（材料加工工程专业论文）锰系无磁铸铁合金设计及工艺研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 目前，应用在电工设备中的低磁导率金属材料主要是铜、铝及其合金。由于它们的 力学性能比较低，当作为结构材料使用时，零件的截面尺寸较大，造成有色金属的大量 消耗，虽然它们的节能效果明显，但设备的成本太大。所以，值得进一步探索节能新途 径，开发一种低成本的电工材料。 无磁铸铁就是一种低磁导率、低成本、容易加工和成型的新型电工材料。根据无磁 铸铁形成机理，研究在普通灰铸铁的基础上加入合金元素改变基体组织，得到磁导率在 3 5 g s o e 以下的奥氏体铸铁。这种铸铁具有低磁导率和高电阻率的特点，完全可以应用 在电工设备中，可代替有色金属及其合金，大量节省有色金属资源。在铁碳合金的研究 中发现，镍、锰元素对扩大奥氏体区域都具有非常明显的作用，当其含量达到一定程度 时，铸铁在室温下获得奥氏体组织。由于我国镍资源稀少以及其价格近来涨幅巨大，投 资成本较高，不利于推广。本文就对以锰代镍制取低成本无磁铸铁，以及锰元素对其组 织与性能的影响做了一些探讨。 就m n 与n i 两种合金元素而言，二者均为扩大奥氏体区域元素，即均能获得单相 奥氏体组织，用代替n i 是完全可行的，同时m n 元素有着比n i 元素更大的固溶强 化效果，可使无磁铸铁的性能得到改善。单一加入大量的m n 元素虽然可以得到奥氏体 基体，但同时会产生大量的碳化物，从而增大了铸件的硬度和磁性，故锰含量的多少应 严格控制。而且还需要加入少量的铜和铝，主要作用是稳定奥氏体，促进石墨化，减少 马氏体和碳化物。所以，根据各元素所起作用的不同，进行合理设计，确定它们的比例 关系。 通过分析、计算和合金设计，确定锰的含量，然后熔炼得到几种不同锰含量的无磁 铸铁。采用金相显微镜、扫描电镜和x 射线衍射等手段分析无磁铸铁的组织构成，并 测定其力学性能和物理性能。随着锰元素加入量的增加，锰系无磁铸铁的磁导率明显降 低，而且此类铸铁的电阻率远高于有色金属，在交变磁场中，可以有效地降低涡流损耗。 研究结果表明，锰系无磁铸铁在组织和性能上都能满足要求，具有降低能耗、减少 成本等诸多优点，完全可以代替有色金属应用在电工材料领域。在电工设备改进过程中， 具有广阔的应用前景和明显的经济效益。 山东建筑大学硕士学位论文 关键词：无磁铸铁，磁导率，奥氏体，电阻率，涡流损耗 l i 山东建筑大学硕士学位论文 a h o yd e s i g na n d 1 e c h n i c a is t i i d yo nm a n g a n e s es u b g r o u p n o n m a g n e t i cc a s ti r o n x i n gl e i i a 矧a lp m c c s s 朋g i n e 喇n g ) d i 删b y c h u f 瑚 1 i n a b s t r a c t p 坞s e n t l y ，1 0 wm 卿t i cp i 跚m e a b i l i t ) rl n e t a l sa p p l i e di 1 1e l e c t r i c 以l u i p m e n t sa m o s t l y c o p p e r 、a l 珈 1 i i 岫o fm e i ra l l o y w h 铋m e ya 托憾e d 雒s 缸u c t u r a lm 砷酬融，也e c e s s 0 巧 i m j s th a 、，eb i gs e c t i o n a ld i l n e n s i o n ，b e c a u o ft h e i rp i ) 0 rm e c h 乏l i l i c a lp r o p e r 吼w k c hl e a d st 0 t l l ev a s tc o s to f 球m 觚u sm e t a l t h o u g l l 玳m f e r r 叭塔m e t a lh 嬲o b v i o u se 珏- e c to ns 砒g a l 哪n l ee q u i p l 蛐c