第一節(jié) 電機(jī)銅件產(chǎn)品基本生產(chǎn)技術(shù)、工藝或流程

轉(zhuǎn)子銅合金導(dǎo)條制備工藝流程圖

轉(zhuǎn)子銅合金端環(huán)制備

端環(huán)銅合金成份設(shè)計(jì)→煉、鑄造→鑄錠均勻化→鍛造工藝→熱處理工藝

轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)制備

護(hù)環(huán)銅合金成份設(shè)計(jì)→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(jī)銅件產(chǎn)品新技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用情況

1、電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)用高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金 研究 概況

功率較小、轉(zhuǎn)速較低的電機(jī)可以采用純銅作為其導(dǎo)條和端環(huán)。因?yàn)榧冦~具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性及良好的加工性能，但純銅強(qiáng)度較低，軟態(tài)僅為230~290MPa，冷加工后雖可達(dá)400MPa以上，但延伸率僅為2％左右，同時(shí)純銅高溫下抗軟化能力低，如純銅冷軋后在82℃下長時(shí)間停留，強(qiáng)度即恢復(fù)到冷軋前的狀態(tài)。

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

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

異步牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，轉(zhuǎn)子材料主要有銅條轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子兩類。目前軌道交通高速異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子都采用鼠籠式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子材料包括導(dǎo)條、端環(huán)和護(hù)環(huán)。導(dǎo)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(shí)顯著軟化，并且交變疲勞極限很低。鎳銅的力學(xué)性能雖好，但其電導(dǎo)率很低。鉻銅和鋯銅具有較好的力學(xué)性能和電學(xué)性能，是比較好的電機(jī)轉(zhuǎn)子材料。

典型銅合金導(dǎo)奈材料的性能

異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子如圖所示，轉(zhuǎn)子銅導(dǎo)條嵌在鐵芯上，之后與端環(huán)焊在一起，護(hù)環(huán)則熱套于兩端的端環(huán)上。

大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子

導(dǎo)條、端環(huán)與護(hù)環(huán)的性能與質(zhì)量直接關(guān)系到異步牽引電動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)機(jī)車的性能。影響導(dǎo)條與護(hù)環(huán)的主要因素是作用在轉(zhuǎn)子上的各種應(yīng)力和運(yùn)行時(shí)電機(jī)內(nèi)的溫升情況。作用在轉(zhuǎn)子上的應(yīng)力主要有熱應(yīng)力、電磁應(yīng)力、殘余應(yīng)力、動(dòng)態(tài)應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力等。電機(jī)溫升主要是由于定子和轉(zhuǎn)子的銅耗造成的，溫度升高會(huì)使得釬焊接頭軟化或熔化，導(dǎo)條材料本身在溫升條件下也會(huì)軟化，使蠕變阻力降低而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的變形或斷裂。因此要求轉(zhuǎn)子材料不僅要有一定的常溫力學(xué)性能而且還有有一定的高溫性能。另一方面，大功率電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩都很大，且啟動(dòng)頻繁，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材料也要求具有適宜的電阻率，以降低起動(dòng)電流，加大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，防止電機(jī)溫升過高。但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻大，正常運(yùn)行時(shí)效率較低，因此在確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻時(shí)要兼顧起動(dòng)特性和運(yùn)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子材料的電阻率有很高的精度。

2、電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)用高強(qiáng)高韌銅合金 研究 概況

護(hù)環(huán)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(yīng)力等作用，疊加應(yīng)力很高。因此要求護(hù)環(huán)材料必須有足夠的強(qiáng)度和盡可能高的塑性與韌性、最小的殘余應(yīng)力、最少的危害性缺陷。為了減少漏磁和渦流損耗，要求護(hù)環(huán)材料必須無磁性。隨著電動(dòng)機(jī)功率的不斷提高，護(hù)環(huán)所承受的應(yīng)力也逐步上升，在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于電磁場及電流的作用，會(huì)使護(hù)環(huán)發(fā)熱。通常情況下溫升有近百度，特殊情況下瞬時(shí)能高達(dá)幾百度。因此，護(hù)環(huán)材料也應(yīng)注意高溫軟化問題。

