第十届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛锰系无磁铸铁合金设计及工艺研究要点.pdf
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1、第十届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛 锰系无磁铸铁合金设计及工艺研究 学院名称:材料科学与工程学院 集体名称:启睿科技小组 指导教师:初福民教授 队长:董羲武 小组成员:马彬彬丁瑾 启睿科技小组启航迎新睿诚天下 2 郭甫 类别:科技发明制作B 类 目录 第一部分研发背景与市场分析 一、课题的研发背景 2 二、课题研发的目的和意义 2 三、课题研究过程 2 四、竞争材料分析 3 五、市场调查与分析 3 第二部分技术与工艺研究 一、锰系无磁铸铁的基本原理 4 二、锰系无磁铸铁的设计要求 4 三、合金系的建立及成分优选 4 四、炉料配比的确定 5 五、制定铸造工艺 6 六、性能检验 7 七、试
2、验结果分析 10 第三部分项目优势 启睿科技小组启航迎新睿诚天下 3 一、分析总结 11 二、成本分析与资源分析 11 三、性能分析 11 第一部分研发背景与市场分析 锰系无磁铸铁是在普通铸铁的基础上加入锰、铝、铜合金元素制成的一种磁导率很低, 具有普通铸铁低成本、易加工、成型性能好等优点的新型电工合金材料,可以代替许多有 色金属及其合金应用在电工设备中,既降低设备成本,又节约有色金属。 一、 课题的研发背景 目前,无磁铸铁在国外已得到了一定程度的应用,如英国的 BCIRA在上世纪 50 年代就 已经开始研制镍系无磁铸铁并在生产中使用,即“Nomag ”无磁铸铁。无磁铸铁生产主要 以镍为主加入
3、合金元素,其中镍的加入量较大(一般在8%-12% ) ,而我国的镍资源较为贫 乏,且价格昂贵,造成镍系无磁铸铁件成本较高,不利于推广和应用。目前全世界奥氏体 铸铁件生产量超过不锈钢铸件,市场很大。我国奥氏体铸铁件生产量还很少,许多研发电 工器材的厂家在生产中使用的低磁导率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(尤其是强度和硬度低),作为结构材料制成的零件截 面尺寸往往较大,造成材料特别是有色金属材料的严重浪费。 由于镍、锰元素对铁碳合金扩大奥氏体区具有非常明显的作用。而且我国的资源锰丰 富,价格低廉。因此锰系无磁铸铁的研制开发具有很大的现实意义。 二、 课题
4、研发的目的和意义 许多电工设备(如:感应电炉、电机、变压器、整流器等)的配置零件(如:支架 机体盖板等),工作环境处于交变磁场之中。如果这些零件磁导率高,便会在其内部产 生很强的涡流,导致零件温度升高,造成电能的多余损耗,严重情况下零件会发生氧化和 变形,甚至失效或导致设备损坏。因此,这类电工设备的零件必须使用磁导率较低的材料 来制造。目前,此类零件主要是由铜、铝等有色金属及其合金生产的,而这些材料价格过 高,力学性能(特别是强度、硬度)较差,在使用中受到很大限制。因此,价格低、性能 好的电工材料成为人们寻求的目标。锰系无磁铸铁应运而生,作为一种新型电工材料,它 较好地解决了以上问题,满足了人
5、们的需求。 锰系无磁铸铁是在普通铸铁的基础上加入锰及铝铜合金元素制成的一种相对磁导 率在 3.5 以下(普通灰铸铁相对磁导率为200400,铸钢相对磁导率为5002200)的新 型电工材料。此项研究是以锰为主,其他元素起辅助作用,而且没有加入镍元素的奥氏体 铸铁。这项新材料的研制工作在我国是空白,许多电工器材厂家,仍用有色金属生产非磁 启睿科技小组启航迎新睿诚天下 4 性零件,有色金属浪费惊人,因此在镍资源贫乏的情况下,锰系无磁铸铁的研制开发具有 很大的现实意义。 三、 课题研究过程 锰系无磁铸铁的研发包括 合金设计 与铸造工艺 两方面,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