o s tm u c h t h e 他f b ，i ti s 办e c e 鹳a r ) rt 0d e v e l 叩an e w 既旧喀y - s a 、血l g w a y 锄dan e w k i i l do f e 枷c 棚a 把r i a lm1 0 w e rc o s t n l 珊瑚印葩cc a s t 籼i san e w 呦p eo fe l e 确c 删a l 埘t l l1 0 w 删l g l l e t i cp c 船e a b i l i 饥 l o w e rc 0 瓯舻a tm a c l l i m 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w e v e r b c c a l 培en i s o u r c ee x i s t sl i k en 删m go ne a r t 也锄dl a t c l yt h ep d c er i 辩se n 0 姗o u s l y ，t l l i sk i n do fc a s t i i d ni sp o p u l a r i 2 脚啪f a v 0 髓【b l y n l i s 砒i c l eu m nt 0 泖l en it 0m a k e1 0 、- c o s t n o 岫妇= l j 童j 窖皿e t i cc a s ti r o l l ，a n dt h ee 妇 e c to fl 洫o ns h l 】c 嘶粕dp 茧o p e r t i e so fn o n m a g n e t i cc a s t 沛nw 鹊d i s c u ss l e df o l l o 晰n g m na n dn i ，髂t 、) 旧a l l o y i n ge l 锄赡n t s ，b o t l lo fw l l i c ha 也e 卸鼬e l l i t e f o m e de l e i i l 咖， n 雠b o mc 觚f o ms h l 9 1 e 锄s t e i l i t c ，i t ，sf e 嬲i b l en 谢m ns u b s t i t u t e s 氨阿n i ，a tt 1 舱s a m e t i n 圮，m hh 勰s 昀l 塘e rs 0 l 谢o n 蜘咖n i n ge 丘e c tn l a nn i ，w i l i c hc 锄i i l l p v et h e i 山东建筑大学硕士学位论文 p e 】晌彻a i l c eo fn o 彻删cc a s t 衲n 1 如u g l la 眦n 沁c o u l db e 删船db ya d d i n gs i i l g l e m ne l 锄e n t ，am 鹪so fc a r b i d ea l s 0a 讲a r e 也w h i c hb u 出o nt l l em 唧l 删i o no fr i g i d i t ) ， a l l dm a 倒舳：l 廿l ec o m c n to 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d yc u l r e 薯l tl o s s 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签名：差2 蠡龟日期垄! 竺呈：五：垒 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 无磁铸铁的概述 无磁铸铁又称为奥氏体铸铁，是在普通铸铁的基础上加入部分合金元素制成的一种 磁导率很低，同时具有普通铸铁成本低，加工、成型性能好等优点的新型电工合金材料 【l 】，可以代替许多有色金属及其合金应用在电工设备中。无磁铸铁主要应用在电机和电 器制造工业上，特别是用来制作许多节能部件，具有十分特殊的意义。例如，感应电炉、 变压器、整流器等设备中，有不少零件( 如支架、机体、盖板等) 是处在交变磁场的作 用下进行工作，如果这些零件磁导率较高，便会在零件内部产生很强的涡流，使零件温 度升高，不但造成电能损耗，而且严重时会使这些零件发生严重氧化和变形，造成零件 失效，设备不能正常工作，甚至破坏。