专利名称：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％，Be0.45～0.70％；Zr0.20～0.30％；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，Co1.8～2.3％，Si0.285～0.395％，Cr0.51～0.65％，Zr0.04～0.07％，Nb0.015～0.05％，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，Ni1.35～2.05％；Si0.40～0.80％；Cr0.05～0.25％；Be0.15～0.40％；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。
具体实施例方式
实施例1当合金的成分配比重量百分比为Ni1.40％。Si0.60％，Cr0.05％，Be0.40％，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Ni1.535％，Si0.385％，Cr0.13％，Be0.325％，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Ni1.98％。Si0.75％，Cr0.22％，Be0.25％，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Ni1.78％。Si0.32％，Cr0.23％，Be0.10％，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。
权利要求
1.大容量汽轮发电机转子铜合金槽楔，其特征是一种含有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，Ni1.35～2.05％；Si0.40～0.80％；Cr0.05～0.25％；Be0.15～0.40％；Cu余量。
2.制备权利要求1所述的大容量汽轮发电机转子铜合金槽楔的方法，其特征在于用中频感应炉熔炼，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。
全文摘要
本发明属于汽轮发电机转子槽楔材料，其是一种含有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，Ni1.35～2.05％；Si0.40～0.80％；Cr0.05～0.25％；Be0.15～0.40％；Cu余量。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σ
文档编号H02K15/00GK1776997SQ20051012301
公开日2006年5月24日 申请日期2005年12月13日 优先权日2005年12月13日
发明者谢春生, 孙爱俊, 迟永祥, 陈大龙, 孙景明, 朱治愿, 吕秀芬, 任合 申请人:江苏科技大学