專利名稱：一種大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)用銅合金導(dǎo)條和端環(huán)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速列車、地鐵列車、輕軌列車用大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件所需要的導(dǎo)條和端環(huán)的制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
1999年，發(fā)明人在鐵道部九·五攻關(guān)項(xiàng)目研究成功的基礎(chǔ)上申報(bào)了一項(xiàng)“高速列車用大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)導(dǎo)條和護(hù)環(huán)”的發(fā)明專利，2003年正式授權(quán)(ZL99101984.9)。十年來，我國(guó)軌道交通事業(yè)飛速發(fā)展，高速列車的運(yùn)營(yíng)速度已經(jīng)由當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的200km/h發(fā)展到目前的350km/h以上，高速列車、地鐵列車和輕軌列車用大功率異步牽引電機(jī)從引進(jìn)-消化走到了再創(chuàng)造，研制的大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)已經(jīng)裝備到國(guó)產(chǎn)高速列車、地鐵列車和輕軌列車上。經(jīng)過十年來的對(duì)比研究和開發(fā)，牽引電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)部門依據(jù)高速列車、地鐵列車、輕軌列車不同的運(yùn)行工況，對(duì)不同用途大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子專用銅合金導(dǎo)條和端環(huán)分門別類提出了更實(shí)際和更具體的要求。因此，1999年申報(bào)的專利所描述的“高速列車用大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)導(dǎo)條和護(hù)環(huán)”除護(hù)環(huán)仍然可以滿足新型牽引電機(jī)的要求外，導(dǎo)條和原來牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子用的T2純銅端環(huán)已不適應(yīng)新型牽引電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，有必要對(duì)原專利進(jìn)行修改和補(bǔ)充。本發(fā)明配合牽引電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)部門和電機(jī)制造商進(jìn)行了攻關(guān)研究，獲得了滿意的使用效果，在此基礎(chǔ)上申報(bào)“大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子用銅合金導(dǎo)條和端環(huán)組件”發(fā)明專利。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)高速列車、地鐵列車、輕軌列車用大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)子銅合金導(dǎo)條和端環(huán)性能的不同要求，分門別類對(duì)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子銅合金導(dǎo)條和端環(huán)合金材料成分、制備工藝進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)，得到新成份的導(dǎo)條。與此同時(shí)，還發(fā)明了一種轉(zhuǎn)子用銅合金端環(huán)代替原來的T2純銅端環(huán)，以便銅合金鼠籠轉(zhuǎn)子的電性能更容易調(diào)控。
此外，還提供了上述導(dǎo)條和端環(huán)的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子銅合金導(dǎo)條和端環(huán)成分設(shè)計(jì)①制造高速列車用大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子銅合金導(dǎo)條的合金成份的重量百分比為9-12％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)。