因此，这类零件需要选用一些磁导率低、电阻率 大( 增加电阻率也可以减少涡流) 的材料来制作2 1 ，无磁铸铁正好具备这些优点，而且 制备无磁铸铁的原材料比较便宜，应用在电工设备中可以大大降低投资成本，节约有色 金属。 奥氏体铸铁又分为片状石墨奥氏体铸铁和球状石墨奥氏体铸铁，但是它们降低磁化 的效果不同。无磁铸铁并不是完全没有磁性，而是它的磁导率比较低，不容易被磁化， 当应用在交变磁场中时，不会因为磁场强度的不断变化而产生大量的能量损耗，从而提 高了工作效率，延长了零件使用寿命【3 1 。无磁铸铁的化学成分决定了它的电磁性能和组 织稳定性，而且还具有力学性能优良、磁导率低的特点。在磁场中的涡流损耗极小，在 磁场强度h 为2 0 0 0 e 时，磁导率u5 3 5 g s o e 。 与普通铸铁相比，无磁铸铁具有以下特点：( 1 ) 无磁、高电阻率。( 2 ) 耐蚀性、耐 热性好。( 3 ) 无转变趋向【4 】。 1 1 1 无磁铸铁的国内外研究现状 在上世纪5 0 年代，英国的b c i r a 开始研制镍基无磁铸铁并在生产中使用，即 “n o m a g ”无磁铸铁。“n o m a g ”无磁铸铁主要成分有1 1 一1 2 n i 及4 一7 m n ，其磁 导率在1 4 3 0g s o e 之间，而且还具有很好的耐热性和耐蚀性。在1 9 6 0 年，乌克兰基辅 市的金属合金物理技术协会也开始投入大量时间研究奥氏体基铸铁，不仅对“n o m a g ” 无磁铸铁和“n i r e s i s t ( 耐蚀镍合金) 进行研究和试验，还对低镍奥氏体铸铁和锰铜 奥氏体铸铁进行了深入的分析。“n i r e s i s t 合金主要成分有n i ：1 2 之0 、m n ：o 5 q 、 c u ：6 、c r ：o 2 ，研究人员通过离心铸造制各出厚壁“n i r e s i s t 铸件，壁厚高达1 2 0 删：i l ， 山东建筑大学硕士学位论文 重量在8 2 5 吨之间【5 】o 前苏联也是应用无磁铸铁较早的国家，在研制工艺和建立本国 资源为基础的无磁铸铁系列方面做了大量的工作，广泛应用在该国电机制造中，可生产 重达1 0 吨以上的无磁铸铁件。前苏联专利1 8 6 ，6 9 5 介绍过一种含m n ：8 9 、c u ：1 艺 的奥氏体铸铁，但这种奥氏体铸铁无论怎么孕育处理，基体上总有大量粗大的碳化物， 用永久磁铁试验，发现这种材料还具有磁性【6 】。前东德专利1 6 ，9 9 8 介绍了一种含有 m n ：8 1 4 、c u ：3 、创：1 屯的奥氏体铸铁，但这种奥氏体铸铁是弱磁性，且易于 形成氧化夹渣，所以这种铸铁没有得到广泛的应用。1 9 7 6 年，美国宾夕法尼亚洲卡彭 特技术公司研制出一种镍铁基无磁合金( n i ：2 4 2 8 ，m n ：2 ，c r ：1 3 5 1 6 ) ，主 要应用在尺寸较大、材料消耗多的电工零件中( 例如挡圈、扣环等) ，具有较高的强度 和一定的韧性；合金基体完全为奥氏体组织，呈现无磁性，可以应用在大型发电机的转 子线圈中，成本较低。 在国内，无磁铸铁作为一种新型材料来说，还没有受到足够的重视，不仅应用范围 较小，而且在理论上更缺乏深入的研究和探讨，从而对无磁铸铁的发展产生一定的限制。 仅有少数厂家进行研制使用，应用范围也很有限。1 9 7 7 年，广东省大岭冶炼厂机电车 间开始在3 4 0 0 0 安培单相石墨化电炉的交流母线上采用无磁铸铁压板，经过一年的生产 实践发现，这种材质的母线压板，不仅可以代替低导磁钢压板，而且具有成本低、制备 容易、加工简单等特点【7 1 。我国山西省运城供电公司研制出了无磁铸铁线路金具，取代 了原有的可锻铸铁电力金具应用在输电线路线夹本体及压板，进而减少了磁滞及涡流损 耗，节电效果极佳，可减少原金具损失电能的5 0 。这种无磁铸铁已于1 9 9 5 年3 月2 3 日挂网安全正常运行至今【引。有人曾计算过，假如1 0 万k m 的高压线路上用无磁铸铁作 线路金具，则一年可节电2 亿k w h ，其数值是十分惊人的。