CN104404294A - 易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔及其生产方法 - Google Patents

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王庭山
张英
李兆辉
张国喜
顾明亮
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Abstract

本发明提供了一种易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔及其生产方法。所述的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔，其特征在于，其材料中包含Ni、Cr、Si、Zr和Cu，Ni的含量为1.6wt％～2.5wt％，C的含量为0.05wt％～0.15wt％，Si的含量为0.5wt％～0.8wt％，Zr的含量为0.15wt％～0.25wt％，Ni、Cr、Si、Zr和Cu的总含量≥99.5wt％。本发明具有优良的高温性能(特别是高温伸长率)，且在高温(850℃左右)时塑性极好，可采用挤压和拉拔工艺来生产转子槽楔，代替原来的锻造工艺。

Description

易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔及其生产方法。
背景技术
在大型汽轮发电机中，转子长期处于高速旋转(3000r/min)的状态下。转子绕组依靠槽楔来压紧和固定，防止产生位移，因此，转子槽楔要承受自身和绕组的较大离心应力作用。同时，转子槽楔还负责将负序旋转磁场作用下产生的感应电流及时导走，削弱负序电流对转子发热的不利影响。发电机暂态运行时，转子槽楔温度可达将近300℃。因此转子槽楔材料应具有较高的室温和高温力学性能，优良的导电性和导热性，无磁性，同时还要具有合理的价格。
目前，转子槽楔材料主要包括铜合金、铝合金、不锈钢等多种材料。其中，铝合金强度较低且裂纹扩展特性差，不锈钢强度高但导电性能不佳，而铜合金各项性能均比较优异，一直以来是转子槽楔选用的主要材料。
转子铜合金槽楔材料种类较多，目前主要有铝青铜、铍铜和镍硅铜。其中，铝青铜强度、硬度高，但塑性、导电、导热性差；铍铜强度、硬度高，疲劳性能好且导电导热性好，但铍元素有毒性，且属于紧俏的战略资源；镍硅铜强度高，但高温性能较差。基于上述原因，开发出一种应用广泛，各项性能均可靠，无毒性，易加工成型的转子铜合金槽楔材料是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于研制出一种成分合理、性能可靠、易加工成型的新型转子铜合金槽楔材料及其生产方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔，其特征在于，其材料中包含Ni、Cr、Si、Zr和Cu，Ni的含量为1.6wt％～2.5wt％，C的含量为0.05wt％～0.15wt％，Si的含量为0.5wt％～0.8wt％，Zr的含量为0.15wt％～0.25wt％，Ni、Cr、Si、Zr和Cu的总含量≥99.5wt％。
本发明还提供了上述的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔的生产方法，其特征在于，包括：冶炼铸锭，采用热挤压机对铸锭进行热挤压，采用冷拉机对热挤压后的产品进行一次冷拉，再进行时效处理，得到易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔。
优选地，所述的冶炼温度为1240～1260℃，冶炼时间为2～2.5h。
优选地，所述的热挤压温度为800℃～900℃，冷拉速度为1.2～1.8m/s。
优选地，所述的冷拉的变形量不大于4％，冷拉速度为1.8～2.5m/s。
优选地，所述的时效处理的温度为460℃～480℃，时间为4-8小时。
优选地，在热挤压之前，对铸锭进行固溶处理，固溶温度为900～950℃，时间为30～45min。
本发明在借鉴镍硅铜合金的性能基础上，添加了高温性能优异的元素锆(Zr)，形成一种新型转子铜合金槽楔材料-镍硅锆铜(CuNi2Si+Zr，化学成分如表1)。
表1：镍硅锆铜化学成分表
锆元素的加入大大提高了合金的再结晶温度，并且在时效过程中能够析出Cu3Zr产生沉淀硬化效果，大大提高了合金的热强性，高温伸长率也得到了大幅的提高，这对高温下高速旋转的转子槽楔来说至关重要。同时，该合金材料易加工成型，在850℃左右时，该合金塑性达到最大，可采用挤压+拉拔工艺来制造，不仅能够使晶粒细化，而且质量稳定，生产效率高，成本低，可代替原始的锻造工艺。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明具有优良的高温性能(特别是高温伸长率)，且在高温(850℃左右)时塑性极好，可采用挤压和拉拔工艺来生产转子槽楔，代替原来的锻造工艺。
附图说明
图1为实施例4中的镍硅锆铜槽楔金相照片(20％冷拉变形量)；
图2为实施例1中的镍硅锆铜槽楔金相照片(4％冷拉变形量)。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔，其材料成分为Ni、Cr、Si、Zr、Cu和杂质，Ni的含量为2.25wt％，Cr的含量为0.07wt％，Si的含量为0.77wt％，Zr的含量为0.18wt％，Ni、Cr、Si、Zr和Cu的总含量为99.95wt％，余量为杂质。
上述的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔的生产方法为：
首先采用大容量真空冶炼技术熔炼铸锭，每炉总重500kg，原料为：Ni重量11.25kg，Cr重量0.35kg，Si重量3.85kg，Zr重量0.9kg，其余为纯铜；熔炼温度为1250℃，冶炼时间为2.5h。并去除头尾疏松多孔及杂质含量较多的部位，所得的铸锭的成分同上述材料成分。
接着对直径Φ220mm的铸锭进行固溶处理，固溶温度为900℃，时间为40min，之后采用热挤压机对铸锭进行热挤压，挤压温度850℃，挤压速度为1.5m/min，挤压模具的选择在充分考虑节约原材料的前提下，使其形状尽量符合产品净尺寸(留有少许正公差便于后续精整)同时从金相学角度分析，考虑到力的传递，使挤压截面的晶粒尺寸保持在较为均匀等轴的水平。
采用冷拉机对热挤压后的产品进行一次冷拉变形量4％，冷拉速度为2m/min，使其达到最终图纸所需要的截面尺寸和表面粗糙度。
再进行时效处理，温度为470℃，时间为6小时，得到易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔。
实施例2
一种易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔，其材料成分为Ni、Cr、Si、Zr、Cu和杂质，Ni的含量为1.6wt％，C的含量为0.05wt％，Si的含量为0.5wt％，Zr的含量为0.15wt％，Ni、Cr、Si、Zr和Cu的总含量为99.5wt％，余量为杂质。其生产方法与实施例1相同。
实施例3
一种易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔，其材料成分为Ni、Cr、Si、Zr、Cu和杂质，Ni的含量为2.5wt％，C的含量为0.15wt％，Si的含量为0.8wt％，Zr的含量为0.25wt％，Ni、Cr、Si、Zr和Cu的总含量为99.5wt％，余量为杂质。其生产方法与实施例1相同。
实施例4
一种易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔，其材料成分与实施例1相同，生产方法类似于实施例1，区别仅在于冷拉的变形量为20％。
实施例1-3的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔的室温和高温300℃力学性能均可以满足设计要求(见表4)。传统的锻造镍硅铜槽楔(20％冷变形量)的室温和高温300℃力学性能见表2，实施例1的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔的室温和高温300℃力学性能见表5，实施例4的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔(20％冷拉变形量)的室温和高温300℃力学性能见表3。在相同冷变形量的基础上，本发明的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔具有更好的室温和高温力学性能，高温伸长率大大提高，足够满足设计要求。
尽管镍硅锆铜槽楔采用20％冷拉变形量可获得较高的力学性能(表3)，但通过金相分析发现，槽楔存在明显的晶间裂纹(见图1)，因此需要降低冷拉变形量。通过试验发现，在4％的冷拉变形量下力学性能仍然可以满足设计要求，300℃伸长率任然可以达到5％左右，且此时已不存在晶间裂纹，金相组织优异，晶粒等轴均匀(见图2)。
表2：镍硅铜槽楔力学性能(锻件20％冷变形量)
表3：镍硅锆铜槽楔力学性能(挤拉20％冷变形量)
温度 屈服强度Rp0.2 抗拉强度Rm 伸长率A5
(MPa) (MPa) (％)
常温 691 759 15
300℃ 633 666 7
表4：转子槽楔力学性能设计要求
表5：镍硅锆铜槽楔力学性能(挤拉4％冷变形量)
本发明和传统的挤拉成型铍铜槽楔相比，虽然挤拉成型镍硅锆铜槽楔的力学性能低于挤拉成型铍铜槽楔(铍元素对铜合金的强化效果更加明显)，但铍铜需多道拉制工序，而本发明的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔只需一次拉制成型来保证尺寸精度和表面质量即可，制造工艺更加简单，成本更低。
总体来说，挤拉成型镍硅锆铜槽楔相比于锻造镍硅铜来说具有较好的高温性能，相比于铍铜来说挤制和拉制工艺更加简单，是转子槽楔选择的最佳材料和制造工艺。

