鋁水電磁泵用轉(zhuǎn)子的研究進(jìn)展

馬文靜 王奕 徐林魚(yú) 龐春全 王鳳嬌

摘要：鋁水電磁泵廣泛應(yīng)用于鋁鑄件澆注工藝當(dāng)中，電磁泵轉(zhuǎn)子作為其關(guān)鍵部件往往受鋁液沖蝕而過(guò)早失效。本文從鋁水電磁泵轉(zhuǎn)子存在的失效問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前常用鋁水電磁泵轉(zhuǎn)子材質(zhì)的綜述分析，提出可采用耐鋁液沖蝕復(fù)合材質(zhì)制備鋁水電磁泵轉(zhuǎn)子的新思路。

關(guān)鍵詞：鋁水電磁泵；轉(zhuǎn)子；沖蝕；復(fù)合材質(zhì)

0 引言

近年來(lái)，電磁泵在國(guó)外日益發(fā)展而應(yīng)用于鋁鑄件的各種澆注，如金屬型或砂型的低壓閉型底注以及準(zhǔn)確定量重力澆注等。該工藝也存在著許多尚未完全解決的難點(diǎn)。尤其是由于鋁水的腐蝕性，使得與其直接接觸的零部件產(chǎn)生嚴(yán)重的熔蝕現(xiàn)象，從而大大降低了零部件使用壽命（甚至直接報(bào)廢）。尤其是廣泛運(yùn)用的轉(zhuǎn)子，其在鋁液中受熔蝕一磨損作用，更容易發(fā)生過(guò)早失效而導(dǎo)致電磁泵停止工作，降低了生產(chǎn)效率[1]。同時(shí)，也可能會(huì)導(dǎo)致鋁液的污染，進(jìn)而嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量及成品率。

1 鋁水電磁泵的應(yīng)用及其存在的技術(shù)問(wèn)題

電磁泵中的轉(zhuǎn)子主要是依靠?jī)赏椒聪蜣D(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子（齒數(shù)為2-4）在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中于進(jìn)口處產(chǎn)生吸力（真空度），從而吸人所要輸送的物料。這種澆注具有如下特點(diǎn)：

（1）電磁泵從液面以下抽吸鋁液進(jìn)行澆注，這樣可以防止浮渣和氧化物帶進(jìn)鋁液，并且可以防止液面受到攪動(dòng)，從而減少鋁液的氧化損耗。

（2）電磁泵在熔化爐吸口處的平面位置固定不變，可在其周?chē)O(shè)置隔熱蓋板蓋住吸口，使?fàn)t內(nèi)熱量的損失減至最小

（3）采用加熱的陶瓷輸液管，因此爐內(nèi)的鋁液可保持在澆注溫度而不必過(guò)熱。

這些因素都使鋁液能夠保持純潔，使鑄件質(zhì)量提高，并使熱耗減小。采用電磁泵澆注可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而使勞動(dòng)條件得到顯著改善，使生產(chǎn)效率顯著提高。

但是該工藝也存在著許多尚未完全解決的難點(diǎn)。尤其是由于鋁水的腐蝕性，使得與其直接接觸的零部件產(chǎn)生嚴(yán)重的熔蝕現(xiàn)象，從而大大降低了零部件使用壽命（甚至直接報(bào)廢）。尤其是廣泛運(yùn)用的轉(zhuǎn)子，其在鋁液中受熔蝕-磨損作用，更容易發(fā)生過(guò)早失效而導(dǎo)致電磁泵停止工作，降低了生產(chǎn)效率。同時(shí)，也可能會(huì)導(dǎo)致鋁液的污染，進(jìn)而嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量及成品率。

熔蝕-磨損是指材料在高溫金屬熔體當(dāng)中的腐蝕-磨損，是由于材料受高溫金屬熔體的腐蝕失效以及材料在高溫金屬熔體中摩擦磨損失效交互作用而導(dǎo)致材料流失破壞的失效行為。鋁及其合金產(chǎn)量居有色金屬材料之首，廣泛應(yīng)用于建筑、交通、能源、航空航天、電子等領(lǐng)域。然而鋁熔體是腐蝕性最強(qiáng)的金屬液之一，鋁工業(yè)生產(chǎn)中的一些關(guān)鍵零部件往往因熔蝕-磨損而失效破壞。目前大量使用的仍是高合金的耐磨類(lèi)材料如模具鋼，材料價(jià)格昂貴，使用壽命很短，只能依靠頻繁更換部件來(lái)維持生產(chǎn)。鋁水電磁泵轉(zhuǎn)子的工作環(huán)境是在熔融的鋁液中，熔融鋁液具有很強(qiáng)的熔蝕作用，因此使之熔蝕受損而過(guò)早失效，給鋁工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)很大的問(wèn)題。頻繁地更換電磁泵轉(zhuǎn)子不僅提高了生產(chǎn)成本，更為重要的是造成生產(chǎn)流程的中斷，影響企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃。

2 目前的轉(zhuǎn)子材質(zhì)及其存在的問(wèn)題

當(dāng)前，鋁水電磁泵轉(zhuǎn)子常用材質(zhì)包括金屬、石墨或陶瓷。金屬轉(zhuǎn)子存在抗沖蝕性能較差的間題，而石墨和陶瓷耐鋁液熔蝕性能較好，但前者抗氧化燒損能力差，一般壽命為3-6個(gè)月，后者抗熱沖擊性差，受熱疲勞作用容易開(kāi)裂報(bào)廢。