②制造地鐵、輕軌列車用大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子銅合金導(dǎo)條的合金成份的重量百分比為0.3-3％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)；③制造端環(huán)的銅合金成分的重量百分比為0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)。
上述牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子銅合金導(dǎo)條和端環(huán)制造工藝如下配料-中頻感應(yīng)熔煉-半連續(xù)鑄造-鑄錠均勻化-熱擠壓-在線淬火-冷拉-校直-剪切-時(shí)效-機(jī)加工。
導(dǎo)條銅合金中，鋅主要起調(diào)整合金電阻率的作用，以滿足牽引電機(jī)調(diào)頻調(diào)速的需要，此外鋅在銅合金中還有明顯的固溶強(qiáng)化效果，有利于提高導(dǎo)條銅合金的高溫強(qiáng)度。導(dǎo)條銅合金中的微量鉻與鋯在加工熱處理過程中特別是時(shí)效沉淀過程中，將以納米級(jí)粒子的形式在位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)上沉淀，能顯著提高合金抗軟化溫度，保證牽引電動(dòng)機(jī)在350℃臨界工作溫度下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。工藝實(shí)施方面，為了使銅合金導(dǎo)條的電阻率ρ150℃可以穩(wěn)定地控制在指定的誤差范圍內(nèi)，本發(fā)明特別強(qiáng)調(diào)鋅在熔體中的加入溫度和添加方式，待銅完全熔化后，停電降溫到1150℃左右再將鋅錠加入到銅熔體中，這樣可以減少鋅的揮發(fā)損失以保證鋅的含量控制在±0.3％(質(zhì)量百分比)范圍內(nèi)。為了使微量鉻和鋯在合金中發(fā)揮時(shí)效沉淀的作用，首先要使鉻和鋯充分溶解到銅熔體中，鉻以小于5mm的顆粒用薄銅箔包裹，在1250℃下壓入銅熔體中，鋯則以直徑為6mm左右的Cu-10Zr中間合金細(xì)絲形式插入到結(jié)晶器上部的銅熔體中。這種獨(dú)特的添加方式，顯著減少了金屬鉻和鋯的氧化，使鉻和鋯的收得率分別達(dá)到95％和90％。此外，還要注意銅合金導(dǎo)條的在線固溶溫度不得低于890℃，以保證固溶后時(shí)效過程中鉻和鋯以納米級(jí)粒子析出(圖1)。時(shí)效溫度為450℃±5℃，時(shí)效時(shí)間為4-6小時(shí)。
上述大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)按如下工藝制備配料-中頻感應(yīng)熔煉-半連續(xù)鑄造-鑄錠均勻化-熱鍛-強(qiáng)化固溶-冷鐓-時(shí)效-機(jī)加工。
鉻與鋯在端環(huán)銅合金中的作用與它們?cè)趯?dǎo)條銅合金中的作用相類似，鉻與鋯在銅合金端環(huán)淬火后時(shí)效過程中鉻以極細(xì)的鉻粒子、鋯則以微細(xì)銅鋯化合物的形式析出起沉淀強(qiáng)化和提高抗高溫軟化的作用。應(yīng)當(dāng)指出，與銅合金導(dǎo)條制備過程中中的擠壓-在線淬火工藝不同，銅合金端環(huán)制備過程中沒有擠壓-在線固溶-淬火而只有熱鍛-固溶-淬火，因此加工熱處理過程中形成的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)相對(duì)較弱，必須增加兩個(gè)措施，一方面采取強(qiáng)化固溶處理，即在保證合金晶粒不過份粗大的前提下盡可能把固溶處理溫度提高到970℃±10℃，讓微量鉻和鋯盡可能多的溶解到固溶體中時(shí)效后析出盡可能多的納米級(jí)粒子；另一方面端環(huán)強(qiáng)化固溶后、時(shí)效處理前增加一道冷鐓變形，通過形變熱處理強(qiáng)化來提高端環(huán)的強(qiáng)度，時(shí)效溫度為450℃±5℃，時(shí)效時(shí)間為4-6小時(shí)。
本發(fā)明制造的導(dǎo)條和端環(huán)具有如下優(yōu)點(diǎn)發(fā)明人通過大量的試驗(yàn)探索，優(yōu)選出合適的合金元素比例，以及對(duì)加工過程中溫度和添加方式的改進(jìn)，三者的結(jié)合使得本發(fā)明導(dǎo)條和端環(huán)具有優(yōu)異的性能。
對(duì)于高速列車牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子用銅合金導(dǎo)條，通過降低鋅的含量和調(diào)整在線淬火工藝，合金的電阻率ρ150℃下降到(5.00±0.05)×10-6Ω.cm，除導(dǎo)條的熱加工性能和冷加工性能顯著改善外，電機(jī)的電調(diào)控性能也得到改善，而350℃臨界工作溫度的高溫強(qiáng)度仍然保持在350Mpa的高水平。
對(duì)于地鐵、輕軌列車牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子用銅合金導(dǎo)條，通過適當(dāng)增加鋅的含量和調(diào)整在線淬火工藝，合金的電阻率ρ150℃仍然穩(wěn)定在(3.45±0.05)×10-6Ω.cm，而350℃臨界工作溫度的高溫強(qiáng)度提高到了290MPa。
