CN111471888A

CN111471888A - 纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金及其制造方法和应用

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Publication number: CN111471888A
Application number: CN202010385641.9A
Authority: CN
Inventors: 张保森; 王章忠; 朱帅帅; 巨佳; 卢镔; 陶学伟; 张超
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2020-05-09
Filing date: 2020-05-09
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2040-05-09
Also published as: CN111471888B

Abstract

本发明公开了纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金及其制造方法和应用，铜合金组成成分及质量百分比如下：Sn：4～8％，Ni：1.5～4％，Ag：0.05～0.6％，稀土元素：0.07～0.2％，Zn：1.48～2.43％，X：3.52～7.57％；其中，X为Al、Mn、Sc、B中的任意一种或几种；稀土元素至少包括Ce，La和Y；稀土元素与Sn的质量百分比为1：(40～55)；Ce，La和Y的质量百分比为(0.2～0.5)：1：(0.1～0.35)，余量为Cu。该铜合金可应用在高速列车电机转子摩擦盘中。本发明铜合金具有良好的耐磨性能和导电性能。

Description

纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金及其制造方法和应用

技术领域

本发明涉及一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金及其制造方法和应用，属于合金材料技术领域。

背景技术

牵引电机作为高速列车动力系统关键组成部分，其性能的优劣悠关高速列车运力及安全。其功率输出的基本通道是电机转子端部摩擦盘与碳刷的柔性接触。通常，电机运行功率为650Kw以上，转子的转速达到4000～5000rpm，工作电流高达150～175A，摩擦盘与碳刷在高速旋转作用下易产生损伤或非可靠接触而导致供电故障。除电机系统的科学设计外，转子摩擦盘质量的优劣是决定牵引电机工作效率及使用寿命的主要因素之一。迄今为止，日本三菱电机、法国梅尔森、德国西门子在高速列车大功率牵引电机摩擦盘设计制造方面已走在世界的前列，占据了其市场的主要份额。而我国启动相对较晚，尚无系统成熟的技术和产品，列车新装和检修所需的电机摩擦盘全部依赖于进口或国内合资企业对进口毛坯的加工组装。

高速列车运行过程中牵引电机转子摩擦盘受强电流和滑动摩擦的耦合作用，要求其设计制造必须满足如下性能：①优异的导电特性、电火花抑制及抗电弧烧蚀能力；②良好的强韧性匹配及抗载流摩擦磨损性能；③良好的组织性能稳定性及环境适应性。现有法国梅尔森和日本三菱的高速列车电机摩擦盘存在着致密度较低、组织性能均匀性及铸造缩松、缩孔等缺陷难以控制等问题，严重影响了其质量的可靠性及稳定性。尽管二者已占据了世界范围内时速300 公里以下高速列车电机的主要市场，但在我国350公里时速“复兴号”列车上的应用试验表明，其质量仍难以满足我国标准动车组(CEMU)高速运行的要求。因此，研发高性能的电机转子摩擦盘已成为我国自主研发大功率高速牵引电机的关键任务之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，本发明提供一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金及其制造方法和应用，该法制得的铜合金可用于高速列车电机转子摩擦盘，本发明的铜合金具有良好的耐磨性能和导电性能，铜合金的组织均匀，晶粒细小，铸造过程中出现的组织缺陷较少，组织中成分偏析较少，没有出现枝晶偏析，固溶强化相分布均匀，杂质含量低。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金，组成成分及质量百分比如下：Sn：4～8％，Ni：1.5～4％，Ag：0.05～0.6％，稀土元素：0.07～0.2％， Zn：1.48～2.43％，X：3.52～7.57％；其中，X为Al、Mn、Sc、B中的任意一种或几种；稀土元素至少包括Ce，La和Y；稀土元素与Sn的质量百分比为1： (40～55)；Ce，La和Y的质量百分比为(0.2～0.5)：1：(0.1～0.35)，余量为 Cu。

