究 院、日本三菱電機公司、德國西門子公司、瑞士ABB公司等均有成熟的技術和產品。國內的地鐵電機原來都是整機進口，九五期間才開始立項進行研制。焊料是輔料，第一批國產地鐵、輕軌和高速試驗列車用釬焊料仍采用進口。國內沒有廠家生產這種特殊的銀銅焊料，只有昆貴所研制過一種航天用高強高導銅合金火箭發(fā)動機液體冷卻噴管配用焊料，但只處于實驗室研制階段。大功率異步電動機轉子轉速高、負荷重、轉子溫度可達310℃，導條與端環(huán)之間350℃下必須有很高的結合強度。目前只有在銀銅合金基礎上采用多元復合微合金化才能得到保證。國外只供產品，不供技術，但從一些電機雜志報道以及對進口料的 分析 可以知道這種釬焊料是多元復合微合金化的銀銅基。

第三節(jié) 電機銅件產品技術開發(fā)熱點、難點 分析

1、導條銅合金最佳制備工藝為擠壓一在線水淬一30～40％冷拉變形--450"C／4h時效。

2、 研究 合金的強化機制包括固溶強化、析出強化和形變熱處理強化。形變熱處理工藝可大大提高合金時效后的最終強度，冷拉后的合金時效過程中受到析出和再結晶過交互作用的影響。析出的第二相粒子不僅強化了基體而且一定程度上抑制了再結晶的行，從而使合金的強度進一步提高。

3、對不宜采用形變熱處理技術強化的高強高導大規(guī)格端環(huán)銅合金，采取相對較高的鉻、鋯含量并結合強化固溶一時效工藝，可以獲得較好的綜合性能，以滿足軌道交通用大功率調頻調速異步牽引電動機轉子組件端環(huán)的設計要求。

第四節(jié) 電機銅件產品未來技術發(fā)展趨勢

(1)多元微合金化和沉淀強化是改善高強導電銅合金性能的有效途徑

合金化法制備高強高導銅合金主要是固溶強化和沉淀強化兩種方法，細晶強化和形變強化常作為輔助強化手段。由于銅與其它異種金屬有良好的熔合性，已開發(fā)出了諸如Cu-Zn、Cu-Sn、Cu-A1和Cu-Ni等一系列固溶強化型合金，但由于固溶元素在金屬中使導電電子散射加劇，導電、導熱性大幅度下降，因此，就高強高導電性合金來說，固溶強化型合金較少。沉淀強化型合金，經高溫固溶處理，隨后時效，合金元素呈彌散相析出，固溶體貧化為純銅基體，恢復了由于固溶處理所降低的導電、導熱性，取得了強度和導電、導熱性的平衡，因此，沉淀強化法是制備高強高導銅合金的主要途徑。

為了進一步提高銅基二元合金的強度，改善導電性，彌補其它性能上的不足，人們在二元合金的基礎上，添加微量的第三組元甚至第四組元。如在Cu-Cr合金的基礎上添加微量Zr及RE既能顯著提高其強度和導電率，同時又能有效地防止合金過時效。在銅合金中添加適量稀土能顯著細化晶粒，提高強度、韌性及其它加工性能。目前多元微合金化技術已越來越受到重視，已成為進一步改善高強高導銅合金綜合性能的有效手段。

2、材料復合化是高強高導銅合金的發(fā)展方向

現代工業(yè)的飛速發(fā)展對銅基導電材料的綜合性能提出了更高的要求。合金化方法由于自身的局限性，在保持銅高導電性的同時，對強度的提高有一定限度。復合強化能同時發(fā)揮基體和強化相的協同作用，又具有很大的設計自由度。復合強化不會明顯降低銅基體的導電性，由于強化相的作用還改善了基體的室溫及高溫性能，成為獲得高強度導電銅基材料的主要強化手段，代表高強高導銅合金的發(fā)展方向。自生復合銅合金是通過自生復合組織來強化基體機械性能并兼顧導電性能的銅合金材料，極有可能成為現有高強高導銅合金的替代材料。

3、產品應用時需要更多地考慮綜合性能

在許多應用領域，高強高導銅合金所要求的并非只是導電性和強度，而是多項綜合性能。就牽引電機銅合金而言，除高強高導外，還要求有較好的耐熱性和耐蝕性，對殘余應力、線膨脹系數、機加工性能和焊接性能也有較高要求。因為這些銅合金經常要與異種材料或異種金屬接觸或接合，因此，有必要 研究 銅合金與琺瑯和樹脂等的密合性問題，與絕緣材料接觸導致絕緣材料老化的問題以及銅材表面氧化膜引起的應力腐蝕和銅材的電鍍等問題。另外，作為析出強化型合金，大都含有諸如Zr、Cr、Si等與氧親和力極強的合金元素，在關注合金電學性能和力學性能的同時，還應從組織上探討這些元素對材質表面性能的影響悼引。因此，怎樣通過優(yōu)化合金成份，選擇合理的制備工藝，生產出滿足綜合性能要求高的產品，也將成為今后的重要課題。

4、開發(fā)的產品應符合產業(yè)化、規(guī)模化趨勢

研制高強高導銅合會的最終目的就是為電力、電器、機械制造等工業(yè)部門提供高質量低成本的導電銅材。一項新成果在 研究 階段為了追求高性能可以較少地考慮成本因素，但最終要面對市場的選擇，使產品具有合理的性價比。常規(guī)合金化法生產高強高導銅合金，雖然其強化效果有限，但能夠直接與常規(guī)鑄造特別是連續(xù)鑄造技術相結合，可大幅度降低銅合金的生產成本，其產品不但可以作為功能材料，而且可以作為結構材料，從而仍顯視出強大的生命力。原位復合材料等新型高強高導銅材生產成本高昂，工藝控制困難，一時難以實現大規(guī)模產業(yè)化，仍需進一步深入 研究 。因此，要努力開發(fā)性能好、市場潛力大、成本低、適合規(guī)?；a的高強高導銅合金。

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