大容量汽輪發電機轉子銅合金槽楔及其製備方法

2023-07-19 12:37:46 1

專利名稱：大容量汽輪發電機轉子銅合金槽楔及其製備方法
技術領域：
本發明屬於汽輪發電機轉子槽楔材料，特指大容量汽輪發電機轉子銅合金槽楔及其製備方法。
背景技術：
大容量發電機轉子是發電機的重要核心構件，一般重達53000～64000kg以上，發電機上一些主要構件，如汽輪葉片等都安裝固定在轉子上，以3000轉/分鐘以上的速度高速運轉，槽楔銅合金鑲嵌在轉子表面的縱向槽內，以壓緊槽內下部的勵磁繞組導線和絕緣體，它要承受槽內導線和絕緣體以及自身，因高速運轉而產生巨大的離心力。另外在電流產生負序旋轉磁場的作用下，尤其是在發電機發生不對稱短路故障時，在轉子的表面產生較大的感應電流，這種電流流經銅合金槽楔時，會使其迅速產生溫升。槽楔銅合金長期連續在高溫、重載荷下工作，槽楔銅合金必須具有高的強度，良好的導電、導熱性能，且在室溫和高溫(300℃)以上具有優良的綜合力學和物理性能，且材料內部不允許存在微小的疏鬆、氣孔、裂紋和夾雜等微觀缺陷，以免在長期高溫、交變截荷下成為疲勞斷裂和蠕變斷裂源，成為發電機組的重大隱患。因此，槽楔銅合金不僅需要優良的綜合力學和物理性能外，還要進行超聲波嚴格探傷，不允許材料內部有這些微觀缺陷存在。美國西屋電氣公司從1900年開始研製生產第一臺1500KW(小容量)發電機組起，開始用鉻鋯銅，1958年研製使用CuCO2Be青銅。1961年調整合金成分，研製CuCo2BeZr銅合金，並申請了專利。長期以來，國外一些大的汽輪發電機組生產公司一直沿用CuCo2BeZr銅合金。我國在上世紀80年代初，引進西屋電氣公司300MW、600MW汽輪發電機組生產技術，大部分構件，包括CuCo2BeZr銅合金槽楔材料均從該公司進口。該合金含有貴重，我國稀缺的合金元素Co、Be、Zr且含量高，其合金的成分為(wt％)Co；2.35～2.70％，Be0.45～0.70％；Zr0.20～0.30％；pb(max)0.004％，Cu餘量。合金成本高。且含有含量較高的化學性活潑的有害元素Be，易對環境和人體產生汙染和危害。該合金經固溶時效處理，技術性能指標是抗拉強度σb≥690Mpa，屈服強度σ0.2≥520Mpa，延伸率≥15％，硬度HV30≥230，導電率≥45％IACS。超聲波探傷內部無微觀缺陷。有中國專利CN85107530A「一種電極用銅合金」，該合金的成分重量百分比為，Co1.8～2.3％，Si0.285～0.395％，Cr0.51～0.65％，Zr0.04～0.07％，Nb0.015～0.05％，其餘為Cu。其中含有我國貴重、稀缺的Co和Nb元素，且Co的含量較高，Cr的含量遠高於本發明合金。其次，該合金對內部微觀缺陷未作限制。

發明內容
本發明在於提供一種含有我國自然資源豐富的合金元素，Cu、Ni、Si、Cr，Be元素的含量降低為50％。以銅為基體，通過Cu中加入Ni、Cr、Si和Be。採用熱鍛→固溶處理→冷變形→一次時效強化處理，使合金具有良好的綜合力學、物理性能，抗拉強度σb≥760MPa，屈服強度σ0.2≥640MPa，延伸率δ≥15％，硬度HV30≥240，導電率C≥48％IACS。經超聲波探傷符合使用要求，達到或超過了大容量汽輪發電機轉子常用的CuCo2BeZr銅合金，成本降低30％以上，節約我國的貴重元素資源，大大減少對環境的汙染。