所述X包括以下组成成分及质量百分比：Al：2～4％，Mn：1.5～3.5％，Sc： 0.01～0.05％；B：0.01～0.02％。

所述Cu为青铜，金属间化合物为CuSn、CuNi、NiAl、NiSc、AlSc中的一种或二种以上的组合。

一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金的制造方法，包括以下步骤：

步骤一，使用工频熔炼炉熔炼铜合金：550℃～600℃预热工频熔炼炉，预热完成后，将Zn置入工频熔炼炉底部，然后再在Zn上覆盖Cu，30min内升温至690℃～750℃，熔清后再4h内升温至2200℃～2300℃，再加入Sn、Ni、 Ag、稀土元素和X，工频熔炼炉采用低频电磁外场搅拌，同时吹氩搅拌；搅拌时间至少为2h；搅拌完成后获得铜合金液；

步骤二，将铜合金液注入中频熔炼炉，采用中频电磁外场搅拌，中频熔炼炉的温度保持在2200℃～2300℃，铜合金液继续在中频熔炼炉中熔炼1～5h，获得最终铜合金液；

步骤三，将最终铜合金液注入工频有芯连续铸造拉拔炉，连续铸造生产铜合金坯料；

步骤四，铜合金坯料经结晶器和于300～400℃保温3～4小时后随炉冷却，制得成品。

所述工频熔炼炉为工频无芯熔炼炉。

所述低频电磁即为工频熔炼炉的频率，为50Hz或60Hz。

所述中频电磁即为中频熔炼炉的频率，为1000～10000Hz。

所述工频有芯连续铸造拉拔炉的牵引速度为50～90mm/min。

所述工频有芯连续铸造拉拔炉内设置有所述结晶器，所述结晶器的壳体内设置有迷宫式结晶器冷却水道。

一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金在高速列车电机转子摩擦盘中的应用。

本发明具有如下有益效果：

本发明主要是研究复兴号列车中电机转子摩擦盘材料的组织成分、力学性能和摩擦磨损性能。这种铜合金经过半固态挤压铸造成型后、经热处理和组织调控后表现出优异的性能，本发明的铜合金具有良好的耐磨性能和导电性能，具体如下：

(1)本发明的铜合金的组织均匀，晶粒细小，铸造过程中出现的组织缺陷较少，组织中成分偏析较少，没有出现枝晶偏析，固溶强化相分布均匀，杂质含量低。

(2)对本发明的铜合金的力学性能研究发现，其平均伸长率达到30％以上，抗拉强度高达370Mpa，塑性和韧性比一般的铜合金高出很多；硬度达到 130HV，比传统铜合金硬度高出很多，冲击强度为43J。

(3)本发明中，稀土对铜合金显微组织的影响主要体现为细化晶粒，减少或消除柱状晶，扩大等轴晶区，在青铜中添加稀土元素不仅能消除合金元素的偏析，提高合金的抗拉强度和延伸率、还可提髙合金的耐磨性。

(4)稀土元素与Sn的比例控制，可控制脱硫、脱氧，起到纯净化的作用，并且避免Sn元素被氧化，不会产生氧化物，从而细化晶粒。

(5)本发明中的各元素之间形成CuSn、CuNi等金属间化合物，金属间化合物之间采用金属键牢固结合，使铜合金硬度大大提高的同时，其导电性牺牲不大，本发明中的铜合金的导电率可达到＞8Ms/m，符合电机转子摩擦盘的导线性要求。

(6)本发明的铜合金的制造方法为利用工频熔炼炉对中频熔炼炉进行变频，实现了高能耗的、被淘汰的工频熔炼炉的再利用。并且工频熔炼炉和中频熔炼炉的联用技术，不仅使合金实现了结晶-再结晶，改变晶粒微观结构，并且在实现了提高生产效率的同时实现了充分节能的目的。

