一种新型耐热铜合金的半连续金属铸造工艺及其应用
阅读说明：本技术 一种新型耐热铜合金的半连续金属铸造工艺及其应用 (Novel semi-continuous metal casting process of heat-resistant copper alloy and application thereof ) 是由 马明月 庾高峰 张航 李小阳 王聪利 吴斌 张琦 靖林 于 2020-10-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型耐热铜合金的半连续金属铸造工艺及其应用,该铜合金的重量百分比组成为：Ni：0.1-5.0wt％,Al：0.01-0.5wt％,Si：0.01-2.0wt％,Cr：0.01-1.0wt％,Cu：余量,该铜合金型材的制备过程为：配料—熔炼—热挤压—冷拉拔—时效处理。本发明在含有Ni、Al的铜合金材料基础上,进一步加入Si、Cr元素,采用半连续铸造平衡各金属元素之间的合理配比,提高镍硅铜合金的性能,开发出一种无Be,无Co的CuNi2SiCrAl高性能铜合金,用来替代铍钴铜系列合金,同时材料的原材料成本得到大幅下降,该发明铜合金可以应用于汽轮发电机槽楔铜合金部件。(The invention discloses a semi-continuous metal casting process of a novel heat-resistant copper alloy and application thereof, wherein the copper alloy comprises the following components in percentage by weight: ni: 0.1-5.0 wt%, Al: 0.01 to 0.5 wt%, Si: 0.01-2.0 wt%, Cr: 0.01-1.0 wt%, Cu: the balance, the preparation process of the copper alloy section bar is as follows: proportioning, smelting, hot extrusion, cold drawing and aging treatment. On the basis of a copper alloy material containing Ni and Al, Si and Cr elements are further added, reasonable proportion among all metal elements is balanced by adopting semi-continuous casting, the performance of the nickel-silicon-copper alloy is improved, and a Be-free and Co-free CuNi2SiCrAl high-performance copper alloy is developed to replace beryllium-cobalt-copper series alloy, and meanwhile, the raw material cost of the material is greatly reduced.)
技术领域
本发明涉及铜合金制造加工技术领域，具体是涉及一种新型耐热铜合金的半连续金属铸造工艺及其应用。
背景技术
随着电力的需求量快速增长，大容量发电机组设计越来越被重视，但一些关键零部件比如发电机转子槽楔铜合金，主要依赖进口，发电机转子是汽轮发电机组中最关键的核心构件，工作时，汽轮发电机转子在高速运转时产生巨大的离心力，同时在转子电流产生的磁场作用下，会在转子表面产生较大的感应电流，这种电流在通过转子槽楔铜合金时会使其产生较高的温度，在停机及蠕变的重叠作用下产生裂痕，并可能促使裂纹进一步发展，从而造成槽楔合金断裂酿成槽楔飞脱，不仅可能使价值上亿元的发电机组爆炸，还会造成重大的人员伤亡事故。
