CN111690838B

CN111690838B - 一种易绕制变压器用紫铜带材及其制备方法

Info

Publication number: CN111690838B
Application number: CN202010571455.4A
Authority: CN
Inventors: 华称文; 傅杰; 巢国辉; 权海仙
Original assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2040-06-22
Also published as: CN111690838A

Abstract

本发明涉及一种易绕制变压器用紫铜带材，其特征在于该紫铜带材的质量百分组成为Cu+Ag：≥99.95wt％，Fe：0.001～0.005wt％，B：0.001～0.005wt％以及不可避免的杂质；所述紫铜带材的软态组织晶粒度为20～35μm，其中最小晶粒直径与最大晶粒直径比≥0.80。本发明紫铜带材在软态条件下为细小均匀的等轴晶，晶粒度控制在20～35μm，组织晶粒中最小晶粒直径与最大晶粒直径的粒径比≥0.80，保证紫铜带材高导电率的同时硬度控制在45～52HV。

Description

一种易绕制变压器用紫铜带材及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金领域，具体涉及一种易绕制变压器用紫铜带材及其制备方法。

背景技术

随着电力工业的发展，变压器由传统的导线绕组结构形式升级为带材绕组结构形式，相比而言，紫铜带绕制而成的带材绕组结构形式使变压器具有极高的导电、导热稳定性，同时其空间利用率高、容量大。目前带材绕组结构形式的变压器在电力行业已被广泛使用。

随着变压器的使用升级，客户对紫铜带的绕制能力也有了新的关注。现有的变压器紫铜带对软态硬度的控制范围大(45～65HV)，不利于变压器绕制使用，影响变压器工作效率。同时紫铜带硬度较高，产品在直角拐弯处的回弹力大，绕制时结构不紧凑，易出现缝隙；硬度低于标准要求，带材受力绕制时易出现纵向拉伸和表面划伤等问题，最终影响电流通过。因此，为了提高紫铜带材的绕制能力，尽可能将紫铜软态下的硬度控制在硬度适中且硬度变化较小的范围(45～52HV)。想获得硬度适中、硬度范围小的紫铜带材就需要对现有的紫铜成分及晶粒大小、均匀性等进行改进，保证材料高导电的同时提高绕制能力。

如发明专利CN109261739A公开了一种短流程生产宽幅大于630mm变压器铜带工艺，采用上引连铸法生产出12×650～1050mm的T2导带坯，直接进行轧制，节省了铣面工序，后道粗轧轧制2mm后退火，再精轧再退火，最终得到变压器铜带HV≥45，实现短流程化、低成本化。但此加工工艺方法对材料的弯曲绕制存在不利影响，当硬度≥HV55时产品在直角拐弯处的回弹力大，导致绕制时结构不紧凑，易出现缝隙，最终影响变压器的整体体积和工作效率。

因此，针对现有的变压器用紫铜带材需要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种组织晶粒细小、均匀的易绕制变压器用紫铜带材。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种易绕制变压器用紫铜带材，其特征在于该紫铜带材的质量百分组成为Cu+Ag：≥99.95wt％，Fe：0.001～0.005wt％，B：0.001～0.005wt％以及不可避免的杂质；所述紫铜带材的软态组织晶粒度为20～35μm，其中最小晶粒直径与最大晶粒直径比≥0.80。

变压器用紫铜带材要求方便弯曲绕制，绕制后结构紧凑，不能出现缝隙，为了提高紫铜带材的绕制能力，尽可能将紫铜软态下的硬度控制在硬度适中且硬度变化较小的范围(45～52HV)。想获得硬度适中、硬度范围小的紫铜带材就需要组织晶粒大小、均匀性等进行改进。本发明铜合金中添加适量的Fe、B元素，可以细化组织晶粒。Fe、B元素的添加分别以中间合金Cu-Fe、Cu-B的方式加入，作为异质形核，可以提高形核率，阻碍晶粒长大，起到细化晶粒的作用。Fe、B含量过高，作为固溶体会降低铜的导电性；而Fe、B含量过低，晶粒细化效果不明显。因此，本发明要求Fe、B添加含量为0.001～0.005wt％。

