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
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。
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 |
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。
Fig.1 Sample of tensile test.
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。
Tab.2 Serial number and composition of the experimental alloys.
成 分 |
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(ρ33℃)、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
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)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. |
(1)ρ33℃/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。
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共)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。
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 |
Fig.8 The white bright rod shaped phase ×400
Fig.9 The white bright the irregular lump
shape ×400
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。
Tab.5 The properties of motor rotors of the ZAlSi20Mn2Fe1
alloy.
電機(jī) 型號(hào) |
最大轉(zhuǎn)矩 倍 |
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)。 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) |
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-8365(1999)04-0045-03
(1.Dalian Second Electric Machine Works,Dalian 116023,China; 2.Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)
Key Words:Rotor of electric motor; Aluminium alloy; high resistivity;Mechanical property; Microstructure