第一节 电机铜件产品基本生产技术、工艺或流程
转子铜合金导条制备工艺流程图
转子铜合金端环制备
端环铜合金成份设计→炼、铸造→铸锭均匀化→锻造工艺→热处理工艺
转子护环制备
护环铜合金成份设计→熔炼、铸造→铸锭均匀化→锻造工艺→稳定化退火处理工艺
第二节 电机铜件产品新技术研发、应用情况
1、电机转子导条和端环用高强高导铜合金 研究 概况
功率较小、转速较低的电机可以采用纯铜作为其导条和端环。因为纯铜具有优良的导电性、导热性、耐蚀性及良好的加工性能，但纯铜强度较低，软态仅为230~290MPa，冷加工后虽可达400MPa以上，但延伸率仅为2％左右，同时纯铜高温下抗软化能力低，如纯铜冷轧后在82℃下长时间停留，强度即恢复到冷轧前的状态。
作为轨道交通牵引动力的电动机，功率大，转速高，龙其是作为地铁牵引动力时，处于一个相对封闭的环境，环境温度较高，纯铜已经不能满足使用要求，需要采用强度更高、导电和导热性能也相对较好的高性能铜合金。导电率与强度的良好配合既是技术的要求，又是经济的要求。因此，如何在不降低铜电导率的前提下，大幅度提高铜材料的强度，已成为轨道交通牵引电机用高性能铜合金 研究 开发的中心任务之一。
高强度高导电铜合金作为具有优良综合物理性能和力学性能的功能结构材料，它既具有较高的强度和良好的塑性，又具备优良的导电性能，还具有抗氧化、抗应力松弛、抗蠕变、抗应力腐蚀能力好，疲劳性能好，无氢脆等性能特点。高强度高导电铜合金不但克服了纯铜应用上的局限性，而且材料用量大大节省，环境适应性强，使用寿命长，是制备高速铁路电力机车架空导线芯、高速轨道交通异步牵引电动机转子等器件的优良材料。
异步牵引电动机的转子是电动机的关键部件之一，转子材料主要有铜条转子和铸铝转子两类。目前轨道交通高速异步牵引电动机转子都采用鼠笼式结构，转子材料包括导条、端环和护环。导条材料主要有冷拉铜，铬铜或锆铜，这些材料的性能见表。冷拉铜在温度高于200℃时显著软化，并且交变疲劳极限很低。镍铜的力学性能虽好，但其电导率很低。铬铜和锆铜具有较好的力学性能和电学性能，是比较好的电机转子材料。
典型铜合金导奈材料的性能
异步牵引电动机转子如图所示，转子铜导条嵌在铁芯上，之后与端环焊在一起，护环则热套于两端的端环上。
大功率异步牵引电动机转子
导条、端环与护环的性能与质量直接关系到异步牵引电动机乃至整个机车的性能。影响导条与护环的主要因素是作用在转子上的各种应力和运行时电机内的温升情况。作用在转子上的应力主要有热应力、电磁应力、残余应力、动态应力、环境应力和机械应力等。电机温升主要是由于定子和转子的铜耗造成的，温度升高会使得钎焊接头软化或熔化，导条材料本身在温升条件下也会软化，使蠕变阻力降低而导致转子导条的变形或断裂。因此要求转子材料不仅要有一定的常温力学性能而且还有有一定的高温性能。另一方面，大功率电动机的起动转矩和负载转矩都很大，且启动频繁，转子导条材料也要求具有适宜的电阻率，以降低起动电流，加大起动转矩，防止电机温升过高。但电动机转子电阻大，正常运行时效率较低，因此在确定电动机转子导条电阻时要兼顾起动特性和运转效率两方面的要求，既不能太大也不能太低。为利于变频电路的平衡，还要求异步牵引电动机转子材料的电阻率有很高的精度。
2、电机转子护环用高强高韧铜合金 研究 概况
护环是电动机转子上的重要部件之一。它热套于端环上，受紧配合力、本身及绕组端部的离心力、弯曲应力等作用，叠加应力很高。因此要求护环材料必须有足够的强度和尽可能高的塑性与韧性、最小的残余应力、最少的危害性缺陷。为了减少漏磁和涡流损耗，要求护环材料必须无磁性。随着电动机功率的不断提高，护环所承受的应力也逐步上升，在机组运转时，由于电磁场及电流的作用，会使护环发热。通常情况下温升有近百度，特殊情况下瞬时能高达几百度。因此，护环材料也应注意高温软化问题。
因电机护环产生疲劳裂纹而发生的事故，已有许多次，从750千瓦到12500千瓦电机都有。上世纪50年代初，加拿大安大略(Ontario)公司为多伦多(Toronto)电站订购的4台10万千瓦汽轮发电机，仅运行一年多，其中1撑，2撑机相继发生爆炸。德国西门子公司一台5万千瓦1500转／分电机，由于护环选择不当，也在运行中发生爆炸。60年代初期，日本宝兰工厂用Mn-Ni．Cr钢锻成的护环，发生过两起爆炸事故。为此，材料科学工作者探讨了护环材料及加工的影响，护环设计结构的影响，以及电机运行条件的影响，并对裂纹的特性及产生原因做了 研究 。通过护环强度破坏试验、残余应力试验、疲劳试验、应力腐蚀试验和脆性破坏试验，最后证明护环损坏的主要原因在于：电机运行过程中的温升引起护环内外壁的温度差而产生热应力，从而造成晶间腐蚀破坏。
目前，德国西门子公司、同本三菱公司等生产的牵引电机均使用铜基合金作护环材料。铜基合会除了保持钢护环的高强度性能外，还具有较高的韧性和良好的导热性及抗应力腐蚀，这对降低转子温升，减少转子端部断裂有明显效果。
3、电机转子导条和端环焊接配用焊料 研究 概况