本發明是這樣實現的本發明是一種含有Ni、Si、Cr、Be元素，其餘為Cu的銅基合金，其合金元素的重量百分比為，Ni1.35～2.05％；Si0.40～0.80％；Cr0.05～0.25％；Be0.15～0.40％；Cu餘量。
本發明的製備方法是用中頻感應爐熔煉，採用底注開放式澆注系統，經過濾淨化處理，澆鑄成錠，去除表面夾雜等鑄造缺陷，鍛造成形，經920～980℃固溶處理，再經35～50％變形量冷變形後，450～500℃、保溫4～5小時時效處理，在空氣中冷卻而成。
本發明的優點是採用多元微量的合金化原則，利用合金元素交互作用，在時效過程中析出Ni2Si、Cr3Si、CuBe、NiBe及自由Cr粒子等多種彌散分布在Cu基體上的細小粒子釘扎和阻礙位錯的運動，顯著地提高合金的強度，同時由於多種時效強化相的析出，大大降低α基體中的溶質原子的過飽和度，減少了溶質原子對基體中自由電子的散射作用，從而使合金獲得高的導電、導熱性能；在合金固溶處理後，採用冷變形，使合金內部增加位錯、層錯、空位和晶格畸變等晶體缺陷，使合金在時效過程中，大大增加第二相細小強化相析出時形核的核心位置和數量，使多種時效析出相更加細小，彌散分布更加均勻；使合金在時效過程中，發生再結晶，晶粒更加細化細小。採用上述技術，本發明銅合金具有更好的綜合力學和物理性能；在本發明合金鑄造過程中，合理設計澆注系統，採用銅合金液過濾淨化技術，大大減少合金內部的氧化物和夾渣等等缺陷，保證合金內部質量，使合金產品在超聲波探傷檢驗時，成品合格率顯著提高。
具體實施例方式
實施例1當合金的成分配比重量百分比為Ni1.40％。Si0.60％，Cr0.05％，Be0.40％，Cu餘量。在中頻感應爐中熔煉，採用底注開放式澆注系統，金屬液經過濾淨化處理，鐵模澆鑄成圓錠，在車床上車削去除表面鑄造缺陷，900℃～650℃熱鍛造成形，935℃保溫1小時，在水中激冷固溶處理，進行35％變形量擠壓冷變形，460℃保溫5.0小時時效處理，在空氣中冷卻而成。銅合金的抗拉強度σb＝767MPa，屈服強度σ0.2＝652MPa，延伸率δ＝16.1％，硬度HV30＝242，導電率C＝49.56％IACS。超聲波探傷，合格率達到89.2％。
實施例2當合金的成分配比重量百分比為Ni1.535％，Si0.385％，Cr0.13％，Be0.325％，Cu餘量。在中頻感應爐中熔鍊金屬液經過濾淨化處理，鐵模澆鑄成圓錠，在車床上車削去除表面鑄造缺陷，900℃～680℃熱鍛造成形，950℃，保溫1小時，在水中激冷固溶處理，經35％變形量擠壓冷變形後，在470℃保溫4.5小時，空冷時效處理。該合金的抗拉強度σb＝772MPa，屈服強度σ0.2＝648MPa，延伸率δ＝15.8％，硬度HV30＝248，導電率C＝48.76％IACS。超聲波探傷合格率達到86.6％。
實例3當合金的成分配比重量百分比為Ni1.98％。Si0.75％，Cr0.22％，Be0.25％，Cu餘量。鑄造中金屬液經二道不同孔隙率的過濾網過濾淨化，用上述實例的方法鑄造，鍛造成形，經975℃，保溫1.5小時，在水中激冷固溶處理，經50％的變形量鍛造冷變形，500℃，保溫4小時空冷時效處理。該合金的抗拉強度σb＝782MPa，屈服強度σ0.2＝661MPa，延伸率δ＝15.2％，硬度HV30＝246，導電率C＝48.32％IACS。超聲波探傷合格率達85％。
