CN112853160A - 一种电机转子铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机转子铸造铝合金及其制备方法，该铝合金包括0.01wt％‑0.04wt％的钛，硼≤0.05wt％，硅<0.1wt％，铁<0.2wt％，铜<0.1wt％，镁<0.1wt％，锌<0.1wt％，其他杂质都小于0.05wt％，最终余量为铝的含量≥99.6wt％，并提供该电机转子铸造铝合金的制备方法。本发明铸造铝合金能满足高强度高电导率的要求，适合于高强度高电导率电机转子的制造。

Description

一种电机转子铸造铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铸造铝合金及其制备方法，尤其涉及一种电机转子铸造铝合金及其制备方法。

背景技术

由于铝具有密度小，导电及导热性能良好，且价格低的优点，逐渐被选择应用于制造新能源汽车的电机转子，代替铜材，以实现降本和轻量化的目标。为了获得更高的效率，要求铸铝转子铝材有较高的导电率；为了实现更高的转速，要求铸铝转子铝材有较高的强度。

目前新能源汽车用铸铝转子主要使用纯铝，主要采用高压压铸工艺，铝液和模具之间存在较大过冷度，可实现较好的细化晶粒，提升材料强度。但由于高压压铸工艺不可避免的会在零件内部形成一定数量的气孔、缩孔等缺陷，导致实际转子零件的电导率受到较大影响。铸铝转子采用离心铸造工艺，虽然减少了气孔，提升了导电率，但相比高压铸造存在强度不足的缺陷。

发明内容

发明目的：本发明的目的为提供一种高强度、高电导率的电机转子铸造铝合金，本发明的第二目的为提供一种电机转子铸造铝合金的制备方法。

技术方案：本发明的电机转子铸造铝合金，包括0.01wt％-0.04wt％的钛、硼≤0.05wt％，硅<0.1wt％，铁<0.2wt％，铜<0.1wt％，镁<0.1wt％，锌<0.1wt％，其他杂质都小于0.05wt％，最终余量为铝的含量≥99.6wt％。

进一步地，铝合金的抗拉强度为55MPa-65Mpa。铝合金的屈服强度为28MPa-35Mpa。铝合金的延伸率为30％-40％。铝合金的电导率为33.5MS/m-36MS/m。

铝合金由0.01wt％-0.04wt％的钛、硼≤0.05wt％，硅<0.1wt％，铁<0.2wt％，铜<0.1wt％，镁<0.1wt％，锌<0.1wt％，其他杂质都小于0.05wt％，最终余量为铝的含量≥99.6wt％组成。

以下对所述电机转子铸造铝合金中各化学组成含量范围的限定理由进行说明：

钛：在电机转子铸造工艺过程中添加钛元素可增加结晶核心，抑制晶粒长大，有效细化晶粒，从而提升合金强度。同时，在本发明中为了保证较好的电导率，优化了钛含量，以同时实现高强度、高电导率。本发明将钛的含量限定在0.01wt％-0.04wt％。

硼、硅、铁、铜、镁、锌：在铸造铝合金制备工艺过程中，硼元素可增加结晶核心，有效细化晶粒；硅元素可以提高铸造性能和抗蚀性能；铁、铜、镁、锌元素有一定固溶强化效果。但考虑铸铝转子对电导率及电机运行效率的要求，需要将其控制在一定的范围：硼的含量限定在≤0.05wt％；硅的含量限定在≤0.1wt％；铁的含量限定在≤0.2wt％；铜的含量限定在≤0.1wt％；镁的含量限定在≤0.1wt％；锌的含量限定在≤0.1wt％。

上述以外的成分为铝和其他不可避免的杂质，在不损害本发明效果的范围内，对其他杂质含量进行限定为＜0.05wt％.

本发明的电机转子铸造铝合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)将纯铝锭或含钛铝锭进行熔炼；

(2)加入精炼剂并搅拌，进行除气除渣处理；

(3)保温并搅拌、离心铸造，制得电机转子铸造铝合金。

优选的，将纯铝锭或含钛铝锭、铝钛硼添加剂预先进行烘干处理。

步骤(1)中，在纯铝熔炼过程中加入铝钛硼添加剂，控制铝液的钛含量在0.01wt％-0.04wt％范围内。

本发明铸造铝合金在现有纯铝的基础上，在熔炼或精炼过程中通过添加0.01wt％-0.04wt％钛，改善纯铝微观组织，使得经离心铸造工艺获得的铸铝转子铝材强度得到明显提高，同时实现较高的电导率，满足铸铝转子高速高效的设计要求。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：电机转子铸造铝合金具有重要的实际应用价值，相比于高压铸造，减少了气孔数量，电导率性能提升明显；相比于离心铸造，添加钛组分，电导率略微降低，但由于钛的晶粒细化作用，屈服强度和抗拉强度有一定提升，达到甚至超过高压铸造的力学性能；并且使用的材料为纯铝，钛组分添加也采用传统铸造铝合金中普遍使用的铝钛硼添加剂，整个工艺方案的成本较低。本发明通过在常用工业纯铝中添加微量钛元素(含量约0.01％到0.04％)以及硼(B)元素(含量不大于0.05％)，在不需要稀土元素的情况下，同时实现高导电率以及高机械性能。