Claims (7)

1.一种易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔，其特征在于，其材料中包含Ni、Cr、Si、Zr和Cu，Ni的含量为1.6wt％～2.5wt％，C的含量为0.05wt％～0.15wt％，Si的含量为0.5wt％～0.8wt％，Zr的含量为0.15wt％～0.25wt％，Ni、Cr、Si、Zr和Cu的总含量≥99.5wt％。
2.权利要求1所述的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔的生产方法，其特征在于，包括：冶炼铸锭，采用热挤压机对铸锭进行热挤压，采用冷拉机对热挤压后的产品进行一次冷拉，再进行时效处理，得到易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔。
3.如权利要求2所述的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔的生产方法，其特征在于，所述的冶炼温度为1240～1260℃，冶炼时间为2～2.5h。
4.如权利要求2所述的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔的生产方法，其特征在于，所述的热挤压温度为800℃～900℃，挤压速度为1.2～1.8m/s。
5.如权利要求2所述的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔的生产方法，其特征在于，所述的冷拉的变形量不大于4％，冷拉速度为1.8～2.5m/s。
6.如权利要求2所述的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔的生产方法，其特征在于，所述的时效处理的温度为460℃～480℃，时间为4～8小时。
7.如权利要求2所述的易挤压成型高温性能优良的铜合金转子槽楔的生产方法，其特征在于，在热挤压之前，对铸锭进行固溶处理，固溶温度为900～950℃，时间为30～45min。
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