(7)本发明中工频有芯连续铸造拉拔炉的牵引速度为50～90mm/min，该速度可控制产品在特定的余温下进行变形以及挤压，使之达到所需的组织状态和理想的机械性能。

附图说明

图1为本发明的铜合金金相组织图；

图2为本发明的铜合金试样的能谱物相分析图；

图3为本发明的铜合金试样的拉伸断口形貌图；其中，(a)整体；(b)宏观断口；(c)微观形貌；(d)微观形貌；

图4为本发明的铜合金试样的冲击断口宏观形貌图；

图5为本发明的铜合金试样的冲击断口微观形貌图；

图6为本发明的铜合金试样的摩擦表面微观形貌图；

图7为传统结晶器的结构示意图；

图8为本发明迷宫式结晶器冷却水道的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

1.试验仪器与药品

1.1.试验设备及试验仪器

1)JBW-300H仪器化冲击试验机；

2)CMT5015微机控制万能试验机；

3)维氏硬度计；

4)金相显微镜；

5)扫描电子显微镜；

6)X射线衍射仪；

7)AztecX-Max50能谱仪；

8)烧杯、酒精棉、镊子、砂纸、抛光机、超声波清洗机；

9)MFT-3000摩擦磨损实验机

1.2.试验药品

1)乙醇清洗剂

2)浓盐酸、浓硝酸(体积3：1混合成王水)

2.表征与测试方法

2.1.X-射线衍射分析

将样品表面压平，用Bruker AXS D8-Advance X射线衍射仪(Cu靶，Kα λ＝0.154nm。德国布鲁克公司)进行测定，加速电压30kV，测量角度(2θ)的范围10～90°，步长为0.02°，扫描速度为1°/min。

2.2.扫描电镜分析

产物的扫描电子显微镜照片(SEM)在LEO1530VP场发射电子显微镜上摄取。摩擦磨损试样磨痕以及拉伸断口的扫描电子显微镜照片(SEM)在 LEO1530VP场发射电子显微镜上摄取，通过对磨痕的表面形貌的分析，进而判定铜合金摩擦盘的磨损机制；在进行断口分析前，必须保护好断口，断口的表面要保持干燥，拉伸试验断裂后的新鲜断口，应该立刻放在密封塑料袋当中，在拍摄断口前，应该将试样放在盛有酒精的烧杯中进行超声波清洗，时间大概 10min，拉伸冲击实验结束后，应该立即对宏观断口形貌进行观察并进行拍摄。然后保护好断口，用扫描电镜拍照，观察断口的微观形貌。

2.3.能谱分析

将样品处理后放在能谱分析仪下，合理设置电镜图像采集参数设置和能谱采集参数设置，随后点击工具栏中的立即采集按钮，选择一种区域形状，在电镜图像上制定区域位置，等待采集完成后。EDS的谱图中谱峰带表样品这个位置中存在的元素，这样根据谱峰分布的位置即可鉴别所含的元素。对试样表面平扫可以鉴别材料整体的组织成分。

2.4.金相显微镜分析

对原始样品进行切割取样，随后用砂纸进行磨制处理，将磨制好的样品放在抛光机上进行抛光，结束后采用王水对样品侵蚀，当看到抛光的试样表面出现颜色的变化，使试样表面的显微组织显露出来，将试样平整的放在金相显微镜下，就可以看到不同的组织结构特征及形态，如果组织不明显可以再进行二次腐蚀。在整个制样的过程中，需要注意要防止铜合金表面的氧化，否则很容易使铜合金金相照片中的组织产生假相，选取合适的金相组织进行拍摄，记录数据。同时王水的腐蚀性很强，操作时必须要小心谨慎。

2.5力学性能测试

(1)拉伸试标距30mm，直径6mm，在万能试验机拉伸采集数据，包括拉伸后的长度，用游标卡尺测量，然后在宏观观察拉伸形貌，保护好断口，并用SEM观察断口形貌，然后记录数据。

(2)冲击试验是在摆锤冲击试验机上进行的，将试样水平放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向。然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度 H₁，使其获得一定的初始势能mgH₁。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为 mgH₂，则摆锤冲断试样失去的能量为mgH₁-mgH₂，此即为试样变形和断裂所消耗的能量，称为冲击吸收能量，单位为J。冲击试样采用10mmх10mmх 55mm的V型缺口试样，缺口为2mm。

(3)硬度实验是对抛光的铜合金试样用显微维氏硬度计，载荷为300gf，加载时间为10s，分别从左向右打7个点，去掉极大值和极小值，求平均数。

2.6.摩擦磨损性能测试

用摩擦磨损试验机测定铜合金摩擦盘摩擦磨损性能。对磨件是WC钢球 (直径10mm)，摩擦试样为20х30mm的方块。试验采用单因素变量法，分别研究载荷对铜合金摩擦磨损的影响，以及滑动速度对铜铅合金摩擦磨损的影响。(1)V＝20mm/s为不变量，实验载荷分别为25N、50N、75N、100N、125N； (2)N＝75N为不变量，实验速度分别为15mm/s、20mm/s、25mm/s、35mm/s；摩擦时间均为20min，实验前要用抛光机对铜合金表面抛光处理，保证表面平整光洁。