附图说明

图1为本发明实施例中铸铝转子的视图；

图2(a)-(b)为离心铸造转子斜切与端环图；其中图2(a)为离心铸铝转子斜切图；图2(b)为离心铸铝转子端环图；

图3(a)-(b)为高压铸铝转子斜切与端环图；其中图3(a)为高压铸铝转子斜切图；图3(b)为高压铸铝转子端环图；

图4(a)-(b)分别为离心铸造与高压铸造电子扫描显影(SEM)微观组织。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

参照附图1，1为铸铝转子装配完成件，包括10转子端环、11转子导条和12转子轴组成。铸铝转子毛坯零件主要为10转子端环和11转子导条。本发明专利实施例1的新能源汽车电机的铸铝转子主要工艺步骤及参数如下：

(1)备料：准备纯铝锭、铝钛硼添加剂或含钛组分铝锭。

(2)熔炼：熔炼工艺按常规操作完成，纯铝锭熔炼需按计算好的比例在底部加入铝钛硼添加剂，铝液的钛含量为0.01wt％。

(3)精炼：将步骤(2)熔炼好的铝液转入转运炉，加入精炼剂并搅拌，进行除气除渣处理。

(4)保温：保温并在此过程中适当搅拌，确保铝钛硼均匀溶解。

(5)离心铸造：将铝液转移至离心铸造工位，完成离心铸造工序，得到电机铸造转子毛坯零件。

实施例2

本发明专利实施例2的新能源汽车电机的铸铝转子主要工艺步骤及参数如下：

(1)备料：准备纯铝锭、铝钛硼添加剂或含钛组分铝锭。

(2)熔炼：熔炼工艺按常规操作完成，纯铝锭熔炼需按计算好的比例在底部加入铝钛硼添加剂，铝液的钛含量为0.02wt％。

(3)精炼：将步骤(2)熔炼好的铝液转入转运炉，加入精炼剂并搅拌，进行除气除渣处理。

(4)保温：保温并在此过程中适当搅拌，确保铝钛硼均匀溶解。

(5)离心铸造：将铝液转移至离心铸造工位，完成铸铝转子生产。离心铸造设备参数与实施例1相同。图2(a)为本实施例的离心铸铝转子斜切图，图2(b)为本实施例的离心铸铝转子端环图，图4(a)为本实施例的微观组织。

实施例3

本发明专利实施例3的新能源汽车电机的铸铝转子主要工艺步骤及参数如下：

(1)备料：准备纯铝锭、铝钛硼添加剂或含钛组分铝锭。

(2)熔炼：熔炼工艺按常规操作完成，纯铝锭熔炼需按计算好的比例在底部加入铝钛硼添加剂，铝液的钛含量为0.04wt％。

(3)精炼：将步骤(2)熔炼好的铝液转入转运炉，加入精炼剂并搅拌，进行除气除渣处理。

(4)保温：保温并在此过程中适当搅拌，确保铝钛硼均匀溶解。

(5)离心铸造：将铝液转移至离心铸造工位，完成离心铸造工序，得到铸造电机转子毛坯零件。

实施例4

本发明专利实施例4的新能源汽车电机的铸铝转子主要工艺步骤及参数如下：

(1)备料：准备纯铝锭、铝钛硼添加剂或含钛组分铝锭。

(2)熔炼：熔炼工艺按常规操作完成，纯铝锭熔炼需按计算好的比例在底部加入铝钛硼添加剂，铝液的钛含量为0.05wt％。

(3)精炼：将步骤(2)熔炼好的铝液转入转运炉，加入精炼剂并搅拌，进行除气除渣处理。

(4)保温：保温并在此过程中适当搅拌，确保铝钛硼均匀溶解。

(5)离心铸造：将铝液转移至离心铸造工位，完成离心铸造工序，得到铸造电机转子毛坯零件。

对比例1

本发明专利对比例1的新能源汽车电机的铸铝转子主要工艺步骤及参数如下：

(1)备料：准备纯铝锭。

(2)熔炼：熔炼工艺按常规操作完成。

(3)精炼：将步骤(2)熔炼好的铝液转入转运炉，加入精炼剂并搅拌，进行除气除渣处理。

(4)保温：保温静置处理。

(5)离心铸造：将铝液转移至离心铸造工位，完成离心铸造工序。离心铸造设备参数与实施例1相同。

对比例2

本发明专利对比例2的新能源汽车电机的铸铝转子主要工艺步骤及参数如下：

(1)备料：准备纯铝锭。

(2)熔炼：熔炼工艺按常规操作完成。

(3)精炼：将步骤(2)熔炼好的铝液转入转运炉，加入精炼剂并搅拌，进行除气除渣处理。

(4)保温：保温静置处理。

(5)高压铸造：将铝液转移至高压铸造工位，按常规高压铸造工艺参数完成铸铝转子生产。

图3(a)为本对比例2的高压铸铝转子斜切图，图3(b)为本对比例2的高压铸铝转子端环图。图4(b)为本对比例的微观组织。

对转子端面本体取样，电导率试样尺寸符合GB/T12966-2008要求并进行电导率测试，力学性能测试试样尺寸标准符合ASTM E8并进行拉伸性能分析，金相分析试样符合GB/T6394-2017标准并进行晶粒度分析。力学性能及电导率测试结果如表3所示：

