CN109957670B

CN109957670B - 一种换向器用铜银碲合金及其制备方法

Info

Publication number: CN109957670B
Application number: CN201910153591.9A
Authority: CN
Inventors: 旷军平; 黄四龙; 江庆; 贺鑫华; 李永平
Original assignee: Jiangxi Guangjie Technology Collaborative Innovation Co ltd; Jiangxi Guangxin New Materials Co ltd
Current assignee: Jiangxi Guangjie Technology Collaborative Innovation Co ltd; Jiangxi Guangxin New Materials Co ltd
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: CN109957670A

Abstract

本发明公开一种换向器用铜银碲合金及其制备方法。该换向器用铜银碲合金，包括如下质量百分比的元素：铜99.7％～99.9％、银0.01％～0.15％、碲0.01％～0.15％、杂质元素总和<0.05％。合金中加入少量碲，可有效改善合金的硬度、耐磨性和车削性能，保证铜的导电性能，满足高性能换向器用铜合金的要求，同时节约昂贵的银。本发明还提供换向器用铜银碲合金的制备方法，先制备铜碲中间合金，获得铜银碲合金熔液后制备铜银碲合金杆坯，经过矫直、清刷和加热，进行连续挤压，最后进行高精度拉拔。先制备铜碲中间合金，可防止碲的烧损；铜银碲合金杆坯在挤压前通过喷入柴油燃烧火焰进行辐射加热，可防止铜杆氧化，保证挤压产品的质量。

Description

一种换向器用铜银碲合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种换向器用铜银碲合金及其制备方法。

背景技术

换向器作为直流电机、交流串激电动机电流转向的零部件，能够保证电动机持续转动下去。换向器是电机的重要零部件，其质量的好坏直接影响电机的使用性能。直流电机换向器是汽车、家用电器、自动化办公设备中不可缺少的器件。在电机的使用过程中，换向器与碳刷接触，这要求换向器的工作表面光滑平整，具有较高的耐磨性、耐热性和耐电弧性，因此，换向器材料需要具备良好的导电性、低接触电阻、高温蠕变强度、耐磨和抗电弧等优良性能。

众所周知，银铜合金具有导电率高、起弧电压高、加工硬化率高等特点，目前，含银量为0.03％～0.8％的铜银合金是生产换向器的主要铜合金材料。小功率电机一般采用含银量0.03％～0.08％的低含银量的铜银合金材料制作换向器，但对于功率较大的直流电机，一般采用含银量高于0.1％的高含银量的铜银合金材料制作换向器。目前中国换向器产量约占全球的80％，随着国内外机电行业技术进步，换向器市场容量在不断增加，同时对换向器的性能提出了更苛刻的要求，因此需要更多高含银量的铜银合金。但是，银作为一种贵金属，加工非常昂贵，而且我国银资源相对匮乏，许多工业用银都依赖进口。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种换向器用铜银碲合金及其制备方法。具体技术方案如下：

本发明提供一种换向器用铜银碲合金，包括如下质量百分比的元素：铜99.7％～99.9％、银0.01％～0.15％、碲0.01％～0.15％、杂质元素总和<0.05％。

本发明还提供所述换向器用铜银碲合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备铜碲中间合金；

(2)以阴极铜、银条和步骤(1)制备的铜碲中间合金为原料，按照权利要求1所述元素的质量百分比进行添加，获得铜银碲合金熔液后，制备铜银碲合金杆坯；

(3)所述铜银碲合金杆坯经过矫直、清刷和加热后，进行连续挤压，得到连续挤压铜银碲异型排；

(4)将所述连续挤压铜银碲异型排进行拉拔，即得到换向器用铜银碲合金。

进一步地，所述铜碲中间合金中碲的质量百分比含量为20％～30％。

进一步地，所述铜碲中间合金的制备，具体操作为：无氧条件下熔化阴极铜，待铜液达到1180℃～1250℃后加入碲锭，搅拌并保温10～20min后，浇铸成铜碲中间合金；

无氧条件通过覆盖150～300mm厚度的木炭实现。

进一步地，所述铜银碲合金熔液采用潜流式工频感应电炉制备；

所述潜流式工频感应电炉的保温仓温度控制在1150℃～1180℃，保温仓内采用石墨鳞片覆盖，覆盖厚度控制在100～200mm；

所述潜流式工频感应电炉的熔化炉和隔仓中采用木炭覆盖，覆盖厚度控制在200～300mm；

所述获得的铜银碲合金熔液的含氧量<8ppm。

进一步地，所述上引连续铸造控制铜银碲合金熔液温度在1150℃～1180℃，上引速度控制在300～800mm/min，铜杆节距3～5mm；所述上引连续铸造过程采用冷却循环水进行冷却，冷却循环水的温度控制在30℃以内，水压控制在0.22～0.35MPa。