因電機(jī)護(hù)環(huán)產(chǎn)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(jī)都有。上世紀(jì)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(jī)，僅運(yùn)行一年多，其中1撐，2撐機(jī)相繼發(fā)生爆炸。德國西門子公司一臺5萬千瓦1500轉(zhuǎn)／分電機(jī)，由于護(hù)環(huán)選擇不當(dāng)，也在運(yùn)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(hù)環(huán)，發(fā)生過兩起爆炸事故。為此，材料科學(xué)工作者探討了護(hù)環(huán)材料及加工的影響，護(hù)環(huán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響，以及電機(jī)運(yùn)行條件的影響，并對裂紋的特性及產(chǎn)生原因做了 研究 。通過護(hù)環(huán)強(qiáng)度破壞試驗(yàn)、殘余應(yīng)力試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)和脆性破壞試驗(yàn)，最后證明護(hù)環(huán)損壞的主要原因在于：電機(jī)運(yùn)行過程中的溫升引起護(hù)環(huán)內(nèi)外壁的溫度差而產(chǎn)生熱應(yīng)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(chǎn)的牽引電機(jī)均使用銅基合金作護(hù)環(huán)材料。銅基合會(huì)除了保持鋼護(hù)環(huán)的高強(qiáng)度性能外，還具有較高的韌性和良好的導(dǎo)熱性及抗應(yīng)力腐蝕，這對降低轉(zhuǎn)子溫升，減少轉(zhuǎn)子端部斷裂有明顯效果。

3、電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)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(diào)頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)已有成熟的制造技術(shù)，焊料是大功率異步電動(dòng)機(jī)的釬焊連接材料，有系列產(chǎn)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(jī)公司、德國西門子公司、瑞士ABB公司等均有成熟的技術(shù)和產(chǎn)品。國內(nèi)的地鐵電機(jī)原來都是整機(jī)進(jìn)口，九五期間才開始立項(xiàng)進(jìn)行研制。焊料是輔料，第一批國產(chǎn)地鐵、輕軌和高速試驗(yàn)列車用釬焊料仍采用進(jìn)口。國內(nèi)沒有廠家生產(chǎn)這種特殊的銀銅焊料，只有昆貴所研制過一種航天用高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)液體冷卻噴管配用焊料，但只處于實(shí)驗(yàn)室研制階段。大功率異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高、負(fù)荷重、轉(zhuǎn)子溫度可達(dá)310℃，導(dǎo)條與端環(huán)之間350℃下必須有很高的結(jié)合強(qiáng)度。目前只有在銀銅合金基礎(chǔ)上采用多元復(fù)合微合金化才能得到保證。國外只供產(chǎn)品，不供技術(shù)，但從一些電機(jī)雜志報(bào)道以及對進(jìn)口料的 分析 可以知道這種釬焊料是多元復(fù)合微合金化的銀銅基。

第三節(jié) 電機(jī)銅件產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)熱點(diǎn)、難點(diǎn) 分析

1、導(dǎo)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(shí)效。

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

3、對不宜采用形變熱處理技術(shù)強(qiáng)化的高強(qiáng)高導(dǎo)大規(guī)格端環(huán)銅合金，采取相對較高的鉻、鋯含量并結(jié)合強(qiáng)化固溶一時(shí)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(diào)頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子組件端環(huán)的設(shè)計(jì)要求。

