在电机制造中，对普通鼠笼式电机转子，大都采用纯铝进行压铸或离心铸造。而对于要求起动转矩大或高转差率的电机，其转子导条的材料必须具有比纯铝高得多的电阻率，转子导条的电阻率随电机性能的不同而不同。我厂此类电机要求转子导条材料的电阻率为ρ33℃=8.6～9.2μΩ.cm,要远远高于纯铝的3μΩ.cm电阻率。
用铸造铝合金转子代替焊接铜排导条转子生产高转矩或高转差率的电机，由于节省铜而使成本大大降低，并且以铸造浇注铝合金工艺代替铜排导条转子的嵌焊工艺，可提高生产效率。此外铸造铝合金转子还具有可以灵活设计最佳槽形，提高散热效能；机械上易找动平衡等优点。因此，国内外许多铸造工作者都对用高电阻率铝合金新材料生产电机转子进行了研究［1～4］。研制电机转子用高电阻率铝合金遇到的主要困难是，若要电阻率高则铸造工艺性能就差或冷态较脆。有的工厂能保证合金有高的电阻率，但由于热裂和冷裂造成的电机转子的废品率却高达30%以上，又大大地提高了生产成本。
我们研制的电机转子用高电阻率新材料铸造Al-Si-Mn-Fe合金(还含有变质处理时带入的Cu，因此本文所述Al-Si-Mn-Fe合金实际是Al-Si-Mn-Fe-Cu合金，以下相同)，电阻率高、铸造性能好、还具有较好的力学性能，可根据电机起动性能的不同要求，通过调整合金成分配方获得不同的电阻率。Al-Si-Mn-Fe配方在国内、外尚未见报道。我厂已应用该新合金材料生产出高转矩、高转差率电机，并装机数十台出厂，在电机性能指示及降低电机制造成本方面均取得了良好效果。
用铸造铝合金转子代替焊接铜排导条转子生产高转矩或高转差率的电机，由于节省铜而使成本大大降低，并且以铸造浇注铝合金工艺代替铜排导条转子的嵌焊工艺，可提高生产效率。此外铸造铝合金转子还具有可以灵活设计最佳槽形，提高散热效能；机械上易找动平衡等优点。因此，国内外许多铸造工作者都对用高电阻率铝合金新材料生产电机转子进行了研究［1～4］。研制电机转子用高电阻率铝合金遇到的主要困难是，若要电阻率高则铸造工艺性能就差或冷态较脆。有的工厂能保证合金有高的电阻率，但由于热裂和冷裂造成的电机转子的废品率却高达30%以上，又大大地提高了生产成本。
我们研制的电机转子用高电阻率新材料铸造Al-Si-Mn-Fe合金(还含有变质处理时带入的Cu，因此本文所述Al-Si-Mn-Fe合金实际是Al-Si-Mn-Fe-Cu合金，以下相同)，电阻率高、铸造性能好、还具有较好的力学性能，可根据电机起动性能的不同要求，通过调整合金成分配方获得不同的电阻率。Al-Si-Mn-Fe配方在国内、外尚未见报道。我厂已应用该新合金材料生产出高转矩、高转差率电机，并装机数十台出厂，在电机性能指示及降低电机制造成本方面均取得了良好效果。
1 试验条件及方法
硅具有很大的凝固潜热和较大的比热容，线收缩系数仅为铝的1/4～1/3，因此，虽然随着含硅量的增加，过共晶铝硅合金的结晶温度区间逐渐变宽，但其铸造性能仍然很好［5］。
过共晶铝硅合金具有一定的抗拉强度和伸长率，其抗拉强度随温度升高而降低的速度远比亚共晶、共晶铝硅合金慢，温度在200～400 ℃时被充分细化了初晶硅的Al-20%Si合金的抗拉强度大于亚共晶合金的抗拉强度［6］，加之线收缩系数小，能够满足目前电机生产中普遍采用的“热套轴法”装轴时的力学性能要求，不致于开裂。
我国的铝价格高于结晶硅的价格，因此增加合金的含硅量可以有效地降低产品生产成本。但含硅量过高会恶化力学性能，因而选定含硅量20%，并在此基础上加入其它合金元素，以寻找合金元素含量与电阻率(ρ)、抗拉强度(σb)和伸长率(δ)的关系。
试验用合金在RTXG-8-13型8 kW箱式电阻炉内熔化，5#石墨坩埚装料，试验用材料，见表1。
过共晶铝硅合金具有一定的抗拉强度和伸长率，其抗拉强度随温度升高而降低的速度远比亚共晶、共晶铝硅合金慢，温度在200～400 ℃时被充分细化了初晶硅的Al-20%Si合金的抗拉强度大于亚共晶合金的抗拉强度［6］，加之线收缩系数小，能够满足目前电机生产中普遍采用的“热套轴法”装轴时的力学性能要求，不致于开裂。
