镍铬硅铜合金材料加工工艺研究及应用

镍铬硅铜合金材料加工工艺研究及应用

【摘要】镍铬硅铜合金材料是根据300MW、600MW汽轮发电机用转子槽楔材料所要求的技术参数开发研制的，本文介绍了该种铜合金材料的加工工艺方法及所能达到的技术指标及其应用。

【关键词】汽轮发电机转子槽楔材料；高温淬火；时效；冷加工

1.引言

目前，我国各大型电机制造厂家为了提高汽轮发电机的不平衡运行能力和保证发电机负序电流造成温度升高的安全可靠性，对所选用的转子槽楔材料要求必须有较高的导电性和具备很高的常温和高温机械性能。

多年来，国内部分大型汽轮发电机组制造厂家所选用的汽轮发电机转子槽楔材料多数采用美国西屋公司技术条件所提出的铍钴锆铜合金材料，该种材料各项性能指标优良，其材料性能要求如下：

A.常温机械性能为：

σb≥690MPa、σ0.2≥590MPa、δ5≥15%、HRB≥92、导电率≥38.1%IACS。

B.高温427℃瞬时机械性能为：

σb≥520MPa、σ0.2≥450MPa、δ5≥5%。

然而，由于铍有毒，造价高，出于对环境保护和人体建康以及经济效益等方面的考虑，国内应用厂家提出更换该种材料，寻求可替代的无毒且造价低廉的铜合金材料。如北京重型电机厂提出了300MW汽轮发电机转子槽楔材料的技术条件，即：《OEG，509，013》技术条件，其材料性能要求如下：

A.常温机械性能：

σb≥720MPa、σ0.2≥630MPa、δ5≥14%、HRB≥95。

B.常温导电性能：

导电率≥38%IACS。

C.高温（427℃）瞬时：

σb≥450MPa、σ0.2≥400MPa、δ5≥3.5%。

综合西屋公司和北京汽轮电机有限责任公司的技术条件要求，我们对镍铬硅铜合金材料的化学成份、加工工艺方案进行了比较系统的试验，并取得了突破，其性能指标可稳定在如下值：

A.常温导电性能：

σb≥725MPa、σ0.2≥635MPa、δ5≥16%、HRB≥96。

B.常温导电性能：

导电率≥41.5%IACS。

C.温度（427℃）瞬时：

σb≥510MPa、σ0.2≥485MPa、δ5≥4.5%。

2.合金成份的选择

含镍、铬、硅元素的铜合金材料具有机械性能高、耐蚀、耐磨、可热、冷压力加工，无磁性，冲击时不易产生火花。其中镍能提高铜合金材料的机械性能和耐蚀性能，并兼有良好的导电性，镍与硅能形成化合物Ni2Si并能溶于铜，在共晶温度（1025℃）时镍的最大溶解度为8.3%，一般镍与硅元素含量的比值为4.5：1易获得较好的综合机械性能，并能获得较宽的加工工艺范围。经固溶强化处理后，会因化合物Ni2Si的沉淀而强化，当镍与硅的比值小于4时，合金的硬度和强度提高，但导电性和淬火后的塑性却降低，满足不了综合性能的要求。铬与镍相似，能形成溶于固态铜的化合物硅化铬，从而强化基体。铬是很少降低铜导电率的元素，且可借沉淀硬化来提高材料的机械性能，在共晶温度下，铬在铜中的最大溶解度为0.65%。我们选择了镍铬硅铜合金材料化学成分为：Ni2.2～3.0%、Cr0.4～0.7%、Si0.4～0.7%、Cu余量。

3.镍铬硅铜合金材料关键加工工艺选择及控制

3.1 工艺选择

3.1.1 熔铸—热锻—高温淬火—冷加工—中温时效—机械加工。

3.1.2 熔铸—热锻—高温淬火—冷加工—中温时效—二次高温淬火—冷加工—中温时效—机械加工。

3.2 加工

3.2.1 熔铸

（1）熔铸：采用工频电炉熔炼半连续铸造的方法进行，熔铸时Cu、Ni可

直接装炉加入，Cr预先装入紫铜管中，将铜管两端封闭，然后以料包的形式加入，Si待出炉浇铸前加入；

例如：熔铸100kg镍铬硅铜合金材料时，加入94.35kg～95.2kg的铜和2.1kg～2.9kg的镍直接装炉，熔铸温度达到1290～1310℃时加入含铬0.4kg～0.7kg的紫铜管料包，紫铜管的质量为 1.5kg，熔铸温度达到1330～1350℃时加入质量为0.3kg～0.7kg的Si，然后在炉口液面加入硼砂进行覆盖，防止氧化造渣，覆盖厚度为30～40mm，待熔铸温度达到1350～1370℃时出炉浇铸坯料。

3.2.2 热锻

热锻的目的是改变材料的形状，获得材料的内部组织的各向异性，热锻过程中要严格控制好锻件的加热温度，一般控制加热温度920±10℃终了温度800℃±10℃范围内为宜，温度过高，材料易产生过烧，将会造成整炉报废，温度偏低锻造过程中金属的流动缓慢，并易产生锻裂和锻造无法进行。

3.2.3 高温淬火

淬火的目的在于使合金元素充分固溶，以得到最大限度的过饱和固溶体，经冷加工、时效后析出沉淀强化相，以达到满足该种材料所要求的各项性能指标。提高淬火温度可以使合金元素的固溶量增加，提高材料的最终强度、硬度。但是，温度过高将导致再结晶组织的晶粒粗大，塑性下降，甚至产生过烧和裂纹。镍铬硅铜合金材料淬火温度与性能的关系（材料工艺状态：淬火-50%冷加工-455℃时效-淬火-50%冷加工-455℃时效）如图1和图2所示。

由图1和图2可知，随着淬火温度的提高硬度提高，导电率降低，当淬火温度过高时将产生过烧且硬度和导电率均急速下降。淬火温度提高使材料晶粒粗大，在冷加工过程中易出现裂纹。另一方面，随着淬火温度的提高，其常温强度，屈服强度提高，延伸率下降。对于427℃高温性能分析，从920℃～960℃范围内，随着淬火温度的提高，其强度提高，延伸率下降，从960℃～980℃随着淬火温度的提高，其强度，屈服强度不但没有提高，反而呈急速下降趋势，特别是屈服强度下降更快，同时延伸率也呈下降趋势。所以该种材料淬火温度严格控制在960℃左右为佳。