发电机用铜基转子槽楔的工业化关键技术研究

摘要

随着科技的发展，对发电机的性能及可靠性要求越来越高。发电机转子是发电机的核心部件，而转子上用来固定转子线圈的合金槽楔又是非常重要的零件。该零部件需要具有强度高、导电性好、抗蠕变温度高、耐冲击的特性，因此Cu-Ni-Si合金由于具备这些特性而成为应用最广泛的槽楔材料。影响Cu-Ni-Si合金性能的因素很多，包含:化学成分、冷变形量、热处理等。为了能够采用有效的工业化手段，使Cu-Ni-Si合金生产批量化，同时保证产品性能的优异、稳定，本文采用光谱仪、扫描电子显微镜、金相显微镜、室温拉伸、硬度测量、电导率测量等方法研究成分、冷变形、热处理对Cu-Ni-Si合金性能的影响，同时还对工业生产过程中设备、工装、操作及模具参数对产品性能、缺陷的影响进行了研究，提出了改进意见。本研究的主要结论如下:
　　(1)金属La作为熔铸时的添加剂，随着La加入量的不断增加，柱状晶粒明显细化，同时黑色的第二相粒子由细小的点状分布变为粗大点状分布，并逐渐在晶界上聚集，形成条状分布，这导致Cu-Ni-Si合金的抗拉强度和延伸率先上升后降低。最终确定La作为熔铸添加剂，最佳加入量为0.1wt.％。
　　(2)Cu-Ni-Si合金存在中心裂纹倾向，使用传统的结晶器进行铸造时，容易产生热裂纹，为预防中心裂纹的产生，需要进行红锭铸造。
　　(3)冷变形量对Cu-Ni-Si合金抗拉强度、显微硬度有着显著影响，随着变形量的增加，合金中的位错密度增加，促进了有效脱熔物的形核，促使析出物更加弥散分布，从而提高对基体的强化作用，使合金的抗拉强度、硬度不断增加，且时效峰值到达的时间逐渐缩短。在保证性能的前提下，为提高生产效率和控制成本，确定冷变形量为50％。
　　(4)对于复杂形状的合金，各部位的性能差异不仅与各部位的加工率有关，还与该部位到中心的距离有关，所以为使产品的性能均衡，需要综合考虑，对各部位采取不同的加工率。
　　(5)对冷加工后的Cu-Ni-Si合金以不同的温度经相同的时间进行时效处理，得到以下结果:当温度低于430℃时，以时效析出为主，力学性能逐渐升高，当时效温度超过490℃时，显微组织析出物逐渐粗化，导致力学性能降低，显微硬度低于211HV，抗拉强度低于620Mpa，不能满足实际使用要求。结合实际使用情况，在430℃-460℃进行时效，可获得良好的综合性能。
　　(6)由于拉拔模具角度的不同，合金横截面外层金属的位移不同，从而影响了各点的硬度及应力，因此需根据不同产品对性能要求的差异，选择合适的模具。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 转子槽楔研究现状

1．3 Cu-Ni-Si转子槽楔成分设计

1．4 Cu-Ni-Si转子槽楔设备及工艺选择

1．4．1 熔铸设备及熔铸工艺

1．4．2 固熔工艺

1．4．3 挤压设备及工艺

1．4．4 冷变形工艺及设备

1．4．5 时效工艺

1．5 研究的目的及意义

1．6 研究内容

第二章 实验材料及方法

2．1 实验材料及制备

2．1．1 实验材料

2．1．2 材料的制备工艺

2．2 微观组织分析

2．2．1 金相观察

2．2．2 扫描电子显微镜观察

2．3 力学性能和电性能测试

2．3．1 硬度测试

2．3．2 拉伸力学性能测试

2．4 夏比摆锤冲击试验

2．5 电学性能测试

2．6 化学成分测试

第三章 转子槽楔生产工艺优化

3．1 熔铸工艺优化

3．1．1 真空熔铸炉的缺点

3．1．2 半连续炉熔铸的工艺确定

3．1．3 稀土La对熔铸的影响

3．1．4 杂质元素对Cu-Ni-Si合金性能的影响

3．2 挤压工艺优化

3．2．1 挤压机操作过程

3．2．2 挤压模具的预热

3．2．3 铜锭加热参数的确定

3．2．4 挤压模具的类型及选择

3．2．5 挤压制品的组织与性能

3．3 冷拔工艺优化

3．3．1 加工率的确定

3．3．2 冷拔工艺尺寸参数优化

3．3．3 拉拔过程数值模拟

3．3．4 拉拔模具设计及改进

3．4 热处理工艺优化

3．4．1 设备组成及操作规程

3．4．2 工艺参数的确定

3．5 小结

第四章 槽楔生产过程中的质量控制

4．1 铸锭的缺陷及改进

4．1．1 夹渣的成因及预防

4．1．2 气孔成因及预防

4．1．3 裂纹成因及预防

4．2 “凸”型槽楔r角裂纹的控制

4．2．1 渗透探伤检验过程

4．2．2 渗透探伤缺陷

4．2．3 裂纹分析与改进

4．3 槽楔平直度的控制

4．3．1 槽楔平直度要求

4．3．2 生产过程中出现的问题及分析

4．3．3 改进方案

4．4 热处理表面质量控制

4．4．1 现象描述

4．4．2 问题分析

4．4．3 问题验证

4．4．4 生产过程中纠正预防

4．5 槽楔内部缺陷控制

4．5．1 内部缺陷的要求

4．5．2 超声检测的要求

4．5．3 常见内部缺陷的分析与控制

4．6 小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间完成的学术论文和获得的奖励