摘要:高纯无氧铜银合金具有高电导性、高软化温度和高强度,是串激电机换向器的新材料。为此研究了化学成分、熔炼工艺和加工工艺对合金性能的影响。

  1.引言

  换向器是直流电机的重要部件之一,紫铜(T1)和无氧铜(TU1)是制造换向器的传统材料。随着微特电机制造技术的发展,电机的转速愈来愈高,体积愈来愈小。电机的电磁负荷增加,温升提高,因此对换向器材料的性能要求更为苛刻。由于紫铜和无氧铜的强度低、软化温度低,显然已不能满足微特电机换向器的要求,必须开发新材料。

  高纯无氧铜银合金O≤ 100× 10-6,夹杂物量∑总≤ 100× 10-6,Cu+ Ag≥ 99.99% (Ag0.02%～ 0.10% ),该合金由于氧和夹杂物含量极低,净化了晶界,使得晶界脆化和裂纹产生的概率显著减少,提高了合金的韧度和电导率;由于在铜中加入了少量的银,在电导率下降甚少的情况下显著提高了合金的力学性能和软化温度。我国无氧铜和铜银合金的标准与日本无氧铜和美国无氧铜的标准对照见表1。

由表1可见,我国的无氧铜允许的含氧量和夹杂物远高于国外同类标准中的含量,因此开发高质量无氧铜十分重要[1]。经多年的试验研究,我们发现高纯无氧铜银合金(TUoAg0.06合金)主要性能均赶上国际先进水平,可以替代进口材料。表2是TUoAg0.06合金与国外无氧铜银合金化学成分和主要性能对比。

  2.试验方法

  2.1含银量范围

  为了提高铜的抗拉强度和硬度,一般可添加合金元素和增大冷变形度,但不同程度地降低了铜的电导率。为保持较高的电导率,试样选用Ag0.02%～ 0.10%的高纯无氧铜银合金。

  2.2真空熔炼工艺

  由Gibbs吸附理论可知,绝大多数的低熔点夹杂物将富集在晶界或界面。文献[2]用示踪法测定Bi在晶界的局部偏聚浓度比晶内高103倍,由于晶界本身是一个缺陷较多的过渡带,金属中只要有1× 10-6的低熔点夹杂存在,就可能使其在晶界的偏聚量达0.1%左右,与Bi类似,Pb和Se等也易偏聚在晶界处。另外,铜中的脆性化合物(Cu2O、Cu2S、Cu2Se等)也易在晶界偏聚或沉淀,从而对合金性能产生一系列不利的影响。

  通常在电解铜中存在约500× 10-6的氧和夹杂物,用一般的化学方法难以去除。而通过真空冶炼[3、4],提高真空度,可以使蒸气压较高的元素挥发,从而去除Pb、Bi、Sb等低熔点有害元素。为此采用ZG-25真空感应炉进行熔炼和铸锭,选择高纯石墨坩埚和铁模。每炉装入量25kg,Cu一次性装入坩埚,Ag装入料斗中,装入的原材料必须纯度高、清洁无锈。

  在真空度达到0.6Pa时开始送电,缓慢升高功率,使气体在熔化期尽可能排出。在炉料完全熔化后,提高功率和真空度,保持适当的精炼时间,使铜液中的气体进一步排出和夹杂物加速挥发。因此,

  精炼期的真空度控制在0.5～ 0.6Pa,温度控制在1200～ 1270°C,精炼时间一般为30～ 40min。在铜液纯净、脱氧良好、温度适中时可分批加入Ag料,进行大功率搅拌,使Ag均匀化。在1200°C左右进行浇注,此时要保持合金液平稳上升。

  2.3合金的加工

  合金锭在热轧前要切除冒口和铣面,将经过表面处理的合金锭在电阻炉内加热(为防止渗氧要保持局部还原性气氛)至890°C,保温20～ 30min后进行热轧(为二辊可逆轧机),终轧尺寸的厚度控制要求留有20%～ 80%冷变形度(或10%～ 90% )。热轧后须经酸洗和表面清洗,再经二辊冷轧机冷轧至厚度为2mm的铜银合金带。