表2原料配比(质量分数wt％)

组别	钛Ti	硅Si	铁Fe	铜Cu	锌Zn	镁Mg	硼B	铝Al
									对比例1	-	0.062	0.112	<0.01	0.006	0.004	<0.01	≥99.7
对比例2	-	0.063	0.108	<0.01	0.005	0.003	<0.01	≥99.7
									实施例1	0.011	0.062	0.108	<0.01	0.005	0.004	<0.02	≥99.7
实施例2	0.023	0.065	0.111	<0.01	0.005	0.003	<0.02	≥99.7
									实施例3	0.041	0.063	0.110	<0.01	0.006	0.004	<0.02	≥99.7
实施例4	0.051	0.063	0.109	<0.01	0.006	0.004	<0.02	≥99.6

表3铸铝转子性能

根据上述表2、表3中各对比例和实施例的数据可以看出，实施例1、实施例2和实施例3含钛的铸铝转子离心铸造工艺相比于纯铝离心铸造(对比例1)，添加钛组分后电导率略微降低，但由于钛元素的晶粒细化作用，使得屈服强度和抗拉强度有一定提高，满足电机转子的使用要求。尤其地，实施例1、实施例2和实施例3工艺相比高压铸造(对比例2)，可同时提高铸铝转子铝材的屈服强度、抗拉强度、延伸率及电导率。

结果分析：

实施例1、实施例2和实施例3的电导率和力学性能测试结果均符合预期设计要求。实施例4的屈服强度和电导率相比于其他钛含量试样机械性能和电导率数值较低。

在实施例1、实施例2和实施例3相比与纯铝离心铸造(对比例1)，由于添加了铝钛硼作为添加剂，起到了晶粒细化作用，对转子的强度和塑韧性均有一定程度的提高。由于铝钛硼添加含量控制在较低水平，电导率的下降不大。

实施例1、实施例2和实施例3相比于高压铸造(对比例2)，离心铸造铝液填充过程较缓慢，凝固过程在离心力作用下完成，零件内部质量较高。气孔、缩孔等缺陷控制明显好于高压铸造，从而降低了对电导率的影响，同时延伸率得到大幅提升。微量Ti元素的添加，在不影响电导率和延伸率的同时，使得强度得以改善，达到高压铸造(对比例2)的水平。

Claims (9)

1.一种电机转子铸造铝合金，其特征在于：包括0.01wt％-0.04wt％的钛、硼≤0.05wt％，硅<0.1wt％，铁<0.2wt％，铜<0.1wt％，镁<0.1wt％，锌<0.1wt％，其他杂质都小于0.05wt％，最终余量为铝的含量≥99.6wt％。

2.根据权利要求1所述的电机转子铸造铝合金，其特征在于：所述铝合金的抗拉强度为55MPa-65Mpa。

3.根据权利要求1所述的电机转子铸造铝合金，其特征在于：所述铝合金的屈服强度为28MPa-35Mpa。

4.根据权利要求1所述的电机转子铸造铝合金，其特征在于：所述铝合金的延伸率为30％-40％。

5.根据权利要求1所述的电机转子铸造铝合金，其特征在于：所述铝合金的电导率为33.5MS/m-36MS/m。

6.根据权利要求1所述的电机转子铸造铝合金，其特征在于：所述铝合金由0.01wt％-0.04wt％的钛、硼≤0.05wt％，硅<0.1wt％，铁<0.2wt％，铜<0.1wt％，镁<0.1wt％，锌<0.1wt％，其他杂质都小于0.05wt％，最终余量为铝的含量≥99.6wt％组成。

7.一种权利要求1所述电机转子铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将纯铝锭或含钛铝锭进行熔炼；

(2)加入精炼剂并搅拌，进行除气除渣处理；

(3)保温并搅拌、离心铸造，制得电机转子铸造铝合金。

8.根据权利要求7所述的电机转子铸造铝合金的制备方法，其特征在于：将纯铝锭或含钛铝锭、铝钛硼添加剂预先进行烘干处理。

9.根据权利要求7所述的电机转子铸造铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，在纯铝熔炼过程中加入铝钛硼添加剂，控制铝液的钛含量在0.01wt％-0.04wt％范围内。

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