1 9 9 7 年，由上海电机厂吴江 铸造二分厂承担的江苏省科委新产品试制计划项目，采用高锰奥氏体铸铁研制出1 2 5 万千瓦汽轮发电机低磁压圈，经过该厂一年多时间的试制生产，准确地掌握了熔炼中的 多合金成分配比，精确地编制了使用先进工艺流程，克服了在熔炼过程中对锰铁、钢和 铝之间不同要求的矛盾，精确掌握了投料比例，投放次序和对冷却速度的严格控制，使 产品所获得的低磁奥氏体压圈质量稳定，为我国提供用于1 2 5 万千瓦汽轮发电机生产 所需要的性能良好的低磁性高锰奥氏体铸铁压圈，在行业内填补了国内空白。产品抗拉 强度为1 6 0 n m m 2 ，硬度( h b ) 茎1 8 0 ，磁导率9g s o e ，技术指标处于同类产品水平。 1 9 9 8 年，该产品通过了江苏省科委产品鉴定，已在上海汽轮发电机有限公司等单位推 广应用，可部分代替进口，为国家节约外汇，经济、社会效益明显【9 j 。 山东建筑大学硕士学位论文 由于特殊使用条件的要求，近年来电力、仪表等行业对无磁铸铁的需求量不断增加， 对无磁铸铁也进行了很多研究。国内越来越多的人开始对镍基奥氏体铸铁的生产工艺要 点进行总结，以促进中国奥氏体铸铁生产水平的提高，不断扩大其应用领域。但是这些 研究大多停留在镍基无磁铸铁上，而在我国镍资源相对短缺，近来镍的价格又涨幅较大， 应用在无磁铸铁生产中的镍含量较大( 一般在8 1 2 ) 【1 0 1 ，造成了镍系无磁铸铁件成 本偏高。因此，镍系无磁铸铁缺少了价格优势，不利于广泛的推广和应用。 1 1 2 课题研究的实用价值与理论意义 1 1 2 1 课题研究的实用价值 目前，生产中使用的低磁导率的金属材料主要是铝、铜等有色金属及其合金。这些 有色金属及其合金由于力学性能低( 尤其是强度和硬度较低) ，作为结构材料制成的零 件( 如感应电炉及一些电器上的盖板、炉壳体、机架、垫铁等) 截面尺寸往往较大，造 成材料消耗大，实属浪费。仅一台容量为1 2 0 k g 小型中频感应电炉的炉壳和盖板所用铝 合金竟达1 5 2 6 k ，故在有关生产厂中此项消耗的有色合金全年数量统计惊人，而且有 色金属及其合金价格比较高，使设备成本提高。因此，不能因为需要磁导率低的材料而 将大量的有色金属及其合金使用在这些无论从经济效益还是社会效益上都不合理的地 方。 从表1 1 中不难发现，在四种低磁材料中，锰系无磁铸铁价格最低，约为铝合金的 1 5 ，铜合金的l 1 2 1 1 3 。虽然其“无磁 效果不是最好的，但已经满足电工领域的需 要，而且其电阻率明显优于铝和铜，可以更加有效地降低损耗。 表1 1 常用电工合金材料的性能指标和价格 i 2 i b l e l 1p e r f o n n a n c ei n d e xa n dp r i c eo f c o m m o ne l e c t r i ce n g i n e e r i n ga l l o y e dn l a t e r i a l s 将无磁铸铁制成g w 0 1 5 1 0 0 1 5 型中频感应电炉的盖板( 如图1 1 ) 进行装机试验， 山东建筑大学硕士学位论文 其升温曲线与铝合金、普通灰铸铁、钢材的升温曲线进行比较如图1 2 所示( 用玻璃表 面温度计测量) 。 图1 1 无磁铸铁盖板 f i 9 1 1c o v e rp l a t eo fn o n m a g n e t i cc a s ti r o n 从图1 2 中可以看出，无磁铸铁的盖板在中频感应电炉的交变磁场作用下工作时， 其升温情况基本与铝合金盖板相同f 1 1 1 。现在无磁铸铁盖板装机已经两年多，反应良好， 由于是初次试制，擘厚仍然较厚( 比原铝盖板已经减薄5 0 ) ，应进一步减薄，以便更 显出其优越性。现正拟在中频感应电炉的炉体壳和支架上推广使用，如g w 0 15 1 0 0 1 5 炉体壳原用z l l 0 2 铸铝合金制造，原壁厚为2 2 m m ，拟改为1 2 m m ，用无磁铸铁浇注而 成。 图1 2 不同材料在交变磁场中的升温曲线 f i g 1 2h e a t i n g u pc u r v e so fd i 胞r e n tm a t er j a l si na l t e m a t i n gm a g n e t i cn e l d 无磁铸铁还可以加工成饱和电抗器挚块( 如图1 3 所示) ，j 逦用在g v a 一4 5 k w 硅整 流器中，完全可以达到原铝合会的效果，而且成奉降低。 