目前槽楔广泛使用的CuCo2BeZr、CuNi2Be等合金在性能上已达到了同类进口产品的水平，但是Be元素有毒，在熔铸、热处理过程中产生的微量蒸汽会对人体和环境产生较大的毒害作用，国际上早就呼吁研制无Be合金以替代有Be合金。
因此需要自主研制性能优良的电机用槽楔合金替代进口材料，将槽楔铜合金加工成型，安装在槽楔内，以压紧发电机转子纵向横向安置的大量铜导线，防止导线向外飞脱，且耐高温性能强，不会造成槽楔合金的蠕变强度和疲劳强度降低，减小风险，同时用适量的其它元素部分或全部替代Be，研制低Be合金或无Be合金。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种新型耐热铜合金的半连续金属铸造工艺及其应用。
本发明的技术方案是：一种新型耐热铜合金的半连续金属铸造工艺，包括以下步骤：
S1配料：按照成分配比称取Cu、Ni、Al、Si、Cr，其中各金属成分的质量百分比组成为Ni：0.1-5.0wt％，Al：0.01-0.5wt％，Si：0.01-2.0wt％，Cr：0.01-1.0wt％，Cu：余量，所述Cu、Ni、Al、Si、Cr元素的总含量大于99.96％；
S2熔炼：将配料后的各金属成分采用半连续铸造进行熔炼，在熔炼过程中中间合金按照熔点高低以及易氧化烧损程度先后分别加入坩埚内，制造规格为直径200的铸锭；
S3热挤压：将步骤S2所制铸锭在900-950℃下进行热挤压得到变形前的毛坯；
S4冷拉拔：将得到的毛坯进行一次冷拉拔，拉拔速度5-8mm/min，拉拔变形量为15-35％；
S5时效处理：将冷拉拔后的毛坯进行时效处理，时效处理的具体步骤包括：
S5-1低温时效处理：将冷拉拔后的毛坯放入真空气氛保护炉中，封盖抽真空至10- 1MPa，送电加热，功率35-40kW，以5-10℃/min的升温速度加热至150-200℃进行低温时效处理，保温2-4h；
S5-2高温时效处理：将低温时效处理后的毛坯继续处理，在炉中充入氩气0.09MPa，随后将加热功率提高至45-50kW，以10-15℃/min的升温速度使毛坯随炉加热至设定温度400-600℃，保温4-8h；
S5-3超低温时效处理：将高温时效处理后的毛坯继续处理，关闭真空气氛保护炉，待炉内温度降低至150℃以下时出炉冷却，将毛坯转移到预冷至5-10℃的低温室中进行超低温时效处理，处理时间为1-3h，提高了铜合金的性能，不会造成表面缺陷。
进一步地，所述新型耐热铜合金为无Be无Co的CuNi2SiCrAl高性能铜合金，所述Si与Cr的原子百分比之比为：1.0＜Si/Cr＜4.0，避免其中一种元素含量过大或过小的情况出现。
进一步地，所述步骤S2熔炼的具体步骤包括：
S2-1：按照合金的成份配比配料，将第一石墨坩埚、第二石墨坩埚置于真空仓内，将剪成长条状的工业用镍板、电解铜板、铝板依次放置于第一石墨坩埚(2)的底部，开启真空阀抽真空至2-6Pa，加温至1200℃熔炼3h，熔炼过程中使用石墨棒持续进行机械搅拌；
S2-2：将Si以Cu-15％Si中间合金的形式加入第一石墨坩埚内，升高温度至1350-1450℃继续熔炼1.5h，随后打开第一石墨坩埚和第二石墨坩埚之间隔板，使熔体进入第二石墨坩埚，并控制流入速度，使第二石墨坩埚内的液位保持在44-48mm不变，将Cr以Cu-40％Cr中间合金的形式加入第二石墨坩埚，利用电子束熔丝使Cu-40％Cr合金丝材熔化，开始浇铸；
S2-3：熔炼后的合金溶体由石墨坩埚经电磁搅拌器下引至结晶器内，当熔体流入结晶器80-85％时打开冷却装置开始下引连铸，下引速度由慢变快，最终调整至50-70mm/min，当第二石墨坩埚内熔体体积低于25％时，降低下引速度至25-35mm/min，直至结束。
更进一步地，所述步骤S2-2加入Cr的具体步骤为：在真空仓一侧安装送丝装置，所述送丝装置上设有Cu-40％Cr合金丝材，继续抽真空至1.5×10-3Pa，随后调整电子束枪位置使电子束同时位于第二石墨坩埚中心处以及电磁搅拌器入口的正上方，调整丝材使其位于电子束斑下方，送丝速度3-6mm/s，送丝角度45-50°，丝材距离第二石墨坩埚的高度为8-12mm，设定电子束流25-35mA，聚焦电流850mA，加速电压60KV，束流上升下降周期0.5s，Cr元素熔点较高若熔炼时间过长易对其内部结构造成破坏，因此使用电子束熔炼的方式使其快速达到熔点并与熔融的其他铜合金熔体一同进入下引设备。