我国的铝价格高于结晶硅的价格，因此增加合金的含硅量可以有效地降低产品生产成本。但含硅量过高会恶化力学性能，因而选定含硅量20%，并在此基础上加入其它合金元素，以寻找合金元素含量与电阻率(ρ)、抗拉强度(σb)和伸长率(δ)的关系。
试验用合金在RTXG-8-13型8 kW箱式电阻炉内熔化，5#石墨坩埚装料，试验用材料，见表1。
表1 试验用材料
Tab.1 Experimental materials
Tab.1 Experimental materials
| 材料名称 | 纯度(不小于%) |
| 纯铝(Al) | 99.7 |
| 结晶硅(Si) | 99 |
| 纯铁(Fe) | 99 |
| 电解锰(Mn) | 97 |
| 变质剂 | 11%P-Cu,纯度99% |
| 精炼剂 | SRWJ2型 |
|
温度控制及测试系统采用镍铬-镍硅热电偶配用XCT-101动圈表。 电阻率试棒用金属型铸出，其尺寸为 |
6 mm×450 mm测试电阻率的仪表为QJ44型携带式直流电桥。力学性能试验按GB228-76规定进行。拉力试棒由金属型铸出的铸坯车削而成，见图1。
图1 拉力试棒
Fig.1 Sample of tensile test.
Fig.1 Sample of tensile test.
熔炼工艺：将纯铝熔化至700～720 ℃出炉，扒渣后加入粒度8～12 mm的结晶硅、纯铁屑和薄片状电解锰；升温至800 ℃出炉加入0.3%的精炼剂精炼，扒渣后加入1%的变质剂；升温至800 ℃(浇注电阻率试棒则为850 ℃)出炉，再加入0.3%的精炼剂二次精炼，扒渣后迅速浇入预热至300～350 ℃的金属型中。
试验用合金成分编号，如表2所示。表2中含硅量固定为20%，除Si、Mn和Fe外，其余为Al。
试验用合金成分编号，如表2所示。表2中含硅量固定为20%，除Si、Mn和Fe外，其余为Al。
表2 试验合金编号与成分
Tab.2 Serial number and composition of the experimental alloys.
Tab.2 Serial number and composition of the experimental alloys.
| 成 分 |
编 号 | |||||||||
| 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 试验结果 试验结果见表3及图2、图3和图4。表3中每个编号的数据均是3根试样试验的平均值。 表3 力学性能及电阻率试验结果
Tab.3 Experimental results of the mechanical property and resistivity. |
| 编号 | 项目 | ||
| 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 |
由图2可见，随着含Fe量的增加合金电阻率呈上升趋势，此外，在相同含Fe量条件下，含Mn量高的合金其电阻率也较高。由图3可见，随着含Fe量的提高，合金抗拉强度呈下降趋势，相同含Fe量条件下Mn含量高的合金低于Mn含量低的合金的抗拉强度。由图4可见，随含Fe量增加，合金的伸长率呈下降趋势，除含Fe量为2.0%的试验点外，Mn含量高的合金伸长率低于Mn含量低的合金伸长率。 根据试验结果以及考虑到试验条件、试验方法和测试手段、仪器的误差等诸多方面因素对试验结果的影响，认为图2、图3和图4中Fe含量与电阻率(ρ33℃)、抗拉强度(σb)和伸长率(δ)之间均呈线性函数关系，其对应的线性函数关系回归直线，如图5、图6和图7所示。 |
|
图2 含Fe量与电阻率的关系 |
图3 含Fe量与抗拉强度的关系
Fig.3 The effects of Fe content on the tensile strength |
图4 含Fe量与伸长率的关系
Fig.4 The effects of Fe content on the elongation |
| 图5 Fe含量与电阻率的线性关系 Fig.5 The linear relation of Fe content and the resistivity. |
