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。

固溶温度和保温时间以各元素能够充分固溶，淬火后得到最大程度的介稳定固溶体为原则，其保温时间60分钟左右为宜，保温时间过长，金属氧化烧损多，同时其材料晶粒长大，脆性增强，不利于综合机械性能的完成。反之，时间过短，固溶效果不理想，起不到材料淬火处理的目的。如果该种合金材料不经淬火处理，仅经冷变形后时效处理，其综合机械性能将大幅度下降，可见淬火处理是该种材料不可缺少的重要工序，淬火及不淬火对常温性能的影响如表1所示。

3.2.4 中温时效

中温时效是指合金材料经高温淬火后（或淬火冷加工后）进行的热处理过程。时效的目的是使固溶在合金中的介稳定的溶质弥散析出在基体的位错上，起到阻止位错移动和攀移作用，从而导致合金强化。在析出沉淀相的同时，回溶体贫化，电阻随之下降，导电率大大提高。材料经淬火和50%冷加工后，时效时间和时效温度对其机械性能的影响如表2所示。

分析上述情况该种合金材料时效温度控制在455℃±5℃保温4.5小时其综合性能较佳。

3.2.5 冷加工对合金材料的影响

为了使镍铬硅铜合金材料得到较理想的综合性能，采用淬火后进行冷变形加工（冷锻、冷轧等方法），然后进行时效处理。材料在冷变形过程中，变形使晶体产生了点阵畸变，从而阻止了滑移的继续进行，导致材料强化。从位错的观点看，由于冷变形程度的增加，位错不断增殖、位错密度不断增加，位错相互干扰使位错移动阻力增大，滑移更加困难，引起硬化使强度、硬度提高，塑性降低。该种铜合金材料的冷变形量在50%左右为宜。冷变形对性能的影响（材料工艺状态：960℃淬火-50%冷加工率-455℃时效-930℃淬火-50%冷加工-455℃时效）见图3和图4。

4.材料的选择及工艺的确定

4.4.1 在上述工艺过程中，我们选择了二种不同方法进行研究，所获得的结果差异较大。另外选择的材料元素含量不同其结果差异更大。在研制过程中选择了镍铬硅、镍铬锆硅等不含有毒铍的铜合金材料进行初步研制，之所以选择上述材料是这些材料所含的元素能在固溶状态下，经过冷加工、时效等工艺达到晶粒细化、强化晶界以满足机械性能的要求，且对材料的导电性能影响较小，通过试验比较镍铬硅铜合金材料的综合性能优于其它材料，真对这种材料的特性选择了二种不同的加工工艺路线来获取比较后的数据。采用第一种方法取得的性能参数如下：

A.室温：

σb≥720MPa、σ0.2≥665MPa、δ5≥11%、HRB≥95、导电率≥38%IACS。

B.高温（427℃）瞬时：

σb≤430MPa 、σ0.2≤390MPa5≤1.0%。

通过上面数据分析，常温性能除延伸率外，其它性能良好，但高温性能不理想，而采用第二种方案所获得的性能参数可完全满足《OEG、509、013》技术条件的要求。采用这种方法的目的是，通过第一次高温淬火使合金元素尽可能得到最大限度的过饱和固溶体，高温淬火的同时晶粒也长大，通过冷加工使其破碎细化，此次高温淬火后金属的晶粒度相对较大，影响材料塑性，但是，通过这一过程的完成却能得到较理想的过饱和固溶体，经时效处理后，使固溶体在合金中的介稳定的溶质弥散析出在基体位错上，起到了阻止位错移动作用，在该基础上采用比第一次淬火低的温度进行第二次淬火，这次淬火虽然也能使晶粒长大，但长大程度远比第一次淬火晶粒长大要低得多，加之前期工序的作用再通过冷加工，中温时效处理等方法得以完成较好的性能指标。

4.4.2 几种铜合金材料的化学成分及性能比较如表3所示。

从上述几种铜合金材料的性能比较看，镍铬硅铜合金与铍钴锆铜合金的技术参数相接近，镍铬硅的常温性能高于铍钴铜合金的常温性能，高温性能综合来看略微低于铍钴铜合金的性能。但镍铬硅材料完全满足使用厂家的设计要求，而其它几种材料则不能应用在汽轮发电机转子槽楔上。

5.结论

5.1 合理选择加工制造工艺如熔铸、锻造、淬火、冷加工、时效是获取该种材料稳定综合性能的前提。

5.2 综上述所述，镍铬硅铜合金是替代铍钴锆铜合金较为理想的新材料。其性能指标满足了大型汽轮发电机制造厂家所提出的技术条件。使用厂家已在300MW汽轮发电机组转子槽楔中应用其发电机负序试验结果I2=11.2%，I22t=15.6秒（要求值I2≥10%，I22t≥10秒）功率因数大幅提高，300MW汽轮发电机的发电能力可达到330MW，效果显著。

5.3 该种材料，不仅可用于汽轮发电机上，也可应用于要求材料具有高强、中导、高温性能优良的其它工业领域。如可做电阻焊接的钳口电极，做闪光焊的高夹紧力模具以及电气化铁路用接线金具，滑线等。

5.4 高强度镍铬硅铜合金材料造价低，仅为铍钴锆铜合金的40%，且对环境及人体无害，便于深加工。为发电设备制造业，电气化铁路、汽车制造业、电子部件制造等工业领域新材料的应用提供了新的途径。

随着人们的逐步认识及镍铬硅铜合金材料的推广，镍铬硅铜合金材料的应用前景良好，必将会给企业带来较好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]高强度镍铬硅技术条件《OEG、509、013》[Z].北京汽轮电机有限责任公司.

[2]西屋发电公司端头槽楔技术条件[Z].西屋发电公司，1997.

[3]重有色金属加工手册[M].冶金工业出版社，1988：7.

作者简介：

白继明（1959—），男，工程师，沈阳兴工铜业有限公司副经理，主要从事铜基合金材料加工工艺的研究和技术管理工作。

何宝威（1956—），男，工程师，沈阳兴工铜业有限公司副经理，主要从事生产管理工作。

石孝永（1960—），男，工程师，沈阳兴工铜业有限公司车间主任，主要从事基层管理工作。

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