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電機(jī)轉(zhuǎn)子高電阻率鋁合金新材料的研究試

   日期:2010-12-15     瀏覽:2353    評(píng)論:0    
核心提示:試驗(yàn)研究了Al-Si-Mn-Fe合金的金相組織,電阻率及力學(xué)性能;為高轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)差率的電機(jī)轉(zhuǎn)子找到了一種既滿足電阻率要求,又具有好的鑄造性能和好的力學(xué)性能的鋁合金配方;新鋁合金材料及所得結(jié)論在高轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)差率電機(jī)生產(chǎn)中得到驗(yàn)證和應(yīng)用。

  在電機(jī)制造中,對(duì)普通鼠籠式電機(jī)轉(zhuǎn)子,大都采用純鋁進(jìn)行壓鑄或離心鑄造。而對(duì)于要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大或高轉(zhuǎn)差率的電機(jī),其轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的材料必須具有比純鋁高得多的電阻率,轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電阻率隨電機(jī)性能的不同而不同。我廠此類(lèi)電機(jī)要求轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材料的電阻率為ρ33℃=8.6~9.2μΩ.cm,要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純鋁的3μΩ.cm電阻率。

用鑄造鋁合金轉(zhuǎn)子代替焊接銅排導(dǎo)條轉(zhuǎn)子生產(chǎn)高轉(zhuǎn)矩或高轉(zhuǎn)差率的電機(jī),由于節(jié)省銅而使成本大大降低,并且以鑄造澆注鋁合金工藝代替銅排導(dǎo)條轉(zhuǎn)子的嵌焊工藝,可提高生產(chǎn)效率。此外鑄造鋁合金轉(zhuǎn)子還具有可以靈活設(shè)計(jì)最佳槽形,提高散熱效能;機(jī)械上易找動(dòng)平衡等優(yōu)點(diǎn)。因此,國(guó)內(nèi)外許多鑄造工作者都對(duì)用高電阻率鋁合金新材料生產(chǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了研究[1~4]。研制電機(jī)轉(zhuǎn)子用高電阻率鋁合金遇到的主要困難是,若要電阻率高則鑄造工藝性能就差或冷態(tài)較脆。有的工廠能保證合金有高的電阻率,但由于熱裂和冷裂造成的電機(jī)轉(zhuǎn)子的廢品率卻高達(dá)30%以上,又大大地提高了生產(chǎn)成本。

我們研制的電機(jī)轉(zhuǎn)子用高電阻率新材料鑄造Al-Si-Mn-Fe合金(還含有變質(zhì)處理時(shí)帶入的Cu,因此本文所述Al-Si-Mn-Fe合金實(shí)際是Al-Si-Mn-Fe-Cu合金,以下相同),電阻率高、鑄造性能好、還具有較好的力學(xué)性能,可根據(jù)電機(jī)起動(dòng)性能的不同要求,通過(guò)調(diào)整合金成分配方獲得不同的電阻率。Al-Si-Mn-Fe配方在國(guó)內(nèi)、外尚未見(jiàn)報(bào)道。我廠已應(yīng)用該新合金材料生產(chǎn)出高轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)差率電機(jī),并裝機(jī)數(shù)十臺(tái)出廠,在電機(jī)性能指示及降低電機(jī)制造成本方面均取得了良好效果。

1 試驗(yàn)條件及方法
  硅具有很大的凝固潛熱和較大的比熱容,線收縮系數(shù)僅為鋁的1/4~1/3,因此,雖然隨著含硅量的增加,過(guò)共晶鋁硅合金的結(jié)晶溫度區(qū)間逐漸變寬,但其鑄造性能仍然很好[5]。
過(guò)共晶鋁硅合金具有一定的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率,其抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而降低的速度遠(yuǎn)比亞共晶、共晶鋁硅合金慢,溫度在200~400 ℃時(shí)被充分細(xì)化了初晶硅的Al-20%Si合金的抗拉強(qiáng)度大于亞共晶合金的抗拉強(qiáng)度[6],加之線收縮系數(shù)小,能夠滿足目前電機(jī)生產(chǎn)中普遍采用的“熱套軸法”裝軸時(shí)的力學(xué)性能要求,不致于開(kāi)裂。
我國(guó)的鋁價(jià)格高于結(jié)晶硅的價(jià)格,因此增加合金的含硅量可以有效地降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。但含硅量過(guò)高會(huì)惡化力學(xué)性能,因而選定含硅量20%,并在此基礎(chǔ)上加入其它合金元素,以尋找合金元素含量與電阻率(ρ)、抗拉強(qiáng)度(σb)和伸長(zhǎng)率(δ)的關(guān)系。
試驗(yàn)用合金在RTXG-8-13型8 kW箱式電阻爐內(nèi)熔化,5#石墨坩堝裝料,試驗(yàn)用材料,見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)用材料
Tab.1 Experimental materials
材料名稱 純度(不小于%)
純鋁(Al) 99.7
結(jié)晶硅(Si) 99
純鐵(Fe) 99
電解錳(Mn) 97
變質(zhì)劑 11%P-Cu,純度99%
精煉劑 SRWJ2型

