CN107557610A

CN107557610A - 一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺

Info

Publication number: CN107557610A
Application number: CN201710694194.3A
Authority: CN
Inventors: 徐高杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2018-01-09

Abstract

本发明公开了一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺，采用上引连铸→连续挤压→固溶淬火→冷变形→深冷处理→时效等制备工艺；铜合金由铜、镍、硅、铬、银、镁等组成，本发明提供的技术方案，获得的材料性能优异，完全满足汽轮发电机转子槽楔的使用要求。

Description

一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种有色金属合金材料及制备工艺，尤其涉及一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺。

背景技术

槽楔是固定发电机槽内定子线棒的零件，为了提高发电机不平衡运行能力和保证发电机负载电流造成温度升高时的安全可靠，大型发电机要求其槽楔材料必须有较高的导电性，同时具有较高的常温和高温力学性能。目前，国内大型汽轮发电机组制造厂家选用的汽轮发电机转子槽楔材料，多数采用铍钴铜合金材料，其化学成分为：铍0.045%-0.75%，钴2.5%-2.7%,锆0.2-0.3%，在室温下其抗拉强度大于690MPa，屈服强度大于590 MPa，伸长率大于15%，导电率大于38.1%IACS；在温度为427℃时，其抗拉强度大于520MPa，屈服强度大于450 MPa，伸长率大于5%。但是，铍是对人体有害的元素，尤其在高温下，对人体和环境都极为有害，出于对环境保护和人体健康等方面的考虑，需要更换铍钴铜合金材料，开发环境友好的汽轮发电机转子槽楔材料。

专利200510123011公开了一种大容量汽轮发电机转子铜合金槽楔及其制备方法，其合金成分为：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，铍对环境有害，同时价格高，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；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，导电率仅为49%IACS。专利200510038051 .4公开了一种汽轮发电机转子槽楔用钛青铜及其加工工艺，其成分为： Be：0 .1～0 .3% ,Ni：1 .5～2 .5%、Ti：0 .4～0 .6%、Cu：余量，导电率仅为47%IACS，同时高温性能不理想，工作寿命短，无法满足大功率发电机长时间运转的需求。专利201410249942.3公开了一种超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔的制备工艺。其通过采用连续挤压工艺，实现细化晶粒，之后再通过微冷变形及时效处理，实现了CuCrNiSi合金槽楔的制备。该工艺通过晶粒细化、形变强化以及析出强化，提高槽楔的力学性能，但是其导电率偏低，导电率只有30～40%IACS。专利201410620532.5公开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，其材料中包含Ni、Cr、Si、Zr 和Cu，Ni 的含量为1.6wt％～2.5wt％，Cr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％。其合金材料在大加工率变形时容易产生晶间裂纹，影响了材料的力学性能，使用时存在安全隐患。专利200910248653.0公开了一种高强度镍铬硅铜合金材料及其加工工艺，合金的组成的质量配比为：Ni：2.1％～2.9％、Cr：0.4％～0.7％、Si：0.3％～0.7％；采用的加工工艺为：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。该合金虽然室温性能较好，但是其高温性能低于铍钴铜合金材料的性能。

发明内容

针对上述的技术问题,本发明提供一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

所述的一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺包括以下步骤：

上引连铸→连续挤压→固溶淬火→冷变形→深冷处理→时效；

所述的一种短流程槽楔用铜合金包括铜、镍、硅、铬、银、镁等元素；按重量百分比计，所述的镍含量1.8%～2.5%、硅含量0.40%～0.60%、铬含量0.85%～1.0%、银含量0.20%～0.50%、镁含量0.20%～0.50%；所述铜、镍、硅、铬、银、镁等元素的总含量大于99.97%，所述镍含量、硅含量的比值是4.3：1；铬含量、银含量、镁含量的比值是2：1：1。

所述的上引连铸采用三连体熔炼设备，所述的熔炼设备包括熔化炉、保温炉、隔仓；熔化炉、隔仓和保温炉之间通过流沟相连，流沟高出炉底200mm，可促进铜液流动的均匀性，可以起到除渣的效果；所述的隔仓内安装有在线除气装置，通过在线除气装置向铜液内充入99.996%的氩气，并通过受控的旋转石墨轴和转子，将计量的氩气压入铜液中并打散成微小气泡，使其均匀的分散在铜液中，从而达到除气、脱氧的目的；所述的氩气出口压力0.5MPa，流量0.8Nm³/h，转子转速控制在120r/min。结晶器出水温度控制在20℃～30℃，上引连铸速度为550mm/min。熔化炉温度为1250℃～1350℃，保温炉温度为1250℃～1300℃。采用碎玻璃和硼砂进行覆盖铜液表面，碎玻璃和硼砂的比例为3：1；上引连铸铜杆的直径为30mm。

