鎳鉻硅銅合金材料加工工藝研究及應用

【摘要】鎳鉻硅銅合金材料是根據300MW、600MW汽輪發電機用轉子槽楔材料所要求的技術參數開發研制的，本文介紹了該種銅合金材料的加工工藝方法及所能達到的技術指標及其應用。

【關鍵詞】汽輪發電機轉子槽楔材料；高溫淬火；時效；冷加工

1.引言

目前，我國各大型電機制造廠家為了提高汽輪發電機的不平衡運行能力和保證發電機負序電流造成溫度升高的安全可靠性，對所選用的轉子槽楔材料要求必須有較高的導電性和具備很高的常溫和高溫機械性能。

多年來，國內部分大型汽輪發電機組制造廠家所選用的汽輪發電機轉子槽楔材料多數采用美國西屋公司技術條件所提出的鈹鈷鋯銅合金材料，該種材料各項性能指標優良，其材料性能要求如下：

A.常溫機械性能為：

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

B.高溫427℃瞬時機械性能為：

σb≥520MPa、σ0.2≥450MPa、δ5≥5%。

然而，由于鈹有毒，造價高，出于對環境保護和人體建康以及經濟效益等方面的考慮，國內應用廠家提出更換該種材料，尋求可替代的無毒且造價低廉的銅合金材料。如北京重型電機廠提出了300MW汽輪發電機轉子槽楔材料的技術條件，即：《OEG，509，013》技術條件，其材料性能要求如下：

A.常溫機械性能：

σb≥720MPa、σ0.2≥630MPa、δ5≥14%、HRB≥95。

B.常溫導電性能：

導電率≥38%IACS。

C.高溫（427℃）瞬時：

σb≥450MPa、σ0.2≥400MPa、δ5≥3.5%。

綜合西屋公司和北京汽輪電機有限責任公司的技術條件要求，我們對鎳鉻硅銅合金材料的化學成份、加工工藝方案進行了比較系統的試驗，并取得了突破，其性能指標可穩定在如下值：

A.常溫導電性能：

σb≥725MPa、σ0.2≥635MPa、δ5≥16%、HRB≥96。

B.常溫導電性能：

導電率≥41.5%IACS。

C.溫度（427℃）瞬時：

σb≥510MPa、σ0.2≥485MPa、δ5≥4.5%。

2.合金成份的選擇

含鎳、鉻、硅元素的銅合金材料具有機械性能高、耐蝕、耐磨、可熱、冷壓力加工，無磁性，沖擊時不易產生火花。其中鎳能提高銅合金材料的機械性能和耐蝕性能，并兼有良好的導電性，鎳與硅能形成化合物Ni2Si并能溶于銅，在共晶溫度（1025℃）時鎳的最大溶解度為8.3%，一般鎳與硅元素含量的比值為4.5：1易獲得較好的綜合機械性能，并能獲得較寬的加工工藝范圍。經固溶強化處理后，會因化合物Ni2Si的沉淀而強化，當鎳與硅的比值小于4時，合金的硬度和強度提高，但導電性和淬火后的塑性卻降低，滿足不了綜合性能的要求。鉻與鎳相似，能形成溶于固態銅的化合物硅化鉻，從而強化基體。鉻是很少降低銅導電率的元素，且可借沉淀硬化來提高材料的機械性能，在共晶溫度下，鉻在銅中的最大溶解度為0.65%。我們選擇了鎳鉻硅銅合金材料化學成分為：Ni2.2～3.0%、Cr0.4～0.7%、Si0.4～0.7%、Cu余量。

3.鎳鉻硅銅合金材料關鍵加工工藝選擇及控制

3.1 工藝選擇

3.1.1 熔鑄—熱鍛—高溫淬火—冷加工—中溫時效—機械加工。

3.1.2 熔鑄—熱鍛—高溫淬火—冷加工—中溫時效—二次高溫淬火—冷加工—中溫時效—機械加工。

3.2 加工

3.2.1 熔鑄

（1）熔鑄：采用工頻電爐熔煉半連續鑄造的方法進行，熔鑄時Cu、Ni可直接裝爐加入，Cr預先裝入紫銅管中，將銅管兩端封閉，然后以料包的形式加入，Si待出爐澆鑄前加入；

