CN102108459A - 高强度镍铬硅铜合金材料及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

高强度镍铬硅铜合金材料及其加工工艺涉及一种铜合金材料及其加工工艺，更具体地说，是涉及高强度镍铬硅铜合金材料及其加工工艺。本发明提供了一种毒性小、成本低的高强度镍铬硅铜合金材料及其加工工艺。本发明的组成的质量配比为：Ni：2.1％～2.9％、Cr：0.4％～0.7％、Si：0.3％～0.7％、杂质总量≤0.3％、Cu余量。本发明的加工工艺为：熔铸、压力加工、高温固溶淬火热处理、冷压力加工、时效热处理、机械加工。

Description

高强度镍铬硅铜合金材料及其加工工艺

技术领域：

本发明涉及一种铜合金材料及其加工工艺，更具体地说，是涉及高强度镍铬硅铜合金材料及其加工工艺。

背景技术：

目前，我国各大型发电机制造厂家为了提高汽轮发电机的不平衡运行能力和保证由于发电机负序电流造成温度升高后机组的安全可靠性，对所选用的转子槽楔材料要求必须有较高的导电性和具备很高的常温和高温机械性能。

多年来，国内一些大型汽轮发电机组制造厂家对300MW以上发电机组所选用的汽轮发电机转子槽楔材料多数采用美国西屋发电公司技术条件所提出的合金材料，即铍钴锆铜合金材料，其化学成分为：Pe：0.45～0.75％、Co：2.5～2.7％、Zr：0.2～0.3％、杂质总量≤0.3％、Cu余量。该种材料经固溶强化处理后，其各项性能指标优良。然而，这种合金存在以下的不足：铍毒性较大，每一立方米的空气中只要有一毫克铍的粉尘，就会使人染上急性肺炎-铍肺病；铍、钴金属的价格昂贵，使铍钴锆铜合金材料成本较高。

发明内容：

本发明就是针对上述问题，提供了一种毒性小、成本低的高强度镍铬硅铜合金材料及其加工工艺。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明的组成的质量配比为：Ni：2.1％～2.9％、Cr：0.4％～0.7％、Si：0.3％～0.7％、杂质总量≤0.3％、Cu余量。

本发明的加工工艺为：

1、熔铸

采用工频电炉熔炼半连续铸造的方法进行，熔铸时Cu、Ni可直接装炉加入，Cr以铬粉形式预先装入紫铜管中，将铜管两端封闭，然后以料包的形式加入，Si待出炉浇铸前加入；

熔铸100kg镍铬硅铜合金材料时，加入94.35kg～95.2kg的铜和2.1kg～2.9kg的镍直接装炉，熔铸温度达到1290～1310℃时加入含铬0.4kg～0.7kg的紫铜管料包，紫铜管的质量为1.5kg，熔铸温度达到1330～1350℃时加入质量为0.3kg～0.7kg的Si，然后在炉口液面加入硼砂进行覆盖，防止氧化造渣，覆盖厚度为30～40mm，待熔铸温度达到1350～1370℃时出炉浇铸坯料，熔铸坯料的规格可根据要求配备不同规格结晶器实现；

2、压力加工

熔铸后的坯料经表面打磨或脱皮去除表面缺陷后，进行压力加工开坯，压力加工开坯可采用加热锻造、加热挤压或热轧的方法，加热温度为920～960℃，终了温度不低于800℃；

3、高温固溶淬火热处理

采用电阻加热炉进行高温固溶淬火热处理，将料装炉升温至950～970℃，并在该温度下保温50～70分钟，待料温均匀后出炉，水淬速冷，水温控制在30℃以下；

4、冷压力加工

可采用冷锻造、冷拉拔或冷轧的方法进行加工，冷变形率控制在50％～60.9％；

5、时效热处理

采用电阻加热炉进行时效热处理，将料装炉升温至450～470℃，并在该温度下保温5～6小时，然后随炉冷却，当料温降至150℃以下时出炉；

6、机械加工。

本发明的有益效果：

含镍、铬、硅元素的铜合金材料具有机械性能高、耐蚀、耐磨、可热、冷压力加工，无磁性，冲击时不易产生火花的优点。

本发明以造价低、毒性小的镍、铬、硅作为高强度镍铬硅铜合金材料的元素组成，既实现了环保，又节约了成本，而且实验证明，高强度镍铬硅铜合金材料与铍钴锆铜合金材料的性能参数相接近。

