在電機制造中，對普通鼠籠式電機轉子，大都采用純鋁進行壓鑄或離心鑄造。而對于要求起動轉矩大或高轉差率的電機，其轉子導條的材料必須具有比純鋁高得多的電阻率，轉子導條的電阻率隨電機性能的不同而不同。我廠此類電機要求轉子導條材料的電阻率為ρ33℃=8.6～9.2μΩ.cm,要遠遠高于純鋁的3μΩ.cm電阻率。
用鑄造鋁合金轉子代替焊接銅排導條轉子生產高轉矩或高轉差率的電機，由于節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條轉子的嵌焊工藝，可提高生產效率。此外鑄造鋁合金轉子還具有可以靈活設計最佳槽形，提高散熱效能；機械上易找動平衡等優點。因此，國內外許多鑄造工作者都對用高電阻率鋁合金新材料生產電機轉子進行了研究［1～4］。研制電機轉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轉子的廢品率卻高達30%以上，又大大地提高了生產成本。
我們研制的電機轉子用高電阻率新材料鑄造Al-Si-Mn-Fe合金(還含有變質處理時帶入的Cu，因此本文所述Al-Si-Mn-Fe合金實際是Al-Si-Mn-Fe-Cu合金，以下相同)，電阻率高、鑄造性能好、還具有較好的力學性能，可根據電機起動性能的不同要求，通過調整合金成分配方獲得不同的電阻率。Al-Si-Mn-Fe配方在國內、外尚未見報道。我廠已應用該新合金材料生產出高轉矩、高轉差率電機，并裝機數十臺出廠，在電機性能指示及降低電機制造成本方面均取得了良好效果。
用鑄造鋁合金轉子代替焊接銅排導條轉子生產高轉矩或高轉差率的電機，由于節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條轉子的嵌焊工藝，可提高生產效率。此外鑄造鋁合金轉子還具有可以靈活設計最佳槽形，提高散熱效能；機械上易找動平衡等優點。因此，國內外許多鑄造工作者都對用高電阻率鋁合金新材料生產電機轉子進行了研究［1～4］。研制電機轉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轉子的廢品率卻高達30%以上，又大大地提高了生產成本。
我們研制的電機轉子用高電阻率新材料鑄造Al-Si-Mn-Fe合金(還含有變質處理時帶入的Cu，因此本文所述Al-Si-Mn-Fe合金實際是Al-Si-Mn-Fe-Cu合金，以下相同)，電阻率高、鑄造性能好、還具有較好的力學性能，可根據電機起動性能的不同要求，通過調整合金成分配方獲得不同的電阻率。Al-Si-Mn-Fe配方在國內、外尚未見報道。我廠已應用該新合金材料生產出高轉矩、高轉差率電機，并裝機數十臺出廠，在電機性能指示及降低電機制造成本方面均取得了良好效果。
1 試驗條件及方法
硅具有很大的凝固潛熱和較大的比熱容，線收縮系數僅為鋁的1/4～1/3，因此，雖然隨著含硅量的增加，過共晶鋁硅合金的結晶溫度區間逐漸變寬，但其鑄造性能仍然很好［5］。
過共晶鋁硅合金具有一定的抗拉強度和伸長率，其抗拉強度隨溫度升高而降低的速度遠比亞共晶、共晶鋁硅合金慢，溫度在200～400 ℃時被充分細化了初晶硅的Al-20%Si合金的抗拉強度大于亞共晶合金的抗拉強度［6］，加之線收縮系數小，能夠滿足目前電機生產中普遍采用的“熱套軸法”裝軸時的力學性能要求，不致于開裂。
我國的鋁價格高于結晶硅的價格，因此增加合金的含硅量可以有效地降低產品生產成本。但含硅量過高會惡化力學性能，因而選定含硅量20%，并在此基礎上加入其它合金元素，以尋找合金元素含量與電阻率(ρ)、抗拉強度(σb)和伸長率(δ)的關系。
試驗用合金在RTXG-8-13型8 kW箱式電阻爐內熔化，5#石墨坩堝裝料，試驗用材料，見表1。
過共晶鋁硅合金具有一定的抗拉強度和伸長率，其抗拉強度隨溫度升高而降低的速度遠比亞共晶、共晶鋁硅合金慢，溫度在200～400 ℃時被充分細化了初晶硅的Al-20%Si合金的抗拉強度大于亞共晶合金的抗拉強度［6］，加之線收縮系數小，能夠滿足目前電機生產中普遍采用的“熱套軸法”裝軸時的力學性能要求，不致于開裂。
