摘要:高純無氧銅銀合金具有高電導(dǎo)性、高軟化溫度和高強度,是串激電機換向器的新材料。為此研究了化學成分、熔煉工藝和加工工藝對合金性能的影響。
1.引言
換向器是直流電機的重要部件之一,紫銅(T1)和無氧銅(TU1)是制造換向器的傳統(tǒng)材料。隨著微特電機制造技術(shù)的發(fā)展,電機的轉(zhuǎn)速愈來愈高,體積愈來愈小。電機的電磁負荷增加,溫升提高,因此對換向器材料的性能要求更為苛刻。由于紫銅和無氧銅的強度低、軟化溫度低,顯然已不能滿足微特電機換向器的要求,必須開發(fā)新材料。
高純無氧銅銀合金O≤ 100× 10-6,夾雜物量∑總≤ 100× 10-6,Cu+ Ag≥ 99.99% (Ag0.02%～ 0.10% ),該合金由于氧和夾雜物含量極低,凈化了晶界,使得晶界脆化和裂紋產(chǎn)生的概率顯著減少,提高了合金的韌度和電導(dǎo)率;由于在銅中加入了少量的銀,在電導(dǎo)率下降甚少的情況下顯著提高了合金的力學性能和軟化溫度。我國無氧銅和銅銀合金的標準與日本無氧銅和美國無氧銅的標準對照見表1。
由表1可見,我國的無氧銅允許的含氧量和夾雜物遠高于國外同類標準中的含量,因此開發(fā)高質(zhì)量無氧銅十分重要[1]。經(jīng)多年的試驗研究,我們發(fā)現(xiàn)高純無氧銅銀合金(TUoAg0.06合金)主要性能均趕上國際先進水平,可以替代進口材料。表2是TUoAg0.06合金與國外無氧銅銀合金化學成分和主要性能對比。
2.試驗方法
2.1含銀量范圍
為了提高銅的抗拉強度和硬度,一般可添加合金元素和增大冷變形度,但不同程度地降低了銅的電導(dǎo)率。為保持較高的電導(dǎo)率,試樣選用Ag0.02%～ 0.10%的高純無氧銅銀合金。
2.2真空熔煉工藝
由Gibbs吸附理論可知,絕大多數(shù)的低熔點夾雜物將富集在晶界或界面。文獻[2]用示蹤法測定Bi在晶界的局部偏聚濃度比晶內(nèi)高103倍,由于晶界本身是一個缺陷較多的過渡帶,金屬中只要有1× 10-6的低熔點夾雜存在,就可能使其在晶界的偏聚量達0.1%左右,與Bi類似,Pb和Se等也易偏聚在晶界處。另外,銅中的脆性化合物(Cu2O、Cu2S、Cu2Se等)也易在晶界偏聚或沉淀,從而對合金性能產(chǎn)生一系列不利的影響。
通常在電解銅中存在約500× 10-6的氧和夾雜物,用一般的化學方法難以去除。而通過真空冶煉[3、4],提高真空度,可以使蒸氣壓較高的元素揮發(fā),從而去除Pb、Bi、Sb等低熔點有害元素。為此采用ZG-25真空感應(yīng)爐進行熔煉和鑄錠,選擇高純石墨坩堝和鐵模。每爐裝入量25kg,Cu一次性裝入坩堝,Ag裝入料斗中,裝入的原材料必須純度高、清潔無銹。
在真空度達到0.6Pa時開始送電,緩慢升高功率,使氣體在熔化期盡可能排出。在爐料完全熔化后,提高功率和真空度,保持適當?shù)木珶挄r間,使銅液中的氣體進一步排出和夾雜物加速揮發(fā)。因此,
精煉期的真空度控制在0.5～ 0.6Pa,溫度控制在1200～ 1270°C,精煉時間一般為30～ 40min。在銅液純凈、脫氧良好、溫度適中時可分批加入Ag料,進行大功率攪拌,使Ag均勻化。在1200°C左右進行澆注,此時要保持合金液平穩(wěn)上升。
2.3合金的加工
合金錠在熱軋前要切除冒口和銑面,將經(jīng)過表面處理的合金錠在電阻爐內(nèi)加熱(為防止?jié)B氧要保持局部還原性氣氛)至890°C,保溫20～ 30min后進行熱軋(為二輥可逆軋機),終軋尺寸的厚度控制要求留有20%～ 80%冷變形度(或10%～ 90% )。熱軋后須經(jīng)酸洗和表面清洗,再經(jīng)二輥冷軋機冷軋至厚度為2mm的銅銀合金帶。
3.試驗結(jié)果和討論
3.1化學成分的控制