国外高速列车、地铁列车和轻轨列车发展较早，大功率调频调速异步电动机已有成熟的制造技术，焊料是大功率异步电动机的钎焊连接材料，有系列产品可供选择。俄罗斯莫斯科有色金属加工 研究 院、日本三菱电机公司、德国西门子公司、瑞士ABB公司等均有成熟的技术和产品。国内的地铁电机原来都是整机进口，九五期间才开始立项进行研制。焊料是辅料，第一批国产地铁、轻轨和高速试验列车用钎焊料仍采用进口。国内没有厂家生产这种特殊的银铜焊料，只有昆贵所研制过一种航天用高强高导铜合金火箭发动机液体冷却喷管配用焊料，但只处于实验室研制阶段。大功率异步电动机转子转速高、负荷重、转子温度可达310℃，导条与端环之间350℃下必须有很高的结合强度。目前只有在银铜合金基础上采用多元复合微合金化才能得到保证。国外只供产品，不供技术，但从一些电机杂志报道以及对进口料的 分析 可以知道这种钎焊料是多元复合微合金化的银铜基。
第三节 电机铜件产品技术开发热点、难点 分析
1、导条铜合金最佳制备工艺为挤压一在线水淬一30～40％冷拉变形--450"C／4h时效。
2、 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行，从而使合金的强度进一步提高。
3、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一时效工艺，可以获得较好的综合性能，以满足轨道交通用大功率调频调速异步牵引电动机转子组件端环的设计要求。
第四节 电机铜件产品未来技术发展趋势
(1)多元微合金化和沉淀强化是改善高强导电铜合金性能的有效途径
合金化法制备高强高导铜合金主要是固溶强化和沉淀强化两种方法，细晶强化和形变强化常作为辅助强化手段。由于铜与其它异种金属有良好的熔合性，已开发出了诸如Cu-Zn、Cu-Sn、Cu-A1和Cu-Ni等一系列固溶强化型合金，但由于固溶元素在金属中使导电电子散射加剧，导电、导热性大幅度下降，因此，就高强高导电性合金来说，固溶强化型合金较少。沉淀强化型合金，经高温固溶处理，随后时效，合金元素呈弥散相析出，固溶体贫化为纯铜基体，恢复了由于固溶处理所降低的导电、导热性，取得了强度和导电、导热性的平衡，因此，沉淀强化法是制备高强高导铜合金的主要途径。
为了进一步提高铜基二元合金的强度，改善导电性，弥补其它性能上的不足，人们在二元合金的基础上，添加微量的第三组元甚至第四组元。如在Cu-Cr合金的基础上添加微量Zr及RE既能显著提高其强度和导电率，同时又能有效地防止合金过时效。在铜合金中添加适量稀土能显著细化晶粒，提高强度、韧性及其它加工性能。目前多元微合金化技术已越来越受到重视，已成为进一步改善高强高导铜合金综合性能的有效手段。
2、材料复合化是高强高导铜合金的发展方向
现代工业的飞速发展对铜基导电材料的综合性能提出了更高的要求。合金化方法由于自身的局限性，在保持铜高导电性的同时，对强度的提高有一定限度。复合强化能同时发挥基体和强化相的协同作用，又具有很大的设计自由度。复合强化不会明显降低铜基体的导电性，由于强化相的作用还改善了基体的室温及高温性能，成为获得高强度导电铜基材料的主要强化手段，代表高强高导铜合金的发展方向。自生复合铜合金是通过自生复合组织来强化基体机械性能并兼顾导电性能的铜合金材料，极有可能成为现有高强高导铜合金的替代材料。
3、产品应用时需要更多地考虑综合性能
在许多应用领域，高强高导铜合金所要求的并非只是导电性和强度，而是多项综合性能。就牵引电机铜合金而言，除高强高导外，还要求有较好的耐热性和耐蚀性，对残余应力、线膨胀系数、机加工性能和焊接性能也有较高要求。因为这些铜合金经常要与异种材料或异种金属接触或接合，因此，有必要 研究 铜合金与珐琅和树脂等的密合性问题，与绝缘材料接触导致绝缘材料老化的问题以及铜材表面氧化膜引起的应力腐蚀和铜材的电镀等问题。另外，作为析出强化型合金，大都含有诸如Zr、Cr、Si等与氧亲和力极强的合金元素，在关注合金电学性能和力学性能的同时，还应从组织上探讨这些元素对材质表面性能的影响悼引。因此，怎样通过优化合金成份，选择合理的制备工艺，生产出满足综合性能要求高的产品，也将成为今后的重要课题。
4、开发的产品应符合产业化、规模化趋势
研制高强高导铜合会的最终目的就是为电力、电器、机械制造等工业部门提供高质量低成本的导电铜材。一项新成果在 研究 阶段为了追求高性能可以较少地考虑成本因素，但最终要面对市场的选择，使产品具有合理的性价比。常规合金化法生产高强高导铜合金，虽然其强化效果有限，但能够直接与常规铸造特别是连续铸造技术相结合，可大幅度降低铜合金的生产成本，其产品不但可以作为功能材料，而且可以作为结构材料，从而仍显视出强大的生命力。原位复合材料等新型高强高导铜材生产成本高昂，工艺控制困难，一时难以实现大规模产业化，仍需进一步深入 研究 。因此，要努力开发性能好、市场潜力大、成本低、适合规模化生产的高强高导铜合金。
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