本發(fā)明涉及電機轉子材料制造技術領域，具體是涉及一種用于高速列車牽引電機收縮環(huán)的新材料及其制備方法。
背景技術：
隨著軌道交通和高鐵領域的發(fā)展，牽引電機的轉速及功率也在不斷提高，因此對電機的核心部件—電機轉子的要求也越來越高。一般高速異步牽引電機轉子的制造技術采用導條嵌在鐵芯上，并與端環(huán)焊接在一起。轉子在運行過程中受到熱應力、電磁應力、機械應力、殘余應力、動態(tài)應力等綜合作用，各種應力過大時，對端環(huán)的損傷較大，因此目前采用在端環(huán)外周套高強度材料收縮環(huán)的方法解決該問題。
目前最常見的電機轉子收縮環(huán)材料為CuAl10Ni5Fe4，該材料中主要合金元素的成分為(質量百分比，下同)：Cu：余量，Al：8.5-11.0％，Ni：4.0-6.0％，Fe：3.0-5.0％，Mn≤1.0％，合金抗拉強度、屈服強度、延伸率及硬度典型值為：790Mpa、450Mpa、12％及220HB(王祝堂，田榮璋，銅合金及其加工手冊，長沙，中南大學出版社，2002)。這種合金由于Al元素含量較高，Fe、Ni比在合金中不好控制，所以合金的強化效果有限，要得到較高的抗拉強度，就要犧牲延伸率；另一方面，電機運轉過程中，電機轉子溫升較高，通常會超過200℃，而該材料在較高溫度下使用時，其強度下降非常明顯，例如300℃時檢測抗拉強度為590Mpa。考慮到收縮環(huán)的使用環(huán)境，高強度、較高延伸率、高的高溫強度是非常重要的設計參數，因此CuAl10Ni5Fe4材料在護環(huán)的應用中受到限制。一種能替代CuAl10Ni5Fe4的新型銅合金材料對于護環(huán)的應用推廣就顯得非常重要。
鋁白銅是一種沉淀硬化型合金。Cu-Ni-Al合金中會產生Ni3Al化合物(θ相或α1相)，有明顯的沉淀硬化作用，提高合金的硬度和強度。同時合金中加入少量的Mn合金元素，在不降低強度的前提下，可適當提高材料的塑性。因此Cu-Ni-Al-Fe-Mn合金能夠具備高強度、較高延伸率、較高高溫強度，可以滿足收縮環(huán)材料使用要求。
技術實現要素：
本發(fā)明解決的技術問題是，現有的電機轉子收縮環(huán)材料性能不能滿足高強度、較高延伸率、耐高溫的要求，提供了一種用于高速列車牽引電機收縮環(huán)的新材料及其制備方法。
本發(fā)明的技術方案是：
一種用于高速列車牽引電機收縮環(huán)的新材料，所述材料的組成及其重量百分比為：
Ni：13.0-16.0％；
Al：1.8-2.8％；
Mn：0.5-1.5％；
Fe：0.8-1.8％；
Cu：余量。
所述的銅的純度大于99.9％。
一種用于高速列車牽引電機收縮環(huán)的新材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)配料：按照所述配比稱取相應的原料，Cu采用電解銅板方式加入，Ni采用電解鎳板方式加入，Al采用純鋁塊方式加入，Fe采用工業(yè)純鐵方式加入，Mn采用錳塊方式加入；
(2)熔煉：采用真空中頻感應電爐熔煉，熔煉時所有原料可一起加入，熔煉過程確保真空度低于5Pa，熔體表面用覆蓋劑保護；
(3)澆注：待所有合金元素熔煉完后，澆注獲得需要規(guī)格的鑄錠，澆注溫度1250℃-1300℃，澆鑄的原則為先慢后快再慢，后期放慢速度為了保證充分的補縮。
一種制備高速列車牽引電機收縮環(huán)的方法，包括以下步驟：