我國的鋁價格高于結晶硅的價格，因此增加合金的含硅量可以有效地降低產品生產成本。但含硅量過高會惡化力學性能，因而選定含硅量20%，并在此基礎上加入其它合金元素，以尋找合金元素含量與電阻率(ρ)、抗拉強度(σb)和伸長率(δ)的關系。
試驗用合金在RTXG-8-13型8 kW箱式電阻爐內熔化，5#石墨坩堝裝料，試驗用材料，見表1。
表1 試驗用材料
Tab.1 Experimental materials
Tab.1 Experimental materials
| 材料名稱 | 純度(不小于%) |
| 純鋁(Al) | 99.7 |
| 結晶硅(Si) | 99 |
| 純鐵(Fe) | 99 |
| 電解錳(Mn) | 97 |
| 變質劑 | 11%P-Cu,純度99% |
| 精煉劑 | SRWJ2型 |
|
溫度控制及測試系統采用鎳鉻-鎳硅熱電偶配用XCT-101動圈表。 電阻率試棒用金屬型鑄出，其尺寸為 |
6 mm×450 mm測試電阻率的儀表為QJ44型攜帶式直流電橋。力學性能試驗按GB228-76規定進行。拉力試棒由金屬型鑄出的鑄坯車削而成，見圖1。
圖1 拉力試棒
Fig.1 Sample of tensile test.
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，扒渣后迅速澆入預熱至300～350 ℃的金屬型中。
試驗用合金成分編號，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。
試驗用合金成分編號，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 試驗合金編號與成分
Tab.2 Serial number and composition of the experimental alloys.
Tab.2 Serial number and composition of the experimental alloys.
| 成 分 |
編 號 | |||||||||
| 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 試驗結果 試驗結果見表3及圖2、圖3和圖4。表3中每個編號的數據均是3根試樣試驗的平均值。 表3 力學性能及電阻率試驗結果
Tab.3 Experimental results of the mechanical property and resistivity. |
| 編號 | 項目 | ||
| 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，隨著含Fe量的增加合金電阻率呈上升趨勢，此外，在相同含Fe量條件下，含Mn量高的合金其電阻率也較高。由圖3可見，隨著含Fe量的提高，合金抗拉強度呈下降趨勢，相同含Fe量條件下Mn含量高的合金低于Mn含量低的合金的抗拉強度。由圖4可見，隨含Fe量增加，合金的伸長率呈下降趨勢，除含Fe量為2.0%的試驗點外，Mn含量高的合金伸長率低于Mn含量低的合金伸長率。 根據試驗結果以及考慮到試驗條件、試驗方法和測試手段、儀器的誤差等諸多方面因素對試驗結果的影響，認為圖2、圖3和圖4中Fe含量與電阻率(ρ33℃)、抗拉強度(σb)和伸長率(δ)之間均呈線性函數關系，其對應的線性函數關系回歸直線，如圖5、圖6和圖7所示。 |
|
圖2 含Fe量與電阻率的關系 |
圖3 含Fe量與抗拉強度的關系
Fig.3 The effects of Fe content on the tensile strength |
圖4 含Fe量與伸長率的關系
Fig.4 The effects of Fe content on the elongation |
| 圖5 Fe含量與電阻率的線性關系 Fig.5 The linear relation of Fe content and the resistivity. |
