CN103643079A - 一种大功率发电机转子槽楔用合金及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率发电机转子槽楔用合金及其生产工艺，所述合金的成分及其含量（Wt%）包括：Ni2.2～2.6、Cr0.32～0.40、Si0.55～0.65、P0.02～0.03、Cu余量；所述工艺包括熔炼、浇铸、固溶处理、时效强化；本工艺通过控制成分配比、工艺优化和进行多相强化，所得合金材料，导电率62～65%IACS；500℃下，抗拉强度689～692MPa，屈服强度644～647MPa，导电率高，耐高温性能好，寿命长，能满足大功率发电机转子槽楔用合金的使用要求，同时工艺简单，生产成本低，对环境污染小，具有较好的市场前景和经济效益。

Description

一种大功率发电机转子槽楔用合金及其生产工艺
技术领域
 本发明属于发电机转子槽楔材料生产技术领域，具体涉及一种大功率发电机转子槽楔用合金及其生产工艺。
背景技术
    发电机转子槽楔要承受转子运转时槽内铜线、绝缘件及自身巨大的离心力，电流流经槽楔会产生较高的温升，生产转子槽楔时需要使用导电率高、耐高温性能优良的合金材料。
申请号为200510123011的专利《大容量汽轮发电机转子铜合金槽楔及其制备方法》中，合金成分为：Ni:1.35～2.05% , Si:0.40～0.80% , Cr:0.05～0.25% , Be: 0.15～0.40% , Cu:余量；生产工艺主要采用920～980℃固溶处理，35～50%冷变形，450～500℃保温4～5h时效处理，空冷。该技术方案中，Be价格高，且影响合金的高温稳定性，使合金不宜长时间承受高温工作，同时添加Be的合金产生的粉尘会有毒；合金中Ni、Si的质量配比在2.5～3.5左右，Si含量相对偏高，只有一部分Si形成Ni2Si析出相，剩余的Si以固溶态存在，严重影响合金的导电率；所得合金导电率仅为49%IACS，寿命短，且耐高温性能未知。申请号为200510038051.4的专利《汽轮发电机转子槽楔用钛青铜及其加工工艺》中，钛青铜采用无钴无锆设计，其成分为： Be：0.1～0.3%,Ni：1.5～2.5%、Ti：0.4～0.6%、Cu：余量，所得合金导电率仅为47%IACS，高温（427℃）屈服强度480～550MPa，抗拉强度540～630MPa，工作寿命短，无法满足大功率发电机长时间运转的需求。
发明内容
 本发明是为了弥补上述不足，并对成分配比和生产工艺进行改进，提供一种大功率发电机转子槽楔用合金及其生产工艺，该合金导电率高，耐高温性能好，寿命长，能满足大功率发电机转子槽楔用合金的使用要求，同时工艺简单，生产成本低，对环境污染小，具有较好的市场前景和经济效益。
一种大功率发电机转子槽楔用合金，所述合金的成分及其含量（Wt%）包括：Ni 2.2～2.6、Cr 0.32～0.40、Si 0.55～0.65、P 0.02～0.03、Cu：余量；
所述大功率发电机转子槽楔用合金的生产工艺，包括以下步骤：
 ①熔炼：先将电解铜预热至250～280℃，再装入低频感应炉中，开始熔化时加入覆盖剂，使覆盖厚度达1.2～1.4mm，全部熔化后加入占铜质量0.5～0.7%的磷铜作为脱氧剂，进行扒渣，补充覆盖剂后，综合考虑各元素的理化性质，将Si、P、Ni、Cr按常规工艺依此加入铜熔体中，保温15min出炉；
②浇铸：采用常规连续铸造工艺，水压机上锻压成坯；
③固溶处理：在940～960℃下热处理1.5h再进行水淬处理，冷轧使合金产生60%冷变形；
④时效强化：再将铸坯加热至460～480℃保温2.5h后，机械加工成所需形状；
所述覆盖剂的成分及其含量（Wt%）为：50%木炭、30%碎玻璃、10% NaCl、10% CaF2。
