大容量高速電機(jī)鈹鈷鋯銅異形導(dǎo)條擠拉工藝研究

王岳元，李學(xué)浩

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

8 MW 8 000 r/min級(jí)大容量超高速異步電動(dòng)機(jī)是緊跟超高速異步電機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合輸氣管線對(duì)大容量超高速異步防爆電動(dòng)機(jī)的需求開展的新產(chǎn)品研制。在國內(nèi)，該容量級(jí)別達(dá)到如此高的轉(zhuǎn)速尚屬空白，國際上也僅極少數(shù)廠家可以制造，主要應(yīng)用于天然氣輸送管道支線或聯(lián)絡(luò)線壓縮機(jī)組的高速直聯(lián)項(xiàng)目中。國電示范性工程霍林河坑口電廠改造項(xiàng)目和西氣東輸國產(chǎn)化超高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速均達(dá)到了5 000 r/min，兩個(gè)項(xiàng)目的導(dǎo)條或槽楔采用了高強(qiáng)度導(dǎo)電銅合金中綜合性能最優(yōu)異的鈹鈷鋯銅合金[1]。國電示范性工程霍林河坑口電廠改造項(xiàng)目的矩形鈹鈷鋯銅導(dǎo)條采用擠壓拉拔成型工藝，西氣東輸電機(jī)槽契為鍛造出坯金加工成型。因本項(xiàng)目中導(dǎo)條的截面較小，且為異形，機(jī)加工過程易于變形，機(jī)加工難度較大，采用鍛造方形或擠壓拉拔近成型方式給后續(xù)的機(jī)加工公差保證帶來很大的難度，且機(jī)加工成型的方式材料利用率較低、加工成本較高。為了降低成本和避免機(jī)加工成型，公司在矩形鈹鈷鋯銅擠壓拉拔成型工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了8 MW 8 000 r/min級(jí)大容量超高速異步電動(dòng)機(jī)鈹鈷鋯銅導(dǎo)條“水封擠壓+冷拉異形成型工藝”的開發(fā)研究。

1 成分性能要求及截面尺寸

8 MW 8000 r/min級(jí)大容量超高速異步電動(dòng)機(jī)鈹鈷鋯銅異形導(dǎo)條成分和性能要求采用美國西屋公司的標(biāo)準(zhǔn)，如表1、表2所示。

表1 異形導(dǎo)條的化學(xué)成分要求

表2 異形導(dǎo)條的性能要求

8 MW 8 000 r/min級(jí)大容量超高速異步電動(dòng)機(jī)導(dǎo)條的成品截面尺寸對(duì)寬度的公差為0.05～0.1 mm，上公差與下公差之間只有0.05 mm的空間，對(duì)于異形冷拉成型的工件來說要求極其苛刻。兩側(cè)突出的R5.5的圓弧部分分布在高度靠上的部位，在冷拉過程中會(huì)產(chǎn)生受力不均的情況，對(duì)冷拉后的尺寸控制也會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

2 工藝設(shè)置

鈹鈷鋯銅合金硬度較高，熱擠壓后表面平整度較差。為了冷拉后獲得較理想的表面情況，從擠壓后到成品的尺寸差設(shè)置較大，單邊設(shè)置2～3 mm的冷拉量。因成品截面尺寸小，冷拉變形量就較大，達(dá)到41%。

工件冷拉后的尺寸與初始硬度和冷變形量大小有關(guān)，成品的尺寸公差精度要求高。為了保證成品尺寸符合公差要求和長度方向的均勻性，在最后一道冷拉尺寸之前增加一道固溶處理，增加固溶的目的為：

(1) 擠壓后工件存在彎曲，在校直或冷拉直的過程中，造成冷變形量不同，擠壓后工件沿長度方向的截面尺寸有偏差，也會(huì)造成冷變形量的不同。冷拉中間過程增加一次固溶處理可以消除冷變形量的不同對(duì)最終尺寸的影響。

(2) 增加一次固溶處理，固溶處理后的整根工件的硬度一致，消除硬度不同對(duì)最終尺寸的影響。

因此，總體制造工藝設(shè)置為：熔煉鑄造→水封擠壓→冷拉變形→固溶處理→冷拉最終成型→校直→真空時(shí)效處理。

3 工藝試驗(yàn)

3.1 水封擠壓及中間固溶處理

本項(xiàng)目參考國電示范性工程霍林河坑口電廠改造項(xiàng)目的主給水泵電動(dòng)機(jī)矩形鈹鈷鋯銅導(dǎo)條擠壓參數(shù)的設(shè)置[2]，擠壓鑄錠的加熱溫度選取930 ℃。依據(jù)擠壓筒的尺寸，采用直徑為φ160 mm的鑄錠，根據(jù)冷變形量和擠壓筒大小確定擠壓比為17.4。為了獲得理想的性能，中間的固溶處理要使合金元素能充分溶解在基體內(nèi)，工藝設(shè)置為940 ℃下保溫1 h。

3.2 冷變形

在冷變形中間增加一道固溶處理后，將冷變形分為兩部分。為了保證最終的性能，固溶處理后的冷變形量不小于15%，又為了最終尺寸易于控制，冷變形量又不易過大。實(shí)際設(shè)置固溶后的冷變形量為19%，擠壓后固溶前的變形量為27.5%。通過多次模具試驗(yàn)調(diào)整，最終的模具尺寸如圖1所示。根據(jù)導(dǎo)條與轉(zhuǎn)子槽形的配合情況，制作了止通規(guī)，通過止通規(guī)的測(cè)量，最終尺寸滿足了設(shè)計(jì)的要求。

圖1 最后一道模具尺寸

4 性能測(cè)試及微觀組織

對(duì)真空時(shí)效處理后的異形鈹鈷鋯銅導(dǎo)條進(jìn)行了硬度和導(dǎo)電性能均勻性測(cè)試。硬度測(cè)試和導(dǎo)電的均勻性測(cè)試部位如圖2所示，硬度、導(dǎo)電和拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表3、4、5所示。經(jīng)測(cè)試硬度(HRB)、導(dǎo)電和拉伸性能滿足技術(shù)要求，硬度最大值與最小值之差不超過1.5，導(dǎo)電率最大值與最小值之差不超過0.5%。均勻性較好，說明中間固溶處理、冷變形和時(shí)效工藝設(shè)置合理。

圖2 硬度和導(dǎo)電測(cè)試部位示意

表3 硬度均勻性

表4 導(dǎo)電均勻性

表5 拉伸性能

時(shí)效后的鈹鈷鋯銅異形導(dǎo)條邊緣和心部的金相組織如圖3、圖4所示，增加了一次中間固溶，減弱了冷變形量對(duì)邊緣晶粒的細(xì)化效應(yīng)，使邊緣和心部的組織基本趨于一致，也驗(yàn)證了心部和邊緣位置硬度相差較小的原因。

圖3 時(shí)效后邊緣金相(200×)

圖4 時(shí)效后心部金相(200×)

5 結(jié)論

8 MW 8 000 r/min級(jí)大容量超高速異步電動(dòng)機(jī)異形導(dǎo)條經(jīng)驗(yàn)證的制備工藝為：水封擠壓+冷拉+固溶處理+冷拉成型+真空時(shí)效。在冷變形中間增加一道固溶處理工藝和合理的模具設(shè)計(jì)，是異形導(dǎo)條尺寸滿足精度要求的關(guān)鍵。采用此工藝達(dá)到了理想的性能指標(biāo)和均勻的內(nèi)部組織。

本文的工藝路線設(shè)置為異形銅合金工件的擠壓拉拔成型生產(chǎn)提供了有價(jià)值的參考。