铸造铝镍钴磁钢的冶金质量分析

D0I:10.13374/.issn1001-053x.1987.03.028 北京钢铁学院学报 J.Beijing Univ.of Iron Steel Technol. Vol.9No.31987 铸造铝镍钴磁钢的治金质量分析 王惠赵俊华 赵文祥吴国定叶锐华 (高温合金教研室) (125厂) 摘 要 应用综合分析手段对航空电机转子铝镍钴磁钢的碎裂行为进行了研究。通过 对真空熔注与非真空溶注的钥镍钴磁钢的冶金质量分析，说明真空熔注的铝镶钴 磁钢的质量与非真空熔注比较有明显提高，使用的可靠性得到保障。 关键词：铝镍钴磁钢.断口分析.非金属夹杂物.冶金质登 Metallurgical Quality Analysis of Casting Al-Ni-Co Magnet steel Wang Hui Zhao Junhua Zhao Wenxiang Wu Guoding Ye Ruihua Abstract The rupture of the Al-Ni-Co magnet steels used aero-engine rotor is investigated with comprehensive analysis.Metallurgical quality analysis of Al-Ni-Co magnet steel shows that the quality of this steel under vacuum casting is better than that steel under atomosphere casting.The reliability n use for the former is secure.A lot of insclusion,such as Al2O3,TiN,i TiS,etc,are formed resulting in the rupture of the alloy at work. Key words:magnet steel,fracture analysis,insclusion,metallurgical quality 1986-08-22收稿 53

北 京 钢 铁 学 院 学 报 ’ 铸造铝镍钻磁钢的冶金质量分析 王 惠 · 赵俊华 赵文祥 吴 国定 叶锐华 高温合金教研室 厂 摘 要 应用综合分析手段对航空 电机转子 铝镍钻磁钢的碎裂行为进行了研究 。 通过 对真空熔注与非真空熔注的铝镍钻磁钢的冶金质量分析 ， 说明真空熔注的铝镍钻 磁钢的质量与非真空熔注比较有明显提高 ， 使用的可靠性得到保障 。 关键词 铝镍钻磁钢 断 口 分析 非金属夹杂物 冶金质量 一 一 砰 夕 万 “ “ 人 不犷 附 刁况 八 备一 。 一 一 一 一 一 。 ， ， 上 了 。 ， ， ， 、 ， ， ， 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．03．028

前言 目前，航空用电机转子铸造铝镍钴磁钢通常采用高频感应炉在大气中熔炼和浇注。 虽然这种工艺所生产的航空电机转子磁钢的磁性能够满足要求，但由于非金属夹杂物大 量存在，导致磁钢铸件大批报废，毛坯合格率很低。虽然经严格的荧光检查，但在对钱 子磁钢承受离心力作用所进行的模拟试验中，仍发生了磁钢碎裂事故，严重威胁电机运转 安全(1)。因此，有必要对高频炉生产的转子磁钢铸件进行治金质量分析，找出影响其质 量的主要原因，进一步提高它的工作的可靠性。 1实验方法 (1)研究用铸造铝镍钻磁钢的设计成分为，%： Al Ni Co Cu Ti S Fe 920 20 20.50.1余量 由高频感应炉和真空感应炉两种熔注工艺制备磁钢铸件，其原料分别用电解镍和铜 板，金属钴和工业纯铁，海绵钛、硫化铁及经非真空熔化后浇注成的小铝块。此外，在每炉 炉料中配入三分之一同钢种返回料。除海绵钛和硫化铁外，其它料入炉前均经喷砂处理。 (2)对高频炉熔注的航空电机转子磁钢在承受离心力作用模拟实验中碎裂的实物 样品，应用金相、扫描电镜等综合相分析方法，对断口部位进行形貌观察和能谱分析， 研究断口特征及成份组成，分析磁钢运转时碎裂的原因和机理。 (3)采用真空熔炼与浇注工艺研制航空电机转子磁钢。考虑到两种工艺的可比性 及生产上的可行性，真空熔注所使用的原材料及精密铸造壳型与高频非真空熔注时完全 相同。对真空熔注及高频熔注的转子磁钢分别取样做化学成份分析及气体含量分析，并对 两种工艺所生产的磁钢从磁性、机械性能、表面质量等方面进行数据统计分析，以比较 两种不同熔注工艺的治金质量效果。· 2 实验结果和讨论 2.1断口分析 (1)宏观断口将转子磁钢在模拟试验中的碎裂实物样品放在低倍显微镜下，观察 到断口齐平，附近无明显的宏观塑性变形痕迹；断口的晶粒粗大，可见闪光小平面，局 部有“冰矿状”特征；断口表面无氧化色，相当大的区域被非金属夹杂物复盖；断口上 可观察到多处宽窄不同的二次裂纹（图1）。 从上述结果可以初步判断，该断口属于脆性断裂，大片状的非金属夹杂物（图1中A 部位)的存在是发生断裂的主要原因。 一般情况下，合金中绝大部分夹杂物属于内生夹杂物，它的类型和数量决定于合金 54

