铝水电磁泵用转子的研究进展
马文静 王奕 徐林鱼 庞春全 王凤娇
摘要：铝水电磁泵广泛应用于铝铸件浇注工艺当中，电磁泵转子作为其关键部件往往受铝液冲蚀而过早失效。本文从铝水电磁泵转子存在的失效问题进行分析，结合当前常用铝水电磁泵转子材质的综述分析，提出可采用耐铝液冲蚀复合材质制备铝水电磁泵转子的新思路。
关键词：铝水电磁泵；转子；冲蚀；复合材质
0 引言
近年来，电磁泵在国外日益发展而应用于铝铸件的各种浇注，如金属型或砂型的低压闭型底注以及准确定量重力浇注等。该工艺也存在着许多尚未完全解决的难点。尤其是由于铝水的腐蚀性，使得与其直接接触的零部件产生严重的熔蚀现象，从而大大降低了零部件使用寿命（甚至直接报废）。尤其是广泛运用的转子，其在铝液中受熔蚀一磨损作用，更容易发生过早失效而导致电磁泵停止工作，降低了生产效率[1]。同时，也可能会导致铝液的污染，进而严重影响产品的质量及成品率。
1 铝水电磁泵的应用及其存在的技术问题
电磁泵中的转子主要是依靠两同步反向转动的转子（齿数为2-4）在旋转过程中于进口处产生吸力（真空度），从而吸人所要输送的物料。这种浇注具有如下特点：
（1）电磁泵从液面以下抽吸铝液进行浇注，这样可以防止浮渣和氧化物带进铝液，并且可以防止液面受到搅动，从而减少铝液的氧化损耗。
（2）电磁泵在熔化炉吸口处的平面位置固定不变，可在其周围设置隔热盖板盖住吸口，使炉内热量的损失减至最小
（3）采用加热的陶瓷输液管，因此炉内的铝液可保持在浇注温度而不必过热。
这些因素都使铝液能够保持纯洁，使铸件质量提高，并使热耗减小。采用电磁泵浇注可以实现自动化，从而使劳动条件得到显著改善，使生产效率显著提高。
但是该工艺也存在着许多尚未完全解决的难点。尤其是由于铝水的腐蚀性，使得与其直接接触的零部件产生严重的熔蚀现象，从而大大降低了零部件使用寿命（甚至直接报废）。尤其是广泛运用的转子，其在铝液中受熔蚀-磨损作用，更容易发生过早失效而导致电磁泵停止工作，降低了生产效率。同时，也可能会导致铝液的污染，进而严重影响产品的质量及成品率。
熔蚀-磨损是指材料在高温金属熔体当中的腐蚀-磨损，是由于材料受高温金属熔体的腐蚀失效以及材料在高温金属熔体中摩擦磨损失效交互作用而导致材料流失破坏的失效行为。铝及其合金产量居有色金属材料之首，广泛应用于建筑、交通、能源、航空航天、电子等领域。然而铝熔体是腐蚀性最强的金属液之一，铝工业生产中的一些关键零部件往往因熔蚀-磨损而失效破坏。目前大量使用的仍是高合金的耐磨类材料如模具钢，材料价格昂贵，使用寿命很短，只能依靠频繁更换部件来维持生产。铝水电磁泵转子的工作环境是在熔融的铝液中，熔融铝液具有很强的熔蚀作用，因此使之熔蚀受损而过早失效，给铝工业生产带来很大的问题。频繁地更换电磁泵转子不仅提高了生产成本，更为重要的是造成生产流程的中断，影响企业生产计划。
2 目前的转子材质及其存在的问题
当前，铝水电磁泵转子常用材质包括金属、石墨或陶瓷。金属转子存在抗冲蚀性能较差的间题，而石墨和陶瓷耐铝液熔蚀性能较好，但前者抗氧化烧损能力差，一般寿命为3-6个月，后者抗热冲击性差，受热疲劳作用容易开裂报废。
2.1 金属转子
目前，金属转子仍是热浸镀铝工艺设备中大量应用的转子类型，尤其是铁基金属转子。纯铁在铝液中的腐蚀严重，所以一般不使用纯铁转子。铸铁转子因为其中的石墨能够阻碍铝液向基体进一步扩散，有一定的耐蚀性，但在高温铝液工作环境中，铸铁转子的抗熔蚀性能较差，使用寿命低。通过改变铸铁中的石墨形态，能够进一步提高铸铁转子的耐铝液熔蚀-磨损性能，高占勇等人研究了石墨形态对铸铁在铝液当中耐腐蚀性的影响，认为交织成网状结构的片状石墨对铝原子的扩散有最强的阻碍作用，细长且分布均匀的片状石墨能显著提高铸铁的耐铝液腐蚀性能[2]。Ti基、W基、Mo基、Nb基金属转子在铝液环境中使用时，会有一层耐腐蚀性好的致密的金属间化合物在转子表面生成，所以该类转子具有良好的耐铝热熔蚀性能，但是由于制备成本高及成形困难而阻碍了这类转子的推广应用，只在重点设备上有少量应用[3]。
2.2 石墨和陶瓷转子
石墨和陶瓷转子均具有良好的耐铝液熔蚀性能，在热浸镀铝工作环境中，能够表现出较高的抗蚀能力。但是石墨转子抗烧蚀能力较差，且不耐磨；而陶瓷转子又存在脆性较大、抗热震性能差等明显缺点，而且因陶瓷的特性，导致此类转子加工性能差，所以陶瓷转子制作较为困难。这些缺点均限制了这两类材质转子的使用[4]。
2.3 金属间化合物转子
金属间化合物转子，如钦铝系金属间化合物转子具有优异的抗高温氧化性、高比强度、高温强度、比刚度以及耐腐蚀等特性。因为此种转子中所含的TiAl3是Ti在铝液当中的终产物，完全不与铝液发生反应，且抗高温氧化性能优异。但是同样是因为制造困难的原因，TiAl3的成形技术困难及室温脆性阻碍了此类转子的推广应用。
2.4 复合材质转子
金属间化合物基复合材料在解决基体材料塑韧性的同时，能够兼具较好的耐铝液腐蚀性能及高温氧化性能，同时具有较好的耐磨及抗热震性能。肖华强[5]等人研制出的Ti3AlC2增韧的TiAl3基复合材料相对常用的H13钢表现出很好的耐铝液熔蚀-磨损性能，其在铝液中的熔蚀-磨损性能相对H13钢而言提高了几十甚至上百倍，有望成为新型的铝水电磁泵用转子材料。
3 结论
铝水电磁泵用转子因受铝液反复冲蚀而容易产生失效，严重影响企业正常生产。常用的金属转子不耐铝液腐蚀，石墨转子耐烧蚀性能较差，陶瓷转子具有较好的耐铝液熔蚀-磨损性能，但抗热震性较差，成形难度较大。金属间化合物复合材质转子能够较好地解决耐铝液熔蚀-磨损及高温使用性能，因而具有较好的应用前景。
参考文献：
[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，張金龙，武文霞等.石墨形态对铸铁在铝液中耐腐蚀性的影响[J].铸造，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]曾辉，黎东涛，李国彪等.陶瓷-金属-合金三层复合材料坩埚的液态成形法研究[J].热加工工艺，2007， 36 （17）：5-7.
[5]肖华强.TiAl3/Ti3AlC2/Al2O3复合材料制备及其耐铝液熔蚀-磨损性能研究[D].华南理工大学，2013.
