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半固态成形工艺在鼠笼式感应电动机生产中的应用
Jeong-Il Youn1,a and Young-Jig Kim1,b
韩国成均馆大学高级工程材料系Chunchun-dong, Jangan-gu, Suwon,
关键词：半固态工艺、触变成形、铜、感应电机、转子、鼠笼绕组
摘要：本文介绍了Cu-Ag合金半固态成形工艺在中小型感应电动机生产中的应用。金属可以在1065摄氏度、9MPa的铸造压力、0.08 m/s的冲压速度的条件下可以完成模具填充. 并且鼠笼绕组没有缺陷，金属液温度和冲压速度是影响转子槽填充的主要影响因素.然而，铸造压力却不怎么影响实验中的填充.在相同的触变成形条件下，当冲压速度为1.5m/s，金属液不能填满狭槽并且凝固成针状固体.冲压速度过快是这种狭槽未填被满的缺陷的主要引起原因.因为在狭槽部位的金属液会首先凝固并阻碍剩余金属液的流动.
简介
工业国家电力消耗的50%以上是在消耗在电机上.高效利用和电机的设计成为了节约能源的关键.在众多方法之中，用导电率更高的铜代替电机转子中的铝是一种提高中小型感应电机效率的方法[1].中小型感应电机的鼠笼绕组是用铝压铸成的.在复杂部件的生产中，压铸是最经济的方法。因为这个原因，在过去的二十年里，鼠笼绕组中的压铸铜已经产生了一些经济效益. 然而,铜的压铸过程并不简单.相比于铝660摄氏度的溶解温度，铜的溶解温度为1083摄氏度，高出了铝许多.所以压铸铝对模具有更高的要求，模具的价格高使用寿命更短，而这也成为了实现低成本压铸过程的一个限制因素，所以这种方法并没有显示出多大的经济性.
半固态成形工艺，特别是触变成形，通常是在150~200摄氏度下进行的，这个温度比一般压铸铜所需的温度低多了.结果是潜在的模具损耗少了，因而模具使用寿命也就延长了，或者说昂贵模具的使用量减少了[2]。然而鼠笼绕组转子中铜的触变成形过程也有一些问题.首先，合金中的其他元素必须能与铜融合，以便能为触变成形提供一个较大的融化范围.第二，所加元素的分量要小，这样是为了合金能保持较高的导电率[3, 4].在这项研究中，银成为了铜合金中的元素. Cu-Ag合金在一般的大气条件下就能铸造，并且合金有一个适当的固液共存的范围。Cu-Ag合金微观组织的变化、导电率、触变成形已经在研究中了。这些微观组织的变化，诸如液相比、大小和分布的球状颗粒正在通过图像分析系统和光学显微镜评估.触变成形的条件正是基于微观组织变化的评估结果而建立的.
实验过程
材料：在大气条件下感应融化的Cu-Ag合金，并把它注入直径52毫米、高90毫米圆柱形模具内.分别浇注Ag百分比为1~7的合金来分别计算他们的导电率，并对Cu-5wt.%Ag合金的微观组织变化进行观察.改变温度和时间来观察合金的微观组织变化，从而得到合适的触变成形条件.用光学显微镜观察合金的微观构造，用感应式电导率仪测量合金的电导率.
表1.触变成形条件

序号
金属液温度(℃)
冲压速度(m/s)
铸造压力(MPa)
模具温度(℃)
a
1050
1.5
5
300
b
1050
1.5
9
300
c
1050
1.5
5
300
d
1050
0.08
9
300
e
1065
0.08
9
300

触变成形.该研究所使用的触变成形机是一个纵向的结构，它有两个室.因为这个它有加热功能，所以坯料就不需要用外部设备加热.因此在大气条件下加热和成形的过程都能在该仪器内进行.该仪器的最大载荷为40t，最大速度为1.5m/s，最大模具夹紧力为100t.用一个仪器自带的20KW的中频感应加热机给它加热.金属液可以通过标准加热程序重新加热.表1显示了不同条件下的研究结果. 这次触变成形过程使用的鼠笼绕组是空调压缩机所使用功率为60W的电机的核心.
结果和讨论
材料的导电性取决于合金元素的比重，并且随着合金比重的增加而降低，尽管下降的速度随合金元素的不同而不同.鼠笼绕组中的导体导电率必须大于85 %IACS,这是因为如果合金的导电率低于上值，就不能达到预期的效益效率 [3].在这项研究中，含银量为1、3、5、7wt.%的合金的导电率分别为94、89、87、85%IACS.综合考虑导电率和触变成形温度范围，Cu-5wt.%Ag合金应该是最佳选择. Cu-5wt%Ag合金显微组织变化，诸如恒温下形状、大小、球状颗粒分布已经在研究中，这是为了建立实用的触变成形条件.表2显示了恒温下液相比和球状颗粒直径的大小变化. 随着温度的增高，液相比也增高.然而球状颗
表2 Cu-5wt%Ag合金显微组织演化的结果
加热条件

