CN114318085A - 具有优良力学与电导热导性能的铝合金及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种力学与电导热导性能优良的铝合金及其制造方法，其中该铝合金包括0.33～0.37wt％的硅元素、0.45～0.55wt％的镁元素、以及0.07～0.15wt％的铁元素，并且其余含量为铝元素。该镁元素相比于该硅元素与三分之一该铁元素的差值的质量比例介于1.45～1.75。本发明会通过元素的成分设计和缺陷控制，使铝合金的力学性能与电导率及热导率的指标达到综合平衡，以符合电机转子或其它应用的性能需求。

Description

具有优良力学与电导热导性能的铝合金及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金及其制造方法，特别是有关一种具有优良力学与电导热导性能的铝合金及其制造方法。
背景技术
铝的电导能力和热导能力在金属中仅次于银、铜、金。铝与银、铜、金相比，不仅存在资源丰富且成本低廉的优势，而且也是单位重量热导及电导能力最强的金属，轻量化优势十分明显。同时，铝及铝合金可以适用铸、轧、挤、锻、拔、铆、焊等各种加工、成型、连接制程。在应用铝及铝合金的热导、电导、无磁等功能属性时，往往都必须附有一定的力学性能和工艺性能要求，才能满足真正的工业化设计要求。因此，世界上存有多种电导用铝合金的标准，也有很多新的电导铝合金被发明。传统铝合金难以兼顾高电导率和高屈服强度的特性，意即高电导率的传统铝合金具有较低的屈服强度，高屈服强度的传统铝合金则具有较低的电导率。欧美的新能源汽车在铝合金内加入稀土元素来提升其电导率与屈服强度，然而具有成本昂贵且制造困难的缺点。
发明内容
本发明涉及一种具有优良力学与电导热导性能的铝合金及其制造方法，以解决上述之问题。
本发明进一步公开一种力学与电导热导性能优良的铝合金，其铝合金包括0.33～0.37wt％的硅元素、0.45～0.55wt％的镁元素、以及0.07～0.15wt％的铁元素，并且其余含量为铝元素。该镁元素相比于该硅元素与三分之一该铁元素的差值的比例介于1.45～1.75。
本发明还公开该铝合金另包括小于或等于0.03wt％的镓元素、小于或等于0.03wt％的锌元素、小于或等于0.01wt％的锰元素、小于或等于0.01wt％的钛元素、小于或等于0.001wt％的钠元素、小于或等于0.0002wt％的锂元素、小于或等于0.015wt％的该锰元素、钒元素与铬元素的总和、小于或等于0.01wt％的其它元素、并且上述该些元素的总和在该铝合金中的含量小于或等于0.1wt％。
本发明还公开该铝合金之电导率大于或等于34mS/m，该铝合金之热导率大于或等于220W/m.K，该铝合金之屈服强度大于或等于80MPa，该铝合金之延伸率大于或等于10％，该铝合金之硬度值大于或等于40HBS。
本发明还公开一种力学与电导热导性能优良的铝合金的制造方法，其包括将具有预设比例的铝元素和硅元素进行熔炼，加入具有预设重量的镁元素，以及保温并搅拌以执行离心或高温铸造从而取得该铝合金。
本发明还公开该制造方法进一步包括以摄氏740～770度熔炼具有该预设比例的该铝元素和该硅元素，检测且调整该铝合金的该硅元素与铁元素的含量分别介于0.33～0.37wt％及0.07～0.15wt％，检测且调整该铝合金的该镁元素的含量介于0.45～0.55wt％，以及检测且调整该镁元素相比于该硅元素与三分之一该铁元素的差值的质量比例介于1.45～1.75。
本发明的铝合金的力学性能与电导率及热导率主要取决于其合金成分、金相组织以及合金洁净度。合金材料的晶体缺陷越多，晶格的畸变越大，位错阻力也越大，使合金材料的强度提高。但是晶体缺陷越多，组织缺陷也越多，合金洁净度降低会增加电子散射率，造成电导率与热导率下降。因此，本发明会通过元素的成分设计和缺陷控制，使铝合金的力学性能与电导率及热导率的指标达到综合平衡，以符合电机转子或其它应用的性能需求。