妇‘ ， ‘ 月 吕 目前 ， 航空用 电机转子铸造铝镍钻磁钢通 常采 用 高频感应 炉在大气中熔炼和 浇注 。 虽然这种工艺所生 产的航空 电机转子磁钢 的磁 性能够满足 要求 ， 但 由于非金属夹杂物 大 量存在 ， 导 致磁钢铸件大批 报废 ， 毛坯 合格率很 低 。 虽然经 严格的荧光检查 ， 但在对转 子磁钢 承受离心 力 作 用所进行的模 拟试 验 中 ， 仍发生 了磁钢 碎裂事故 ， 严重威胁 电机运转 安全〔 ” 。 因此 ， 有必要 对高频炉生 产的转子磁钢 铸件进行 冶金质量分析 ， 找 出影响其质 量 的主要 原因 ， 进一步提 高它的工作的可靠性 。 实验方法 研究用铸造铝镍钻磁钢 的设 计成分为 ， 。 。 余量 由高频感应 炉和真空感应 炉两种熔注工艺制 备磁钢 铸件 ， 其原料分别 用 电解镍和铜 板 ， 金属钻 和工业 纯铁 ， 海绵钦 、 硫 化铁及经非 真空熔化后浇注 成的小铝块 。 此外 ， 在每炉 炉料 中配入三分之一 同钢种返 回料 。 除海绵钦 和 硫化铁 外 ， 其 它料 入 炉前均经 喷砂处理 。 对高频 炉熔注 的航空 电机转子磁钢 在 承受离心 力 作 用 模拟实验 中碎 裂的实物 样品 ， 应 用金 相 、 扫描电镜等综 合相分析方法 ， 对断 口部位进行 形貌观察和 能谱分析 ， 研究断 口 特征及成份组成 ， 分析磁钢 运 转时碎裂的原 因和机理 。 采用 真空熔炼与 浇 注工 艺研制航空 电机转子磁钢 。 考虑到 两种工艺的可 比性 及生 产上的可行 性 ， 真空 熔注所 使用 的原材料及精密铸造 壳型与高频非真空 熔注 时完全 相 同 。 对真空熔注 及 高频熔注的转子磁钢分别 取样做化学成份分析及气体含量分析 ， 并对 两种工 艺所生 产的磁钢从磁 性 、 机械性能 、 表面质量 等方面进行数据统计分析 ， 以 比较 两种不 同熔注工 艺 的冶金质量效果 。 、 实验结果和讨论 断 口 分析 宏 观断 口 将转子磁钢在模拟试 验 中的碎裂实物样品放在低倍显微镜下 ， 观察 到 断 口 齐平 ， 附近 无 明显的宏 观塑性 变形痕迹 断 口 的 晶粒粗大 ， 可 见 闪光小平面 ， 局 部有 “ 冰矿状” 特征 断 口 表面 无氧化色 ， 相 当大 的 区域被非 金属夹 杂物 复盖， 断 口 上 可 观察到 多处 宽窄 不 同的二 次裂纹 图 。 从 上述结果 可以 初步判 断 ， 该断 口属于脆性断裂 ，大 片状的非金 属夹 杂物 图 中 部位 的存在是 发生 断裂的主要 原 因 。 一般情 况 下 ， 合金 中绝 大部分 夹杂物属于 内生 夹杂物 ， 它的类型 和数量 决 定于合 金

