大容量汽轮发电机转子铜合金槽楔及其制备方法
技术领域
本发明属于汽轮发电机转子槽楔材料,特指大容量汽轮发电机转子铜合金槽楔及其制备方法。
背景技术
大容量发电机转子是发电机的重要核心构件,一般重达53000~64000kg以上,发电机上一些主要构件,如汽轮叶片等都安装固定在转子上,以3000转/分钟以上的速度高速运转,槽楔铜合金镶嵌在转子表面的纵向槽内,以压紧槽内下部的励磁绕组导线和绝缘体,它要承受槽内导线和绝缘体以及自身,因高速运转而产生巨大的离心力。另外在电流产生负序旋转磁场的作用下,尤其是在发电机发生不对称短路故障时,在转子的表面产生较大的感应电流,这种电流流经铜合金槽楔时,会使其迅速产生温升。槽楔铜合金长期连续在高温、重载荷下工作,槽楔铜合金必须具有高的强度,良好的导电、导热性能,且在室温和高温(300℃)以上具有优良的综合力学和物理性能,且材料内部不允许存在微小的疏松、气孔、裂纹和夹杂等微观缺陷,以免在长期高温、交变截荷下成为疲劳断裂和蠕变断裂源,成为发电机组的重大隐患。因此,槽楔铜合金不仅需要优良的综合力学和物理性能外,还要进行超声波严格探伤,不允许材料内部有这些微观缺陷存在。美国西屋电气公司从1900年开始研制生产第一台1500KW(小容量)发电机组起,开始用铬锆铜,1958年研制使用CuCO2Be青铜。1961年调整合金成分,研制CuCo2BeZr铜合金,并申请了专利。长期以来,国外一些大的汽轮发电机组生产公司一直沿用CuCo2BeZr铜合金。我国在上世纪80年代初,引进西屋电气公司300MW、600MW汽轮发电机组生产技术,大部分构件,包括CuCo2BeZr铜合金槽楔材料均从该公司进口。该合金含有贵重,我国稀缺的合金元素Co、Be、Zr且含量高,其合金的成分为(wt%)Co;2.35~2.70%,Be:0.45~0.70%;Zr:0.20~0.30%;pb(max):0.004%,Cu:余量。合金成本高。且含有含量较高的化学性活泼的有害元素Be,易对环境和人体产生污染和危害。该合金经固溶时效处理,技术性能指标是抗拉强度σb≥690Mpa,屈服强度σ0.2≥520Mpa,延伸率≥15%,硬度HV30≥230,导电率≥45%IACS。超声波探伤内部无微观缺陷。有中国专利CN85107530A“一种电极用铜合金”,该合金的成分重量百分比为,Co:1.8~2.3%,Si:0.285~0.395%,Cr:0.51~0.65%,Zr:0.04~0.07%,Nb:0.015~0.05%,其余为Cu。其中含有我国贵重、稀缺的Co和Nb元素,且Co的含量较高,Cr的含量远高于本发明合金。其次,该合金对内部微观缺陷未作限制。
发明内容
本发明在于提供一种含有我国自然资源丰富的合金元素,Cu、Ni、Si、Cr,Be元素的含量降低为50%。以铜为基体,通过Cu中加入Ni、Cr、Si和Be。采用热锻→固溶处理→冷变形→一次时效强化处理,使合金具有良好的综合力学、物理性能,抗拉强度σb≥760MPa,屈服强度σ0.2≥640MPa,延伸率δ≥15%,硬度HV30≥240,导电率C≥48%IACS。经超声波探伤符合使用要求,达到或超过了大容量汽轮发电机转子常用的CuCo2BeZr铜合金,成本降低30%以上,节约我国的贵重元素资源,大大减少对环境的污染。
本发明是这样实现的:本发明是一种含有Ni、Si、Cr、Be元素,其余为Cu的铜基合金,其合金元素的重量百分比为,Ni:1.35~2.05%;Si:0.40~0.80%;Cr:0.05~0.25%;Be:0.15~0.40%;Cu:余量。
本发明的制备方法是用中频感应炉熔炼,采用底注开放式浇注系统,经过滤净化处理,浇铸成锭,去除表面夹杂等铸造缺陷,锻造成形,经920~980℃固溶处理,再经35~50%变形量冷变形后,450~500℃、保温4~5小时时效处理,在空气中冷却而成。