圖6 Fe含量與抗拉強度的線性關系 Fig.6 The linear relation of Fe content and the tensile strength. |
圖7 Fe含量與伸長率的線性關系 Fig.7 The linear relation of Fe content and the elongation. |
通過對大量試驗結果的二元線性回歸分析，在圖5、圖6和圖7的基礎上(也對應于圖2、圖3和圖4)，分別給出了確定電阻率(ρ33℃)、抗拉強度(σb)和伸長率(δ)與Mn、Fe元素含量(Si含量固定為20%)之間關系的3個經驗公式：
(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個經驗公式的計算結果均與以后的大量試驗的測量數據結果較好地吻合，得到試驗驗證。
(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個經驗公式的計算結果均與以后的大量試驗的測量數據結果較好地吻合，得到試驗驗證。
3 試驗結果分析與討論
電阻率是金屬材料的重要物理性能，是一個組織敏感量。經典的電子理論觀點認為，金屬電阻的產生是由于其中的自由電子在外電場的作用下定向運動時與點陣結點離子相碰撞的結果。量子力學建立后，對電阻的特性又有了重新的認識，認為金屬的電阻取決于有效電子數和電子的散射幾率，它與前者成反比，與后者成正比。依此理論可以推出：絕對純的并具有理想完整晶體結構的金屬，在絕對零度時電阻為零。任何晶格缺陷都會阻礙電子的運動，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量，而且相的幾何尺寸和相的分布特點對合金的電阻率也有一定的影響。
對未侵蝕的合金試樣進行顯微觀察發現，Al-Si-Mn-Fe合金的鑄態組織中，除了在基體(α+Si共)上分布著大量不規則多邊形的初晶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別開來，故此稱謂)。這種“白亮”相呈棒狀或不規則塊狀，并有如下規律：
(1)隨著合金含Fe量的增加，“白亮”相的數量也隨之增加。
(2)隨著合金含Mn量的增加，“白亮”相的數量也隨之增加。
(3)隨著合金Fe量的增加，金相組織中棒狀“白亮”相逐漸減少，不規則塊“白亮”相逐漸增多，“白亮”相有由棒狀向不規則塊狀轉變的趨勢。
棒狀“白亮”相，如圖8所示，不規則塊狀“白亮”相，如圖9所示。058號合金“白亮”相的電子探針成分分析結果見表4。表4中的試驗數據是3個試驗點數據的平均值。由表4可見，“白亮”相是富Mn、富Fe并含有Si和Al的結構復雜的相，“白亮”塊和“白亮”棒金相形態不同，但考慮到電子探針本身的測量誤差，則它們的成分基本相同，其化學組成可用分子式Fe3Mn5Si5Al30表示。
對未侵蝕的合金試樣進行顯微觀察發現，Al-Si-Mn-Fe合金的鑄態組織中，除了在基體(α+Si共)上分布著大量不規則多邊形的初晶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別開來，故此稱謂)。這種“白亮”相呈棒狀或不規則塊狀，并有如下規律：
(1)隨著合金含Fe量的增加，“白亮”相的數量也隨之增加。
(2)隨著合金含Mn量的增加，“白亮”相的數量也隨之增加。
(3)隨著合金Fe量的增加，金相組織中棒狀“白亮”相逐漸減少，不規則塊“白亮”相逐漸增多，“白亮”相有由棒狀向不規則塊狀轉變的趨勢。
棒狀“白亮”相，如圖8所示，不規則塊狀“白亮”相，如圖9所示。058號合金“白亮”相的電子探針成分分析結果見表4。表4中的試驗數據是3個試驗點數據的平均值。由表4可見，“白亮”相是富Mn、富Fe并含有Si和Al的結構復雜的相，“白亮”塊和“白亮”棒金相形態不同，但考慮到電子探針本身的測量誤差，則它們的成分基本相同，其化學組成可用分子式Fe3Mn5Si5Al30表示。
表4 058號合金的“白亮”相成分
Tab.4 The composition of white bright phase of the 058
alloy.