本发明对几种铜合金材料的性能进行了比较，见表1。

表1不同铜合金材料的性能比较

从表1可以看到，镍铬硅铜合金与铍钴锆铜合金的技术参数相接近，而其它几种材料综合性能远低于镍铬硅铜合金材料，镍铬硅铜合金的常温性能高于铍钴锆铜合金的常温性能，特别是常温屈服强度优良，高温性能综合来看略低于铍钴锆铜合金的性能，但其综合性能完全满足汽轮发电机转子槽楔材料的技术要求。

使用厂家已在300MW汽轮发电机组转子槽楔中应用，其发电机负序实验结果为：I₂＝11.2％，I² ₂t＝15.6秒(要求值I₂≥10％，I² ₂t≥10秒)，并且使300MW汽轮发电机的发电能力达到325MW。

具体实施方式：

实施例1：Ni：2.9％、Cr：0.55％、Si：0.7％、杂质总量≤0.3％、Cu余量。

实施例2：Ni：2.5％、Cr：0.5％、Si：0.5％、杂质总量≤0.3％、Cu余量。

实施例3：Ni：2.1％、Cr：0.7％、Si：0.3％、杂质总量≤0.3％、Cu余量。

镍能提高铜合金材料的机械性能和耐蚀性能，并兼有良好的导电性，镍与硅能形成化合物Ni₂Si，并能溶于铜；铬与镍相似，能与硅形成溶于固态铜的化合物硅化铬，从而强化机体；铬不易降低铜的导电率，且可借沉淀硬化来提高材料的机械性能。

本发明的加工工艺的实施例如下：

实施例1(锻造棒材，规格45*60*L)：

1、熔铸

采用工频电炉熔炼半连续铸造的方法进行，熔铸时Cu、Ni可直接装炉加入，Cr以铬粉形式预先装入紫铜管中，将铜管两端封闭，然后以料包的形式加入，Si待出炉浇铸前加入；

熔铸100kg镍铬硅铜合金材料时，加入95.2kg的铜和2.1kg的镍直接装炉，熔铸温度达到1290～1310℃时加入含铬0.7kg的紫铜管料包，紫铜管的质量为1.5kg，熔铸温度达到1330～1350℃时加入0.5kg的Si，然后在炉口液面加入硼砂进行覆盖，防止氧化造渣，覆盖厚度为30～40mm，待熔铸温度达到1350～1370℃时出炉浇铸坯料，熔铸坯料的规格可根据要求配备不同规格结晶器实现，熔铸坯料的规格为∮180*L；

2、锻造加工

首先将坯料经表面打磨或脱皮去除表面缺陷后锯切锻造坯料，采用电阻加热炉加热，当料温升温至920～960℃时出炉锻造，坯料锻造的终了温度应不低于800℃，热锻造坯料尺寸为60*90*L；

3、高温固溶淬火热处理

采用电阻加热炉进行高温固溶淬火热处理，将料装炉升温至950～970℃，并在该温度下保温70分钟，待料温均匀后出炉，水淬速冷，水温控制在30℃以下；

4、冷锻造加工

在常温下进行锻造，锻造尺寸为45*60*L，冷变率控制在50％；

5、时效热处理

采用电阻加热炉进行时效热处理，将料装炉升温至450～470℃，并在该温度下保温6小时，然后随炉冷却，当料温降至150℃以下时出炉；

6、机械加工

锻造棒材表面利用铣床机加工。

实施例2(拉制棒材，规格Φ20*L)：

1、熔铸

采用工频电炉熔炼半连续铸造的方法进行，熔铸时Cu、Ni可直接装炉加入，Cr以铬粉形式预先装入紫铜管中，将铜管两端封闭，然后以料包的形式加入，Si待出炉浇铸前加入；

熔铸100kg镍铬硅铜合金材料时，将94.35kg电解铜和2.9kg的镍直接装炉，熔铸温度达到1290～1310℃时加入含铬0.55kg的紫铜管料包，紫铜管的质量为1.5kg，熔铸温度达到1330～1350℃时加入0.7kg的Si，然后在炉口液面加入硼砂覆盖，防止氧化造渣，覆盖厚度为30～40mm，待熔铸温度达到1350～1370℃时出炉浇铸坯料，熔铸坯料的规格可根据要求配备不同规格结晶器实现，熔铸坯料的规格为∮145*L；

2、挤压加工

首先将坯料经表面打磨或脱皮去除表面缺陷后锯切挤压坯料，采用电阻加热炉加热，当料温升温至920～960℃时出炉挤压，挤压设备为1500吨水封挤压机，挤压的终了温度应不低于800℃，挤压尺寸为Φ32*L；

