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.docx

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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

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

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、试验结果分析·································10

第三部分项目优势

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200—400，铸钢相对磁导率为500—2200）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

（μΩｍ）

＞1.2

＞1.2

0.1～0.2

0.04～0.07

硬度

150～280

150～280

60～200

＜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。

无磁铸铁的电工性能应达到以下指标：

磁导率≤3.5Ｈ/ｍ；电阻率≥1.2µΩｍ。

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：

σ

≥150MPａ；ＨＢ≤240。

3、金相组织要求

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Ｃ：

3.3%～3.9%、Ｓｉ：

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S<0.1%,P<0.2%。

（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Ｔ－ｔ图的影响：

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的性能，也是保证质量的重要方面之一。

为提高铸件质量必须严格控制铁水的化学成分的稳定。

严格控制炉料成分，精确各成分的配量。

充分考虑炉内熔化过程中的变化，各金属元素的增减量。

要尽量减少材料的品种和换料的次数，以免加料时过分混乱。

1、采用试算法配料，铁液成分如表2.1所示：

表2.1原始铁液成分

元素CSiMnCuAlPS

铁液成分（%）3.52.8820.3〈0.1〈0.1

2、经计算可知，各种金属炉料的化学成分如表2.2所示：

表2.2金属炉料的化学成分（%）

炉料CSiMnPS

原生铁Q124.360.600.160.0790.053

废钢0.30.350.560.030.02

FeMn65C7.0锰铁65

硅铁FeSi7575

3、熔炼过程中各种元素的增减率

采用中频无芯感应电炉。

在熔炼过程中，由于各种元素烧损或与气体以及其它元素发生物理化学反应，而造成各种元素的增减。

在配料过程中应充分考虑，以防止由于元素增减而造成不良影响。

各种元素的增减率如表2.3所示。

表2.3熔炼过程中各种元素的增减率

元素CSiMnPS

炉内烧损率（%）-1+1.2-100+65

4、炉料配比及成分单，每批炉料量为30千克

表2.4各种炉料加入量（单位㎏）

原生铁废钢硅铁锰铁铜铝

24.095.910.8882.450.60.09

应严格控制锰的加入量，根据铸件重量和熔化用炉的不同而不同。

据计算随锰的加入量不同，锰铁加入量也随之改变如表2.5所示。

表2.5不同锰含量时锰铁加入量（单位：

㎏）

不同锰含量5%6%7%8%9%

锰铁加入量2.452.973.483.994.50

表2.6不同锰含量时合金中的硅锰比

不同锰含量5%6%7%8%9%

硅锰比0.560.470.40.350.31

锰是强烈阻止石墨化的元素，单独加入大量的锰，会导致大量的碳化物析出。

硅是促进石墨化的元素，加强石墨化能力，减少碳化物。

锰硅比保持在0.35时才能使得碳化物数量减少,从而减少碳化物对磁导率的影响。

六、制定铸造工艺

1、熔炼

熔炼可采用感应电炉或冲天炉进行。