Fraction

球状颗粒大小

温度（℃）
时间（s）
fS
fL
fL
平均直径大小（µm）
标准偏差
1020
0
90.3
9.7

137
89.6
1030
0
88.4
11.0
0.6
139
72.1
1030
1200
84.1
15.0
0.9
171
75.4
1040
0
81.9
15.2
2.9
135
67.6
1050
0
71.2
24.7
4.1
136
70.0
1065
0
68.6
25.7
5.7
102
77.9

图1.不同条件下Cu-5wt%Ag合金触变成形鼠笼式转子的照片；(a),(b)和(c)是b,d和e条件下的表1
粒的平均直径却没有显示出这种特定趋势，只是随着时间而增大[5, 6]. 通过图1不同条件下Cu-5wt%Ag合金触变成形鼠笼式转子的照片可以找到了影响触变成形的主要因素.金属液温度、冲压速度和铸造压力变化，模具温度升到300摄氏度并用电阻加热器保持.在这个研究中，金属液温度和冲压速度是转子槽填充的主要影响因素.而铸造压力的影响却很小.图1（a）显示了冲压速度对金属液渗流的影响.在其他条件相同的情况下，当冲压速度为1.5m/s时，金属液凝固成针状.因为通过计算，当冲压速度为1.5m/s时，狭槽中金属液的速度为25m/s.这种快速的流动就是狭槽为被填满缺陷的原因. 这是因为在狭槽部位的金属液会首先凝固并阻碍剩余金属液的流动.通过对比表1 d条件下和e条件下的成形情况.如下面图2和图3.A和B分别是铜合金端环的上面和下面.(a)、（b）、（c）是触变成形鼠笼式转子铜的横截面.如图2所示，当金属液温度为1050摄氏度时，填充率只有70%，铜合金端环两端的体积比分别为46%和69%.球形颗粒非常粗糙，鼠笼式转子铜的上端和下端的固体体积比也不同.图3显示了e条件下出现的情况，它的金属液温度为1065摄氏度.比起图2的微观结构，图3铜环两端的球状颗粒平均直径要小10微米左右.并且图3铜环上端的固体体积比下降很快，尽管图2也有类似的下降.触变成形转子被分成3个部分来计算其填充率.用铜液填充转子的顶部、中部和下部的狭槽
结论
1. 当铜合金中Ag的质量百分比为1、3、5、7时，它的电导率分别
图2铜上部的微观结构(A) 铜下部的微观结构（B）铜在表1 d条件下：（a）顶部（b）中部（c）底部

图3铜上部的微观结构(A) 铜下部的微观结构（B）铜在表1 e条件下：（a）顶部（b）中部（c）底部
为94、89、87、85 %IACS.所以考虑到合金电导率和触变成形温度范围，Cu-5wt.%Ag合金最为合适.
2.考虑到触变成形时合金的电导率和固液共存的温度范围，Cu-5wt.%Ag合金已经被我们选为研究对象.
3.金属液温度和冲压速度是影响转子槽填充的主要因素，而铸造压力的影响则相对较小.
4.通过触边成形，可以生产出无缺陷的鼠笼式转子铜.

参考文献
[1] CDA and ICA: The die cast copper motor rotor (Technology Transfer Report, USA 2001).
[2] M. C Fleming: Metall. Trans. B Vol. 22B (1991), p. 269
[3] P. J. Ward, H. V. Atkinson, D. H. Kirkwood and G. Starr: Proc. 4th Int. Conf. (1996), p. 269
[4] K. Y. Sohn, B. M. Kang, C. J. Kim and S. Y. Lee: Proc. 7th Int. Conf. (1996), p. 89
[5] M. Ferrante and E. Freitas: Mat. Sci. and Eng. Vol. A271 (1999), p. 172
[6] W. Lapkowski: J. Mat. Proc. Tech. Vol. 80 (1998), p. 463