(1)配料：按照所述配比稱取相應的原料，Cu采用電解銅板方式加入，Ni采用電解鎳板方式加入，Al采用純鋁塊方式加入，Fe采用工業(yè)純鐵方式加入，Mn采用錳塊方式加入；
(2)熔煉：采用真空中頻感應電爐熔煉，熔煉時所有原料可一起加入，熔煉過程確保真空度低于5Pa，熔體表面用覆蓋劑保護；
(3)澆注：待所有合金元素熔煉完后，澆注獲得需要規(guī)格的鑄錠，澆注溫度1250℃-1300℃，澆鑄的原則為先慢后快再慢，后期放慢速度為了保證充分的補縮；
(4)對所得到的鑄錠進行鍛造；
(5)對鍛造獲得的收縮環(huán)進行退火熱處理，即得到所述高速列車牽引電機收縮環(huán)。
進一步地，所述的覆蓋劑的量為鋁熔體質量的0.1-0.3％，覆蓋劑按質量百分比計，包括：炭黑：1％-10％，NaCl：0.1％-1％，CaO：5％-30％，MgO：5％-30％，CaF2：5％-10％，余量為蛭石粉。
進一步地，在上述方案中，所述鑄錠加熱溫度950℃-980℃，開始鍛造溫度不低于920℃，工裝及模具預熱溫度250℃-350℃，終鍛溫度不低于800℃。
進一步地，在上述方案中，所述退火溫度控制在700℃±50℃，退火時間為1-2h，冷卻方式采用空冷。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的材料由于Ni3Al相的析出，具有非常高的室溫抗拉強度，較高的高溫抗拉強度；Mn合金元素由于對材料的工藝性能具有有益作用，在不降低材料強度的前提下，提高材料的塑性。本發(fā)明合金的收縮環(huán)具有高強度、較高延伸率、以及較高的高溫強度，室溫強度達到850Mpa，延伸率達到15％，300℃高溫強度達到815Mpa。高的抗拉強度、較高的高溫強度、較高的延伸率，大大提高了收縮環(huán)的服役能力，可以滿足高速列車牽引電機收縮環(huán)的材料使用要求。
具體實施方式
下面結合實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實施方法不限于此。
實施例1
一種用于高速列車牽引電機收縮環(huán)的新材料及其制備方法，所述材料的組成及其重量百分比為：
Ni：13.0％；Al：1.8％；Mn：0.5％；Fe：0.8％；Cu：余量。
制備高速列車牽引電機收縮環(huán)的方法，包括以下步驟：
(1)配料：按照所述配比稱取相應的原料，Cu采用電解銅板方式加入，Ni采用電解鎳板方式加入，Al采用純鋁塊方式加入，Fe采用工業(yè)純鐵方式加入，Mn采用錳塊方式加入；
(2)熔煉：采用真空中頻感應電爐熔煉，熔煉時所有原料一起加入，熔煉過程確保真空度低于4Pa，熔體表面用覆蓋劑保護；
(3)澆注：待所有合金元素熔煉完后，澆注獲得需要規(guī)格的鑄錠，澆注溫度1250℃，澆鑄的原則為先慢后快再慢，后期放慢速度為了保證充分的補縮，澆注完成后得到Φ150mmm鑄錠；
(4)對所得到的鑄錠進行鍛造，鑄錠加熱溫度950℃，開始鍛造溫度為925℃，工裝及模具預熱溫度300℃，終鍛溫度820℃；
(5)對鍛造獲得的收縮環(huán)進行退火熱處理，將鍛造后的環(huán)件加熱至650℃，保溫1.5個小時進行退火熱處理，冷卻方式為空冷，即得到所述高速列車牽引電機收縮環(huán)。
獲得的收縮環(huán)取樣檢測機械性能，包括抗拉強度、屈服強度、延伸率、布氏硬度和300℃高溫抗拉強度。檢測結果如表1所示。