  溫度控制及測(cè)試系統(tǒng)采用鎳鉻-鎳硅熱電偶配用XCT-101動(dòng)圈表。
電阻率試棒用金屬型鑄出,其尺寸為
6 mm×450 mm測(cè)試電阻率的儀表為QJ44型攜帶式直流電橋。
力學(xué)性能試驗(yàn)按GB228-76規(guī)定進(jìn)行。拉力試棒由金屬型鑄出的鑄坯車(chē)削而成,見(jiàn)圖1。
圖1 拉力試棒
Fig.1 Sample of tensile test.
  熔煉工藝:將純鋁熔化至700~720 ℃出爐,扒渣后加入粒度8~12 mm的結(jié)晶硅、純鐵屑和薄片狀電解錳;升溫至800 ℃出爐加入0.3%的精煉劑精煉,扒渣后加入1%的變質(zhì)劑;升溫至800 ℃(澆注電阻率試棒則為850 ℃)出爐,再加入0.3%的精煉劑二次精煉,扒渣后迅速澆入預(yù)熱至300~350 ℃的金屬型中。
試驗(yàn)用合金成分編號(hào),如表2所示。表2中含硅量固定為20%,除Si、Mn和Fe外,其余為Al。
表2 試驗(yàn)合金編號(hào)與成分
Tab.2 Serial number and composition of the experimental alloys.

編     號(hào)
050 051 052 053 054 055 056 057 058 059
Mn/% 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0
Fe/% 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

2 試驗(yàn)結(jié)果

  試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3及圖2、圖3和圖4。表3中每個(gè)編號(hào)的數(shù)據(jù)均是3根試樣試驗(yàn)的平均值。

表3 力學(xué)性能及電阻率試驗(yàn)結(jié)果
Tab.3 Experimental results of the mechanical property and resistivity.

 

編號(hào) 項(xiàng)目
ρ33℃/μΩ.cm σb/MPa δ/%
050 8.69 260.6 1.57
051 8.92 249.1 1.54
052 9.06 243.9 1.53
053 9.24 236.8 1.20
054 9.50 232.2 1.14
055 9.18 236.4 1.51
056 9.44 226.5 1.43
057 10.02 222.8 1.20
058 10.15 222.1 1.18
059 10.55 221.2 1.14

  由圖2可見(jiàn),隨著含F(xiàn)e量的增加合金電阻率呈上升趨勢(shì),此外,在相同含F(xiàn)e量條件下,含Mn量高的合金其電阻率也較高。由圖3可見(jiàn),隨著含F(xiàn)e量的提高,合金抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),相同含F(xiàn)e量條件下Mn含量高的合金低于Mn含量低的合金的抗拉強(qiáng)度。由圖4可見(jiàn),隨含F(xiàn)e量增加,合金的伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì),除含F(xiàn)e量為2.0%的試驗(yàn)點(diǎn)外,Mn含量高的合金伸長(zhǎng)率低于Mn含量低的合金伸長(zhǎng)率。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及考慮到試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法和測(cè)試手段、儀器的誤差等諸多方面因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,認(rèn)為圖2、圖3和圖4中Fe含量與電阻率(ρ33℃)、抗拉強(qiáng)度(σb)和伸長(zhǎng)率(δ)之間均呈線性函數(shù)關(guān)系,其對(duì)應(yīng)的線性函數(shù)關(guān)系回歸直線,如圖5、圖6和圖7所示。
圖2 含F(xiàn)e量與電阻率的關(guān)系 圖3 含F(xiàn)e量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系 圖4 含F(xiàn)e量與伸長(zhǎng)率的關(guān)系

圖2 含F(xiàn)e量與電阻率的關(guān)系
Fig.2 The effects of Fe content on the resistivity

圖3 含F(xiàn)e量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系
Fig.3 The effects of Fe content on the tensile strength
圖4 含F(xiàn)e量與伸長(zhǎng)率的關(guān)系
Fig.4 The effects of Fe content on the elongation

 