图6 Fe含量与抗拉强度的线性关系 Fig.6 The linear relation of Fe content and the tensile strength. |
图7 Fe含量与伸长率的线性关系 Fig.7 The linear relation of Fe content and the elongation. |
通过对大量试验结果的二元线性回归分析，在图5、图6和图7的基础上(也对应于图2、图3和图4)，分别给出了确定电阻率(ρ33℃)、抗拉强度(σb)和伸长率(δ)与Mn、Fe元素含量(Si含量固定为20%)之间关系的3个经验公式：
(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
这3个经验公式的计算结果均与以后的大量试验的测量数据结果较好地吻合，得到试验验证。
(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
这3个经验公式的计算结果均与以后的大量试验的测量数据结果较好地吻合，得到试验验证。
3 试验结果分析与讨论
电阻率是金属材料的重要物理性能，是一个组织敏感量。经典的电子理论观点认为，金属电阻的产生是由于其中的自由电子在外电场的作用下定向运动时与点阵结点离子相碰撞的结果。量子力学建立后，对电阻的特性又有了重新的认识，认为金属的电阻取决于有效电子数和电子的散射几率，它与前者成反比，与后者成正比。依此理论可以推出：绝对纯的并具有理想完整晶体结构的金属，在绝对零度时电阻为零。任何晶格缺陷都会阻碍电子的运动，使它们反射或折射，电阻增加。多相合金的电阻率不仅决定于各相的电阻率大小和相对量，而且相的几何尺寸和相的分布特点对合金的电阻率也有一定的影响。
对未侵蚀的合金试样进行显微观察发现，Al-Si-Mn-Fe合金的铸态组织中，除了在基体(α+Si共)上分布着大量不规则多边形的初晶Si外，还分布着“白亮”相(该相在显微镜下颜色较浅，为了叙述方便并与共晶组织及初晶硅区别开来，故此称谓)。这种“白亮”相呈棒状或不规则块状，并有如下规律：
(1)随着合金含Fe量的增加，“白亮”相的数量也随之增加。
(2)随着合金含Mn量的增加，“白亮”相的数量也随之增加。
(3)随着合金Fe量的增加，金相组织中棒状“白亮”相逐渐减少，不规则块“白亮”相逐渐增多，“白亮”相有由棒状向不规则块状转变的趋势。
棒状“白亮”相，如图8所示，不规则块状“白亮”相，如图9所示。058号合金“白亮”相的电子探针成分分析结果见表4。表4中的试验数据是3个试验点数据的平均值。由表4可见，“白亮”相是富Mn、富Fe并含有Si和Al的结构复杂的相，“白亮”块和“白亮”棒金相形态不同，但考虑到电子探针本身的测量误差，则它们的成分基本相同，其化学组成可用分子式Fe3Mn5Si5Al30表示。
对未侵蚀的合金试样进行显微观察发现，Al-Si-Mn-Fe合金的铸态组织中，除了在基体(α+Si共)上分布着大量不规则多边形的初晶Si外，还分布着“白亮”相(该相在显微镜下颜色较浅，为了叙述方便并与共晶组织及初晶硅区别开来，故此称谓)。这种“白亮”相呈棒状或不规则块状，并有如下规律：
(1)随着合金含Fe量的增加，“白亮”相的数量也随之增加。
(2)随着合金含Mn量的增加，“白亮”相的数量也随之增加。
(3)随着合金Fe量的增加，金相组织中棒状“白亮”相逐渐减少，不规则块“白亮”相逐渐增多，“白亮”相有由棒状向不规则块状转变的趋势。
棒状“白亮”相，如图8所示，不规则块状“白亮”相，如图9所示。058号合金“白亮”相的电子探针成分分析结果见表4。表4中的试验数据是3个试验点数据的平均值。由表4可见，“白亮”相是富Mn、富Fe并含有Si和Al的结构复杂的相，“白亮”块和“白亮”棒金相形态不同，但考虑到电子探针本身的测量误差，则它们的成分基本相同，其化学组成可用分子式Fe3Mn5Si5Al30表示。
表4 058号合金的“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.