山东建筑大学硕士学位论文 图1 3 无磁铸铁垫块 fl g1 3h e e lb l o c ko tn o n n l a g n e t l cc a s tl r o n 1 1 2 2 课题研究的理论意义 本课题研究主要立足于锰系无磁铸铁的合金设计及工艺研究，从热力学的角度出 发，分析无磁铸铁在不同温度、不同成分条件下的相图结构及结晶过程，建立完善的无 磁铸铁工艺体系；对实验中所出现的情况进行理论分析，掌握锰系无磁铸铁的形成机理， 研究无磁铸铁的化学成分、组织和性能之问的火系，对所有测试项目进行深入的理论探 讨；观察无磁铸铁的会相组织，并对会相组织与性能的关系进行总结。由于目6 订我国还 没有无磁铸铁的有关标准和技术规范，奉研究将通过大量的实验，在保证锰系无磁铸铁 的物理性能、力学性能和工艺性能的基础上，建立锰系无磁铸铁的化学成分、余相组织 和力学性能检验标准以及相应的生产工艺规范，为无磁铸铁的稳定牛产提供相关的理论 依据，促进无磁铸铁的推广与发展。 1 2 金属材料能耗问题 1 2 1 铁磁性材料能耗机理分析 当导线巾通过交变电流形成一个闭合的磁凹路时，铁磁性材料在交变磁场反复磁化 过程巾，其磁感应强度的变化总是滞后于磁场强度的变化( 即磁滞现象) ，由于磁畴的 反复转向，铁磁性材料内部的分子摩擦发热，使设备_ 丁f 温，效率降低，析造成能量损耗， 称为磁滞损耗，这在交流电机一类设备。 是不希望出现的。材料的磁感应强度b 与磁 场强度h 之i j 呈现磁滞网线关系，经一次循环，每单位体积铁心巾的磁滞损耗等于磁 滞回线的面积。根据电磁感应定律，交变磁场在铁磁性材料内部产生感应电动势和感逦 电流( 即涡流) ，由于钢铁材料电阻的存在，必然产生功率损耗，即涡流损耗。动态磁 化造成的能量损失通常称为铁损，朋w 来表示，w = w h + w e + w r 。例如，伍发电机中， 山东建筑大学硕士学位论文 铁损不仅影响其效率，而且可能因铁心内部短路，产生局部过热，加速铁心绝缘和定子 线圈的老化，严重时可能造成铁心烧损和线圈击穿事故。所以，必须寻找出影响能量损 耗的参数，从而研究降低能耗的可行方法。 其中啪为磁滞损耗。对于动态磁化过程，交变磁场的频率为f 则单位时间单位 体积的铁磁性材料的磁滞损耗为吼= f 爹h d m ；在交变磁场下，一般b 和h 之间是复杂 的非线性关系，直接计算磁滞损耗很困难，只有对弱磁场范围( 满足瑞利方程的瑞利区 域) 进行定量分析：对于各向同性的多晶材料，在低频弱磁场条件下，磁化到瑞利区， 磁滞损耗的大致计算公式为： 矾= 4 3 b f h 。3 ( 1 1 ) 其中b 为瑞利系数b = d 肌h ，h m 为磁场的振幅。 一般情况下，若铁芯体积为v ，磁场频率为f ，铁芯的磁滞损耗功率可用下面的公 式来近似计算： 。 p h _ ”m 警v ( 1 2 ) 其中t 1 是由铁芯材料决定的参数，一般由实验测定。工频时磁滞损耗功率也可用下面的 经验公式计算： p l l _ f ( 0 【b m 十p b 三) g ( 1 3 ) 当磁感应强度b m 大于1 特斯拉时，可用下面公式简化计算1 2 】： p h - 徊三g ( 1 4 ) 其中g 表示铁芯重量，常数a 、p 、丫随铁芯材料不同而变化，变化范围分别为0 0 0 3 枷0 0 9 ， o 0 2 1 0 0 3 8 ，o 0 2 4 一一o 0 4 7 。 可见，磁滞损耗与材料磁化时的最大磁感应强度b m 成正比，降低磁滞损耗在于减 少磁滞回线的面积，即要求降低矫顽力与剩余磁场强度。当外磁场强度较弱时，磁化处 于可逆状态，磁滞造成的能耗较低。因此，通过降低交变电流在材料中产生的磁场强度， 使磁化处于可逆阶段，达到降低低频弱磁场条件下的磁滞损耗。 其中w 色为涡流损耗。交变磁场在铁磁体内产生磁通变化，磁通变化产生感应电动 势，按照欧姆定律，材料内部产生涡流，以热量形式损失掉。