进一步地，所述铜银碲合金杆坯的直径为Φ12.5～Φ20mm。

进一步地，所述铜银碲合金杆坯的加热采用管式加热炉，通过用柴油燃烧器向管式加热炉炉膛内喷柴油燃烧火焰，对铜银碲合金杆坯进行辐射加热；所述加热温度控制在350℃～500℃。

进一步地，所述连续挤压的挤压速度控制在3-8转/分钟，挤压温度控制在350℃～520℃，挤压电流不超过设备额定电流的90％，挤压溢料控制在3％～8％。

进一步地，所述拉拔的总变形量控制在20％-45％。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的换向器用铜银碲合金，在低银含量的铜银合金中加入少量碲，一方面大大提高了合金的硬度、耐磨性、抗软化温度、高温蠕变强度和车削性能，经过拉拔冷加工变形后，产品硬度可达到HB112以上，最高可达到HB125；另一方面加入适量的碲，对铜的导电性能影响微小，保证了合金的导电率大于98％IACS，满足高性能换向器用铜合金性能要求，同时节约昂贵的金属银。

2.本发明还提供换向器用铜银碲合金的制备方法，先制备出含碲量20％～30％的铜碲中间合金；然后以阴极铜、银条和铜碲中间合金为原料，获得铜银碲合金熔液后制备铜银碲合金杆坯；铜银碲合金杆坯经过矫直、清刷和加热后，进行连续挤压，得到连续挤压铜银碲异型排，对连续挤压铜银碲异型排进行高精度拉拔，制备出铜银碲合金，该制备方法工序简单。

3.与现有技术相比，本发明先制备铜碲中间合金，再制备铜银碲合金熔液，首先可以减少能耗；其次可防止碲的烧损，保证铜银碲合金液中碲的均匀，从而确保铜银碲合金的性能均一；最后可以避免把其他杂质元素带入合金中，从而保证铜银碲合金的产品质量。

4.本发明采用铜刷对铜银碲合金杆坯表面进行清刷，清洁铜杆表面油污和灰尘；铜银碲合金杆坯在进行挤压前采用管式加热炉加热，通过柴油燃烧器向管式加热炉的炉膛内喷入柴油燃烧火焰，对铜银碲合金杆坯进行辐射加热，并燃烧炉膛内的氧气，产生二氧化碳，可防止铜杆氧化，从而有效保证挤压产品的质量。铜银碲合金杆坯的加热温度控制在350℃-500℃，低于350℃，铜银碲合金铸杆弹性模量很大，塑性很差，在咬入时容易打滑而无法连续生产；高于500℃，经过连续挤压，加上摩擦生热会造成变形区温度过高，连续挤压工装模具易软化变形，影响使用寿命。

5.本发明加入碲元素以后，铜银碲合金杆在线加热、连续挤压后，铜材的密度可以达到8.92，并获得细小再结晶组织，碲的分布更均匀，为后续冷加工产品的硬度、性能一致性和表面精度提供有效保证。经过在线加热和连续挤压，挤压工装和模具的使用寿命得到提高。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

本实施例原料为高纯阴极铜板、1#银条、碲锭，按照换向器用铜银碲合金中铜的质量百分比要求、银的质量百分比为0.029％、碲的质量百分比为0.033％、余量为不可避免的杂质进行配料和添加。本实施例换向器用铜银碲合金的制备，包括如下步骤：

(1)采用中频感应电炉将含铜量99.95％的阴极铜板熔化，待铜液温度达到1185℃后加入含碲量99.9％的纯碲锭，木棍搅拌并保温15min，浇铸成碲的质量百分比含量为25％的铜碲中间合金。在阴极铜板熔化过程采用烘烤的木炭覆盖，覆盖厚度200mm。

(2)将含铜量99.95％的阴极铜板、1#银条和步骤(1)制备的铜碲中间合金在潜流式工频感应电炉的熔化仓内进行熔化和均匀化，将潜流式工频感应电炉的保温仓的温度控制为1165℃，电炉铜液温度自动控制，控制精度为±5℃；熔化仓和隔仓采用烘烤过的木炭覆盖，覆盖厚度220mm；保温仓采用石墨鳞片覆盖，覆盖厚度120mm，控制在生产过程中石墨鳞片不发红。获得铜银碲合金熔液后，采用上引法连续生产出直径为12.5mm的铜银碲合金杆坯。上引连续铸造过程中，控制铜银碲合金熔液的温度为1165℃，铜银碲合金杆节距4.5mm，上引速度500mm/分钟，结晶器进水温度为20℃，水压0.25MPa。