3.试样制备

3.1加工工艺

传统熔铸工艺制备的锡青铜合金中Sn的含量为10％左右，硬度在110HB，抗拉强度为300Mpa，伸长率不到10％，传统的锡青铜合金铸造工艺铸造的铜合金会产生严重的枝晶偏析，出现气孔，热裂纹等缺陷，虽然耐磨性能优异，但是因为加入Pb等元素会形成强化相，但是其导电性能会明显下降，合金塑性很差，很难通过后续的塑性变形使其力学性能提高，其组织经热处理后依旧难以达到作为电机摩擦盘的材料。本实验试样由海安县进精密轴承有限公司提供，采用半固态挤压铸造工艺，再通过时效强化处理。

本发明提供一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金，组成成分及质量百分比如下：Sn：4～8％，Ni：1.5～4％，Ag：0.05～0.6％，稀土元素： 0.07～0.2％，Zn：1.48～2.43％，X：3.52～7.57％；Al：2～4％，Mn：1.5～3.5％， Sc：0.01～0.05；B：0.01～0.02％；稀土元素包括Ce，La和Y；稀土元素与Sn 的质量百分比为1：(40～55)；Ce，La和Y的质量百分比为(0.2～0.5)：1： (0.1～0.35)，余量为Cu。

具体地，本实施例的一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金，组成成分及质量百分比如下：Sn：8％，Ni：1.5％，Ag：0.6％，稀土元素：0.2％， Zn：1.48％，Al：2％，Mn：1.5％，Sc：0.01％；B：0.01％；稀土元素包括Ce， La和Y；Ce：0.03％，La：0.15％，Y：0.02％，余量为Cu。

步骤一，使用工频熔炼炉熔炼铜合金：550℃预热工频熔炼炉，预热完成后，将Zn置入工频熔炼炉底部，然后再在Zn上覆盖Cu，30min内升温至690℃，熔清后再4h内升温至2200℃，再加入Sn、Ni、Ag、稀土元素和X，工频熔炼炉采用低频电磁外场搅拌，同时吹氩搅拌；搅拌时间为2h；搅拌完成后获得铜合金液；

步骤二，将铜合金液注入中频熔炼炉，采用中频电磁外场搅拌，中频熔炼炉的温度保持在2200℃，铜合金液继续在中频熔炼炉中熔炼1h，获得最终铜合金液；

步骤四，铜合金坯料经结晶器和于300℃保温3小时后随炉冷却，制得成品。

所述工频熔炼炉为工频无芯熔炼炉。

所述低频电磁即为工频熔炼炉的频率，为50Hz或60Hz。

所述中频电磁即为中频熔炼炉的频率，为10000Hz。

所述工频有芯连续铸造拉拔炉的牵引速度为50mm/min。

所述工频有芯连续铸造拉拔炉内设置有结晶器，所述结晶器的壳体内设置有迷宫式结晶器冷却水道。

一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金在高速列车电机转子摩擦盘中的应用。高速列车优选为350KMH复兴号。

4.组织性能

4.1组织观察及成分分析

如图1所示为本发明的铜合金的金相组织图，其组织晶粒细小，并且通过观察可以明显看到晶粒分布很均匀，并明显看到金属间化合物。

Sn元素与Cu发生固溶强化，所以很容易出现偏析，但通过热处理可以明显改善组织，使组织更加均匀，晶粒细化，提高铜合金的综合力学性能。其中 Ni元素的添加到锡铜二元合金中会明显改变铜锡合金的铸造质量，提高合金的综合力学性能。Ni元素可以扩大α+δ相的扩展范围。基体中形成的α固溶体固溶强化作用增强的同时，共析体(α+δ)数量也随之增多，其中硬而脆的δ 相会导致合金硬度、强度和耐磨性提高。