3、高温固溶淬火热处理

采用电阻加热炉进行高温固溶淬火热处理，将料装炉升温至950～970℃，并在该温度下保温60分钟，待料温均匀后出炉，水淬速冷，水温控制在30℃以下；

4、冷拉拔加工

在常温下进行拉拔，设备为20吨直线拉伸机，先将坯料由Φ32*L冷拉拔至Φ27*L，接着将Φ27*L冷拉拔至Φ24*L，然后将Φ24*L冷拉拔至Φ22*L，最后将Φ22*L冷拉拔至Φ20*L，冷变形率控制在60.9％；

5、时效热处理

采用电阻加热炉进行时效热处理，将料装炉升温至450～470℃，并在该温度下保温5.5小时，然后随炉冷却，当料温降至150℃以下时出炉；

6、机械加工

拉制棒材利用矫直机矫直。

实施例3(轧制板材，规格10*300*L)：

1、熔铸

采用工频电炉熔炼半连续铸造的方法进行，熔铸时Cu、Ni可直接装炉加入，Cr以铬粉形式预先装入紫铜管中，将铜管两端封闭，然后以料包的形式加入，Si待出炉浇铸前加入；

熔铸100kg镍铬硅铜合金材料时，将95kg电解铜和2.5kg的镍直接装炉，熔铸温度达到1290～1310℃时加入含铬0.5kg的紫铜管料包，紫铜管的质量为1.5kg，熔铸温度达到1330～1350℃时加入0.5kg的Si，然后在炉口液面加入硼砂覆盖，防止氧化造渣，覆盖厚度为30～40mm，待熔铸温度达到1350～1370℃时出炉浇铸坯料，熔铸坯料的规格可根据要求配备不同规格结晶器实现，熔铸坯料的规格为60*300*L；

2、热轧加工

首先将坯料经表面打磨或脱皮去除表面缺陷后锯切轧制坯料，采用电阻加热炉加热，当料温升温至920～960℃时出炉挤压，轧制设备为Φ550轧机，轧制的终了温度应不低于800℃，通过热轧制将尺寸为60*300*L的坯料热轧至22*300*L；

3、高温固溶淬火热处理

采用电阻加热炉进行高温固溶淬火热处理，将料装炉升温至950～970℃，并在该温度下保温50分钟，待料温均匀后出炉，水淬速冷，水温控制在30℃以下；

4、冷轧加工

在常温下进行冷轧加工，轧制设备为Φ550轧机，先将坯料由22*300*L冷轧至18*300*L，接着将18*300*L冷轧至15*300*L，然后将15*300*L冷轧至13*300*L，然后将13*300*L冷轧至11*300*L，最后将11*300*L冷轧至10*300*L，冷变形率控制在54.6％；

5、时效热处理

采用电阻加热炉进行时效热处理，将料装炉升温至450～470℃，并在该温度下保温5小时，然后随炉冷却，当料温降至150℃以下时出炉；

6、机械加工

利用矫平机矫平板面。

加热压力加工的目的是改变熔铸坯料的形状，获得材料的内部组织的各向异性，同时也是为下道工序提供必要的坯料以满足最终材料的性能要求；

高温固溶淬火的目的在于使合金元素充分固溶，以得到最大限度的过饱和固溶体，经冷加工、时效热处理后析出沉淀强化相，以达到满足该种材料所要求的各项性能指标；

冷压力加工，为了使镍铬硅铜合金材料得到较理想的综合性能，必须采用淬火后进行冷变形加工(冷锻、冷拉拔、冷轧等方法)，然后进行时效处理；合金在冷变形过程中，变形使晶体产生了点阵畸变，从而阻止了滑移的继续进行，导致材料强化；从位错的观点看，由于冷变形程度的增加，位错不断增殖、位错密度不断增加，位错相互干扰使位错移动阻力增大，滑移更加困难，引起硬化使强度、硬度提高，塑性降低；

时效热处理是指合金材料经高温淬火后(或淬火后冷加工)进行的热处理过程，经过时效，并保温一定时间而获得满足材料最终性能要求的一种方法；时效的目的是使固溶在合金中的介稳定的溶质弥散析出在基体的位错上，即消除了材料的内应力提高材料塑性同时也起到阻止位错移动和攀移作用，从而导致合金强化；在析出沉淀相的同时，回溶体贫化，电阻随之下降，导电率大大提高；

机械加工的目的是为了获得不同几何形状的产品，可通过锻制棒材后进行车铣刨，也可通过轧制加工板材和拉制棒材，根据不同产品形状所需一般可采取下列方法加工：

锻制棒材的制造工艺：

锻制棒坯→固溶淬火→冷锻棒材→时效热处理；

轧制板材的制造工艺：

热轧板坯→固溶淬火→冷轧板材→时效热处理；

拉制棒材的制造工艺：

挤制棒坯→固溶淬火→冷拉拔棒材→时效热处理。

Claims (8)