對(duì)于端環(huán)銅合金，合金的電阻率ρ150℃為(2.7±0.05)×10-6Ω.cm，相對(duì)于T2純銅端環(huán)，銅合金端環(huán)與銅合金導(dǎo)條的電阻率差別減少，結(jié)果使得銅合金鼠籠轉(zhuǎn)子的電導(dǎo)性能更加容易和整個(gè)電機(jī)的電控配合，350℃臨界工作溫度高溫強(qiáng)度也顯著高于先行使用的T2純銅端環(huán)。
本發(fā)明的銅合金導(dǎo)條和端環(huán)已經(jīng)成功地用來制造國(guó)產(chǎn)高速列車、地鐵列車、輕軌列車和干線列車動(dòng)車組用大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)。



圖1為牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子銅合金導(dǎo)條的顯微組織。
a)形變熱處理過程中形成的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，b)時(shí)效過程中形成的含鉻和鋯的納米級(jí)粒子。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明。
實(shí)施例1高速列車牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子用銅合金導(dǎo)條銅合金導(dǎo)條成分(質(zhì)量百分比)鋅10.0％，鉻0.5％，鋯0.1％，余為銅，配料-中頻感應(yīng)熔煉-半連續(xù)鑄造-鑄錠均勻化-熱擠壓-890℃在線淬火-冷拉-校直-剪切-450℃/5h時(shí)效，待銅完全熔化后，降溫到1150℃再將鋅錠加入到銅熔體中；鉻以小于5mm的顆粒用薄銅箔包裹，在1250℃下壓入銅熔體中，鋯則以直徑為6mm左右的Cu-10Zr中間合金細(xì)絲形式插入到結(jié)晶器上部的銅熔體中。制備的導(dǎo)條的主要性能見表1。本發(fā)明銅合金導(dǎo)條已用于國(guó)產(chǎn)350km/h高速列車用大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。結(jié)果表明，通過降低鋅的含量和調(diào)整在線淬火工藝，合金的電阻率ρ150℃下降到(5.02±0.05)×10-6Ω.cm，除導(dǎo)條的熱加工性能和冷加工性能顯著改善外，電機(jī)的電調(diào)控性能也得到改善，而350℃臨界工作溫度的高溫強(qiáng)度仍然保持在≥320Mpa的高水平。原發(fā)明指ZL99101984.9。(下同)表1 本發(fā)明銅合金導(dǎo)條與原發(fā)明的性能比較

實(shí)施例2 地鐵、輕軌列車牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子用銅合金導(dǎo)條銅合金成分(質(zhì)量百分比)鋅2.5％，鉻0.5％，鋯0.1％，余為銅，配料-中頻感應(yīng)熔煉-半連續(xù)鑄造-鑄錠均勻化-熱擠壓-900℃在線淬火-冷拉-校直-剪切-450℃/5h時(shí)效，待銅完全熔化后，降溫到1150℃再將鋅錠加入到銅熔體中；鉻以小于5mm的顆粒用薄銅箔包裹，在1250℃下壓入銅熔體中，鋯則以Cu-10Zr中間合金細(xì)絲的形式插入到結(jié)晶器上部的銅熔體中。制備的導(dǎo)條的主要性能見表2，本發(fā)明銅合金導(dǎo)條已用于國(guó)產(chǎn)地鐵列車、輕軌列車用300kw大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。結(jié)果表明，通過適當(dāng)增加鋅的含量和調(diào)整在線淬火工藝，合金的電阻率ρ150℃仍然穩(wěn)定在(3.45±0.05)×10-6Ω.cm，而350℃臨界工作溫度的高溫強(qiáng)度提高到了290MPa。
表2 本發(fā)明銅合金導(dǎo)條與原發(fā)明的性能比較

實(shí)施例3 牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子用銅合金端環(huán)銅合金成分(質(zhì)量百分比)鉻0.5％，鋯0.1％，余為銅，配料-中頻感應(yīng)熔煉-半連續(xù)鑄造-鑄錠均勻化-鍛造-970℃強(qiáng)化固溶-冷鐓-450℃/5h時(shí)效，制備的銅合金端環(huán)主要性能見表3。本發(fā)明銅合金端環(huán)已用于國(guó)產(chǎn)高速列車、干線列車動(dòng)車組、地鐵列車、輕軌列車用大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)。結(jié)果表明，相對(duì)于T2純銅端環(huán)，銅合金端環(huán)與銅合金導(dǎo)條的電阻率差別減少，結(jié)果使得銅合金鼠籠轉(zhuǎn)子的電導(dǎo)性能更加容易和整個(gè)電機(jī)的電控配合，350℃臨界工作溫度高溫強(qiáng)度也顯著高于先行使用的T2純銅端環(huán)。