4.2物相分析

如图2所示，可以看到试样的主峰为Cu₁₀Sn₃，所以确定其研究的试样是一种锡青铜合金，试样中还有其他物相Ni等物相，试样中存在一定的稀土元素的化合物，以及微量的其他化合物。这两种物相的存在可以改善合金综合性能，降低铸造过程中的成分偏析，使组织更加均匀，力学性能明显提高。

5.力学性能

5.1拉伸试样数据及分析

本实验采用的铜合金试样为棒材，试样为标距30mm，Φ＝6mm的标准圆棒，环境温度为25℃，在万能试验机上做拉伸试验，测定其屈服强度、抗拉强度和延伸率，最后利用SEM观察拉伸断口形貌，并对断口的特殊形貌进行能谱分析。

结果本实施例的铜合金棒材拉伸后的延伸率达到30％以上，平均伸长率为44.16％，可以看出此铜合金为韧性材料。并且通过伸长率可以看出此铜合金的韧塑性，没有明显的屈服现象，一般铸态的铜锡合金的抗拉强度只能达到 200MPa，而本实施例的材料的抗拉强度达到300MPa以上。

5.2铜锡合金拉伸断口的分析

图3为试样进行拉伸断裂后，试样的整体宏观样貌，可以明显的看见与其他正常材料具有很大的差异，一般钢及其他材料变形区集中在断裂部位，其他部位没有太大的变形，而本实施例的铜合金试样可以看到在拉伸过程中试样整体都发生了塑性变形，变形量也很均匀，整体变形体现为麻花状，可以看出此合金组织很均匀，没有特别大的应力集中现象，拉伸性能很优异。

观察图3(b)，利用SEM观察合金拉伸断口的宏观形貌，经过二次电子成像，试样的纤维区和剪切唇面积很大，表面光泽更好，孔洞和裂纹更少，表明铜合金的塑韧性非常好。

如图3(c)、3(d)所示，试样中的韧窝很多，并且分布均匀，韧窝主要是因为塑性变形加大，韧窝逐渐被撕开，韧窝周边会形成塑性变形程度较大的撕裂棱，在二次电子像中，这些撕裂棱显亮衬度。

5.3.冲击试样数据及断口形貌分析

本实验使用3个带有缺口的冲击试样，常温条件下，在仪器化冲击试验机下进行冲击韧度试验，并记录实验数据。然后使用SEM对新鲜断口进行宏观和微观形貌的拍摄，下表为试样冲击能量数据：

表1试样冲击能量表

如图4、图5所示为试样进行冲击断裂后，观察后的断裂形貌，和在扫描显微镜观察到的断口宏观形貌和微观形貌。从图中宏观断口形貌可以看出，有明显的三区，试样断口为塑性变形，断口比较平齐，断口的表面有金属光泽，呈现晶状，因此从宏观角度看属于塑性断裂。从图中微观断口可以看到组织出现了很多微孔和微裂纹，同时可以看出裂纹沿着相界扩展，晶界面可以清晰的看到，所以是一种沿晶断裂，通过微观形貌可以发现一些物相具有强化作用，可以看到韧窝裂纹，出现在沉淀相和部分夹杂物的地方。

5.4铜合金硬度数据及分析

如表2所示，本发明的铜合金的平均硬度130.25HV，根据铜合金硬度表换算成布氏硬度为128HB，比一般锡青铜其表面硬度高出80％(一般锡青铜的硬度为70HB左右)，说明本发明的铜合金硬度有提高，硬度越高，其耐磨性能就越好。

表2铜合金硬度数据F＝300gf

6.摩擦磨损数据及分析

高速列车在高速行驶时，电机的转速很高，碳刷和铜合金摩擦盘接触时开始导电，在载流条件下碳刷和摩擦盘会产生一定的接触，碳刷和摩擦盘产生干滑动摩擦。

如图6所示，观察摩擦表面的微观形貌，可以看到许多和摩擦方向水平的沟槽，是典型的犁皱形成的沟槽，同时在图片中可以观察到一些凸起的硬质点，同时存在一些黑色的相，可能是一种强化相，由稀土元素化合的强化相，或者是合金中的Ni元素形成的硬质相。