(3)在TLJ300连续挤压机生产线上安装铜杆清刷机、管式加热炉，并安装接入在矫直器和挤压轮之间，管式加热炉长度为1.5米。用柴油燃烧器向管式加热炉炉膛内喷柴油燃烧火焰对铜银碲合金杆坯加热，通过对柴油燃烧器档位调节和挤压速度在3-8转/分钟范围内调节，控制加热后的铜银碲合金杆温度为400℃。步骤(2)所述铜银碲合金杆坯经过矫直、清刷和加热后，进行连续挤压，所述连续挤压的挤压速度控制在3-8转/分钟，挤压温度控制在420℃，挤压电流不超过设备额定电流的90％，挤压溢料控制在3％～8％，得到连续挤压铜银碲异型排。

(4)采用异型排拉拔机将步骤(3)所述连续挤压铜银碲异型排通过2道模具进行高精度拉拔，变形量为30％，制备出高精度异型排。

实施例2

本实施例原料为高纯阴极铜板、1#银条、碲锭，按照换向器用铜银碲合金中铜的质量百分要求、银的质量百分比为0.08％，碲的质量百分比为0.03％、余量为不可避免的杂质进行配料和添加。本实施例换向器用铜银碲合金的制备，包括如下步骤：

对比例

含银量0.08％的银铜合金的制备，包括如下步骤：

(1)将含铜量99.95％的阴极铜板、1#银条在潜流式工频感应电炉的熔化仓内进行熔化和均匀化，将潜流式工频感应电炉的保温仓的温度控制为1165℃，电炉铜液温度自动控制，控制精度为±5℃；熔化仓和隔仓采用烘烤过的木炭覆盖，覆盖厚度220mm；保温仓采用石墨鳞片覆盖，覆盖厚度120mm。获得铜银合金熔液后，采用上引法连续生产出直径为12.5mm的铜银合金杆坯。上引连续铸造过程中，铜杆节距4.5mm，上引速度500mm/分钟，结晶器进水温度为20℃，水压0.25MPa。

(2)步骤(1)所述铜银合金杆坯经过矫直后，进行连续挤压，得到连续挤压铜银异型排。

(3)采用异型排拉拔机将步骤(2)所述连续挤压铜银异型排通过2道模具进行高精度拉拔，变形量为30％，制备出高精度异型排。

实施例1、2，对比例的合金具体检测数据如表1所示。

表1铜银碲合金与铜银合金性能对比

从表中可知，实施例1制备的含银量0.029％、含碲量0.033％的铜银碲合金与含银量0.08％的银铜合金相比较，各项性能均高于银铜合金，都能够满足换向器使用要求。

实施例2制备的含银量0.08％、含碲量0.030％的铜银碲合金与含银量0.08％的银铜合金相比较，导电率和延伸率略低，其它各项性能均高于银铜合金，都能够满足换向器使用要求。

实施例3

本实施例原料为高纯阴极铜板、1#银条、碲锭，按照换向器用铜银碲合金中铜的质量百分要求、银的质量百分比为0.15％，碲的质量百分比为0.01％、余量为不可避免的杂质进行配料和添加。本实施例换向器用铜银碲合金的制备，包括如下步骤：

(1)采用中频感应电炉将含铜量99.95％的阴极铜板熔化，待铜液温度达到1250℃后加入含碲量99.9％的纯碲锭，木棍搅拌并保温10min，浇铸成碲的质量百分比含量为30％的铜碲中间合金。在阴极铜板熔化过程采用烘烤的木炭覆盖，覆盖厚度200mm。

(2)将含铜量99.95％的阴极铜板、1#银条和步骤(1)制备的铜碲中间合金在潜流式工频感应电炉的熔化仓内进行熔化和均匀化，将潜流式工频感应电炉的保温仓的温度控制为1165℃，电炉铜液温度自动控制，控制精度为±5℃；熔化仓和隔仓采用烘烤过的木炭覆盖，覆盖厚度220mm；保温仓采用石墨鳞片覆盖，覆盖厚度120mm，控制在生产过程中石墨鳞片不发红。获得铜银碲合金熔液后，采用上引法连续生产出直径为12.5mm的铜银碲合金杆坯。上引连续铸造过程中，控制铜银碲合金熔液的温度为1165℃，铜银碲合金杆节距5.0mm，上引速度800mm/分钟，结晶器进水温度为20℃，水压0.25MPa。

(3)在TLJ300连续挤压机生产线上安装铜杆清刷机、管式加热炉，并安装接入在矫直器和挤压轮之间，管式加热炉长度为1.5米。用柴油燃烧器向管式加热炉炉膛内喷柴油燃烧火焰对铜银碲合金杆坯加热，通过对柴油燃烧器档位调节和挤压速度在3-8转/分钟范围内调节，控制加热后的铜银碲合金杆温度为500℃。步骤(2)所述铜银碲合金杆坯经过矫直、清刷和加热后，进行连续挤压，所述连续挤压的挤压速度控制在3-8转/分钟，挤压温度控制在520℃，挤压电流不超过设备额定电流的90％，挤压溢料控制在3％～8％，得到连续挤压铜银碲异型排。

