轨道交通用牵引电动机转子铜合金部件制备及其相关基础研究

论文摘要

研究开发了多种适用于地铁、轻轨和高速列车变频调速交流异步牵引电动机转子的Cu-Zn-Cr-Zr-RE导条合金、Cu-Cr-Zr-RE端环合金和Cu-A1-Fe-Ni-（Zr+RE）护环合金及导条与端环焊接用Ag-Cu-Zn-RE-X配用焊丝,并研究了合金相应的熔炼铸造、热挤压、热锻及时效处理等工艺制度及这些过程中组织和性能变化规律等一系列问题。采用硬度测试,室温与高温拉伸、电阻率测量、X射线物相分析（XRD）、金相（OM）、电子显微分析方法（TEM、SEM）和热模拟,运用Deform软件进行的模型数学计算等多种方法和手段,采用实验和理论相结合的方法,研究了新型铜合金在整个制备环节中的性能和组织变化规律,获得了下列重要结论:1.利用Cu-Zn合金固溶体基体电导性能随Zn含量的变化连续稳定可调的特性,采用微合金化技术和挤压-在线淬火-冷拉成型-时效的形变热处理技术,研制开发了一种高强中导Cu-Zn-Cr-Zr-RE合金导条,最佳制备工艺为挤压-在线水淬-30～40%冷拉变形-450℃/4h时效,在此条件下,合金的室温力学性能和电学性能分别为σb=467MPa,σ0.2=390MPa,δ5=20.8%,（?）r=64.6%IACS。350℃试验温度下σb和σ0.2仍分别保持在274MPa和250MPa左右,满足了轨道交通用大功率调频调速异步牵引电动机转子组件的设计要求。2.设计并实现了导条热挤压-在线淬火,解决了超长件导条挤压坯在线淬火的难题,保证了后续冷变形时效这种形变热处理强化技术的实施。3.研究合金的强化机制包括固溶强化、析出强化和形变热处理强化。形变热处理工艺可大大提高合金时效后的最终强度,冷拉后的合金时效过程中受到析出和再结晶过程交互作用的影响。析出的第二相粒子不仅强化了基体而且一定程度上抑制了再结晶的进行,从而使合金的强度进一步提高。4.冷变形-时效过程中影响合金电导率变化的主要因素包括过饱和固溶体的分解和析出以及回复-再结晶过程,合金的高导电性来源于时效后高电导率基体与析出粒子组成的弥散型复相结构。5.对不宜采用形变热处理技术强化的高强高导大规格端环铜合金,采取相对较高的铬、锆含量并结合强化固溶-时效工艺,可以获得较好的综合性能。铜合金端环最佳制备工艺为热锻-980℃/1h强化-450℃/4h时效,其中热锻工艺为始锻温度控制在850℃,终锻温度不低于650℃,道次锻造变形量约40%。在此条件下,合金的室温力学性能和电学性能分别为σb=388MPa,σ0.2=315MPa,δ5=27.8%,σr=84.5%IACS。在350℃试验温度下σb和σ0.2仍分别保持在200MPa和165MPa以上。研制的端环满足了轨道交通用大功率调频调速异步牵引电动机转子组件的设计要求。6.采用微合金化技术和热锻-稳定化退火处理工艺开发了一种Cu-Al-Fe-Ni-Zr-RE高强高韧大规格铜合金护环,最佳制备工艺为热锻-650℃/1h稳定化退火处理,其中热锻工艺为始锻温度控制在880℃,终锻温度不低于680℃,道次锻造变形量约40%。在此条件下,护环合金室温力学性能分别可达:HB=226,σb=763MPa,σ0.2=456MPa,δ5=20.3%。满足了轨道交通用大功率调频调速异步电动机转子护环的性能要求。7.依据高强高导微合金化原理和界面润湿理论,设计并优化了配用焊丝的合金成分,采用中频熔炼-铸造-挤压-拉丝-退火技术制备了用于铜合金转子导条-端环焊接的配用焊丝。配用焊丝的熔点、润湿性、焊接接头力学性能满足导条与端环焊接构件的设计要求。8.通过理论计算与实际模拟相结合,分析了焊接过程中导条/端环温度的变化,在此基础上研究了实际焊接过程中导条与端环材料组织和性能的演变规律,为转子部件的焊接提供了理论与实验的依据。9.实际焊接过程中,焊接接头分为端环区、焊缝区和导条区,焊缝组织为共晶组织;端环一边的组织会发生时效析出相的回溶,硬度和强度降低;导条靠近焊接接头的部分则会发生再结晶和时效析出相的回溶,硬度和强度也降低,离焊缝的距离越远,其焊接时经受的最高温度越低,硬度、强度性能下降越小。10.导条-端环焊接组件上焊缝本身的强度以及结合面的强度达到了大功率异步牵引电动机转子部件的设计要求。11.为株洲南车电机股份有限公司、湘潭电机股份有限公司等轨道交通牵引电机国产化基地提供了1350套大功率调频调速异步牵引电动机转子组件,研制开发的铜合金导条、端环和护环荣获国家重点新产品称号。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 轨道交通牵引动力概述
• 1.2 轨道交通牵引电机用高强导电铜合金研究概况
• 1.2.1 电机转子导条和端环用高强高导铜合金研究概况
• 1.2.2 电机转子护环用高强高韧铜合金研究概况
• 1.2.3 电机转子导条和端环焊接配用焊料研究概况