Tab.4 The composition of white bright phase of the 058
alloy.
| 類別 | 元素/% | 計算結果 | |||
| 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 |
圖8 棒狀“白亮“相 ×400
Fig.8 The white bright rod shaped phase ×400
Fig.8 The white bright rod shaped phase ×400
圖9 不規則塊狀“白亮”相 ×400
Fig.9 The white bright the irregular lump
shape ×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絕大部分都進入“白亮”相中，但仍有少量會溶入α-Al中，形成固溶體，使有效電子數減少并會造成一定程度的晶格畸變，也會使合金電阻增大。
合金金相組織中隨Mn量的增加，“白亮”相增多。Mn是過渡族元素，形成固溶體時將使有效電子數減小，并且會造成一定程度的晶格畸變。Mn作為溶質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。
一般認為結構復雜的化合物相是硬脆相，“白亮”相即是硬脆相。而共晶組織相對粗大的“白亮”相和初晶硅來說較細小，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生應力集中，并進而產生微小裂紋。隨著作用力的加大，共晶組織中的微小裂紋迅速擴展，造成合金斷裂。金相組織中硬脆的“白亮”相數量越多，基體的相對數量越少，則對基體的割裂作用就越嚴重，產生的應力集中點也就越多，表現出合金的抗拉強度和伸長率就越低。合金抗拉強度和伸長率隨含Mn量和含Fe量的增加逐漸下降，是由于金相組織中硬脆的“白亮”相數量逐漸增加造成的。
合金金相組織中隨Mn量的增加，“白亮”相增多。Mn是過渡族元素，形成固溶體時將使有效電子數減小，并且會造成一定程度的晶格畸變。Mn作為溶質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。
一般認為結構復雜的化合物相是硬脆相，“白亮”相即是硬脆相。而共晶組織相對粗大的“白亮”相和初晶硅來說較細小，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生應力集中，并進而產生微小裂紋。隨著作用力的加大，共晶組織中的微小裂紋迅速擴展，造成合金斷裂。金相組織中硬脆的“白亮”相數量越多，基體的相對數量越少，則對基體的割裂作用就越嚴重，產生的應力集中點也就越多，表現出合金的抗拉強度和伸長率就越低。合金抗拉強度和伸長率隨含Mn量和含Fe量的增加逐漸下降，是由于金相組織中硬脆的“白亮”相數量逐漸增加造成的。
4 生產應用
用 20% Al；2.0% Si；1.0% Mn；Fe合金生產的YZ225M—8和YZ160M1—6電機，其性能數據如表5所示。電機轉子采用離心鑄造。電阻率用ρ33℃=ρ33℃×1.04的換算。經驗證，表中數據均滿足電機生產制造的性能要求。
表5 ZAlSi20Mn2Fe1合金電機轉子性能
Tab.5 The properties of motor rotors of the ZAlSi20Mn2Fe1
alloy.
Tab.5 The properties of motor rotors of the ZAlSi20Mn2Fe1
alloy.
| 電機 型號 |
最大轉矩 倍 |
堵轉電流 A |
堵轉轉矩 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 結論 (1)Al-Si-Mn-Fe合金新材料電阻率高、力學性能好、不熱裂、不冷裂、鑄造性能好，適用于高起動轉矩，高轉差率電機的生產。 作者簡介：張玉平(1963- )，男，山東濟南人，高級工程師，學士.
作者單位：張玉平(大連第二電機廠，遼寧 大連 116023；)
劉旭麟(大連理工大學，遼寧 大連 116023) |
關鍵詞：電機轉子；鋁合金；高電阻率；力學性能；金相組織
文獻標識碼：A 文章編號：1000-8365(1999)04-0045-03
文獻標識碼：A 文章編號：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)
(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 Words：Rotor of electric motor; Aluminium alloy; high resistivity;Mechanical property; Microstructure