對6爐合金進行了化學成分分析,結(jié)果見表3�？梢�,采取真空熔鑄工藝,控制合適的真空度(0.6～0.7Pa)、精煉溫度(1200～ 1270°C)和精煉時間(30～ 40min),所得銅銀合金的O≤ 5× 10-6、夾雜物∑總≤ 100× 10-6,達到了美國ASTMF68-77和日本JISH3510-86高純銅的標準要求,且Ag的收得率大于96%。試驗表明,使用電解銅作原料,通過一次性真空熔煉,可生產(chǎn)出高純無氧銅銀合金。
3.2含Ag量對電導(dǎo)率的影響
串激電機換向器對材料電導(dǎo)率的要求:軟態(tài)I-ACS≥ 99.5% ,硬態(tài)IACS≥ 97.5% ,任何元素加到銅中都會不同程度地降低其電導(dǎo)率,而Ag是緩慢降低電導(dǎo)率的元素。所以,在保證合金強度和硬度的前提下,應(yīng)盡量降低Ag在銅中的含量。測定了含Ag0.02%～ 0.09%的高純無氧銅銀合金(軟態(tài))的電導(dǎo)率,見圖1�？梢姰敽�Ag0.09ω,%時,IACS≥99.1% ,;當含Ag0.06ω,%時,IACS≥ 99.5%。作為高電導(dǎo)率合金的含Ag量,宜控制在0.06%附近記作TUoAg0.06。
3.3冷變形度對電導(dǎo)率的影響
高純無氧銅銀合金是在冷加工硬化后使用,為了便于比較冷變形度與電導(dǎo)率之間的關(guān)系,對TUoAg0.06合金進行了不同冷變形度(10%～90% )的軋制,其對電導(dǎo)率的影響見圖2。由于冷加工使晶界的狀態(tài)發(fā)生了變化,晶格畸變、位錯增加、晶格變長等因素引起電阻增大[5、6],因此冷變形度增大,電導(dǎo)率下降。當冷變形度80%時,電導(dǎo)率約為IACS97.5% ,可見為了保證合金具有較高的電導(dǎo)率,
高純無氧銅銀合金TUoAg0.06的冷變形度不宜超過80%。
3.4冷變形度對力學性能的影響
用經(jīng)10%～ 90%不同冷變形度的TUoAg0.06合金試樣,測量抗拉強度和維氏硬度,結(jié)果與文獻[5]基本一致。純銅在90%冷變形加工后,其硬度124HV;當在銅中加入Ag0.04%時,在同樣冷變形條件下,其硬度可達137HV,說明由于微量元素的加入可顯著地提高合金的力學性能。 TUoAg0.06合金冷變形度對力學性能的影響見圖3�？梢娎渥冃味仍�40%以下時,硬度和強度均隨冷變形度的增大而緩慢提高;冷變形度在40%～ 80%時,硬度和強度增加的幅度較大,曲線的斜率變陡;當冷變形度超過80% ,硬度和強度仍隨冷變形度的增加而提高。因此,通過冷變形可以有效地提高高純無氧銅銀合金的強度和硬度,并且可以通過控制冷變形度,來滿足新的力學性能。
3.5退火溫度對硬度的影響
將經(jīng)冷變形的TUoAg0.06合金(130HV5)的試樣分別進行50～ 350°C× 2h的退火處理。退火后試樣的維氏硬度與退火溫度的關(guān)系見圖4,該圖也表示了TUoAg0.06合金在冷變形后的退火軟化曲線�？梢姷陀�200°C時,合金的硬度幾乎不變,當超過220°C時,硬度急劇下降;在250°C時,硬度106HV5,相當于退火前硬度的80% ,與所測的軟化溫度250°C一致。
文獻[7]認為,銅的軟化溫度主要與夾雜物和微量元素有關(guān),由于固溶到銅基體的微量元素和生成彌散析出相的雜質(zhì)能有效地阻礙位錯的運動,從而提高銅的軟化溫度,在一定范圍內(nèi)將隨微量元素的增加而提高。一般純銅的軟化溫度150°C,銅中含有0.06%的Ag后,軟化溫度提高到250°C,可見,Ag有明顯提高軟化溫度的作用。
4.結(jié)論
(1)采取真空熔煉工藝,控制合適的真空度、精煉溫度和精煉時間,可以得到高純無氧銅銀合金,O≤ 5× 10-6、夾雜物∑總≤ 100× 10-6、Cu+ Ag≥99.99% ,Ag的回收率可達96%以上。(2)當冷變形度控制在80%時,TUoAg0.06合金的電導(dǎo)率IACS> 98% ,硬度130HV5,σb達450MPa,合金的軟化溫度250°C。其綜合性能達到國外同類產(chǎn)品的先進水平。