    本技术方案中，在成分配比方面，Cr可以提高合金的电导性，形成Cr3Si相影响合金的高温稳定性，并能一定程度上抑制固溶处理期间合金的晶粒长大；因为铜基中Be与Ni2Si具有类似的机械性能，因此，可适当提高Ni2Si的含量，获得更好的热稳定性和高温强度，配比Ni和Si的质量百分含量分别在2.2～2.6%、0.55～0.65%，避免合金中含有固溶态Si，从而提高了合金的强度和导电率，既确保合金的性能，降低了生产成本，又减少了污染；而加入Cr后，Cr将比Ni、Si先溶于Cu中，使基体处于饱和状态，在一定程度上提高了Ni2Si相的析出量，基体中Ni、Si含量减少，减少了基体中晶格畸变的程度，提高了合金的导电率；使合金含有质量百分含量为0.02～0.03%的P，是为了在不会使合金产生明显晶格畸变的基础上，产生Ni3P沉淀强化相，进一步提高合金的显微硬度和抗拉强度，并一定程度上抑制析出相的长大，使合金基体得到纯化，导电率提高。
    合金熔炼时，选用低频感应炉降低铜合金的熔炼消耗，电解铜加入炉中前先预热，将Si、P、Ni、Cr按顺序熔化，合理的装炉和熔化顺序有效地缩短熔化时间，覆盖剂质量配比选用50%木炭、30%碎玻璃、10% NaCl、10% CaF2，该覆盖剂铺展性好，合金熔炼时能全面覆盖液态金属液面，与熔渣的亲和力强，具有极好的净化液态金属、细化合金的能力，使熔体得到适当保护并获得较佳的熔炼气氛；加入0.5～0.7%的磷铜作为脱氧剂，能够有效去除熔体里的氧粒子，有效提高合金的质量和成品率。 
 对铸坯采用高温固熔淬火处理、中温时效处理析出沉淀硬化合金的方法，该方法生产工艺简单，便于合金便于进行大规模生产。固溶处理时的处理温度以合金不产生晶粒粗大为前提,尽量提高温度，保温一定时间后快冷，保证析出相的溶质元素在基体中达到最大的固溶度。当在940～960℃下热处理1.5h再进行水淬处理，大量过剩相溶解，得到过饱和固溶体，冷轧使合金产生较大的冷变形，合金基体发生再结晶，使基体内部产生大量位错，合金的亚结构得到细化，但这种形变强化对铜合金的强度贡献有限，需要时效处理进一步强化，经460～480℃保温2.5h的时效处理，合金元素呈弥散分布的沉淀相相，且沉淀得到硬化，使合金取得最佳的性能。
本技术方案是在常规工艺的基础上，通过优化多元合金组成、添加微量元素、控制成分配比以提高合金的强度，并且尽可能地避免或减少对合金导电率的不良影响，进行多相强化，所得合金材料，室温下，抗拉强度796～798MPa，屈服强度734～737MPa，延展率17.9～18.2%，导电率62～65%IACS；500℃下，抗拉强度689～692MPa，屈服强度644～647MPa，导电率高，耐高温性能好，寿命长，确保了大功率发电机的安全可靠性。能满足大功率发电机转子槽楔用合金的使用要求，显著提高了大功率发电机的安全可靠性，同时工艺简单，生产成本低，对环境污染小，具有较好的市场前景和经济效益。
具体实施例
实施例一
制备一种大功率发电机转子槽楔用合金，各组合金的成分及其含量（Wt%）包括：2.2%Ni、0.32%Cr、0.55%Si、0.02%P、Cu：余量；
所述大功率发电机转子槽楔用合金的生产工艺，包括以下步骤：
 ①熔炼：先将电解铜预热至250℃，再装入低频感应炉中，开始熔化时加入覆盖剂，覆盖剂质量成分包括50%木炭、30%碎玻璃、10% NaCl、10% CaF2，使覆盖厚度达1.2mm，全部熔化后加入占铜质量0.5%的磷铜作为脱氧剂，进行扒渣，补充覆盖剂后，综合考虑各元素的理化性质，将Si、P、Ni、Be、Cr按常规工艺依此加入铜熔体中，保温15min出炉；
②浇铸：采用常规连续铸造工艺，水压机上锻压成坯；
③固溶处理：在940℃下热处理1.5h再进行水淬处理，冷轧使合金产生60%冷变形；
④时效强化：再将铸坯加热至460℃保温2.5h后，机械加工成所需形状。
经检测，合金性能如下表所示：