| 类别 | 元素/% | 计算结果 | |||
| Al | Si | Mn |
Fe
|
||
| “白亮”块 | 58.84 | 9.99 | 18.84 | 12.33 | Fe3Mn5Si5Al30 |
| “白亮”棒 | 59.57 | 9.96 | 18.34 | 12.13 | Fe3Mn5Si5Al30 |
图8 棒状“白亮“相 ×400
Fig.8 The white bright rod shaped phase ×400
Fig.8 The white bright rod shaped phase ×400
图9 不规则块状“白亮”相 ×400
Fig.9 The white bright the irregular lump
shape ×400
Fig.9 The white bright the irregular lump
shape ×400
合金金相组织中“白亮”相的电阻远大于形成它的各组元的电阻［7］，因而随着Fe含量的增加，“白亮”相增加，合金的电阻增大。虽然Fe绝大部分都进入“白亮”相中，但仍有少量会溶入α-Al中，形成固溶体，使有效电子数减少并会造成一定程度的晶格畸变，也会使合金电阻增大。
合金金相组织中随Mn量的增加，“白亮”相增多。Mn是过渡族元素，形成固溶体时将使有效电子数减小，并且会造成一定程度的晶格畸变。Mn作为溶质元素使固溶体的残留电阻率显著增大［8］，这都使合金随含Mn量的增加，电阻增大。
一般认为结构复杂的化合物相是硬脆相，“白亮”相即是硬脆相。而共晶组织相对粗大的“白亮”相和初晶硅来说较细小，塑性较大。在外力作用下，与“白亮”相和初晶硅相邻的共晶组织，由于“白亮”相和初晶硅阻碍变形而产生应力集中，并进而产生微小裂纹。随着作用力的加大，共晶组织中的微小裂纹迅速扩展，造成合金断裂。金相组织中硬脆的“白亮”相数量越多，基体的相对数量越少，则对基体的割裂作用就越严重，产生的应力集中点也就越多，表现出合金的抗拉强度和伸长率就越低。合金抗拉强度和伸长率随含Mn量和含Fe量的增加逐渐下降，是由于金相组织中硬脆的“白亮”相数量逐渐增加造成的。
合金金相组织中随Mn量的增加，“白亮”相增多。Mn是过渡族元素，形成固溶体时将使有效电子数减小，并且会造成一定程度的晶格畸变。Mn作为溶质元素使固溶体的残留电阻率显著增大［8］，这都使合金随含Mn量的增加，电阻增大。
一般认为结构复杂的化合物相是硬脆相，“白亮”相即是硬脆相。而共晶组织相对粗大的“白亮”相和初晶硅来说较细小，塑性较大。在外力作用下，与“白亮”相和初晶硅相邻的共晶组织，由于“白亮”相和初晶硅阻碍变形而产生应力集中，并进而产生微小裂纹。随着作用力的加大，共晶组织中的微小裂纹迅速扩展，造成合金断裂。金相组织中硬脆的“白亮”相数量越多，基体的相对数量越少，则对基体的割裂作用就越严重，产生的应力集中点也就越多，表现出合金的抗拉强度和伸长率就越低。合金抗拉强度和伸长率随含Mn量和含Fe量的增加逐渐下降，是由于金相组织中硬脆的“白亮”相数量逐渐增加造成的。
4 生产应用
用 20% Al；2.0% Si；1.0% Mn；Fe合金生产的YZ225M—8和YZ160M1—6电机，其性能数据如表5所示。电机转子采用离心铸造。电阻率用ρ33℃=ρ33℃×1.04的换算。经验证，表中数据均满足电机生产制造的性能要求。
表5 ZAlSi20Mn2Fe1合金电机转子性能
Tab.5 The properties of motor rotors of the ZAlSi20Mn2Fe1
alloy.
Tab.5 The properties of motor rotors of the ZAlSi20Mn2Fe1
alloy.
| 电机 型号 |
最大转矩 倍 |
堵转电流 A |
堵转转矩 N.m |
定子温升 K |
| YZ225M—8 | 2.52 | 275.4 | 853.3 | 71.14 |
| YZ160M1—6 | 2.51 | 58.30 | 132.3 | 55.59 |
5 结论 (1)Al-Si-Mn-Fe合金新材料电阻率高、力学性能好、不热裂、不冷裂、铸造性能好，适用于高起动转矩，高转差率电机的生产。 作者简介：张玉平(1963- )，男，山东济南人，高级工程师，学士.
作者单位：张玉平(大连第二电机厂，辽宁 大连 116023；)
刘旭麟(大连理工大学，辽宁 大连 116023) |
关键词：电机转子；铝合金；高电阻率；力学性能；金相组织
文献标识码：A 文章编号：1000-8365(1999)04-0045-03
文献标识码：A 文章编号：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