  3.试验结果和讨论

  3.1化学成分的控制

  对6炉合金进行了化学成分分析,结果见表3。可见,采取真空熔铸工艺,控制合适的真空度(0.6～0.7Pa)、精炼温度(1200～ 1270°C)和精炼时间(30～ 40min),所得铜银合金的O≤ 5× 10-6、夹杂物∑总≤ 100× 10-6,达到了美国ASTMF68-77和日本JISH3510-86高纯铜的标准要求,且Ag的收得率大于96%。试验表明,使用电解铜作原料,通过一次性真空熔炼,可生产出高纯无氧铜银合金。

  3.2含Ag量对电导率的影响

  串激电机换向器对材料电导率的要求:软态I-ACS≥ 99.5% ,硬态IACS≥ 97.5% ,任何元素加到铜中都会不同程度地降低其电导率,而Ag是缓慢降低电导率的元素。所以,在保证合金强度和硬度的前提下,应尽量降低Ag在铜中的含量。测定了含Ag0.02%～ 0.09%的高纯无氧铜银合金(软态)的电导率,见图1。可见当含Ag0.09ω,%时,IACS≥99.1% ,;当含Ag0.06ω,%时,IACS≥ 99.5%。作为高电导率合金的含Ag量,宜控制在0.06%附近记作TUoAg0.06。

  3.3冷变形度对电导率的影响

  高纯无氧铜银合金是在冷加工硬化后使用,为了便于比较冷变形度与电导率之间的关系,对TUoAg0.06合金进行了不同冷变形度(10%～90% )的轧制,其对电导率的影响见图2。由于冷加工使晶界的状态发生了变化,晶格畸变、位错增加、晶格变长等因素引起电阻增大[5、6],因此冷变形度增大,电导率下降。当冷变形度80%时,电导率约为IACS97.5% ,可见为了保证合金具有较高的电导率,

  高纯无氧铜银合金TUoAg0.06的冷变形度不宜超过80%。

  3.4冷变形度对力学性能的影响

  用经10%～ 90%不同冷变形度的TUoAg0.06合金试样,测量抗拉强度和维氏硬度,结果与文献[5]基本一致。纯铜在90%冷变形加工后,其硬度124HV;当在铜中加入Ag0.04%时,在同样冷变形条件下,其硬度可达137HV,说明由于微量元素的加入可显著地提高合金的力学性能。 TUoAg0.06合金冷变形度对力学性能的影响见图3。可见冷变形度在40%以下时,硬度和强度均随冷变形度的增大而缓慢提高;冷变形度在40%～ 80%时,硬度和强度增加的幅度较大,曲线的斜率变陡;当冷变形度超过80% ,硬度和强度仍随冷变形度的增加而提高。因此,通过冷变形可以有效地提高高纯无氧铜银合金的强度和硬度,并且可以通过控制冷变形度,来满足新的力学性能。

  3.5退火温度对硬度的影响

  将经冷变形的TUoAg0.06合金(130HV5)的试样分别进行50～ 350°C× 2h的退火处理。退火后试样的维氏硬度与退火温度的关系见图4,该图也表示了TUoAg0.06合金在冷变形后的退火软化曲线。可见低于200°C时,合金的硬度几乎不变,当超过220°C时,硬度急剧下降;在250°C时,硬度106HV5,相当于退火前硬度的80% ,与所测的软化温度250°C一致。

  文献[7]认为,铜的软化温度主要与夹杂物和微量元素有关,由于固溶到铜基体的微量元素和生成弥散析出相的杂质能有效地阻碍位错的运动,从而提高铜的软化温度,在一定范围内将随微量元素的增加而提高。一般纯铜的软化温度150°C,铜中含有0.06%的Ag后,软化温度提高到250°C,可见,Ag有明显提高软化温度的作用。

  4.结论

  (1)采取真空熔炼工艺,控制合适的真空度、精炼温度和精炼时间,可以得到高纯无氧铜银合金,O≤ 5× 10-6、夹杂物∑总≤ 100× 10-6、Cu+ Ag≥99.99% ,Ag的回收率可达96%以上。(2)当冷变形度控制在80%时,TUoAg0.06合金的电导率IACS> 98% ,硬度130HV5,σb达450MPa,合金的软化温度250°C。其综合性能达到国外同类产品的先进水平。