Figure 52456DEST_PATH_IMAGE002
 实施例二
制备一种大功率发电机转子槽楔用合金，各组合金的成分及其含量（Wt%）包括：2.4%Ni、0.36%Cr、0.60%Si、0.03%P、Cu：余量；
所述大功率发电机转子槽楔用合金的生产工艺，包括以下步骤：
 ①熔炼：先将电解铜预热至265℃，再装入低频感应炉中，开始熔化时加入覆盖剂，覆盖剂质量成分包括50%木炭、30%碎玻璃、10% NaCl、10% CaF2，使覆盖厚度达1.3mm，全部熔化后加入占铜质量0.6%的磷铜作为脱氧剂，进行扒渣，补充覆盖剂后，综合考虑各元素的理化性质，将Si、P、Ni、Be、Cr按常规工艺依此加入铜熔体中，保温15min出炉；
②浇铸：采用常规连续铸造工艺，水压机上锻压成坯；
③固溶处理：在950℃下热处理1.5h再进行水淬处理，冷轧使合金产生60%冷变形；
④时效强化：再将铸坯加热至470℃保温2.5h后，机械加工成所需形状。
经检测，合金性能如下表所示：
Figure 31913DEST_PATH_IMAGE004
 实施例三
制备一种大功率发电机转子槽楔用合金，各组合金的成分及其含量（Wt%）包括：2.6%Ni、0.40%Cr、0.65%Si、0.03%P、Cu：余量；
所述大功率发电机转子槽楔用合金的生产工艺，包括以下步骤：
 ①熔炼：先将电解铜预热至280℃，再装入低频感应炉中，开始熔化时加入覆盖剂，覆盖剂质量成分包括50%木炭、30%碎玻璃、10% NaCl、10% CaF2，使覆盖厚度达1.4mm，全部熔化后加入占铜质量0.7%的磷铜作为脱氧剂，进行扒渣，补充覆盖剂后，综合考虑各元素的理化性质，将Si、P、Ni、Be、Cr按常规工艺依此加入铜熔体中，保温15min出炉；
②浇铸：采用常规连续铸造工艺，水压机上锻压成坯；
③固溶处理：在960℃下热处理1.5h再进行水淬处理，冷轧使合金产生60%冷变形；
④时效强化：再将铸坯加热至480℃保温2.5h后，机械加工成所需形状。
经检测，合金性能如下表所示：
 由上述三个实施例表明，采用本技术方案，所得合金材料，室温下，抗拉强度796～798MPa，屈服强度734～737MPa，延展率17.9～18.2%，导电率62～65%IACS；500℃下，抗拉强度689～692MPa，屈服强度644～647MPa，导电率高，耐高温性能好，寿命长，能满足大功率发电机转子槽楔用合金的使用要求，确保了大功率发电机的安全可靠性。

Claims (3)

1.一种大功率发电机转子槽楔用合金，其特征在于，所述合金的成分及其含量（Wt%）包括：Ni 2.2～2.6、Cr 0.32～0.40、Si 0.55～0.65、P 0.02～0.03、Cu：余量。
2.一种生产如权利要求1所述的大功率发电机转子槽楔用合金的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
 ①熔炼：先将电解铜预热至250～280℃，再装入低频感应炉中，开始熔化时加入覆盖剂，使覆盖厚度达1.2～1.4mm，全部熔化后加入占铜质量0.5～0.7%的磷铜作为脱氧剂，进行扒渣，补充覆盖剂后，综合考虑各元素的理化性质，将Si、P、Ni、Cr按常规工艺依此加入铜熔体中，保温15min出炉；
②浇铸：采用常规连续铸造工艺，水压机上锻压成坯；
③固溶处理：在940～960℃下热处理1.5h再进行水淬处理，冷轧使合金产生60%冷变形；
④时效强化：再将铸坯加热至460～480℃保温2.5h后，机械加工成所需形状。
3.如权利要求2所述的一种大功率发电机转子槽楔用合金的生产工艺，其特征在于，所述覆盖剂的成分及其含量（Wt%）为：50%木炭、30%碎玻璃、10% NaCl、10% CaF2。
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