• 1.3 轨道交通用高强导电铜合金的设计基础
• 1.3.1 合金的高强度设计
• 1.3.2 合金导电性设计
• 1.4 牵引电机用高强高导铜合金的发展趋势
• 1.5 论文研究的目的、主要内容及意义
• 1.5.1 论文研究的目的
• 1.5.2 论文研究思路和主要研究内容
• 第二章 材料制备与实验方法
• 2.1 材料制备
• 2.1.1 转子导条
• 2.1.2 转子端环
• 2.1.3 转子护环
• 2.1.4 配用焊丝
• 2.2 力学性能测试
• 2.2.1 常温力学性能测试
• 2.2.2 高温力学性能测试
• 2.3 导电性能测试
• 2.3.1 室温导电性能测试
• 2.3.2 高温导电性能测试
• 2.4 显微组织结构分析
• 2.4.1 金相组织观察
• 2.4.2 X射线衍射分析
• 2.4.3 扫描电子显微镜观察
• 2.4.4 透射电子显微镜观察
• 第三章 大功率异步牵引电动机转子铜合金导条
• 3.1 转子铜合金导条制备
• 3.1.1 合金体系的选择和成分设计
• 3.1.2 中频熔炼与半连续铸造
• 3.1.3 挤压、固溶与在线淬火
• 3.1.4 冷拉变形
• 3.1.5 时效处理
• 3.1.6 表面处理
• 3.2 加工处理工艺对导条合金的组织和性能的影响
• 3.2.1 加工处理工艺对导条力学性能的影响
• 3.2.2 加工处理工艺对导条导电性能的影响
• 3.2.3 不同处理状态导条合金的X射线衍射分析结果
• 3.2.4 加工处理工艺对导条合金的金相显微组织的影响
• 3.2.5 经深腐蚀后的导条合金的扫描电镜分析结果
• 3.2.6 典型处理态导条合金的透射电镜分析结果
• 3.3 分析与讨论
• 3.3.1 合金的强化机制
• 3.3.2 合金的时效析出与再结晶过程
• 3.3.3 时效过程中合金力学性能变化原因
• 3.3.4 合金高温力学性能分析
• 3.3.5 合金的导电机制
• 3.4 本章小结
• 第四章 大功率异步牵引电动机转子铜合金端环
• 4.1 转子铜合金端环制备
• 4.2 加工处理工艺对端环合金的组织与性能的影响
• 4.2.1 不同处理工艺对端环合金常温力学性能的影响
• 4.2.2 端环合金的高温拉伸力学性能
• 4.2.3 端环合金的导电性能
• 4.2.4 不同处理态端环合金的金相显微组织结构
• 4.2.5 端环合金的透射电子显微组织
• 4.3 分析与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 大功率异步牵引电动机转子铜合金护环
• 5.1 转子护环制备
• 5.1.1 护环铜合金成份设计
• 5.1.2 熔炼、铸造
• 5.1.3 铸锭均匀化
• 5.1.4 锻造工艺
• 5.1.5 稳定化退火处理工艺
• 5.2 加工处理工艺对护环合金的组织与性能的影响
• 5.2.1 加工处理工艺对护环合金力学性能的影响
• 5.2.2 不同处理态护环合金的X射线衍射物相分析
• 5.2.3 不同处理工艺对护环合金的金相组织的影响
• 5.2.4 加工处理工艺对护环的透射电镜显微组织的影响
• 5.3 分析与讨论
• 5.3.1 护环铜合金Cu-Al-Fe-Ni-（Zr+RE）的强化机制
• 5.3.2 微量Zr对Cu-10Al-4Fe-4Ni合金的增韧作用
• 5.4 本章小结
• 第六章 铜合金转子部件配用焊料制备、组织与性能
• 6.1 铜合金转子部件配用焊料基本要求
• 6.2 焊料的制备工艺流程
• 6.2.1 合金成份设计
• 6.2.2 合金的熔炼与铸造
• 6.2.3 焊丝的挤压
• 6.2.4 焊丝的冷拉与退火
• 6.2.5 钎焊料表面处理
• 6.3 焊丝合金的组织与性能
• 6.3.1 挤压态合金的组织分析
• 6.3.2 冷拉态的组织分析
• 6.4 钎焊料的物理性能和焊接效果
• 6.5 本章小结
• 第七章 转子导条/端环焊接接头组织与性能
• 7.1 铜合金导条/端环焊接研究方案和研究方法
• 7.1.1 导条与端环的实际焊接
• 7.1.2 铜合金导条/端环焊接研究方案
• 7.1.3 理论计算模型
• 7.1.4 焊接热模拟
• 7.1.5 导条与端环的模拟焊接
• 7.2 实验结果与分析
• 7.2.1 焊接时导条温度变化的理论计算
• 7.2.2 静态热模拟研究
• 7.2.3 动态热模拟研究
• 7.3 实际焊接过程中铜合金导条组织结构演变及性能
• 7.3.1 Cu-Cr-Zr-RE端环/Cu-Zn-Cr-Zr-RE导条焊接接头组织与性能
• 7.3.2 Cu-Cr-Zr-RE端环/Cu-Zn-Cr-Zr-RE导条焊接接头组织-性能分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻博期间发表的主要学术论文及科研成果