交变磁场还会在铁磁体中 形成趋肤效应，即b 的振幅由导体表面向内逐渐减弱，当试样内磁场的趋肤深度大于 或接近试样的尺寸时，可以认为b 是均匀分布的。根据麦克斯韦方程，可以计算一些 山东建筑大学硕士学位论文 特殊形状试样的涡流损耗公式【1 3 】： 平板状( 厚度2 d ) ：w e = 2 兀2 d 2 f 2 b m 2 3 p ( 1 5 ) 圆柱状( 半径r ) ：w e 瓠2 r 2 f 2 b m 2 4 p ( 1 6 ) 其中p 为材料的电阻率，b m 为试样中的最大磁感应强度。可见在低频状态下，材料的 涡流损耗与试样的厚度d 2 ( 或半径r 2 ) 、磁感应强度b 成正比，而与材料的电阻率成反 比。所以，降低涡流损耗的关键在于减少试样的尺寸、提高材料的电阻率或减小交变电 流在材料内部产生的磁场。另一方面，涡流所感应产生的磁场又能使激励磁场减弱。趋 肤深度计算公式如下： 。s = 岳 ( 1 7 ) 在不同磁导率和频率条件下，趋肤深度随着频率增大而减小，随着磁导率的增加而 减小。在频率不变的情况下，提高材料的电阻率、降低材料的磁导率都能使得趋肤深度 增大，从而能使涡流自身感应出的磁场对激励磁场的削弱作用增大，降低涡流损耗。 研究发现，铁磁性材料损耗和涡流损耗均随激励电流的增加而呈现增加的趋势，但 是磁滞损耗在总损耗的比例随激励电流的增加而减少，而涡流损耗在总损耗中的比例随 激励电流的增加而增加。可见，涡流损耗才是能量损耗的主要部分。 其中w t 为剩余损耗。除磁滞损耗和涡流损耗以外的一切损耗都称为剩余损耗。对 于低频弱磁场条件下，剩余损耗主要是磁后效造成的损耗【1 4 1 。金属材料中的剩余损耗所 占比例很小，而且产生机理复杂，一般较难对剩余损耗进行有效控制。 + 磁场频率的变化会引起各种能量损耗的变化。磁滞损耗随频率呈正比增加，而涡流 损耗与频率呈二次方关系增加。由于金属磁性材料的电阻率一般较低，因而涡流损耗所 占的份额较大，而且随着频率的增加，损耗会急速增加。 1 2 2 材料磁导率与能耗的关系 磁导率斗是描述物质磁性的最基本的宏观物理量之一，是物质的磁感应强度与磁场 强度之比： b h ( 1 8 ) 磁导率的国际单位是亨米( h ，m ) ，在c g s 制中，磁导率单位为高斯奥斯特 ( g s o e ) 。但通常使用物质的相对磁导率，其定义是物质的磁导率与真空的磁导率 之，比： 山东建筑大学硕士学位论文 旷 ( 1 9 ) 磁导率的物理意义是物质受磁场h 作用时，内部磁场相对于h 的增加( 蜥 1 ) 或 减少( m 1 0 0 衅c m ) 也远高于有色合金( 如 p 舢= 2 6 5 胆c m ，p c u = 1 6 7 岬c m ) ，对于减少零件在交变磁场中涡流损耗的作用十分显著， 锰系无磁铸铁可以成功地代替在交变磁场下工作的大量的有色金属及其合金。 可见，这种力学性能符合基本要求、容易加工、便于组织生产、成本又低的新型无 磁电工材料，不仅可以大大降低设备成本，节约有色金属，而且具有非常可观的经济效 益和社会效益。所以说，开发无磁铸铁具有很广泛的应用前景和市场潜力。 1 4 课题研究内容 ( 1 ) 对无磁铸铁的技术现状和存在的问题进行分析，找到行之有效的方法。例如，磁 导率的控制稳定性，加工工艺性还有待改善。 ( 2 ) 提出锰系无磁铸铁的合金设计方案并进行论证。 ( 3 ) 制定生产工艺：扎确定炉料的组成和配比 b 制定熔炼工艺 山东建筑大学硕士学位论文 c 确定铸造工艺规则 ( 4 ) 性能测试：乱铸造性能测试：流动性、收缩性等 b 力学性能测试：强度、硬度、切削加工性等 c 物理性能测试：磁导率、电阻率 d 金相组织观察 ( 5 ) 比较不同锰含量的无磁铸铁组织和性能，分析其规律，对锰在铸铁中的作用机理 进行总结。 ( 6 ) 通过大量试验工作，确定无磁铸铁最佳成分和优化配料并制定熔炼前处理规范， 以达到生产上能稳定制取的目的。 1 5 锰系无磁铸铁的各项要求 1 5 1 电工性能要求 为了避免在交变磁场下工作的零件产生涡流，致使零件温度升高从而导致失效，必 须通过改变材料金相组织来降低材料的磁导率，以限制感应电动势的产生，减少涡流， 并且基本消除磁滞损耗；此外增加电阻率也可以减少涡流。因此，要求无磁铸铁的磁导 率u 1 0 0 岬c m 。 