为了保证紫铜带材高导电率的同时硬度控制在45～52HV，本发明在软态条件下为细小均匀的等轴晶，晶粒度控制在20～35μm。组织晶粒的细小在提高硬度的同时保持良好的塑性，组织晶粒细小还可以增强带材的弹性性能；在控制组织晶粒细小的同时，组织晶粒的均匀性是影响紫铜带材硬度波动小的关键因素，组织不均匀会导致最终产品硬度范围大，绕制过程中紫铜带材在直角拐弯处的回弹力大，绕制时结构不紧凑，易出现缝隙，同时组织大小不均在弯曲绕制时弯曲表面容易发毛，甚至出现裂纹，因此，本发明组织晶粒中最小晶粒直径与最大晶粒直径的粒径比≥0.80。

作为优选，还包括总量为0.001～0.04wt％的稀土元素M，所述稀土元素M包括Ce，还包括La、Gd、Nd、Dy和Er中的至少一种，所述Ce与M的质量比满足0.4≤Ce/M≤0.75。

本发明合金在纯铜的基础上可添加混合稀土金属，稀土金属有利于增加结晶过程中的形核核心，细化晶粒组织，可以改善材料的力学性能。另外，稀土对于熔体有较好的净化、除氧能力，有利于提高材料的导电性。但是稀土元素总和添加过量容易在晶界富集，细化效果减弱且导电率明显下降。稀土Ce在净化熔体中起主要作用，其含量符合条件0.4≤Ce/M≤0.75。当稀土Ce的比例低于0.4或高于0.75时，稀土的整体改善效果较差，材料的导电率与硬度不能同时得到满足。

作为优选，所述0.01wt％≤M≤0.03wt％，其中0.55≤Ce/M≤0.65。

作为优选，所述紫铜带材的导电率≥100％IACS，维氏硬度45～52HV，抗拉强度210～230MPa，延伸率≥45％。

变压器铜带的物理性能在符合标准外更应该考虑在绕制使用过程中的便利。本发明紫铜带材的导电率≥100％IACS，维氏硬度45～52HV，抗拉强度210～230MPa，延伸率≥45％，导电率满足要求的同时，力学性能便于绕制使用。与传统变压器铜带软态硬度45～65HV相比，将合金的维氏硬度精确控制在45～52HV，铜带在弯曲绕制时面与面间贴合度高，绕制结构紧密，可以改善变压器的整体体积和工作效率。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种紫铜带材宽幅大、晶粒细小均匀且生产成本降低的易绕制变压器用紫铜带材的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种易绕制变压器用紫铜带材的制备方法，其特征在于：该紫铜带材的加工工艺流程为铸造→铣面→连续轧制→剪边→成品退火→清洗→成品剪切；所述铸造采用水平连铸拉铸带坯的方式，带坯厚度为14～22mm，宽度为630～850mm。

本发明采用水平连铸方式生产宽幅紫铜带，铸造带坯厚度为14～22mm，宽度为630～850mm。宽幅越大的紫铜带越符合未来变压器产品的发展需求，同时对于生产厂家来说，宽幅大产量高，同比生产成本更低。

作为优选，所述铣面工序采用四面铣的方式，上、下铣面厚度为0.5～1.0mm，侧边铣面厚度为0.8～1.2mm，铣面后表面进行衬纸保护。

作为优选，所述连续轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧工序采用大加工率方式轧制，总加工率为70～95％，轧制道次为5～7，各道次加工率为20～35％；所述精轧工序总加工率为50～75％，轧制道次为3～5，各道次加工率为20～35％；所述精轧工序后进行松张处理，同时涂抹防粘剂，避免带材在钟罩炉退火后烧粘。

常规的水平连铸紫铜生产工艺多为粗轧后中间退火，再进行精轧。与连续轧制相比，通过轧制后退火再轧制方式得到的最终组织晶粒破碎不够完全，可能残留着部分铸态组织，同时存在组织不均匀的风险，不利于产品的绕制使用。因此，大加工率连续轧制，减少中间退火，可以起到组织晶粒破碎完全的作用，彻底消除铸态组织，同时保证组织均匀化，为紫铜带的卷曲绕制能力提高提供支撑。粗轧大加工率轧制可以充分破碎铸态组织，消除铸态组织缺陷，转变成加工硬态组织。本发明精轧保证组织充分破碎和细化，达到组织均匀、细小的目的。