第四節(jié) 電機(jī)銅件產(chǎn)品未來技術(shù)發(fā)展趨勢

(1)多元微合金化和沉淀強(qiáng)化是改善高強(qiáng)導(dǎo)電銅合金性能的有效途徑

合金化法制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金主要是固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化兩種方法，細(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化常作為輔助強(qiáng)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(qiáng)化型合金，但由于固溶元素在金屬中使導(dǎo)電電子散射加劇，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性大幅度下降，因此，就高強(qiáng)高導(dǎo)電性合金來說，固溶強(qiáng)化型合金較少。沉淀強(qiáng)化型合金，經(jīng)高溫固溶處理，隨后時(shí)效，合金元素呈彌散相析出，固溶體貧化為純銅基體，恢復(fù)了由于固溶處理所降低的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，取得了強(qiáng)度和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性的平衡，因此，沉淀強(qiáng)化法是制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的主要途徑。

為了進(jìn)一步提高銅基二元合金的強(qiáng)度，改善導(dǎo)電性，彌補(bǔ)其它性能上的不足，人們在二元合金的基礎(chǔ)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(chǔ)上添加微量Zr及RE既能顯著提高其強(qiáng)度和導(dǎo)電率，同時(shí)又能有效地防止合金過時(shí)效。在銅合金中添加適量稀土能顯著細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、韌性及其它加工性能。目前多元微合金化技術(shù)已越來越受到重視，已成為進(jìn)一步改善高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金綜合性能的有效手段。

2、材料復(fù)合化是高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的發(fā)展方向

現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展對銅基導(dǎo)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(dǎo)電性的同時(shí)，對強(qiáng)度的提高有一定限度。復(fù)合強(qiáng)化能同時(shí)發(fā)揮基體和強(qiáng)化相的協(xié)同作用，又具有很大的設(shè)計(jì)自由度。復(fù)合強(qiáng)化不會(huì)明顯降低銅基體的導(dǎo)電性，由于強(qiáng)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(qiáng)度導(dǎo)電銅基材料的主要強(qiáng)化手段，代表高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的發(fā)展方向。自生復(fù)合銅合金是通過自生復(fù)合組織來強(qiáng)化基體機(jī)械性能并兼顧導(dǎo)電性能的銅合金材料，極有可能成為現(xiàn)有高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的替代材料。

3、產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)需要更多地考慮綜合性能

在許多應(yīng)用領(lǐng)域，高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金所要求的并非只是導(dǎo)電性和強(qiáng)度，而是多項(xiàng)綜合性能。就牽引電機(jī)銅合金而言，除高強(qiáng)高導(dǎo)外，還要求有較好的耐熱性和耐蝕性，對殘余應(yīng)力、線膨脹系數(shù)、機(jī)加工性能和焊接性能也有較高要求。因?yàn)檫@些銅合金經(jīng)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(dǎo)致絕緣材料老化的問題以及銅材表面氧化膜引起的應(yīng)力腐蝕和銅材的電鍍等問題。另外，作為析出強(qiáng)化型合金，大都含有諸如Zr、Cr、Si等與氧親和力極強(qiáng)的合金元素，在關(guān)注合金電學(xué)性能和力學(xué)性能的同時(shí)，還應(yīng)從組織上探討這些元素對材質(zhì)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(chǎn)出滿足綜合性能要求高的產(chǎn)品，也將成為今后的重要課題。

4、開發(fā)的產(chǎn)品應(yīng)符合產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；厔?/p>

研制高強(qiáng)高導(dǎo)銅合會(huì)的最終目的就是為電力、電器、機(jī)械制造等工業(yè)部門提供高質(zhì)量低成本的導(dǎo)電銅材。一項(xiàng)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(chǎn)品具有合理的性價(jià)比。常規(guī)合金化法生產(chǎn)高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金，雖然其強(qiáng)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(shù)相結(jié)合，可大幅度降低銅合金的生產(chǎn)成本，其產(chǎn)品不但可以作為功能材料，而且可以作為結(jié)構(gòu)材料，從而仍顯視出強(qiáng)大的生命力。原位復(fù)合材料等新型高強(qiáng)高導(dǎo)銅材生產(chǎn)成本高昂，工藝控制困難，一時(shí)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，仍需進(jìn)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(chǎn)的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金。

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