熔炼原材料选用高纯阴极铜、铜镍中间合金、铜硅中间合金、铜铬中间合金、纯银、纯镁。

所述的连续挤压的转速为3.2转/分钟，连续挤压设备的功率为600KW，连续挤压的扩展比大于10，挤压比大于1.2，连续挤压后采用含有10%的酒精溶液迅速冷却至小于35℃，连续挤压制备的铜合金材料其晶粒尺寸为0.005~0.015mm。

所述的固溶淬火是920℃保温1.5小时，水淬。

所述的冷变形采用30%～50%的加工率进行冷加工变形。

所述的深冷处理采用低温深冷处理设备，每小时温度降低50℃，直到-180℃，保温10小时，然后每小时升温50℃，直到室温。

所述的时效温度为450℃～470℃，时间为3小时。

本发明提供的技术方案制备铜合金槽楔，在室温下其抗拉强度大于690MPa，屈服强度大于590MPa～600MPa，伸长率大于15%，导电率大于40%IACS，软化温度为大于560℃；在温度为427℃时，其抗拉强度为大于520MPa，屈服强度大于450 MPa，伸长率6%～10%。

本发明的设计思路和有益效果如下：

1.采用上引连铸和连续挤压相结合的短流程制备工艺，提高了效率。

2.优化选择合金的元素和元素含量，铜合金槽楔包括铜、镍、硅、铬、银、镁等元素；按重量百分比计，所述的镍含量1.8%～2.5%、硅含量0.40%～0.60%、铬含量0.85%～1.0%、银含量0.20%～0.50%、镁含量0.20%～0.50%；所述铜、镍、硅、铬、银、镁等元素的总含量大于99.97%，所述镍含量、硅含量的比值是4.3：1；铬含量、银含量、镁含量的比值是2：1：1。

镍和硅能够形成化合物Ni₂Si，Ni₂Si是一种金属间化合物，硬度很高，尺寸小，显著提高合金的硬度和强度；同时镍和硅的比例合金材料的性能影响较大，当4.0＜镍含量/硅含量＜4.5时，合金材料的硬度和导电率达到较高水平，镍含量/硅含量＜4.0时，导电率明显降低，硬度也处于较低的水平，镍含量/硅含量＞4.5时，合金材料的导电率基本稳定，但是硬度较低，本发明通过大量的试验验证，优化镍含量和硅含量比例为4.3：1，既保证合金材料有优异的力学性能，又保证合金材料有优异的导电性能。

铬元素在合金材料中可以形成弥散分布的纳米级Cr相，显著提高材料的高温性能，铬和硅能够形成化合物Cr₃Si，Cr₃Si相粒子的尺寸为几个微米，可以显著提高合金材料的高温稳定性，弥散的Cr₃Si相粒子对淬火前加热期间合金的晶粒尺寸长大起到抑制作用，显著提高合金材料的力学性能；铬元素对合金材料的导电性影响不大。

银元素的添加对合金材料的导电性影响最小，作为合金元素加入时产生显著的固溶强化效应，从而提高了合金材料的力学性能，同时，银元素的添加可以显著提高铜的再结晶温度，提高铜的软化温度,可以显著提高的抗软化性能。

镁元素的添加可以使合金材料在时效过程析出相的密度增加，镁元素对位错运动存在拖拽效应，可以提高材料的性能。

3.采用深冷处理工艺，使合金的析出相尺寸细小，使合金材料中的位错发展成为位错环，使析出相颗粒周围的位错环阻碍后续位错的迁移；同时，深冷处理使合金材料中产生孪晶，而孪晶对塑性变形过程中位错的运动起到阻碍的作用，促使合金材料的强度提高。

本发明提供的技术方案，获得的合金材料性能优异，完全满足汽轮发电机转子的使用要求。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺包括以下步骤：

上引连铸→连续挤压→固溶淬火→冷变形→深冷处理→时效

所述的上引连铸采用三连体熔炼设备，所述的熔炼设备包括熔化炉、保温炉、隔仓；熔化炉、隔仓和保温炉之间通过流沟相连，流沟高出炉底200mm，可促进铜液流动的均匀性，可以起到除渣的效果；所述的隔仓内安装有在线除气装置，通过在线除气装置向铜液内充入99.996%的氩气，并通过受控的旋转石墨轴和转子，将计量的氩气压入铜液中并打散成微小气泡，使其均匀的分散在铜液中，从而达到除气、脱氧的目的；所述的氩气出口压力0.5MPa，流量0.8Nm³/h，转子转速控制在120r/min。结晶器出水温度控制在25℃，上引连铸速度为550mm/min。熔化炉温度为1300℃，保温炉温度为1250℃。采用碎玻璃和硼砂进行覆盖铜液表面，碎玻璃和硼砂的比例为3：1；上引连铸铜杆的直径为30mm。