例如：熔鑄100kg鎳鉻硅銅合金材料時，加入94.35kg～95.2kg的銅和2.1kg～2.9kg的鎳直接裝爐，熔鑄溫度達到1290～1310℃時加入含鉻0.4kg～0.7kg的紫銅管料包，紫銅管的質量為1.5kg，熔鑄溫度達到1330～1350℃時加入質量為0.3kg～0.7kg的Si，然后在爐口液面加入硼砂進行覆蓋，防止氧化造渣，覆蓋厚度為30～40mm，待熔鑄溫度達到1350～1370℃時出爐澆鑄坯料。

3.2.2 熱鍛

熱鍛的目的是改變材料的形狀，獲得材料的內部組織的各向異性，熱鍛過程中要嚴格控制好鍛件的加熱溫度，一般控制加熱溫度920±10℃終了溫度800℃±10℃范圍內為宜，溫度過高，材料易產生過燒，將會造成整爐報廢，溫度偏低鍛造過程中金屬的流動緩慢，并易產生鍛裂和鍛造無法進行。

3.2.3 高溫淬火

淬火的目的在于使合金元素充分固溶，以得到最大限度的過飽和固溶體，經冷加工、時效后析出沉淀強化相，以達到滿足該種材料所要求的各項性能指標。提高淬火溫度可以使合金元素的固溶量增加，提高材料的最終強度、硬度。但是，溫度過高將導致再結晶組織的晶粒粗大，塑性下降，甚至產生過燒和裂紋。鎳鉻硅銅合金材料淬火溫度與性能的關系（材料工藝狀態：淬火-50%冷加工-455℃時效-淬火-50%冷加工-455℃時效）如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知，隨著淬火溫度的提高硬度提高，導電率降低，當淬火溫度過高時將產生過燒且硬度和導電率均急速下降。淬火溫度提高使材料晶粒粗大，在冷加工過程中易出現裂紋。另一方面，隨著淬火溫度的提高，其常溫強度，屈服強度提高，延伸率下降。對于427℃高溫性能分析，從920℃～960℃范圍內，隨著淬火溫度的提高，其強度提高，延伸率下降，從960℃～980℃隨著淬火溫度的提高，其強度，屈服強度不但沒有提高，反而呈急速下降趨勢，特別是屈服強度下降更快，同時延伸率也呈下降趨勢。所以該種材料淬火溫度嚴格控制在960℃左右為佳。

固溶溫度和保溫時間以各元素能夠充分固溶，淬火后得到最大程度的介穩定固溶體為原則，其保溫時間60分鐘左右為宜，保溫時間過長，金屬氧化燒損多，同時其材料晶粒長大，脆性增強，不利于綜合機械性能的完成。反之，時間過短，固溶效果不理想，起不到材料淬火處理的目的。如果該種合金材料不經淬火處理，僅經冷變形后時效處理，其綜合機械性能將大幅度下降，可見淬火處理是該種材料不可缺少的重要工序，淬火及不淬火對常溫性能的影響如表1所示。

3.2.4 中溫時效

中溫時效是指合金材料經高溫淬火后（或淬火冷加工后）進行的熱處理過程。時效的目的是使固溶在合金中的介穩定的溶質彌散析出在基體的位錯上，起到阻止位錯移動和攀移作用，從而導致合金強化。在析出沉淀相的同時，回溶體貧化，電阻隨之下降，導電率大大提高。材料經淬火和50%冷加工后，時效時間和時效溫度對其機械性能的影響如表2所示。

分析上述情況該種合金材料時效溫度控制在455℃±5℃保溫4.5小時其綜合性能較佳。

3.2.5 冷加工對合金材料的影響

為了使鎳鉻硅銅合金材料得到較理想的綜合性能，采用淬火后進行冷變形加工（冷鍛、冷軋等方法），然后進行時效處理。材料在冷變形過程中，變形使晶體產生了點陣畸變，從而阻止了滑移的繼續進行，導致材料強化。從位錯的觀點看，由于冷變形程度的增加，位錯不斷增殖、位錯密度不斷增加，位錯相互干擾使位錯移動阻力增大，滑移更加困難，引起硬化使強度、硬度提高，塑性降低。該種銅合金材料的冷變形量在50%左右為宜。冷變形對性能的影響（材料工藝狀態：960℃淬火-50%冷加工率-455℃時效-930℃淬火-50%冷加工-455℃時效）見圖3和圖4。