2.1 金屬轉(zhuǎn)子

目前，金屬轉(zhuǎn)子仍是熱浸鍍鋁工藝設(shè)備中大量應(yīng)用的轉(zhuǎn)子類(lèi)型，尤其是鐵基金屬轉(zhuǎn)子。純鐵在鋁液中的腐蝕嚴(yán)重，所以一般不使用純鐵轉(zhuǎn)子。鑄鐵轉(zhuǎn)子因?yàn)槠渲械氖軌蜃璧K鋁液向基體進(jìn)一步擴(kuò)散，有一定的耐蝕性，但在高溫鋁液工作環(huán)境中，鑄鐵轉(zhuǎn)子的抗熔蝕性能較差，使用壽命低。通過(guò)改變鑄鐵中的石墨形態(tài)，能夠進(jìn)一步提高鑄鐵轉(zhuǎn)子的耐鋁液熔蝕-磨損性能，高占勇等人研究了石墨形態(tài)對(duì)鑄鐵在鋁液當(dāng)中耐腐蝕性的影響，認(rèn)為交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的片狀石墨對(duì)鋁原子的擴(kuò)散有最強(qiáng)的阻礙作用，細(xì)長(zhǎng)且分布均勻的片狀石墨能顯著提高鑄鐵的耐鋁液腐蝕性能[2]。Ti基、W基、Mo基、Nb基金屬轉(zhuǎn)子在鋁液環(huán)境中使用時(shí)，會(huì)有一層耐腐蝕性好的致密的金屬間化合物在轉(zhuǎn)子表面生成，所以該類(lèi)轉(zhuǎn)子具有良好的耐鋁熱熔蝕性能，但是由于制備成本高及成形困難而阻礙了這類(lèi)轉(zhuǎn)子的推廣應(yīng)用，只在重點(diǎn)設(shè)備上有少量應(yīng)用[3]。

2.2 石墨和陶瓷轉(zhuǎn)子

石墨和陶瓷轉(zhuǎn)子均具有良好的耐鋁液熔蝕性能，在熱浸鍍鋁工作環(huán)境中，能夠表現(xiàn)出較高的抗蝕能力。但是石墨轉(zhuǎn)子抗燒蝕能力較差，且不耐磨；而陶瓷轉(zhuǎn)子又存在脆性較大、抗熱震性能差等明顯缺點(diǎn)，而且因陶瓷的特性，導(dǎo)致此類(lèi)轉(zhuǎn)子加工性能差，所以陶瓷轉(zhuǎn)子制作較為困難。這些缺點(diǎn)均限制了這兩類(lèi)材質(zhì)轉(zhuǎn)子的使用[4]。

2.3 金屬間化合物轉(zhuǎn)子

金屬間化合物轉(zhuǎn)子，如欽鋁系金屬間化合物轉(zhuǎn)子具有優(yōu)異的抗高溫氧化性、高比強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、比剛度以及耐腐蝕等特性。因?yàn)榇朔N轉(zhuǎn)子中所含的TiAl3是Ti在鋁液當(dāng)中的終產(chǎn)物，完全不與鋁液發(fā)生反應(yīng)，且抗高溫氧化性能優(yōu)異。但是同樣是因?yàn)橹圃炖щy的原因，TiAl3的成形技術(shù)困難及室溫脆性阻礙了此類(lèi)轉(zhuǎn)子的推廣應(yīng)用。

2.4 復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)子

金屬間化合物基復(fù)合材料在解決基體材料塑韌性的同時(shí)，能夠兼具較好的耐鋁液腐蝕性能及高溫氧化性能，同時(shí)具有較好的耐磨及抗熱震性能。肖華強(qiáng)[5]等人研制出的Ti3AlC2增韌的TiAl3基復(fù)合材料相對(duì)常用的H13鋼表現(xiàn)出很好的耐鋁液熔蝕-磨損性能，其在鋁液中的熔蝕-磨損性能相對(duì)H13鋼而言提高了幾十甚至上百倍，有望成為新型的鋁水電磁泵用轉(zhuǎn)子材料。

3 結(jié)論

鋁水電磁泵用轉(zhuǎn)子因受鋁液反復(fù)沖蝕而容易產(chǎn)生失效，嚴(yán)重影響企業(yè)正常生產(chǎn)。常用的金屬轉(zhuǎn)子不耐鋁液腐蝕，石墨轉(zhuǎn)子耐燒蝕性能較差，陶瓷轉(zhuǎn)子具有較好的耐鋁液熔蝕-磨損性能，但抗熱震性較差，成形難度較大。金屬間化合物復(fù)合材質(zhì)轉(zhuǎn)子能夠較好地解決耐鋁液熔蝕-磨損及高溫使用性能，因而具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]LIU Yue-zing， MOL J M C， JANSSEN G C A M. Corrosion reduces wet abrasive wear of structural steel[J].Scripta Materialia，2015，107（10）：92-95.

[2]高占勇，張金龍，武文霞等.石墨形態(tài)對(duì)鑄鐵在鋁液中耐腐蝕性的影響[J].鑄造，2009，58（9）：937-939.

[3]Zhu Yulong， Schwam David， Wallace John F.et al. Evaluation ofsoldering， washout and thermal fatigue resistance of advanced metalmaterials for aluminum die-casting dies[J].Materials Science andEngineering： A， 2004， 379（1）：420-431.

[4]曾輝，黎東濤，李國(guó)彪等.陶瓷-金屬-合金三層復(fù)合材料坩堝的液態(tài)成形法研究[J].熱加工工藝，2007， 36 （17）：5-7.

[5]肖華強(qiáng).TiAl3/Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料制備及其耐鋁液熔蝕-磨損性能研究[D].華南理工大學(xué)，2013.