因感应电炉具有良好的热稳定性和化学稳定性，可较准确控制化学成分和铁液温度。

一般采用中频无芯感应电炉熔炼。

炉前处理工艺稳定，铸件成品率高。

但应严格控制好炉料，充分考虑炉料的烧损，以及反应消耗。

感应电炉熔炼锰系无磁铸铁应当采用碱性炉衬，以避免炉衬严重侵蚀和锰的损失。

出炉温度控制在1400℃～1450℃。

也可采用冲天炉熔炼，使无磁铸铁的成本降低。

但成分和温度不易控制，特别是锰的烧损大，配料时一定要按照烧损率严格计算其加入量。

出炉温度应控制在1380℃～1430℃。

2、铁液的过热和高温静置的影响

在一定范围内提高铁液的温度，延长高温静置时间，都会导致铸铁的石墨及基体组织的细化，使铸铁强度提高；进一步提高过热温度，铸铁的形核能力下降，反而使强度性能降低。

适当的过热即可使铁液的纯净度提高，又可使性能得到改善。

3、炉前孕育

由于锰是强烈阻碍石墨化的元素，故锰系无磁铸铁有很大的白口倾向，为了控制组织中渗碳体含量，炉前孕育处理显得格外重要。

孕育目的即促进石墨化、减小白口倾向、控制石墨形态获得A型石墨，又可改善铸铁力学性能和切削加工性能。

对锰系无磁铸铁进行孕育处理主要采用硅铁和纯铝。

纯铝具有促进石墨化和稳定奥氏体的作用，同时可对铁液脱氧，净化铁液。

由于纯铝密度小易氧化，因此不能在浇包已注满铁液后再加铝，而应当将纯铝放入已预热好的包底，然后注入铁液并适当搅拌。

硅铁的加入量根据含锰量的多少和铸件壁厚来确定的，其加入一般是随铁液一起冲入包内。

炉前孕育的结果最终是使铸铁中的渗碳体含量控制在要求的范围内。

无磁铸铁的炉前孕育一定要控制准确。

孕育不足时，金相组织中常会增加马氏体、铁素体及渗碳体的含量，不能有效地降低磁导率；孕育过量，组织中会出现铁素体，致使磁导率增加。

除此之外，还会造成石墨漂浮，组织粗大等铸造缺陷。

炉前孕育的结果最终使铸铁中的渗碳体含量控制在要求之内。

从炉前三角试片看，白口应<2mm。

4、浇注及冷却

锰系无磁铸铁的线收缩率略大于普通灰铸铁，在制定工艺时，应增大缩尺和加强补缩。

锰系无磁铸铁为高碳硅铸铁，流动性较好，具有较强的充型能力。

浇注时要特别控制好浇铸温度和浇铸速度，尽可能的缩短浇注时间；在保证成型条件下适当降低浇铸温度。

浇注完成后，为使铸铁基体组织为奥氏体，需要有较大的过冷度；又要严格控制铸件在铸型中的冷却时间，自900℃左右起即开箱，使之在红热状态下空冷；使奥氏体保持到室温。

但在保证低磁的前提下，不宜过早开箱。

七、性能检验

1、铸造性能测试

（1）流动性：

采用单螺旋线式湿型试样对无磁铸铁进行铁水流动性测试。

浇注温度在1400℃～1450℃以上，流动性试样测试结果一般为1000㎜～1100㎜。

这说明无磁铸铁的流动性好，气体和杂质易于上浮使金属净化，有利于得到没有气孔和杂质的铸件。

（2）线收缩：

收缩性测试用铁坩型试样，计算公式为ε=l

-l/l

。

式中：

ε-铸造收缩率、l

-模样尺寸l-铸件尺寸。

表2.7线收缩性

锰量（%）

5%

6%

7%

8%

l

12.1

12.0

12.1

12.1

l

11.8

11.6

11.6

12.0

ε%

2.48

3.33

4.13

0.826

由测量结果得出，锰元素对收缩率的影响不大。

无磁铸铁的收缩率比普通铸铁的稍微大些，可以采用补缩冒口进行补缩。

2、力学性能测试

（1）强度测试

表2.8强度测试

含锰量5%6%7%8%

抗拉强度（MPa）160170168172

由以上数据可知，含锰量为5%、6%、7%、8%的式样强度呈递增趋势。

这说明随着含锰量增加锰系无磁铸铁的强度越高。

（2）硬度测试

表2.9硬度测试

含锰量%5%6%7%8%

布氏硬度179156160173

由以上数据可知，锰系无磁铸铁的硬度随着含锰量的增加呈递减趋势。

由表2.8、2.9可以看出无磁铸铁的机械性能均达到规定要求，性能良好。

3、切削性能测试

切削性能取决于基体组织和硬度，锰系无磁铸铁的片状石墨对刀具有润滑和断屑作用；孕育效果良好,据硬度测试结果可知硬度满足要求，铸件切削加工性能好。

在一定条件下合金元素使组织均匀化而提高其切削性能。

4、物理性能测试

（1）磁性检验

表2.10磁导率测试

锰量5%6%7%8%

相对磁导率8.33.53.21.6

利用山东大学物理系设备磁性材料磁性能测量系统测量试样的磁导率。