1 5 2 力学性能要求 无磁铸铁作为一种结构材料使用，必须保证一定的力学性能和加工工艺性能。要求 铸件试样拉伸试验得到的抗拉强度 1 5 0 a ，一般在1 5 0 1 8 0 m p a 【2 5 1 ；硬度一般是 h b 2 7 0 ，在满足低磁的前提条件下，控制硬度在2 2 0 h b 以下，确保铸件容易加工。 1 5 3 金相组织要求 铁碳合金的磁性与金相组织状态有关。铁素体是强铁磁相，具有很高的磁导率，其 磁性转变点a 2 为7 6 8 ，铁素体在a 2 以上是顺磁性，9 l o 以上转变为顺磁的y 相； 渗碳体是弱铁磁相，磁性转变点a 2 是2 1 0 ，；铁素体、珠光体或马氏体组织都会使材 料的磁导率大大提高；而奥氏体是顺磁相，在磁场中很难被磁化，奥氏体基体合金呈现 无磁性。为保证锰系无磁铸铁的磁导率小于3 5 g s o e 和必要的力学性能，无磁铸铁对 金相组织的要求是组织为全部的奥氏体，允许少量的碳化物存在( 碳化物含量应小于 1 0 ) ，在奥氏体基体上均匀分布着a 型石墨，允许有少量d 、e 型石墨( 晶间石墨) 存在，基体中不允许有铁素体和马氏体出现 2 6 】。 山东建筑大学硕士学位论文 ( a )( b ) 图1 6 无磁铸铁的典型金相组织( a ) 奥氏体基体4 0 0 ( b ) a 型石墨，夹杂少量d 型石墨1 0 0 x f i 9 1 6t y p i c a lm e t a l l u 唱i c a ls t r u c t u r eo f n o n m a g n e t i cc a s ti r o n ( a ) a u s t e n i t i cm a t r i x4 0 0 ( b ) at y p e g r a p h i t ew i t haf i e wdt y p eg r a p h i t e10 0 1 5 4 经济成本要求 虽然铜、铝合金作为非磁性材料使用，消除了磁滞损耗，极大地降低了涡流损耗， 而且铜、铝合金的强度已经完全能够满足电工材料要求，但是作为结构材料来使用时， 消耗量十分大，造成零件成本偏高。所以，如果用一种能够满足电工应用要求的材料来 代替有色金属合金，那么成本就会大大降低2 7 1 。 这罩先不考虑制造过程中的各种费用，只计算原材料的费用。熔炼时所需要的原材 料的大致价格如表1 8 所示。 表1 8 目前原材料的市场价格 t 曲l e l 8m a r k e tp r i c eo f r a wm a t e r j a l sc u r r e n t l y 注：原材料价格以2 0 0 7 年5 月巾困铁合金网为参考 以生铁8 0 3 ，废钢1 9 7 ，硅铁2 9 6 ，锰铁8 1 7 ，铜2 ，锅0 3 的成分配 比来计算每吨材料的价格： 2 2 0 0 8 0 3 + 2 7 0 0 l9 7 + 6 0 0 0 2 9 6 + 8 4 0 0 8 17 + 5 5 0 0 0 2 + 2lo o o o 3 = 4 3 2 5 元吨 我们还可以通过对锰系无磁铸铁的成分进行优化，使其成本降低，控制在5 0 0 0 元 吨以下，约为铝合金的1 5 ，铜合金的1 1 2 1 1 3 ，同时，满足所需的物理性能要求。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章实验材料、仪器、方法及研究方案 2 1 实验材料 实验合金采用原生铁q 1 2 、废钢、f e m n 6 5 c 7 0 锰铁、f e s i 7 5 硅铁以及铜、铝合金 作为原料，其主要成分见表2 1 。 表2 1 金属炉料的化学成分( 叭) n 潮e 2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm e 词1 i cf u m a c ec h a 唱e ( 、v t ) 2 2 实验仪器 ( 1 ) 5 0 埏中频坩埚式感应电炉 ( 2 ) 合金热分析仪 ( 3 ) 金相显微镜和金相分析配套仪器、扫描电镜j s m 6 3 8 0 l a 、x 射线衍射仪d m a x - r b ( 4 ) 德国s c h i n c k r s a 2 5 0 型电子万能试验机、布氏硬度测试仪 ( 5 ) 美国l a k es h o r e7 4 1 0 型振动样品磁强计、a b 2 0 4 - n 电子天平 ( 6 ) 直流电阻电桥 2 3 实验方法 本课题用的锰系无磁铸铁铁水成分和熔炼工艺为本课题组优化设计所得。