熔炼的合金其镍含量1.8%～2.5%、硅含量0.40%～0.60%、铬含量0.85%～1.0%、银含量0.20%～0.50%、镁含量0.20%～0.50%；所述铜、镍、硅、铬、银、镁等元素的总含量大于99.97%，所述镍含量、硅含量的比值是4.3：1；铬含量、银含量、镁含量的比值是2：1：1。

所述的连续挤压的转速为3.2转/分钟，连续挤压设备的功率为600KW，连续挤压的扩展比大于10，挤压比大于1.2，连续挤压后采用含有10%的酒精溶液迅速冷却至小于35℃，连续挤压制备的铜合金材料其晶粒尺寸为0.010mm。

所述的固溶淬火是920℃保温1.5小时，水淬。

所述的冷变形采用50%的加工率进行冷加工变形。

所述的时效温度为450℃，时间为3小时。

本发明提供的技术方案制备的槽楔用铜合金，在室温下其抗拉强度700MPa，屈服强度595MPa，伸长率16%，导电率50%IACS，软化温度为600℃；在温度为427℃时，其抗拉强度为530MPa，屈服强度460 MPa，伸长率7%。

Claims

1.一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺，其特征在于：所述的制备工艺包括以下步骤：上引连铸→连续挤压→固溶淬火→冷变形→深冷处理→时效；所述的槽楔用铜合金包括铜、镍、硅、铬、银、镁等元素；按重量百分比计，所述的镍含量1.8%～2.5%、硅含量0.40%～0.60%、铬含量0.85%～1.0%、银含量0.20%～0.50%、镁含量0.20%～0.50%；所述铜、镍、硅、铬、银、镁等元素的总含量大于99.97%，所述镍含量、硅含量的比值是4.3：1；铬含量、银含量、镁含量的比值是2：1：1。

2.如权利要求1所述的一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺，特征在于：所述的上引连铸采用三连体熔炼设备，所述的熔炼设备包括熔化炉、保温炉、隔仓；熔化炉、隔仓和保温炉之间通过流沟相连，流沟高出炉底200mm，可促进铜液流动的均匀性，可以起到除渣的效果；所述的隔仓内安装有在线除气装置，通过在线除气装置向铜液内充入99.996%的氩气，并通过受控的旋转石墨轴和转子，将计量的氩气压入铜液中并打散成微小气泡，使其均匀的分散在铜液中，从而达到除气、脱氧的目的；所述的氩气出口压力0.5MPa，流量0.8Nm³/h，转子转速控制在120r/min；结晶器出水温度控制在20℃～30℃，上引连铸速度为550mm/min，熔化炉温度为1250℃～1350℃，保温炉温度为1250℃～1300℃。

3.如权利要求2所述的熔化炉、保温炉、隔仓采用碎玻璃和硼砂进行覆盖铜液表面，碎玻璃和硼砂的比例为3：1；上引连铸铜杆的直径为30mm；熔炼原材料选用高纯阴极铜、铜镍中间合金、铜硅中间合金、铜铬中间合金、纯银、纯镁。

4.如权利要求1所述的一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺，特征在于：所述的连续挤压的转速为3.2转/分钟，连续挤压设备的功率为600KW，连续挤压的扩展比大于10，挤压比大于1.2，连续挤压后采用含有10%的酒精溶液迅速冷却至小于35℃，连续挤压制备的铜合金材料其晶粒尺寸为0.005~0.015mm。

5.如权利要求1所述的一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺，特征在于：所述的固溶淬火是920℃保温1.5小时，水淬。

6.如权利要求1所述的一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺，特征在于：冷变形采用30%～50%的加工率进行冷加工变形。

7.如权利要求1所述的一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺，特征在于：所述的深冷处理采用低温深冷处理设备，每小时温度降低50℃，直到-180℃，保温10小时，然后每小时升温50℃，直到室温。

8.如权利要求1所述的一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺，特征在于：所述的时效温度为450℃～470℃，时间为3小时。

9.如权利要求1所述的一种短流程槽楔用铜合金的制备工艺，特征在于：制备的槽楔铜合金，在室温下其抗拉强度大于690MPa，屈服强度大于590MPa～600MPa，伸长率大于15%，导电率大于40%IACS，软化温度为大于560℃；在温度为427℃时，其抗拉强度为大于520MPa，屈服强度大于450 MPa，伸长率6%～10%。