本发明结合紫铜带材的塑性特征和加工硬化过程组织变化规律，制定连续轧制工艺，先粗轧轧制再进行精轧，减少中间退火工序。本发明粗轧轧制的总加工率为75～95％，精轧的总加工率为50～75％。粗轧总加工率低于75％，材料塑性得不到充分利用；总加工率高于95％，粗轧设备无法保障材料的轧制板型及厚度公差。而精轧总加工率低于50％，成品的最终组织晶粒无法完全破碎，铸态组织可能残留；总加工率高于75％，成品的表面容易出现轧辊印，板型和厚度公差也有影响，甚至出现轧裂情况。

作为优选，所述连续轧制过程分为3个阶段；所述的粗轧为第一阶段轧制，轧制道次选用6道，各道次加工率30～35％；所述的粗轧为第一阶段轧制，轧制道次选用6道，各道次加工率30～35％；所述的精轧道次选用3道，第七道、第八道为第二阶段轧制，第九道为第三阶段轧制，其中第七道、第八道的道次加工率27～30％，第九道的道次加工率24～27％；所述第六道的加工率与第七道、第八道的加工率差控制在3～5％，所述第八道与第九道的加工率差控制在3～5％。

为进一步保证组织晶粒破碎又兼顾轧制后带材质量，整个连续轧制过程分为3个阶段。所述的粗轧为第一阶段轧制，轧制道次选用6道，各道次加工率30～35％。第一阶段粗轧轧制充分利用铸态组织塑性，目的是尽可能轧薄，为后续精轧做准备。所述的精轧道次选用3道，第七道、第八道为第二阶段轧制，第九道为第三阶段轧制，其中第七道、第八道的道次加工率27～30％，第九道的道次加工率24～27％；精轧轧制的作用是保证足够大的加工率破碎组织晶粒。既要保障铸态组织充分破碎的效果，同时也要考虑轧制后材料的表面质量和边裂情况，因此，第六道的加工率与第七道、第八道的加工率差控制在3～5％，第八道与第九道的加工率差控制在3～5％，可以在保证材料经再结晶退火后无铸态组织残留的同时取得好的板形和厚度公差。

作为优选，所述成品退火工序采用钟罩炉进行加热，退火温度为480～520℃，保温时间5～8h，升温速率70～90℃/h，加热保温过程采用高速循环风进行均热，风机转速1600rpm～2500rpm。连续轧制加工后的加工硬化组织处于不稳定状态，所需再结晶回复的能量要求低。因此，在相同温度下再结晶回复的速率更快、时间更短，再结晶恢复效果更优，实现性能稳定和组织均匀的目标。与常规的轧制退火再轧制方式相比，材料的软态性能将更有利于带材的绕制弯曲。退火过程中的升温速率低于70℃/h，退火效率低下，产能受损；升温速率高于90℃/h，炉内的温度受热效果欠佳，不利于组织再结晶恢复，对产品的组织和性能存在风险。风机转速太低，炉内受热均匀性不佳；转速太高对设备的负载要求高，增加生产成本，因此，将风机转速控制在1600rpm～2500rpm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1)在紫铜的基础上添加适量的Fe、B元素，Fe和B的添加作为异质形核，可以提高形核率，阻碍晶粒长大，起到细化晶粒的作用。本发明在软态条件下为细小均匀的等轴晶，晶粒度控制在20～35μm，组织晶粒中最小晶粒直径与最大晶粒直径比≥0.80，保证紫铜带材高导电率的同时硬度控制在45～52HV。

2)本发明易绕制紫铜带材采用连续轧制→退火的方式生产加工，得到产品组织和性能稳定、均匀，维氏硬度45～52HV，抗拉强度210～230MPa，延伸率≥45％，同时组织晶粒度20～35μm，不仅符合变压器用铜带的性能要求，还有利于变压器绕制使用，本发明缩短了传统水平连铸生产变压器紫铜带的生产流程，实现了变压器铜带的短流程加工。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

选取14个实施例合金按照本发明制备方法制备，该紫铜带材的加工工艺流程为：铸造→铣面→连续轧制→剪边→成品退火→清洗→成品剪切；具体成分配比见表1，关键工艺控制见表2。