(4)采用异型排拉拔机将步骤(3)所述连续挤压铜银碲异型排通过2道模具进行高精度拉拔，变形量为45％，制备出高精度异型排。

本实施例制备的铜银碲合金异型材晶粒细小，且组织致密均匀，其性能优于含银量0.15％的银铜合金。

实施例4

本实施例原料为高纯阴极铜板、1#银条、碲锭，按照换向器用铜银碲合金中铜的质量百分要求、银的质量百分比为0.01％，碲的质量百分比为0.15％、余量为不可避免的杂质进行配料和添加。本实施例换向器用铜银碲合金的制备，包括如下步骤：

(1)采用中频感应电炉将含铜量99.95％的阴极铜板熔化，待铜液温度达到1180℃后加入含碲量99.9％的纯碲锭，木棍搅拌并保温20min，浇铸成碲的质量百分比含量为20％的铜碲中间合金。在阴极铜板熔化过程采用烘烤的木炭覆盖，覆盖厚度200mm。

(2)将含铜量99.95％的阴极铜板、1#银条和步骤(1)制备的铜碲中间合金在潜流式工频感应电炉的熔化仓内进行熔化和均匀化，将潜流式工频感应电炉的保温仓的温度控制为1165℃，电炉铜液温度自动控制，控制精度为±5℃；熔化仓和隔仓采用烘烤过的木炭覆盖，覆盖厚度220mm；保温仓采用石墨鳞片覆盖，覆盖厚度120mm，控制在生产过程中石墨鳞片不发红。获得铜银碲合金熔液后，采用上引法连续生产出直径为12.5mm的铜银碲合金杆坯。上引连续铸造过程中，控制铜银碲合金熔液的温度为1165℃，铜银碲合金杆节距4.0mm，上引速度400mm/分钟，结晶器进水温度为20℃，水压0.25MPa。

(4)采用异型排拉拔机将步骤(3)所述连续挤压铜银碲异型排通过2道模具进行高精度拉拔，变形量为20％，制备出高精度异型排。

本实施例制备的铜银碲合金异型材晶粒细小，且组织致密均匀，其性能优于含银量0.01％的银铜合金。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种换向器用铜银碲合金，包括如下质量百分比的元素：铜99.7％～99.9％、银0.01％～0.15％、碲0.01％～0.15％、杂质元素总和<0.05％；上述元素的质量百分比之和为100％；

所述换向器用铜银碲合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备铜碲中间合金；所述铜碲中间合金中碲的质量百分比含量为20％～30％；

(2)以阴极铜、银条和步骤(1)制备的铜碲中间合金为原料，按照所述元素的质量百分比进行添加，获得铜银碲合金熔液后，制备铜银碲合金杆坯；

(4)将所述连续挤压铜银碲异型排进行拉拔，即得到换向器用铜银碲合金；

所述铜银碲合金杆坯的加热采用管式加热炉，通过用柴油燃烧器向管式加热炉炉膛内喷柴油燃烧火焰，对铜银碲合金杆坯进行辐射加热；所述加热温度控制在350℃～500℃。

2.根据权利要求1所述换向器用铜银碲合金，其特征在于，所述铜碲中间合金的制备，具体操作为：无氧条件下熔化阴极铜，待铜液达到1180℃～1250℃后加入碲锭，搅拌并保温10～20min后，浇铸成铜碲中间合金。

3.根据权利要求1所述换向器用铜银碲合金，其特征在于，所述铜银碲合金熔液采用潜流式工频感应电炉制备；

所述获得的铜银碲合金熔液的含氧量<8ppm。

4.根据权利要求1所述换向器用铜银碲合金，其特征在于，上引连续铸造控制铜银碲合金熔液温度在1150℃～1180℃，上引速度控制在300～800mm/min，铜杆节距3～5mm；上引连续铸造过程采用冷却循环水进行冷却，冷却循环水的温度控制在30℃以内，水压控制在0.22～0.35MPa。

5.根据权利要求1所述换向器用铜银碲合金，其特征在于，所述铜银碲合金杆坯的直径为Φ12.5～Φ20mm。

6.根据权利要求1所述换向器用铜银碲合金，其特征在于，所述连续挤压的挤压速度控制在3-8转/分钟，挤压温度控制在350℃～520℃，挤压电流不超过设备额定电流的90％，挤压溢料控制在3％～8％。

7.根据权利要求1所述换向器用铜银碲合金，其特征在于，所述拉拔的总变形量控制在20％-45％。