表3 本發(fā)明銅合金端環(huán)與T2銅端環(huán)的性能比較

權(quán)利要求
1.一種大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)用銅合金導(dǎo)條和端環(huán)，其特征在于所述導(dǎo)條合金成份重量百分比為9-12％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)或者為0.5-3％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)；所述端環(huán)合金成份重量百分比為0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1所述的大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)用銅合金導(dǎo)條的制備方法，其特征在于，包括中頻感應(yīng)熔煉-半連續(xù)鑄造-鑄錠均勻化-熱擠-在線淬火-冷拉-校直-剪切-時(shí)效-機(jī)加工；所述的中頻感應(yīng)熔煉時(shí)待銅完全熔化后，降溫到1150℃再將鋅錠加入到銅熔體中；所述的中頻感應(yīng)熔煉時(shí)鉻以不大于5mm的顆粒用薄銅箔包裹，在1250℃下壓入銅熔體中，鋯以Cu-10Zr中間合金細(xì)絲的形式插入到結(jié)晶器上部的銅熔體中；所述的在線淬火溫度不低于890℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)用銅合金導(dǎo)條的制備方法，其特征在于，所述的時(shí)效溫度為445℃-455℃，時(shí)效時(shí)間為4-6小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)用銅合金導(dǎo)條的制備方法，其特征在于，所述的Cu-10Zr中間合金細(xì)絲的直徑為6mm。
5.權(quán)利要求1所述的大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)用端環(huán)的制備方法，其特征在于，包括中頻感應(yīng)熔煉-半連續(xù)鑄造-鑄錠均勻化-鍛造-強(qiáng)化固溶-冷鐓-時(shí)效-機(jī)加工；所述的強(qiáng)化固溶處理溫度為960℃-980℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)用端環(huán)的制備方法，其特征在于，所述的時(shí)效溫度為445℃-455℃，時(shí)效時(shí)間為4-6小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)用銅合金導(dǎo)條和端環(huán)及其制備方法。導(dǎo)條采用中頻感應(yīng)熔煉-半連鑄-鑄錠均勻化-熱擠-在線淬火-冷拉-時(shí)效-機(jī)加工工藝制備，端環(huán)采用中頻感應(yīng)熔煉-半連鑄-鑄錠均勻化-鍛造-強(qiáng)化固溶-冷鐓-時(shí)效-機(jī)加工工藝制備。用于高速列車牽引電機(jī)的導(dǎo)條合金成份重量百分比為9-12％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)，其電阻率ρ150℃控制在(5.00±0.05)×10-6Ω.cm，350℃試驗(yàn)溫度下sb≥320MPa、s0.2≥270MPa、d5≥10％；用于地鐵、輕軌列車牽引電機(jī)的導(dǎo)條合金成份為0.5-3％Zn，0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)，其電阻率ρ150℃控制在(3.45±0.05)×10-6Ω.cm，350℃試驗(yàn)溫度下sb≥290MPa、s0.2≥240MPa、d5≥12％；牽引電機(jī)用端環(huán)銅合金成份為0.3-1％Cr，0.05-0.3％Zr，余量為銅和不可避免的雜質(zhì)，其電阻率ρ150℃控制在(2.70±0.05)×10-6Ω·cm，350℃試驗(yàn)溫度下sb≥260MPa、s0.2≥220MPa、d5≥12％。所發(fā)明的銅合金導(dǎo)條和端環(huán)成功地用來制造國(guó)產(chǎn)高速、地鐵、輕軌和干線列車用大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電機(jī)。
文檔編號(hào)C22C9/00GK101818283SQ201010181509
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月25日
發(fā)明者尹志民, 汪明樸, 宋練鵬, 姜鋒 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙中工新材料有限公司