1.高强度镍铬硅铜合金材料，其特征在于本发明的组成的质量配比为：Ni：2.1％～2.9％、Cr：0.4％～0.7％、Si：0.3％～0.7％、杂质总量≤0.3％、Cu余量。

2.根据权利要求1所述的高强度镍铬硅铜合金材料，其特征在于本发明的组成的质量配比为：Ni：2.9％、Cr：0.55％、Si：0.7％、杂质总量≤0.3％、Cu余量。

3.根据权利要求1所述的高强度镍铬硅铜合金材料，其特征在于本发明的组成的质量配比为：Ni：2.5％、Cr：0.5％、Si：0.5％、杂质总量≤0.3％、Cu余量。

4.根据权利要求1所述的高强度镍铬硅铜合金材料，其特征在于本发明的组成的质量配比为：Ni：2.1％、Cr：0.7％、Si：0.3％、杂质总量≤0.3％、Cu余量。

5.高强度镍铬硅铜合金材料的加工工艺，其特征在于，本发明的加工工艺为：

(1)熔铸

采用工频电炉熔炼半连续铸造的方法进行，熔铸时Cu、Ni可直接装炉加入，Cr以铬粉形式预先装入紫铜管中，将紫铜管两端封闭，然后以料包的形式加入，Si待出炉浇铸前加入；

熔铸100kg镍铬硅铜合金材料时，加入94.35kg～95.2kg的铜和2.1kg～2.9kg的镍直接装炉，熔铸温度达到1290～1310℃时加入含铬0.4kg～0.7kg的紫铜管料包，紫铜管的质量为1.5kg，熔铸温度达到1330～1350℃时加入质量为0.3kg～0.7kg的Si，然后在炉口液面加入硼砂进行覆盖，覆盖厚度为30～40mm，待熔铸温度达到1350～1370℃时出炉浇铸坯料；

(2)压力加工

熔铸后的坯料经表面打磨或脱皮去除表面缺陷后，进行压力加工开坯，压力加工开坯可采用加热锻造、加热挤压或热轧的方法，加热温度为920～960℃，终了温度不低于800℃；

(3)高温固溶淬火热处理

采用电阻加热炉进行高温固溶淬火热处理，将料装炉升温至950～970℃，并在该温度下保温50～70分钟，待料温均匀后出炉，水淬速冷，水温控制在30℃以下；

(4)冷压力加工

可采用冷锻造、冷拉拔或冷轧的方法进行加工，冷变形率控制在50％～60.9％；

(5)时效热处理

采用电阻加热炉进行时效热处理，将料装炉升温至450～470℃，并在该温度下保温5～6小时，然后随炉冷却，当料温降至150℃以下时出炉；

(6)机械加工。

6.根据权利要求5所述的高强度镍铬硅铜合金材料的加工工艺，其特征在于，本发明的加工工艺为：

(1)熔铸

采用工频电炉熔炼半连续铸造的方法进行，熔铸时Cu、Ni可直接装炉加入，Cr以铬粉形式预先装入紫铜管中，将紫铜管两端封闭，然后以料包的形式加入，Si待出炉浇铸前加入；

熔铸100kg镍铬硅铜合金材料时，加入95.2kg的铜和2.1kg的镍直接装炉，熔铸温度达到1290～1310℃时加入含铬0.7kg的紫铜管料包，紫铜管的质量为1.5kg，熔铸温度达到1330～1350℃时加入0.5kg的Si，然后在炉口液面加入硼砂进行覆盖，覆盖厚度为30～40mm，待熔铸温度达到1350～1370℃时出炉浇铸坯料，熔铸坯料的规格可根据要求配备不同规格结晶器实现，熔铸坯料的规格为∮180*L；

(2)锻造加工

首先将坯料经表面打磨或脱皮去除表面缺陷后锯切锻造坯料，采用电阻加热炉加热，当料温升温至920～960℃时出炉锻造，坯料锻造的终了温度应不低于800℃，热锻造坯料尺寸为60*90*L；