7.铸造工艺分析

常用铜合金熔炼炉一般分为两类，即工频熔炼炉和中频熔炼炉。

工频熔炼炉是使用市电50赫兹或者60赫兹工业频率电源熔炼铜合金，它又分为工频有芯炉和工频无芯炉两类。其共同优点是由于频率低，电磁波波峰高，其电磁波对铜合金的搅拌比较均匀，更容易得到充分混合的铜合金熔液。同时比较节能，熔炼吨铜单位耗电成本低。其缺点是初始熔炼用时长。

中频熔炼炉是将50赫兹或者60赫兹工业电源进行变频，变频至 1000～10000赫兹的中频，再用中频电磁波电源熔炼铜合金。市售中频熔炼炉大多为无芯炉，其优点是熔炼速度快效率高，可以方便的实现不同合金的替换。其缺点是：由于中频频率较高，电磁波波峰相对较低，对铜合金熔液的搅拌性能较工频炉差，同时吨铜熔炼电耗较工频炉高，能耗成本偏高。

连续铸造拉拔炉一般选择工频有芯保温连铸炉。其优点是可以再次将铜合金熔液充分搅拌均匀同时功率因素高，可以在更换模具保温和正常拉拔保温及连续工作时最大限度的节约电能。由于列车摩擦盘对材料配方和纯度及合金均匀度要求较高，故本发明选择工频有芯连续铸造保温炉进行连续铸造拉拔。

综上所述，为确保摩擦盘的各项性能指标的稳定，可靠实现，本发明在熔炼炉设备选择上，经综合评定选择方案为：

1.采用工频无芯熔炼炉熔炼母合金，保证母合金各合金元素充分均匀混合。

2.采用中频熔炼炉熔炼最终连铸合金液，提高生产效率。

3.采用工频有芯连续铸造拉拔炉，连续铸造生产摩擦盘坯料，实现再次充分混和合金熔液的合金成分，同时实现充分节能的目的。

结晶器的设计与结晶过程的控制：摩擦盘化学成分分布的均匀性取决于熔炼过程的电磁波搅拌力度，而机械性能取决于坯料生产过程中的结晶组织形成过程与各种结晶组织的架构。本发明通过结晶器设计来控制晶核的产生、生长与成型，再通过热处理的方法来固定，使之达到所需的组织状态和理想的机械性能。

如图7所示，传统的结晶器为一进一出冷却水路，大水满贯易产生水涡流，不易控制温区，不能实现较好控制结晶过程的目的。

如图8所示，本发明采用迷宫式的结晶器，通过调整结晶器高温段流水量与流水速度和结晶器低温段流水量与流水速度的操作，来控制晶核形成与生长过程，以期达到所需的结晶状态。实现均匀摩擦盘坯晶核和提高摩擦盘硬度的目的。

在连铸坯料出口的适当温区内，本发明进行了热处理稳固结晶组织状，保证坯料机械性能的稳定性与一致性，较好的提高和保证了摩擦盘坯料的质量水平。

现有技术中，连铸摩擦盘坯料的主要缺陷表现为缩松和结晶偏析等。

缩松的产生主要是高熔点金属首先成核结晶，结晶长大形成凝固网架，而当温度降低到低熔点金属开始结晶凝固体积收缩后，低熔点金属不能充分填满首先凝固高熔点金属结晶网架空间，而形成的密集分布的细微缩松状况。而本发明通过加快结晶器结晶生长区水流量，使之温度快速降低，各成分金属同时快速凝固的方法，消除结晶生长期网架空洞，有效防止了缩松缺陷的产生。

偏析的产生主要是不同合金结晶生长速度不同，在两种金属结晶的结合界面产生单金属聚积产生的，我们通过对多元合金相图的分析研判，在适当温区的热处理过程中控制处理聚积结晶，基本解决了偏析问题。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：提供一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金，组成成分及质量百分比如下：Sn：4％，Ni：4％，Ag：0.05％，稀土元素：0.07％，Zn：2.43％，Al：4％，Mn：3.5％，Sc：0.05；B：0.02％；稀土元素包括Ce，La和Y；Ce：0.019％，La：0.038％，Y：0.013％，余量为Cu。