根据锰系 无磁铸铁主要的化学成分范围( 表2 2 ) ，对成分进行设计，然后采用试算法，配制不同 成分配比的合金原料，配料时考虑烧损和各种炉料的大小比例搭配，以达到快熔的目的。 每炉炉料质量为3 0 蚝，炉料必须清洁、无锈、含硫量低。熔炼过程在实验室中进行， 采用5 0 埏中频无芯坩埚式感应电炉熔炼，选择酸性硅砂坩埚，热电偶测温，铁水出炉 温度1 4 0 0 1 4 5 0 。铜、铝等合金加入前必须先预热。浇包内充分搅拌后在湿砂型中浇 注抗拉试棒、铁水收缩试样以及白口试片，浇注时速度要快，防止金属液氧化。 山东建筑大学硕士学位论文 表2 2 锰系无磁铸铁的主要化学成分范围 t a b l e 2 2c e n 订a lc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm a n g a n e s es u b 目0 u pn o n m a g n e t i cc a s ti r o n 3 3 3 92 4 3 o7 1 2 1 8 时，铸铁爿1 能获得完全灰口组织；随着硅含量的增加，介稳定系共晶温度增氏速 度由8 刚s i 变成3 6 刚s j 【3 0 】。 o oo s 10 1 52 ，o2 。s3 o3 s4o4 ss 移 s i m o n l 】 图3 2 硅元素对共晶转趸温度的影响 f i 9 3 2e f r e c to fs ie l e m e n to ne u t e c t i ct r a n s f o m l a t i o nt e m p e r a t u r e 3 1 3 锰元素的影响 锰是铸铁的常用元素，它的含量对铸铁组织的影响是不可忽视的，大多数的锰可以 溶入渗碳体和奥氏体。锰足碳化物形成元素，可直接与碳化合成m n 3 c ，但进入碳化物 中的锰置换f e 3 c 中的铁原子，形成( f e ，m n ) 3 c ，溶入锰的渗碳体原子间结合增强，结构 更加稳定。锰的存在抑制共晶转变，使稳定系共品转变和介稳定系共晶转变温度同时降 低。当铸铁的碳当量较低，而且铁水过冷到两个共晶温度之间时，锰促进白口倾向更为 明显3 1 】。 在灰铸铁中，通常锰的质量分数应在o 6 1 2 范围内，铸铁得到珠光体基体【3 2 】。 当锰过高，超过1 5 时，铸铁中易出现自由渗碳体。锰对铁碳相图的影响如图3 3 所示， 锰对共品转变温度影响很小，每增加1 的锰，共晶转变温度仅增加大约3 。锰使共 析转变温度降低，使共析转变温度区问显著增大，使共晶点和共析点右移。图中m ，c 为( f e ，m n ) 3 c ，在较大的成分范围内是稳定的，因此锰使铁液按介稳定系转变倾向增人。 只有当锰含量很高时( 高于4 0 ) ，彳可能形成其它类型的锰碳化物【33 1 。 山东建筑大学硕士学位论文 7 + l 乙? 、堞m - a + t + m i c a + m - c m n 4 9 2 3 | i5 c 的质量分数 1 3 0 0 1 l o o 9 u 遗7 嘎 5 0 d 3 0 0 1 0 0 一 + 7 + 7 + m i c a + m ，c m 1 2 8 2345 c 的质量分散 6 了 7 + l + m i c 气+ y + m i c 七1f 7 + m i c l + m 】c 口+ m # m n l 9 7 0 c 的质量分数 c 图3 3f e c m n 三元相图垂直截面( 介稳定系) f i 醪3t e m a 哕p h 硒ed i a g r a mo ff e c m n ( m 咖t a b l es y s t e m ) 锰溶入奥氏体，产生阻止碳原子在固溶相中扩散和析出的作用，奥氏体相区因而扩 大，奥氏体稳定性增强【3 4 】。锰的作用不在于形成奥氏体，而是在于它降低了临