6、上,建立以锰为主要元素的无磁铸铁化学成分规划。研究 化学成分的变化对金相组织、力学性能以及对生产工艺规范的影响。在此基础上建立锰系 无磁铸铁的设计规范,从而稳定锰系无磁铸铁的生产,使其成为一种经济、可靠、便于生 产的新型电工材料。 四、 竞争材料分析 锰系无磁铸铁与铜合金、铝合金及镍系无磁铸铁等常用电工合金的主要技术指标以及 价格对比如表 1.1 。 表 1.1 常用电工合金材料的技术指标 电工合金 材料 锰系无磁 铸铁 镍系无磁 铸铁 铜合金铝合金 相对磁导率3 3 1.0 1.0 电 阻 率 ( ) 1.2 1.2 0.1 0.2 0.04 0.07 硬度150 280 150280 60
7、200 100 价格 (万元 /吨) 0.4 0.5 1.2 1.6 5.7 5.8 1.9 2.0 从上表可以看出,锰系无磁铸铁比传统的铜、铝合金硬度更高,力学性能更好,而且 电阻较大,不易产生电磁感应。应用于生产中,可有效的延长所组成设备的寿命。除此之 外,锰系无磁铸铁材料价格低廉,成本约为铝合金的1/5 ,铜的 1/10 1/11 。镍系无磁 铸铁材料的性能和锰系无磁铸铁材料相近,但因我国镍矿较少,镍系无磁铸铁材料成本过 高,应用意义不大。 在与传统的铝铜金属及其合金相比优势是非常明显的,相信我们研发的产品在投入市 场后将引起相关企业的极大兴趣。随着技术的逐步完善,我们的产品定会得到更大
8、的市场 空间。 五、 市场调查与分析 为了了解相关厂商对锰系无磁铸铁合金材料的认可程度,我们对国内部分相关企业进 行了抽样调查。 1、访问方法: 上门访谈方法:派调查员持身份证和介绍信分赴部分相关企业进行深入调查。访 谈对象为各企业的技术人员和采购人员,条件允许情况下, 采访其相关部门主管。 电话与邮件访问:考虑到经费问题,我们对全国的重点锅炉生产厂商和电机生产 厂商以电话或电子邮件的形式进行了相关咨询。 2、市场调查分析 : 在全国的电工设备生产商中,我们选取了具有代表性的22 家电机及锅炉企业分别进 行了人员访问和电话访问。由于访谈调查方法本身有极大的灵活性,故采用数字汇总与文 启睿科技小
9、组启航迎新睿诚天下 5 字汇总的形式对结果分析如表1.2 。 表 1.2 对相关企业进行抽样调查的结果 国内抽样分布抽样个数 对项目的态度分布表示愿意采取该 技术很好一般差 省内10 90% 10% 0 80% 省外12 83% 20% 0 75% 从以上的调查中,可以看出,锰系无磁铸铁在市场上还是空缺,市场需求旺盛。在访 问中我们了解到电机及锅炉行业对我们无磁铸铁材料期望值很大,其中85% 的企业对我们 的研究项目表示赞赏,对我们的技术开发有很大的兴趣,特别是我们的成本低、使用性能 好等优势更令他们心动。并有多数厂商表示愿意采纳锰系无磁铸铁材料的生产技术。 第二部分技术与工艺研究 一、 锰系
10、无磁铸铁的基本原理 锰系无磁铸铁是在普通铸铁的基础上通过合金化技术得到的一种磁导率很低的合金材 料。常温下,普通铸铁基体组织为珠光体和铁素体,磁导率很高;而奥氏体基体的铁碳合 金基本无磁性,那么要降低磁导率,就必须改变合金材料的组成成分。一般情况下,普通 铸铁的室温组织中不存在奥氏体,奥氏体只有温度在720以上才能存在。因此,生产无 磁铸铁的关键是如何将奥氏体组织保留到室温,得到奥氏体基体的铸铁组织。在研究铁碳 合金时,人们发现许多合金元素对于扩大奥氏体区具有非常明显的作用。其中,镍、锰的 作用尤为突出。当镍、锰的含量达到一定的程度时,就可以使铸铁的基体在室温下得到奥 氏体。本课题研究即从此原
11、理出发,基于镍资源在中国较为贫乏的现状,在一定的工艺条 件下,研发出一种以锰为主加元素的无磁铸铁锰系无磁铸铁。 二、创新点与关键技术 本课题结合我国资源现状,研发以锰为主要元素的无磁铸铁,铸铁中未有镍元素的加 入,从而降低了无磁铸铁的成本,有利于推广和利用。 本课题研究无磁铸铁成分、组织、性能之间的关系,对主要测试项目进行数理统计分 析和理论探讨,最终建立无磁铸铁的技术标准及工艺规范。 三、 锰系无磁铸铁的设计要求 1、物理性能要求 为避免在交变磁场下工作的零件产生涡流,导致零件温度升高以致零件失效,必须降 低材料的磁导率,以限制感应电动势的产生,从而减少涡流。此外,增加电阻率也可减少 涡流。