本发明的优点是:采用多元微量的合金化原则,利用合金元素交互作用,在时效过程中析出Ni2Si、Cr3Si、CuBe、NiBe及自由Cr粒子等多种弥散分布在Cu基体上的细小粒子钉扎和阻碍位错的运动,显著地提高合金的强度,同时由于多种时效强化相的析出,大大降低α基体中的溶质原子的过饱和度,减少了溶质原子对基体中自由电子的散射作用,从而使合金获得高的导电、导热性能;在合金固溶处理后,采用冷变形,使合金内部增加位错、层错、空位和晶格畸变等晶体缺陷,使合金在时效过程中,大大增加第二相细小强化相析出时形核的核心位置和数量,使多种时效析出相更加细小,弥散分布更加均匀;使合金在时效过程中,发生再结晶,晶粒更加细化细小。采用上述技术,本发明铜合金具有更好的综合力学和物理性能;在本发明合金铸造过程中,合理设计浇注系统,采用铜合金液过滤净化技术,大大减少合金内部的氧化物和夹渣等等缺陷,保证合金内部质量,使合金产品在超声波探伤检验时,成品合格率显著提高。
具体实施方式
实施例1:当合金的成分配比重量百分比为Ni:1.40%。Si:0.60%,Cr:0.05%,Be:0.40%,Cu:余量。在中频感应炉中熔炼,采用底注开放式浇注系统,金属液经过滤净化处理,铁模浇铸成圆锭,在车床上车削去除表面铸造缺陷,900℃~650℃热锻造成形,935℃保温1小时,在水中激冷固溶处理,进行35%变形量挤压冷变形,460℃保温5.0小时时效处理,在空气中冷却而成。铜合金的抗拉强度σb=767MPa,屈服强度σ0.2=652MPa,延伸率:δ=16.1%,硬度HV30=242,导电率C=49.56%IACS。超声波探伤,合格率达到89.2%。
实施例2:当合金的成分配比重量百分比为Ni:1.535%,Si:0.385%,Cr:0.13%,Be:0.325%,Cu:余量。在中频感应炉中熔炼金属液经过滤净化处理,铁模浇铸成圆锭,在车床上车削去除表面铸造缺陷,900℃~680℃热锻造成形,950℃,保温1小时,在水中激冷固溶处理,经35%变形量挤压冷变形后,在470℃保温4.5小时,空冷时效处理。该合金的抗拉强度σb=772MPa,屈服强度σ0.2=648MPa,延伸率δ=15.8%,硬度HV30=248,导电率C=48.76%IACS。超声波探伤合格率达到86.6%。
实例3:当合金的成分配比重量百分比为Ni:1.98%。Si:0.75%,Cr:0.22%,Be:0.25%,Cu:余量。铸造中金属液经二道不同孔隙率的过滤网过滤净化,用上述实例的方法铸造,锻造成形,经975℃,保温1.5小时,在水中激冷固溶处理,经50%的变形量锻造冷变形,500℃,保温4小时空冷时效处理。该合金的抗拉强度σb=782MPa,屈服强度σ0.2=661MPa,延伸率δ=15.2%,硬度HV30=246,导电率C=48.32%IACS。超声波探伤合格率达85%。
本发明铜合金,在合金化方面,选用我国资源丰富的元素,合金的成本低,同时减少了对环境的污染;合金的综合性能达到或优于CuCO2BeZr铜合金;而合金成本降低30%以上,合金的成品合格率高于CuCO2BeZr铜合金,达85~95%以上。该发明铜合金已在300MW、600MW的大容量汽轮发电机转子槽楔上替代CuCO2BeZr铜合金,安全可靠,取得良好的社会效益和经济效益。并且该合金已推广应用于制作各种碳钢,合金钢等点焊、滚焊、对焊、缝焊、凸焊电极。本发明铜合金推广应用实例如下:
应用实例1:该合金成分配比重量百分比为Ni:1.78%。Si:0.32%,Cr:0.23%,Be:0.10%,Cu:余量。杂质含量≤0.3%。中频感应炉熔炼,不经过滤净化,铁模浇铸成φ200mm的圆锭,在车床上车削剥皮,锻造成直径φ280mm,厚36mm的圆盘坯,经980℃保温1小时固溶处理,经冷变形锻打成直径φ315mm,厚31mm圆盘坯,450℃保温5小时空冷时效后,加工成直径φ308×28mm厚缝焊焊轮,硬度HV30=241,导电率C=52.48%IACS。焊厚度2~6mm的碳钢和不锈钢钢板,焊接寿命比常用的铬锆铜提高3倍以上。
应用实例2:上述实施例2,组成成分相同的铜合金,相同方法铸造成直径φ180mm的圆锭,在车床上车削剥皮,去除表面可能存在的铸造缺陷,经加热到910℃,保温30分钟,热挤压成直径φ22~φ78mm圆棒,经970℃保温1.5小时固溶软化处理,再经冷拉拔变形成φ18~φ72,经480℃,保温3.5小时,光亮时效处理的圆棒料加工成,高度不同的点焊、对焊电极。硬度HV30=245,导电率C=49.13%。用于摩托车,自行车,电冰箱、空调器压缩机等部件的焊接,焊接接头的数量比铬锆铜合金电极提高2.5倍以上,且焊接接头光洁、美观,焊接质量显著提高。