对比例为紫铜C1100，具体成分见表1。

对14个实施例和1个对比例的带材样品分别测试显微硬度、抗拉性能和导电率等性能，具体测试结果见表3。

金相组织晶粒大小测试，按照《JIS H0501：1986伸铜品结晶粒度试验方法》中的求积法，对500倍的金相显微镜采集照片中的晶粒大小进行测试。样品宽度为10mm，长度为10mm。

组织晶粒均匀性测试，在金相图片上选择最小直径和最大直径的晶粒，并测量其直径大小。用组织的最小晶粒直径与最大晶粒直径的比表示晶粒的均匀性。

室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，在电子万能力学性能试验机上进行测试，采用宽度为20mm带头试样，拉伸速度为5mm/min。

通过表3可以得出，实施例紫铜带材的软态组织晶粒度为20～35μm，其中最小晶粒直径与最大晶粒直径比≥0.80。本实施例变压器用紫铜带材维氏硬度45～52HV、抗拉强度210～230MPa、延伸率≥45％、导电率≥100％IACS，符合变压器行业使用绕制材料性能要求。且本发明的紫铜生产工艺实现了短流程加工，缩短交期，降低成本。因此，本发明的短流程、宽幅紫铜更适合于变压器加工使用。

表1实施例、对比例的成分

表2实施例的工艺关键控制点

表3实施例、对比例的微观组织及性能测试结果

Claims

1.一种易绕制变压器用紫铜带材的制备方法，其特征在于：该紫铜带材的加工工艺流程为铸造→铣面→连续轧制→剪边→成品退火→清洗→成品剪切；所述铸造采用水平连铸拉铸带坯的方式，带坯厚度为14～22mm，宽度为630～850mm；

所述成品退火工序采用钟罩炉进行加热，退火温度为480～520℃，保温时间5～8h，升温速率70～90℃/h，加热保温过程采用高速循环风进行均热，风机转速1600rpm～2500rpm；

该紫铜带材的质量百分组成为Cu+Ag：≥99.95wt%，Fe：0.001～0.005wt%，B：0.001～0.005wt%以及不可避免的杂质；所述紫铜带材的软态组织晶粒度为20～35μm，其中最小晶粒直径与最大晶粒直径比≥0.80；所述紫铜带材的导电率≥100%IACS，维氏硬度45～52HV，抗拉强度210～230MPa，延伸率≥45%。

2.根据权利要求1所述的易绕制变压器用紫铜带材的制备方法，其特征在于：还包括总量为0.001～0.04wt%的稀土元素M，所述稀土元素M包括Ce，还包括 La、Gd、Nd、Dy和Er中的至少一种，所述Ce 与M的质量比满足0.4≤Ce/M≤0.75。

3.根据权利要求2所述的易绕制变压器用紫铜带材的制备方法，其特征在于：0.01wt%≤M≤0.03wt%，其中0.55≤Ce/M≤0.65。

4.根据权利要求1所述的易绕制变压器用紫铜带材的制备方法，其特征在于：所述铣面工序采用四面铣的方式，上、下铣面厚度为0.5～1.0mm，侧边铣面厚度为0.8～1.2mm，铣面后表面进行衬纸保护。

5.根据权利要求1所述的易绕制变压器用紫铜带材的制备方法，其特征在于：所述连续轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧工序采用大加工率方式轧制，总加工率为70～95%，轧制道次为5～7，各道次加工率为20～35%；所述精轧工序总加工率为50～75%，轧制道次为3～5，各道次加工率为20～35%；所述精轧工序后进行松张处理，同时涂抹防粘剂，避免带材在钟罩炉退火后烧粘。

6.根据权利要求5所述的易绕制变压器用紫铜带材的制备方法，其特征在于：所述连续轧制过程分为3个阶段；所述的粗轧为第一阶段轧制，轧制道次选用6道，各道次加工率30～35%；所述的精轧道次选用3道，第七道、第八道为第二阶段轧制，第九道为第三阶段轧制，其中第七道、第八道的道次加工率27～30%，第九道的道次加工率24～27%；第六道的加工率与第七道、第八道的加工率差控制在3～5%，所述第八道与第九道的加工率差控制在3～5%。