(3)高温固溶淬火热处理

采用电阻加热炉进行高温固溶淬火热处理，将料装炉升温至950～970℃，并在该温度下保温70分钟，待料温均匀后出炉，水淬速冷，水温控制在30℃以下；

(4)冷锻造加工

在常温下进行锻造，锻造尺寸为45*60*L，冷变率控制在50％；

(5)时效热处理

采用电阻加热炉进行时效热处理，将料装炉升温至450～470℃，并在该温度下保温6小时，然后随炉冷却，当料温降至150℃以下时出炉；

(6)机械加工

锻造棒材表面利用铣床机加工。

7.根据权利要求5所述的高强度镍铬硅铜合金材料的加工工艺，其特征在于，本发明的加工工艺为：

(1)熔铸

采用工频电炉熔炼半连续铸造的方法进行，熔铸时Cu、Ni可直接装炉加入，Cr以铬粉形式预先装入紫铜管中，将紫铜管两端封闭，然后以料包的形式加入，Si待出炉浇铸前加入；

熔铸100kg镍铬硅铜合金材料时，将94.35kg电解铜和2.9kg的镍直接装炉，熔铸温度达到1290～1310℃时加入含铬0.55kg的紫铜管料包，紫铜管的质量为1.5kg，熔铸温度达到1330～1350℃时加入0.7kg的Si，然后在炉口液面加入硼砂覆盖，覆盖厚度为30～40mm，待熔铸温度达到1350～1370℃时出炉浇铸坯料，熔铸坯料的规格可根据要求配备不同规格结晶器实现，熔铸坯料的规格为∮145*L；

(2)挤压加工

首先将坯料经表面打磨或脱皮去除表面缺陷后锯切挤压坯料，采用电阻加热炉加热，当料温升温至920～960℃时出炉挤压，挤压设备为1500吨水封挤压机，挤压的终了温度应不低于800℃，挤压尺寸为Φ32*L；

(3)高温固溶淬火热处理

采用电阻加热炉进行高温固溶淬火热处理，将料装炉升温至950～970℃，并在该温度下保温60分钟，待料温均匀后出炉，水淬速冷，水温控制在30℃以下；

(4)冷拉拔加工

在常温下进行拉拔，设备为20吨直线拉伸机，先将坯料由Φ32*L冷拉拔至Φ27*L，接着将Φ27*L冷拉拔至Φ24*L，然后将Φ24*L冷拉拔至Φ22*L，最后将Φ22*L冷拉拔至Φ20*L，冷变形率控制在60.9％；

(5)时效热处理

采用电阻加热炉进行时效热处理，将料装炉升温至450～470℃，并在该温度下保温5.5小时，然后随炉冷却，当料温降至150℃以下时出炉；

(6)机械加工

拉制棒材利用矫直机矫直。

8.根据权利要求5所述的高强度镍铬硅铜合金材料的加工工艺，其特征在于，本发明的加工工艺为：

(1)熔铸

采用工频电炉熔炼半连续铸造的方法进行，熔铸时Cu、Ni可直接装炉加入，Cr以铬粉形式预先装入紫铜管中，将紫铜管两端封闭，然后以料包的形式加入，Si待出炉浇铸前加入；

熔铸100kg镍铬硅铜合金材料时，将95kg电解铜和2.5kg的镍直接装炉，熔铸温度达到1290～1310℃时加入含铬0.5kg的紫铜管料包，紫铜管的质量为1.5kg，熔铸温度达到1330～1350℃时加入0.5kg的Si，然后在炉口液面加入硼砂覆盖，覆盖厚度为30～40mm，待熔铸温度达到1350～1370℃时出炉浇铸坯料，熔铸坯料的规格可根据要求配备不同规格结晶器实现，熔铸坯料的规格为60*300*L；

(2)热轧加工

首先将坯料经表面打磨或脱皮去除表面缺陷后锯切轧制坯料，采用电阻加热炉加热，当料温升温至920～960℃时出炉挤压，轧制设备为Φ550轧机，轧制的终了温度应不低于800℃，通过热轧制将尺寸为60*300*L的坯料热轧至22*300*L；

(3)高温固溶淬火热处理

采用电阻加热炉进行高温固溶淬火热处理，将料装炉升温至950～970℃，并在该温度下保温50分钟，待料温均匀后出炉，水淬速冷，水温控制在30℃以下；

(4)冷轧加工

在常温下进行冷轧加工，轧制设备为Φ550轧机，先将坯料由22*300*L冷轧至18*300*L，接着将18*300*L冷轧至15*300*L，然后将15*300*L冷轧至13*300*L，然后将13*300*L冷轧至11*300*L，最后将11*300*L冷轧至10*300*L，冷变形率控制在54.6％；

(5)时效热处理

采用电阻加热炉进行时效热处理，将料装炉升温至450～470℃，并在该温度下保温5小时，然后随炉冷却，当料温降至150℃以下时出炉；

(6)机械加工

利用矫平机矫平板面。