进一步地，所述步骤S2-3中下引连铸使用Cu-Ni-Si合金下引连铸设备，下引过程中不会产生其他杂质。
进一步地，所述步骤S4冷拉拔过程中使用复合润滑剂，所述复合润滑剂的组分及组分间的质量比为水：基础润滑油：石灰粉：抗氧剂：金属减活剂：防锈剂＝5：25：10：0.2：1：0.5，所述基础润滑油为40wt％牛油、60wt％棕榈酸甲酯，所述抗氧剂为二烷基二硫代磷酸锌，所述金属减活剂为噻二唑，所述防锈剂为硫酸锌，各个组分之间均匀分散，能够形成防粘降磨的吸附膜，且在薄膜破裂的情况下有再次覆盖的能力，具有良好的润滑性和导电性。
优选地，根据上述工艺制备的一种新型耐热铜合金的应用，将所述新型耐热铜合金通过机械加工后应用于汽轮发电机槽楔中的铜合金部件。
进一步地，所述汽轮发电机槽楔的表面涂覆所述新型耐热铜合金的镀层，或者汽轮发电机槽楔采用新型耐热铜合金轧制而成。
本发明的有益效果是：
1、本发明的新型耐热铜合金CuNi2SiCrAl节约了昂贵的钴资源，降低了该领域材料的应用成本，性能接近CuCo2BeZr，可以替代之前广泛使用的CuCo2Be系列合金，同时不添加Be元素，不会产生Be蒸汽造成环境污染和人身伤害。同时本发明使用电子束熔炼与下引连铸相结合的制备工艺，熔炼温度高，下引速度可调，提高了熔炼效率及产品质量。
2、本发明的制备工艺使用电子束熔炼与下引连铸相结合手段，通过电子束熔丝熔炼熔点较高且的Cr元素，并通过各元素之间的相互作用，细化组织、促进第二相的弥散析出，同时进一步提高镍铜的力学性能，特别是高温力学性能得到了显著提高，电学性能也保持在较高水平。
3、本发明的新型耐热铜合金CuNi2SiCrAl具有较高的抗高温软化能力，可以用在汽轮发电机槽楔铜合金部件，提高汽轮发电机转子的使用寿命，避免由于高温软化产生的蠕变及微裂纹。
附图说明
图1是本发明制备工艺的工艺流程图；
图2是本发明步骤S2熔炼的装置结构示意图；
图3是本发明实施例1的金相组织照片；
图4是本发明实施例3的金相组织照片；
图5是本发明步骤S4冷拉拔结构示意图；
图6是本发明步骤S4冷拉拔A-A截面结构示意图。
其中，1-真空仓，2-第一石墨坩埚，3-第二石墨坩埚，4-电子束枪，41-电子束，5-送丝装置，51-Cu-40％Cr合金丝材，6-真空阀，7-电磁搅拌器，8-结晶器，9-冷却装置。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种新型耐热铜合金的半连续金属铸造工艺，新型耐热铜合金为无Be无Co的CuNi2SiCrAl高性能铜合金，包括以下步骤：
S1配料：按照成分配比称取Cu、Ni、Si、Cr、Al，其中Ni：2.17wt％，Al：0.09wt％，Si：0.28wt％，Cr：0.22wt％，Cu：余量，其中Cu、Ni、Al、Si、Cr元素的总含量为99.98％，Si与Cr的原子百分比之比为：Si/Cr＝1.27；
S2熔炼：如图2所示，将配料后的各金属成分采用半连续铸造进行熔炼，在熔炼过程中中间合金按照熔点高低以及易氧化烧损程度先后分别加入坩埚内，制造规格为直径200的铸锭，具体步骤包括：
S2-1：将第一石墨坩埚2、第二石墨坩埚3置于真空仓1内，将剪成长条状的工业用镍板、电解铜板、铝板依次放置于第一石墨坩埚2的底部，开启真空阀6抽真空至2Pa，加温至1200℃熔炼3h，熔炼过程中使用石墨棒持续进行机械搅拌；
S2-2：将Si以Cu-15％Si中间合金的形式加入第一石墨坩埚2内，将Cr以Cu-40％Cr中间合金的形式加入第一石墨坩埚2内，升高温度至1400℃继续熔炼1.5h，随后打开第一石墨坩埚2和第二石墨坩埚3之间隔板，使熔体进入第二石墨坩埚3，开始浇铸；
S2-3：熔炼后的合金溶体由第二石墨坩埚3经电磁搅拌器7下引至结晶器8内，当熔体流入结晶器8内80％时打开冷却装置9开始下引连铸，下引速度由慢变快，最终调整至60mm/min，当第二石墨坩埚3内熔体体积为24％时，降低下引速度至30mm/min，直至结束；
S3热挤压：将步骤S2所制铸锭在950℃下进行热挤压出变形前的毛坯；