含锰5%的铸件具有弱磁性，从金相组织中也可看出，有少量马氏体存在。

这可能由于表2.10磁导率测试孕育过量产生。

含锰量6%，7%，8%的无磁铸铁件的磁力依次减弱。

这说明随含锰量的增加，奥氏体组织逐渐增多，磁性降低，但锰含量也要控制在一定的范围内。

（2）电阻率的测定

测定方法为用ＣＤ-50型万用电桥测量其电阻，然后通过ρ=R·S/L计算得出结果，

式中ρ——电阻率µΩｍＬ——导线长度ｍ

Ｒ——电阻值ΩＳ——导线横截面积ｍ

表2.11电阻率的测定

锰量5%6%7%8%

电阻率（µΩｍ）1.901.731.771.61

经测算每组铸件的电阻率均在要求的范围内，误差小于0.5%。

符合要求。

5、金相检验

在铸件上取样Φ10㎜，试样经过粗磨、细磨、抛光、浸蚀后在高低倍显微镜下观察。

试样金相照片如下：

图1图2

试样取样无磁铸铁含锰量5%试样取样无磁铸铁含锰量6%

状态铸态状态铸态

处理2-4%的硝酸酒精溶液处理2-4%的硝酸酒精溶液

放大倍数400放大倍数400

组织检验合格，奥氏体基体加片状组织检验合格，奥氏体基体，奥氏体呈有

石墨，少量马氏体出现，碳化物5-6%规律分布，基本上没有马氏体，孕育良好。

图3图4

试样取样无磁铸铁含锰量7%试样取样无磁铸铁含锰量8%

状态铸态状态铸态

放大倍数400放大倍数400

处理2-4%的硝酸酒精处理2-4%的硝酸酒精

组织检验合格，奥氏体基体，石墨组织检验合格，奥氏体基体，

相对呈现有规律分布，片状石墨稍有Ａ型石墨较多，石墨有点粗大，无马氏体，

粗大，碳化物约为6%左右。

孕育良好。

金相组织观察分析：

在无磁铸铁中，石墨基本为A型石墨，少量D型石墨。

随着含锰量的增加石墨形态从较薄逐渐变为较厚的片状石墨并规则分布。

从性能上看，少量D型石墨对机械性能尚无显著影响，稍大于10%的对切削加工性能稍有影响，对磁性影响不大。

一般将碳化物控制在10%以下。

金相检验结果如表2.11所示：

表2.12金相检验结果

含锰量%石墨形态磷共晶体碳化物

5Ａ型石墨05-6%

6Ａ型石墨加Ｄ型石墨06%

7Ａ型石墨加Ｄ型石墨06%

8Ａ型石墨07%

6、三角激冷试片

三角试片采用湿型立浇，测量白口宽度，孕育后浇注，冷却后，砸开观察组织。

在正常情况下，铸件白口宽度孕育后为：

0～2㎜。

测量结果如下：

表2.13三角试片测试

含锰量（%）5678

白口宽度（㎜）322.52.5

由上可知，铸件白口宽度基本符合要求。

由于计算误差或铝元素的烧损，孕育不足而产生少量白口倾向。

八、试验结果分析

对铸件性能的检测发现，除含锰量为5%的铸铁具有弱磁性，含锰量6%，7%，8%的无磁铸铁件的磁力依次减弱。

这说明随含锰量的增加，奥氏体组织逐渐增多，磁性降低；但是当锰含量过高时白口化严重，无法用孕育的方法来消除白口。

故锰含量也要控制在一定的范围内。

从物理性能、电工性能、金相组织等各方面考虑，当锰含量在8%时综合性能最佳。

第三部分项目优势

一、性能分析

主要性能指标与实验结果对比如表2.12所示：

1表2.12主要性能指标与实验结果对比

主要性能

技术指标

实验结果

相对磁导率

＜3.5

1.6～3.3

电阻率

＞1.2µΩｍ

1.4～1.8µΩｍ

抗拉强度

＞150MPａ

150～180MPａ

布氏硬度

＜270

180～230

通过实验测试结果与主要技术指标的对照，锰系无磁铸铁磁导率低、电阻率高的电工性能已达到标准。

在交变磁场的作用下进行工作时，可有效的抑制感应电流的产生，从而避免零件发热和涡流损耗。

二、成本分析与资源分析

作为一种应用材料，价格是决定应用前景的主要因素之一，通过下图可以明确分析几种常用电工材料的价格。

锰系无磁铸铁材料价格低廉，成本约为铝合金的1/5，铜合金的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。

于是，我们利用锰元素代替镍元素，因为它同样能够得到奥氏体基体，并且在我国的资源丰富，价格低廉。

三、

分析总结

把铝合金、锰系无磁铸铁、普通灰铸铁和普通碳钢置于相同的交变磁场中，测量其温度变化情况。

从测量结果看，锰系无磁铸铁的升温变化和铝的基本相同。

这进一步说明了锰系无磁铸铁可成功的代替在交变磁场下工作的大量有色金属材料。

锰系无磁铸铁原材料来源广，成本低，生产工艺也较简单，便于推广，具有可观的社会效益和经济效益。