mm 图1模拟试验中碎裂的转子磁钢断口照片 图2断口表面的非金属夹杂物SEM形貌 Fig.I Fractogrephy of magnet steel forrator Fig.2 Morphology of incluaion on in analogy experimnent fracture surface,SEM 2 um 图3金属断口SEM形貌 图4非金属夹杂物的照片 Fig.3 SEM,morphology of fractuer on metal Fig.4 Inclusion on fracture of specimen 成分和熔炼工艺，最终则取决于合金中的氧、硫、氮含量及与它们亲合力强的元素的含 量(2)。本试验用的磁钢中含有大量铝、钛等活泼金属，在非真空熔栋时，大气中的氧和 筑能够充分地对熔池中这类金属氧化和氮化。硫化铁的加入为硫化物夹杂生成提供了条 件。此外，原料的不纯也是夹杂物形成的原因。 因此，有必要判定夹杂物的类型和数量，提供评估治金质量问题的科学根据。 (2)微观断口用扫描电镜观察图1中的A部位，结果示于图2。它表明，断 口上夹杂物的分布和形态是不同的。对图中1、2两部位做能谱分析，并结合扫描电镜 的观察，可以确定部位1的夹杂物是以SO2为主的铅、铁、钛等复合氧化物包裹体： 部位2的夹杂物是以钛的氧、氮化物为主体的三氧化二铝、氧化铁的包亵体。 55

蘸 图 模拟试验 中碎裂的转子磁钢断 口 照片 川 略 孟 之 图 断 口 表面 的非金属夹杂物 形貌 ， 。 ， 图 金属断 口 形貌 ， 。 了尸 ，，〕 图 非金属夹杂物的照片 川 成分和熔炼工艺 ， 最终 则取决 于合 金 中的氧 、 硫 、 氮含量 及 与它们 亲合力 强的元素的含 量 〔 〕 。 本试 验用 的磁钢 中含有大量 铝 、 钦等活泼金属 ， 在非 真空 熔炼时 ， 大气 中的氧和 氮 能够充分地 对熔池 中这 类金属氧化和 氮化 。 硫 化铁 的加 入 为硫 化物夹杂生 成提供 了 条 件 。 此外 ， 原料的不 纯也是 夹杂物形 成的原 因 。 因此 ， 有必要判 定夹杂物的 类型和数量 ， 提供评 估冶 金质量 问题的科学根 据 。 微观断 口 用 扫描 电镜观察图 中的 部位 ， 结果 示 于 图 。 它 表明 ， 断 口 上 夹杂物的分布和形 态是 不 同的 。 对 图 中 、 两部位做 能谱分 析 ， 并结 合 扫描电镜 的观察 ， 可 以 确定部位 的夹杂物是 以 为主 的铝 、 铁 、 钦等 复合氧化物包 裹体 ， 部位 的夹 杂物是 以钦的氧 、 氮化物为 主体的 三氧化二铝 、 氧化铁的包裹体