4.材料的選擇及工藝的確定

4.4.1 在上述工藝過程中，我們選擇了二種不同方法進行研究，所獲得的結果差異較大。另外選擇的材料元素含量不同其結果差異更大。在研制過程中選擇了鎳鉻硅、鎳鉻鋯硅等不含有毒鈹的銅合金材料進行初步研制，之所以選擇上述材料是這些材料所含的元素能在固溶狀態下，經過冷加工、時效等工藝達到晶粒細化、強化晶界以滿足機械性能的要求，且對材料的導電性能影響較小，通過試驗比較鎳鉻硅銅合金材料的綜合性能優于其它材料，真對這種材料的特性選擇了二種不同的加工工藝路線來獲取比較后的數據。采用第一種方法取得的性能參數如下：

A.室溫：

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

B.高溫（427℃）瞬時：

σb≤430MPa 、σ0.2≤390MPa5≤1.0%。

通過上面數據分析，常溫性能除延伸率外，其它性能良好，但高溫性能不理想，而采用第二種方案所獲得的性能參數可完全滿足《OEG、509、013》技術條件的要求。采用這種方法的目的是，通過第一次高溫淬火使合金元素盡可能得到最大限度的過飽和固溶體，高溫淬火的同時晶粒也長大，通過冷加工使其破碎細化，此次高溫淬火后金屬的晶粒度相對較大，影響材料塑性，但是，通過這一過程的完成卻能得到較理想的過飽和固溶體，經時效處理后，使固溶體在合金中的介穩定的溶質彌散析出在基體位錯上，起到了阻止位錯移動作用，在該基礎上采用比第一次淬火低的溫度進行第二次淬火，這次淬火雖然也能使晶粒長大，但長大程度遠比第一次淬火晶粒長大要低得多，加之前期工序的作用再通過冷加工，中溫時效處理等方法得以完成較好的性能指標。

4.4.2 幾種銅合金材料的化學成分及性能比較如表3所示。

從上述幾種銅合金材料的性能比較看，鎳鉻硅銅合金與鈹鈷鋯銅合金的技術參數相接近，鎳鉻硅的常溫性能高于鈹鈷銅合金的常溫性能，高溫性能綜合來看略微低于鈹鈷銅合金的性能。但鎳鉻硅材料完全滿足使用廠家的設計要求，而其它幾種材料則不能應用在汽輪發電機轉子槽楔上。

5.結論

5.1 合理選擇加工制造工藝如熔鑄、鍛造、淬火、冷加工、時效是獲取該種材料穩定綜合性能的前提。

5.2 綜上述所述，鎳鉻硅銅合金是替代鈹鈷鋯銅合金較為理想的新材料。其性能指標滿足了大型汽輪發電機制造廠家所提出的技術條件。使用廠家已在300MW汽輪發電機組轉子槽楔中應用其發電機負序試驗結果I2=11.2%，I22t=15.6秒（要求值I2≥10%，I22t≥10秒）功率因數大幅提高，300MW汽輪發電機的發電能力可達到330MW，效果顯著。

5.3 該種材料，不僅可用于汽輪發電機上，也可應用于要求材料具有高強、中導、高溫性能優良的其它工業領域。如可做電阻焊接的鉗口電極，做閃光焊的高夾緊力模具以及電氣化鐵路用接線金具，滑線等。

5.4 高強度鎳鉻硅銅合金材料造價低，僅為鈹鈷鋯銅合金的40%，且對環境及人體無害，便于深加工。為發電設備制造業，電氣化鐵路、汽車制造業、電子部件制造等工業領域新材料的應用提供了新的途徑。

隨著人們的逐步認識及鎳鉻硅銅合金材料的推廣，鎳鉻硅銅合金材料的應用前景良好，必將會給企業帶來較好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]高強度鎳鉻硅技術條件《OEG、509、013》[Z].北京汽輪電機有限責任公司.

[2]西屋發電公司端頭槽楔技術條件[Z].西屋發電公司，1997.

[3]重有色金屬加工手冊[M].冶金工業出版社，1988：7.

作者簡介：

白繼明（1959—），男，工程師，沈陽興工銅業有限公司副經理，主要從事銅基合金材料加工工藝的研究和技術管理工作。

何寶威（1956—），男，工程師，沈陽興工銅業有限公司副經理，主要從事生產管理工作。

石孝永（1960—），男，工程師，沈陽興工銅業有限公司車間主任，主要從事基層管理工作。