圖5 Fe含量與電阻率的線性關(guān) 圖6 Fe含量與抗拉強(qiáng)度的線性關(guān)系 圖7 Fe含量與伸長(zhǎng)率的線性關(guān)系
圖5 Fe含量與電阻率的線性關(guān)系
Fig.5 The linear relation of Fe content and the resistivity.
圖6 Fe含量與抗拉強(qiáng)度的線性關(guān)系
Fig.6 The linear relation of Fe content and the tensile strength.
圖7 Fe含量與伸長(zhǎng)率的線性關(guān)系
Fig.7 The linear relation of Fe content and the elongation.
通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)結(jié)果的二元線性回歸分析,在圖5、圖6和圖7的基礎(chǔ)上(也對(duì)應(yīng)于圖2、圖3和圖4),分別給出了確定電阻率(ρ33℃)、抗拉強(qiáng)度(σb)和伸長(zhǎng)率(δ)與Mn、Fe元素含量(Si含量固定為20%)之間關(guān)系的3個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式:
(1)ρ33℃/μΩ.cm=4.613+1.572Mn+0.539Fe
(2)σb/MPa=338.1-34.24Mn-9.59Fe
(3)δ/%=1.915-0.128Mn-0.199Fe
這3個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果均與以后的大量試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果較好地吻合,得到試驗(yàn)驗(yàn)證。
3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論
  電阻率是金屬材料的重要物理性能,是一個(gè)組織敏感量。經(jīng)典的電子理論觀點(diǎn)認(rèn)為,金屬電阻的產(chǎn)生是由于其中的自由電子在外電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)時(shí)與點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)離子相碰撞的結(jié)果。量子力學(xué)建立后,對(duì)電阻的特性又有了重新的認(rèn)識(shí),認(rèn)為金屬的電阻取決于有效電子數(shù)和電子的散射幾率,它與前者成反比,與后者成正比。依此理論可以推出:絕對(duì)純的并具有理想完整晶體結(jié)構(gòu)的金屬,在絕對(duì)零度時(shí)電阻為零。任何晶格缺陷都會(huì)阻礙電子的運(yùn)動(dòng),使它們反射或折射,電阻增加。多相合金的電阻率不僅決定于各相的電阻率大小和相對(duì)量,而且相的幾何尺寸和相的分布特點(diǎn)對(duì)合金的電阻率也有一定的影響。
對(duì)未侵蝕的合金試樣進(jìn)行顯微觀察發(fā)現(xiàn),Al-Si-Mn-Fe合金的鑄態(tài)組織中,除了在基體(α+Si)上分布著大量不規(guī)則多邊形的初晶Si外,還分布著“白亮”相(該相在顯微鏡下顏色較淺,為了敘述方便并與共晶組織及初晶硅區(qū)別開(kāi)來(lái),故此稱謂)。這種“白亮”相呈棒狀或不規(guī)則塊狀,并有如下規(guī)律:
(1)隨著合金含F(xiàn)e量的增加,“白亮”相的數(shù)量也隨之增加。
(2)隨著合金含Mn量的增加,“白亮”相的數(shù)量也隨之增加。
(3)隨著合金Fe量的增加,金相組織中棒狀“白亮”相逐漸減少,不規(guī)則塊“白亮”相逐漸增多,“白亮”相有由棒狀向不規(guī)則塊狀轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。
棒狀“白亮”相,如圖8所示,不規(guī)則塊狀“白亮”相,如圖9所示。058號(hào)合金“白亮”相的電子探針成分分析結(jié)果見(jiàn)表4。表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值。由表4可見(jiàn),“白亮”相是富Mn、富Fe并含有Si和Al的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的相,“白亮”塊和“白亮”棒金相形態(tài)不同,但考慮到電子探針本身的測(cè)量誤差,則它們的成分基本相同,其化學(xué)組成可用分子式Fe3Mn5Si5Al30表示。
表4 058號(hào)合金的“白亮”相成分
Tab.4 The composition of white bright phase of the 058 
alloy.
類(lèi)別 元素/% 計(jì)算結(jié)果
Al Si Mn
Fe
“白亮”塊 58.84 9.99 18.84 12.33 Fe3Mn5Si5Al30
“白亮”棒 59.57 9.96 18.34 12.13 Fe3Mn5Si5Al30
棒狀白亮相
圖8 棒狀“白亮“相 ×400
Fig.8 The white bright rod shaped phase ×400
不規(guī)則塊狀白亮相
圖9 不規(guī)則塊狀“白亮”相 ×400
Fig.9 The white bright the irregular lump
shape ×400
  合金金相組織中“白亮”相的電阻遠(yuǎn)大于形成它的各組元的電阻[7],因而隨著Fe含量的增加,“白亮”相增加,合金的電阻增大。雖然Fe絕大部分都進(jìn)入“白亮”相中,但仍有少量會(huì)溶入α-Al中,形成固溶體,使有效電子數(shù)減少并會(huì)造成一定程度的晶格畸變,也會(huì)使合金電阻增大。
合金金相組織中隨Mn量的增加,“白亮”相增多。Mn是過(guò)渡族元素,形成固溶體時(shí)將使有效電子數(shù)減小,并且會(huì)造成一定程度的晶格畸變。Mn作為溶質(zhì)元素使固溶體的殘留電阻率顯著增大[8],這都使合金隨含Mn量的增加,電阻增大。
一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物相是硬脆相,“白亮”相即是硬脆相。而共晶組織相對(duì)粗大的“白亮”相和初晶硅來(lái)說(shuō)較細(xì)小,塑性較大。在外力作用下,與“白亮”相和初晶硅相鄰的共晶組織,由于“白亮”相和初晶硅阻礙變形而產(chǎn)生應(yīng)力集中,并進(jìn)而產(chǎn)生微小裂紋。隨著作用力的加大,共晶組織中的微小裂紋迅速擴(kuò)展,造成合金斷裂。金相組織中硬脆的“白亮”相數(shù)量越多,基體的相對(duì)數(shù)量越少,則對(duì)基體的割裂作用就越嚴(yán)重,產(chǎn)生的應(yīng)力集中點(diǎn)也就越多,表現(xiàn)出合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率就越低。合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨含Mn量和含F(xiàn)e量的增加逐漸下降,是由于金相組織中硬脆的“白亮”相數(shù)量逐漸增加造成的。
4 生產(chǎn)應(yīng)用
  用 20% Al;2.0% Si;1.0% Mn;Fe合金生產(chǎn)的YZ225M—8和YZ160M1—6電機(jī),其性能數(shù)據(jù)如表5所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用離心鑄造。電阻率用ρ33℃33℃×1.04的換算。經(jīng)驗(yàn)證,表中數(shù)據(jù)均滿足電機(jī)生產(chǎn)制造的性能要求。
表5 ZAlSi20Mn2Fe1合金電機(jī)轉(zhuǎn)子性能
Tab.5 The properties of motor rotors of the ZAlSi20Mn2Fe1 
alloy.
電機(jī)
型號(hào)
最大轉(zhuǎn)矩
堵轉(zhuǎn)電流
A
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
N.m
定子溫升
K
YZ225M—8 2.52 275.4 853.3 71.14
YZ160M1—6 2.51 58.30 132.3 55.59