用扫描电镜观察实物断口的B部位（金属断口），结果示于图3。可以清楚地看到 断口上由解理台阶汇成的河流花样，并呈石块状的多面体痕迹。表明这是解理与穿晶混 合，以解理为主的断口。对金属断口示出的部位3进行能谱分析，表明金属断口化学成 份与磁钢设计成份基本一致。 (3)断口金相，将转子磁钢在模拟试验中碎裂样品，进行金相观察，结果示于图 4。由图可见，在断裂处存在大量连成片的夹杂群并将基体隔开，这与断口宏观检验结 果相一致。为鉴别夹杂物的类型、分布和组成，分别对图4中C、D、E、F和G各都位 进行金相观察，而后对各部位所发现的非金属夹杂物（或群）进行能谱分析，结果列于 表1中。 根据能谱分析数据，结合金相检验结果，可以判定，部位C的夹杂物主要由FeO和 A12O3组成，部位D的夹杂物是A12O3为主的包爽体；部位E的夹杂物系以A12O3为主 表1 断裂处金相样品各部位上的夹杂物能谱分析 Table 1 Analytical date of energy spectrum of inclusion on various position of rupture specimen Determine Elements,wt position A Ti Fe 分 Ni C 13.63 0.32 86.05 D 87.69 2.57 9.74 E 58.21 0.06 19,19 20.50 2.04 F 3.94 84.02 12.04 G 8.55 24.12 30.56 23.96 12.81 体及TiS、2F,O·SiO2、TiN所组成的包袭体；部位F的夹杂物主要是TiN,而部位 G(即合金基体)上存在的夹杂物则以TiS为主。 综合以上分析可知，由于铸造铝镍钴合金的成份特点和原材料状况，以及采用非真 空熔注工艺，合金中会生成大量的A103,TiN,TiS,SiO2,2F。0·SiO2等多种 类型的非金属夹杂物。待别当熔注工艺控制不当时，生成的夹杂物数量过多，成堆或连 片的非金属夹杂物混入铸件内部，破坏了合金基体的连续性，从而成为受力时断裂的源 区。这时当铸件所承受的外力达到材料脆性断裂强度时，即发生失稳扩展(3)，导致脆性 解理断裂和沿晶断裂。 2,2真空熔注与高频非真空溶注航空电机转子磁钢在冶金质量上的比较 (1)化学成份两种工艺熔注的转子磁钢抽检化学成份结果列于表2中。 由表2可见，非真空熔注的磁钢与真空熔注的磁钢相比，尽管设计成份、配料成份 和所用原材料完全相同，但两者成品磁钢的化学成份上有着很大的差异。这主要表现在 铝、钛含量较低，而且数据水平不稳定，这肯定会恶化合金的磁性。同时说明，磁钢在 非真空熔注过程中，由于铝、钛大量烧损，生成了很多含铝、钛的非金属夹杂物，如果 这些夹杂物在浇注时混入铸件，对磁钢的成品合格率和使用可靠性定将产生极为不利的 影响。 56

蘸 图 模拟试验 中碎裂的转子磁钢断 口 照片 川 略 孟 之 图 断 口 表面 的非金属夹杂物 形貌 ， 。 ， 图 金属断 口 形貌 ， 。 了尸 ，，〕 图 非金属夹杂物的照片 川 成分和熔炼工艺 ， 最终 则取决 于合 金 中的氧 、 硫 、 氮含量 及 与它们 亲合力 强的元素的含 量 〔 〕 。 本试 验用 的磁钢 中含有大量 铝 、 钦等活泼金属 ， 在非 真空 熔炼时 ， 大气 中的氧和 氮 能够充分地 对熔池 中这 类金属氧化和 氮化 。 硫 化铁 的加 入 为硫 化物夹杂生 成提供 了 条 件 。 此外 ， 原料的不 纯也是 夹杂物形 成的原 因 。 因此 ， 有必要判 定夹杂物的 类型和数量 ， 提供评 估冶 金质量 问题的科学根 据 。 微观断 口 用 扫描 电镜观察图 中的 部位 ， 结果 示 于 图 。 它 表明 ， 断 口 上 夹杂物的分布和形 态是 不 同的 。 对 图 中 、 两部位做 能谱分 析 ， 并结 合 扫描电镜 的观察 ， 可 以 确定部位 的夹杂物是 以 为主 的铝 、 铁 、 钦等 复合氧化物包 裹体 ， 部位 的夹 杂物是 以钦的氧 、 氮化物为 主体的 三氧化二铝 、 氧化铁的包裹体