S4冷拉拔：如图5、6所示，将得到的毛坯进行一次冷拉拔，拉拔速度7mm/min，拉拔变形量为27％，得到变形后的槽楔毛坯；
S5时效处理：将冷拉拔后的毛坯进行时效处理，具体步骤包括：
S5-1低温时效处理：将冷拉拔后的毛坯放入真空气氛保护炉中，封盖抽真空至10- 1MPa，送电加热，功率35kW，以6℃/min的升温速度加热至180℃进行低温时效处理，保温3h；
S5-2高温时效处理：将低温时效处理后的毛坯继续处理，在炉中充入氩气0.09MPa，随后将加热功率提高至45kW，以12℃/min的升温速度使毛坯随炉加热至设定温度450℃，保温5h；
S5-3超低温时效处理：将高温时效处理后的毛坯继续处理，关闭真空气氛保护炉，待炉内温度降低至150℃以下时出炉冷却，将毛坯转移到预冷至7.5℃的低温室中进行超低温时效处理，处理时间为2.5h。
根据上述工艺制备的一种新型耐热铜合金的应用，将新型耐热铜合金通过机械加工后应用于汽轮发电机槽楔中的铜合金部件，汽轮发电机槽楔的表面涂覆所述新型耐热铜合金的镀层，或者汽轮发电机槽楔采用新型耐热铜合金轧制而成。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：
S1配料：按照成分配比称取Cu、Ni、Si、Cr、Al，其中Ni：2.68wt％，Al：0.18wt％，Si：0.44wt％，Cr：0.40wt％，Cu：余量，其中Cu、Ni、Al、Si、Cr元素的总含量为99.97％，Si与Cr的原子百分比之比为：Si/Cr＝1.1。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：
S1配料：按照成分配比称取Cu、Ni、Si、Cr、Al，其中Ni：3.51wt％，Al：0.22wt％，Si：0.86wt％，Cr：0.53wt％，Cu：余量，其中Cu、Ni、Al、Si、Cr元素的总含量为99.98％，Si与Cr的原子百分比之比为：Si/Cr＝1.62。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：
S1配料：按照成分配比称取Cu、Ni、Si、Cr、Al，其中Ni：4.12wt％，Al：0.25wt％，Si：1.51wt％，Cr：0.64wt％，Cu：余量，其中Cu、Ni、Al、Si、Cr元素的总含量为99.97％，Si与Cr的原子百分比之比为：Si/Cr＝2.35。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：
S1配料：按照成分配比称取Cu、Ni、Si、Cr、Al，其中Ni：4.79wt％，Al：0.27wt％，Si：1.93wt％，Cr：0.82wt％，Cu：余量，其中Cu、Ni、Al、Si、Cr元素的总含量为99.99％，Si与Cr的原子百分比之比为：Si/Cr＝2.35。
实施例6
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于，本实施例还提供了一种用于步骤S2熔炼的装置：
如图2所示，第一石墨坩埚2和第二石墨坩埚3放置在真空仓1内底部，第一石墨坩埚2和第二石墨坩埚3之间设有连通的开口，所述开口处设有用于控制其连通的隔板，与第二石墨坩埚3位置对应的真空仓1一侧壁上设有送丝装置5，送丝装置5上设有Cu-40％Cr合金丝材51，第二石墨坩埚3的正上方设有用于熔炼Cu-40％Cr合金丝材51的电子束枪4，使电子束枪4发出的电子束41位于电磁搅拌器7入口的正上方，第二石墨坩埚3底部设有电磁搅拌器7，电磁搅拌器7贯穿真空仓1底部并与结晶器8连接，结晶器8下方与冷却装置9连接。
S2熔炼：应用上述熔炼的装置采用半连续铸造进行熔炼，制造规格为直径200的铸锭，具体步骤包括：
S2-1：将第一石墨坩埚2、第二石墨坩埚3置于真空仓1内，将剪成长条状的工业用镍板、电解铜板、铝板依次放置于第一石墨坩埚2的底部，开启真空阀6抽真空至6Pa，加温至1200℃熔炼3h，熔炼过程中使用石墨棒持续进行机械搅拌；