12、无磁铸铁的电工性能应达到以下指标:磁导率3.5 / ;电阻率 1.2 。 2、力学性能要求 无磁铸铁作为一种结构材料来使用,还必须保证力学性能和加工工艺性能,因此力学 性能应满足: b150MP ; 240。 3、金相组织要求 启睿科技小组启航迎新睿诚天下 6 无磁铸铁对金相组织的要求得到奥氏体的基体组织,为了保证必要的力学性能和加工 性能,无磁铸铁还应保持一定的石墨化程度。因此,无磁铸铁的金相组织为:片状石墨均 匀分布于奥氏体基体上。 四、 合金系的建立及成分优选 1、化学成分分析 为使锰系无磁铸铁在常温下得到奥氏体基体,在铸铁中加入一定量的扩大奥氏体的合 金元素。为使锰系无磁铸铁达到规定标
13、准,以锰为主要合金元素建立一个多元的合金体系。 (1)碳、硅:为了克服锰对石墨化的强烈阻碍作用,碳硅含量应较高。但碳含量 过高,会出现铁素体增加引起磁性提高;或者使得在浇注和凝固过程中出现石墨漂浮现象。 且为保证铸铁仍为灰口组织(基体为奥氏体);获得好的机械加工,铸造性能。一般控制 在: 3.3%3.9% 、: 2.4%3.0%。碳当量一般不应超过4.5%。 (2)锰:其作用扩大奥氏体区,使在室温下得到以奥氏体为基体的组织。若锰过量, 白口化严重,磁导率提高;锰含量太低则得不到奥氏体基体组织,达不到预期目的,故锰 含量应严格控制。一般锰含量的控制与铸件的厚度有关,小薄件含锰量为7% 9% ,中
14、厚件 含锰量为 12% 左右,用冲天炉熔化时要根据锰的烧损量适当提高其含量。 (3)硫、磷:磷和硫对铸铁磁性影响不大,但含量较高时,由于大量共晶体的产生, 会使磁导率有所提高,同时会降低铸铁的力学性能,因此应严格控制在S0.1%,P0.2% 。 (4)其它合金元素:为了克服锰系无磁铸铁中锰的不利影响,还需要加入其它元素, 如铜、铝等。这些元素的加入对稳定奥氏体、控制碳化物的数量、促进石墨化、保证低的 磁导率、提高力学性能、改善加工工艺性能起到了良好的作用。 2、利用多功能热分析仪测量不同锰元素含量对图的影响: 850 901 952 1003 1054 1105 1156 1207 1258
15、1309 1360 03672108144180216 含锰量为 6% 时T-t 图 850 901 952 1003 1054 1105 1156 1207 1258 1309 1360 03672108144180216 含锰量为 8% 时T-t 图 850 901 952 1003 1054 1105 1156 1207 1258 1309 1360 03672108144180216 含锰量为 7% 时T-t 图 850 901 952 1003 1054 1105 1156 1207 1258 1309 1360 03672108144180216 含锰量为 5% 时T-t 图 启睿
16、科技小组启航迎新睿诚天下 7 对比以上几条曲线,可发现如下特点: (1)随含锰量的增加,峰值温度先增大后减小。原因是开始时,锰促进奥氏体基体 的大量形成,温度有所上升;然后随锰含量的增加,白口倾向严重,组织发生变化,峰值 温度降低。 (2)随含锰量的增加,共晶温度线平台有所下降。原因是由于大量锰的加入,使合 金成分发生变化而引起的。 (3)随含锰量的增加,铁液的最终凝固温度点出现小幅度的波动。 综上说明,锰的加入量是生产无磁铸铁的关键,过多过少都会产生较大的影响。因此, 在生产过程中,应严格控制锰的加入量。 五、 炉料配比的确定 在铸造生产中,配料是一个十分重要的环节,它在很大程度上决定了材料
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