表2 不同熔注工艺生产的铝镍钴磁钢的化学成份 Table 2 Chemical composition of Al-Ni-Co magnet steel in different casting technology Composition Casting No Chemical composition,wt classfication technology Al Ni Co Cu Ti Fe Designed composition 9.0 20.0 20.0 2.0 0.5 Balance 0.1 Burden 9.520.0 20.5 2.0 0.5 Balance 0.1 composition Analytical High composition 8.7020.41 19.91 2.03 0.45 Balance No anelysis frequency High 2 frequency 7.8020.45 20.79 2.33 0.31 Balabce No analysis 3 Vacuum 8.9019.9219.701.95 0.53 Balance No analysis 4 Vacuum 9.1920.80 20.501.94 0.53 Balance No analysis 5 Vacuum 9.0620.33 20.202.07 0.40 Balance No analysis Vacuum 9.1920.1820.201.88 0.51 Balance No analysis (2)气体含量 从两种工艺熔注的磁钢中抽样分析气体含量，其结果列于表 3。 表3 不同熔注工艺生产的铝锦钴磁钢的气体含量 Table 3 Gas contents of Al-Ni-Co magnet steel in different casting technology No Casting technology Gas contents wt9 0 N H 1 High frequency 0.0053 0.0036 0.0002 2 Vacuum 0.0014 0.0017 <0.0001 从表3可以看出，真空熔注的磁钢中氮、氢、氧的含量比非真空熔注的磁钢中相应 的气体含量低一倍以上，这就说明真空熔注时合金中铝、钛等被氧化，氮化生成夹杂物 的可能性要小得多。这一事实也为金相观察所证实。真空熔注的磁钢铸件的夹杂物数量 要比非真空熔注的铸件中少得多，也细小得多。 (3)磁钢磁性·从两种工艺熔注的大批磁钢铸件中随机抽取100件，其磁性测 量结果的平均值列于表4中。 表4不同熔注方法生产的磁钢磁性测量结果 Table 4 Magnetic measured data in different casting technology Magnetism Average value for 100 samples Percentage of magnetism High frequency Vacuum improvement, Br,T 7177X10-4 7500X10-4 4.5 He,A/m 55200 56960 3.2 57

表 不 同 一 熔注 工艺生产 的铝镍钻磁钢 的化学成份 卫 一 一 至 ， 书 一石 灭牙一 一下可一一一一不厂一一丫歹 爪 吐 。 。 。 。 ， ， 气体含量 从 两种工艺熔注 的磁钢 中抽样分析气体含量 ， 其结 果 列 于 表 表 不 同熔注工 艺生产的铝镍钻磁钢的 气体含量 亡 一 一 ‘ 拓 从表 可 以 看 出 ， 真空熔注 的磁钢 中氮 、 氢 、 氧的含量 比非真空熔注 的磁钢 中相应 的气体含量 低 一倍以上 ， 这 就说 明真空熔注 时合 金 中铝 、 钦等被氧化 ， 氮化生成夹杂物 的 可 能性要 小 得 多 。 这一事实也 为金相 观察所证实 。 真空熔注的磁钢 铸件 的 夹杂物数量 要 比非真空熔注的 铸件 中少得 多 ， 也细小 得 多 。 磁钢磁性 从 两种工艺熔 注 的大批磁钢 铸 件 中随机抽取 件 ， 其磁 性 测 量 结果 的平 均值列 于表 中 。 表 不 同熔注 方法生产的磁钢磁性 测量结果 玉已 日 任 ， 多 ， ， ， 、 一 刁 一 每