實施例2
一種用于高速列車牽引電機收縮環(huán)的新材料及其制備方法，所述材料的組成及其重量百分比為：
Ni：14.5％；Al：2.3％；Mn：1.0％；Fe：1.3％；Cu：余量。
制備高速列車牽引電機收縮環(huán)的方法，包括以下步驟：
(1)配料：按照所述配比稱取相應的原料，Cu采用電解銅板方式加入，Ni采用電解鎳板方式加入，Al采用純鋁塊方式加入，Fe采用工業(yè)純鐵方式加入，Mn采用錳塊方式加入；
(2)熔煉：采用真空中頻感應電爐熔煉，熔煉時所有原料一起加入，熔煉過程確保真空度低于4Pa，熔體表面用覆蓋劑保護；
(3)澆注：待所有合金元素熔煉完后，澆注獲得需要規(guī)格的鑄錠，澆注溫度1600℃，澆鑄的原則為先慢后快再慢，后期放慢速度為了保證充分的補縮，澆注完成后得到Φ150mmm鑄錠；
(4)對所得到的鑄錠進行鍛造，鑄錠加熱溫度980℃，開始鍛造溫度為950℃，工裝及模具預熱溫度300℃，終鍛溫度820℃；
(5)對鍛造獲得的收縮環(huán)進行退火熱處理，將鍛造后的環(huán)件加熱至700℃，保溫1個小時進行退火熱處理，冷卻方式為空冷，即得到所述高速列車牽引電機收縮環(huán)。
獲得的收縮環(huán)取樣檢測機械性能，包括抗拉強度、屈服強度、延伸率、布氏硬度和300℃高溫抗拉強度。檢測結果如表1所示。
實施例3
一種用于高速列車牽引電機收縮環(huán)的新材料及其制備方法，所述材料的組成及其重量百分比為：
Ni：16.0％；Al：2.8％；Mn：1.5％；Fe：1.8％；Cu：余量。
制備高速列車牽引電機收縮環(huán)的方法，包括以下步驟：
(1)配料：按照所述配比稱取相應的原料，Cu采用電解銅板方式加入，Ni采用電解鎳板方式加入，Al采用純鋁塊方式加入，Fe采用工業(yè)純鐵方式加入，Mn采用錳塊方式加入；
(2)熔煉：采用真空中頻感應電爐熔煉，熔煉時所有原料一起加入，熔煉過程確保真空度低于5Pa，熔體表面用覆蓋劑保護；
(3)澆注：待所有合金元素熔煉完后，澆注獲得需要規(guī)格的鑄錠，澆注溫度1300℃，澆鑄的原則為先慢后快再慢，后期放慢速度為了保證充分的補縮，澆注完成后得到Φ150mmm鑄錠；
(4)對所得到的鑄錠進行鍛造，鑄錠加熱溫度980℃，開始鍛造溫度為950℃，工裝及模具預熱溫度300℃，終鍛溫度830℃；
(5)對鍛造獲得的收縮環(huán)進行退火熱處理，將鍛造后的環(huán)件加熱至700℃，保溫1個小時進行退火熱處理，冷卻方式為空冷，即得到所述高速列車牽引電機收縮環(huán)。
獲得的收縮環(huán)取樣檢測機械性能，包括抗拉強度、屈服強度、延伸率、布氏硬度和300℃高溫抗拉強度。檢測結果如表1所示。
對比例：本對比例中，對現有的CuAl10Ni5Fe4合金材料收縮環(huán)取樣檢測機械性能。檢測結果如表1所示：
表1檢測結果
通過以上數據可以看出，本發(fā)明合金的收縮環(huán)具有高強度、較高延伸率、以及較高的高溫強度，室溫強度達到850Mpa，延伸率達到15％，300℃高溫強度達到815Mpa。
如上所述，便可較好地實施本發(fā)明，上述實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；即凡依本發(fā)明內容所作的均等變化和修飾，都為本發(fā)明權利要求所要求保護的范圍所涵蓋。