本發明銅合金，在合金化方面，選用我國資源豐富的元素，合金的成本低，同時減少了對環境的汙染；合金的綜合性能達到或優於CuCO2BeZr銅合金；而合金成本降低30％以上，合金的成品合格率高於CuCO2BeZr銅合金，達85～95％以上。該發明銅合金已在300MW、600MW的大容量汽輪發電機轉子槽楔上替代CuCO2BeZr銅合金，安全可靠，取得良好的社會效益和經濟效益。並且該合金已推廣應用於製作各種碳鋼，合金鋼等點焊、滾焊、對焊、縫焊、凸焊電極。本發明銅合金推廣應用實例如下應用實例1該合金成分配比重量百分比為Ni1.78％。Si0.32％，Cr0.23％，Be0.10％，Cu餘量。雜質含量≤0.3％。中頻感應爐熔煉，不經過濾淨化，鐵模澆鑄成φ200mm的圓錠，在車床上車削剝皮，鍛造成直徑φ280mm，厚36mm的圓盤坯，經980℃保溫1小時固溶處理，經冷變形鍛打成直徑φ315mm，厚31mm圓盤坯，450℃保溫5小時空冷時效後，加工成直徑φ308×28mm厚縫焊焊輪，硬度HV30＝241，導電率C＝52.48％IACS。焊厚度2～6mm的碳鋼和不鏽鋼鋼板，焊接壽命比常用的鉻鋯銅提高3倍以上。
應用實例2上述實施例2，組成成分相同的銅合金，相同方法鑄造成直徑φ180mm的圓錠，在車床上車削剝皮，去除表面可能存在的鑄造缺陷，經加熱到910℃，保溫30分鐘，熱擠壓成直徑φ22～φ78mm圓棒，經970℃保溫1.5小時固溶軟化處理，再經冷拉拔變形成φ18～φ72，經480℃，保溫3.5小時，光亮時效處理的圓棒料加工成，高度不同的點焊、對焊電極。硬度HV30＝245，導電率C＝49.13％。用於摩託車，自行車，電冰箱、空調器壓縮機等部件的焊接，焊接接頭的數量比鉻鋯銅合金電極提高2.5倍以上，且焊接接頭光潔、美觀，焊接質量顯著提高。
權利要求
1.大容量汽輪發電機轉子銅合金槽楔，其特徵是一種含有Ni、Si、Cr、Be元素，其餘為Cu的銅基合金，其合金元素的重量百分比為，Ni1.35～2.05％；Si0.40～0.80％；Cr0.05～0.25％；Be0.15～0.40％；Cu餘量。
2.製備權利要求1所述的大容量汽輪發電機轉子銅合金槽楔的方法，其特徵在於用中頻感應爐熔煉，採用底注開放式澆注系統，經過濾淨化處理，澆鑄成錠，去除表面夾雜等鑄造缺陷，鍛造成形，經920～980℃固溶處理，再經35～50％變形量冷變形後，450～500℃、保溫4～5小時時效處理，在空氣中冷卻而成。
全文摘要
本發明屬於汽輪發電機轉子槽楔材料，其是一種含有Ni、Si、Cr、Be元素，其餘為Cu的銅基合金，其合金元素的重量百分比為，Ni1.35～2.05％；Si0.40～0.80％；Cr0.05～0.25％；Be0.15～0.40％；Cu餘量。採用熱鍛→固溶處理→冷變形→一次時效強化處理，使合金具有良好的綜合力學、物理性能，抗拉強度σ
文檔編號H02K15/00GK1776997SQ20051012301
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月13日 優先權日2005年12月13日
發明者謝春生, 孫愛俊, 遲永祥, 陳大龍, 孫景明, 朱治願, 呂秀芬, 任合 申請人:江蘇科技大學