步骤一，使用工频熔炼炉熔炼铜合金：600℃预热工频熔炼炉，预热完成后，将Zn置入工频熔炼炉底部，然后再在Zn上覆盖Cu，30min内升温至750℃，熔清后再4h内升温至2300℃，再加入Sn、Ni、Ag、稀土元素和X，工频熔炼炉采用低频电磁外场搅拌，同时吹氩搅拌；搅拌时间为3h；搅拌完成后获得铜合金液；

步骤二，将铜合金液注入中频熔炼炉，采用中频电磁外场搅拌，中频熔炼炉的温度保持在2300℃，铜合金液继续在中频熔炼炉中熔炼5h，获得最终铜合金液；

步骤四，铜合金坯料经结晶器和于400℃保温4小时后随炉冷却，制得成品。

所述中频电磁即为中频熔炼炉的频率，为1000Hz。

所述工频有芯连续铸造拉拔炉的牵引速度为90mm/min。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅在于：提供一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金，组成成分及质量百分比如下：Sn：6％，Ni：2％，Ag：0.3％，稀土元素：0.12％，Zn：2％，Mn：3.5％，Sc：0.02％；B：0.02％；稀土元素包括Ce，La，Y和Pr；Ce：0.019％，La：0.038％，Y：0.013％，Pr：0.05％，余量为Cu。

实施例4

本实施例与实施例1的区别仅在于：提供一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金，组成成分及质量百分比如下：Sn：5％，Ni：3％，Ag：0.5％，稀土元素：0.10％，Zn：1.8％，Mn：3.5％，Sc：0.04％；B：0.01％；稀土元素包括Ce，La，Y和Pr；Ce：0.019％，La：0.038％，Y：0.013％，Nd：0.03％，余量为Cu。

将本发明制备的电机转子摩擦盘应用于350KMH复兴号高速动车组列车中，同时以法国梅尔森的电机转子摩擦盘作为对比，分别测量其磨耗以及升温数据，结果见表3。

表3电机转子摩擦盘的磨耗实验数据

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金，其特征在于：组成成分及质量百分比如下：Sn：4～8％，Ni：1.5～4％，Ag：0.05～0.6％，稀土元素：0.07～0.2％，Zn：1.48～2.43％，X：3.52～7.57％；其中，X为Al、Mn、Sc、B中的任意一种或几种；稀土元素至少包括Ce，La和Y；稀土元素与Sn的质量百分比为1：(40～55)；Ce，La和Y的质量百分比为(0.2～0.5)：1：(0.1～0.35)，余量为Cu。

2.根据权利要求1所述的一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金，其特征在于：所述X包括以下组成成分及质量百分比：Al：2～4％，Mn：1.5～3.5％，Sc：0.01～0.05％；B：0.01～0.02％。

3.根据权利要求1所述的一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金，其特征在于：所述Cu为青铜，金属间化合物为CuSn、CuNi、NiAl、NiSc、AlSc中的一种或二种以上的组合。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，使用工频熔炼炉熔炼铜合金：550℃～600℃预热工频熔炼炉，预热完成后，将Zn置入工频熔炼炉底部，然后再在Zn上覆盖Cu，30min内升温至690℃～750℃，熔清后再4h内升温至2200℃～2300℃，再加入Sn、Ni、Ag、稀土元素和X，工频熔炼炉采用低频电磁外场搅拌，同时吹氩搅拌；搅拌时间至少为2h；搅拌完成后获得铜合金液；

5.根据权利要求4所述的一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金的制造方法，其特征在于：所述工频熔炼炉为工频无芯熔炼炉。

6.根据权利要求4所述的一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金的制造方法，其特征在于：所述低频电磁即为工频熔炼炉的频率，为50Hz或60Hz。

7.根据权利要求4所述的一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金的制造方法，其特征在于：所述中频电磁即为中频熔炼炉的频率，为1000～10000Hz。

8.根据权利要求4所述的一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金的制造方法，其特征在于：所述工频有芯连续铸造拉拔炉的牵引速度为50～90mm/min。

9.根据权利要求4所述的一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金的制造方法，其特征在于：所述工频有芯连续铸造拉拔炉内设置有所述结晶器，所述结晶器的壳体内设置有迷宫式结晶器冷却水道。

10.根据权利要求1～3任意一项所述的一种纳米金属间化合物弥散强化高导电耐磨铜合金在高速列车电机转子摩擦盘中的应用。