S2-2：将Si以Cu-15％Si中间合金的形式加入第一石墨坩埚2内，升高温度至1400℃继续熔炼1.5h，随后打开第一石墨坩埚2和第二石墨坩埚3之间隔板，使一部分熔体进入第二石墨坩埚3内，液面高度保持为45mm，继续抽真空至1.5×10-3Pa，随后调整电子束枪4位置使电子束41位于第二石墨坩埚3中心处电磁搅拌器7入口的正上方，调整Cu-40％Cr合金丝材51的送丝速度使其末端始终位于电子束41下方，送丝速度3mm/s，送丝角度45°，Cu-40％Cr合金丝材51距离第二石墨坩埚3的高度为10mm，设定电子束流30mA，聚焦电流850mA，加速电压60KV，束流上升下降周期0.5s，将Cu-40％Cr合金丝材51持续加入第二石墨坩埚2，利用电子束41使Cu-40％Cr合金丝材51熔化，
开始浇铸；
S2-3：熔炼后的合金溶体与熔化的Cu-40％Cr合金丝材51混合共同由第二石墨坩埚3经电磁搅拌器7下引至结晶器8内，当熔体流入结晶器8内80％时打开冷却装置9开始下引连铸，下引连铸使用Cu-Ni-Si合金下引连铸设备，下引速度由慢变快，最终调整至60mm/min，当第二石墨坩埚3内熔体体积为22％时，降低下引速度至30mm/min，直至结束。
实施例7
本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于：
S4冷拉拔：如图5、6所示，将得到的毛坯进行一次冷拉拔，拉拔速度7mm/min，拉拔变形量为27％，冷拉拔过程中使用复合润滑剂，复合润滑剂的组分及组分间的质量比为水：基础润滑油：石灰粉：抗氧剂：金属减活剂：防锈剂＝5：25：10：0.2：1：0.5，基础润滑油为40wt％牛油、60wt％棕榈酸甲酯，抗氧剂为二烷基二硫代磷酸锌，金属减活剂为噻二唑，防锈剂为硫酸锌，得到变形后的槽楔毛坯。
实验例
1、利用实施例1-7中新型耐热铜合金制成的槽楔和一个对比例合金槽楔样品进行相关性能参数实验，测试方法如下所示：
根据GB/T 17737.308-2018《金属的抗拉强度和延伸率试验》标准在拉力试验机上测试新型耐热铜合金的抗拉强度及延伸率；
根据GB/T 2039-2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》标准在金属屈服强度试验机上测试新型耐热铜合金的屈服强度；
根据GB T 33370-2016《铜及铜合金软化温度的测定方法》标准在退火炉内测试新型耐热铜合金的软化温度；
根据GB/T 3651-2008《金属高温导热系数测量方法》标准在导电率仪上进行导电率试验。
测试结果如表1、2所示：
表1实施例1-5的铜合金成份及性能检测结果
表2实施例3、6-7的铜合金性能检测结果
由表1数据可知，不同元素成分配比对抗拉强度和屈服强度的影响较大，其中实施例3的元素成分配比抗拉强度、屈服强度最大；不同元素成分配比对新型耐热铜合金的软化温度也有一定影响，其中实施例5的元素成分配比最优，软化温度最高，说明当除铜以外的元素含量增加时软化温度有所增高；此外，实施例1-5中测试的延伸率和导电率变化不大，说明不同元素成分配比对延伸率和导电率影响较小；对比对比例中通过现有技术中常规手段及金属成分配比得到的铜合金性能，可以发现实施例1-5的各项性能除了导电率略低以外，均优于对比例中的铜合金性能，综上所述实施例3的元素成分配比最优，制备的新型耐热铜合金性能最好。
由表1数据可知，在其他工艺流程相同而改变步骤S2熔炼的工艺方法，使用电子束熔炼Cu-40％Cr合金代替传统的熔炼工艺时，可以发现实施例6中得到的铜合金除延伸率外的各项性能参数均优于实施例3，说明以电子束熔炼Cu-40％Cr合金的方式能够一定程度上提高铜合金的性能；对比实施例6-7可知，在其他工艺流程相同而改变步骤S4冷拉拔中复合润滑剂的成分时，实施例7中的铜合金延伸率和软化温度有所提高，而对其他性能无影响。
2、如图3、4所示，选取实施例1、3中制备的新型耐热铜合金进行金相检测，可以看出，经过时效处理后固溶物的合金元素析出，基体中的固溶元素浓度降低，使得合金的电导率提高；同时随着大量的第二相的析出，使得合金的强度得到提高；此外，还可以看出实施例3中的铜合金组织均匀，第二相没有聚集现象，这是该合金性能优异的主要因素。
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