5 結(jié)論

  (1)Al-Si-Mn-Fe合金新材料電阻率高、力學(xué)性能好、不熱裂、不冷裂、鑄造性能好,適用于高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,高轉(zhuǎn)差率電機(jī)的生產(chǎn)。
(2)本試驗(yàn)條件下,當(dāng)Si含量固定為20%時(shí),Al-Si-Mn-Fe合金的電阻率(ρ33℃)、抗拉強(qiáng)度(σb)和伸長(zhǎng)率(δ)可用下式計(jì)算:
(1)ρ33℃=4.613+1.572Mn+0.539Fe(μΩ.
cm)
(2)σb=338.1-34.24Mn-9.59Fe(MPa)
(3)δ=1.915-0.128Mn-0.199Fe(%)
其計(jì)算結(jié)果可用指導(dǎo)電機(jī)生產(chǎn)。
(3)Al-Si-Mn-Fe合金中“白亮”相的化學(xué)組成可用分子式Fe3Mn5Si5Al30表示。

作者簡(jiǎn)介:張玉平(1963- ),男,山東濟(jì)南人,高級(jí)工程師,學(xué)士.
作者單位張玉平(大連第二電機(jī)廠,遼寧 大連 116023;)
劉旭麟(大連理工大學(xué),遼寧 大連 116023)
關(guān)鍵詞:電機(jī)轉(zhuǎn)子;鋁合金;高電阻率;力學(xué)性能;金相組織
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A  文章編號(hào):1000-8365(1999)04-0045-03
The Study on New Al-Si-Mn-Fe High Resistivity Aluminium Alloy
ZHANG Yu-ping1,LIU Xu-lin2
(1.Dalian Second Electric Machine Works,Dalian 116023,China; 2.Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)
Abstract:The study on microstructure,resistivity and mechanical property of Al-Si-Mn-Fe alloys has been carried out in order to find a prescription of aluminium alloy which should not only meet the requirement of resistivity but also possess good castability and mechanical properties for motor rotors of high torque and high slip.The advantage of new aluminium alloy has been verified and applied in production of electric motor of high torque and high slip.

Key WordsRotor of electric motor; Aluminium alloy; high resistivity;Mechanical property; Microstructure 

 
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