附图说明
图1为本发明实施例的铝合金所制作装配件的外观示意图。
图2为本发明实施例的铝合金制造方法的流程图。
图3为本发明实施例的铝合金的性能示意图。
其中，附图标记说明如下：
10 装配件
12 转子端环
14 转子导条
16 转子轴
F1 标记框
F2 标记框
F3 标记框
F4 标记框
步骤S100、S102、S104、S106、S108、S110、S112
具体实施方式
请参阅图1，图1为本发明实施例的铝合金所制作装配件10的外观示意图。装配件10可为电机转子，其包括转子端环12、转子导条14以及转子轴16。以本发明的铝合金所制作的部位主要为转子端环12与转子导条14，始能有效应用到铝合金在力学与电导热导所提供的优良性能。然需特别一提的是，本发明的铝合金不限定于电机转子的制作；凡是需要兼顾高力学性能、高电导率及高热导率的机械配件，皆属于本发明铝合金的应用范畴，故此不再对其它可能变化态样分别说明。
铝元素具有优选的电导与热导效能，若能利用本发明的制作工艺制备具有兼顾高电导率、高热导率以及高力学性能的铝合金，便能广泛应用在新能源汽车和其它各类型的产业。本发明的铝合金主要包括0.33～0.37wt％的硅元素、0.45～0.55wt％的镁元素、以及0.07～0.15wt％的铁元素，其余含量则为铝元素。利用硅元素与镁元素可以形成硅化镁(Mg2Si)，硅化镁混入铝元素可以产生晶格畸变，进一步提高铝合金的力学性能。
若是硅元素过量，硅元素以单质存在于铝合金，会降低铝合金的电导率与力学性能；若是镁元素过量，则会与铝元素形成铝镁合金相(Al3Mg2)，降低铝合金的电导率；硅化镁(Mg2Si)的含量过高时，会产生共晶相，也会降低铝合金的电导率。因此，硅元素与镁元素的含量需严格控制，才能有效控制铝合金的高电导率、高热导率以及高力学性能的优良性能。另外，金属铝原料也会还有少量的铁元素，故需将铁元素的含量进一步纳入计算，才能精准控制硅元素与镁元素的含量及其比例。
本发明的铝合金在凝固过程中，铝元素、硅元素以及铁元素会先发生作用形成铝铁硅合金相(AlFeSi)。接着，剩余的硅元素才会与镁元素生成硅化镁(Mg2Si)，过剩的镁元素则会再形成铝镁合金相(Al3Mg2)。因此，本发明的铝合金及其制造方法精准控制镁元素相比于硅元素与三分之一铁元素的差值的质量比例需符合特定范围，意即镁元素、硅元素与铁元素的含量比例符合下列公式一，便能有效避免铝合金中出现过剩的单质相硅元素及铝镁合金相(Al3Mg2)。
Figure BDA0003209533250000041
再者，其它杂质元素，例如锰元素、钛元素、铬元素与钒元素也会降低铝合金的电导率，但是却无助于提高铝合金的力学性能，因此杂质元素在铝合金中的含量也需严格控制。换句话说，铝合金的熔炼与铸造过程中，不可避免地会因为必要元素和杂质元素的相互作用而形成氧化夹杂物及针孔缺陷。这些缺陷会产生电子散射、并且减少有效导电面积，不只降低铝合金的电导率，也会降低铝合金的力学性能，故需严格控制其含量比例。
由此可知，本发明铝合金的必要元素优选地含有0.33～0.37wt％的硅元素、0.45～0.55wt％的镁元素、以及0.07～0.15wt％的铁元素，并且其余含量则为铝元素；并且镁元素、硅元素与铁元素的含量比例符合上述公式一。而铝合金的杂质元素可包括小于或等于0.03wt％的镓元素、小于或等于0.03wt％的锌元素、小于或等于0.01wt％的锰元素、小于或等于0.01wt％的钛元素、小于或等于0.001wt％的钠元素、小于或等于0.0002wt％的锂元素、小于或等于0.015％的该锰元素、钒元素与铬元素的总和、小于或等于0.01％的其它元素、并且上述该些元素的总和在铝合金的含量小于或等于0.1wt％。特别一提的是，锰元素不仅个别的质量含量应小于或等于铝合金的0.01wt％，锰元素、钒元素与铬元素的质量总和也要小于或等于铝合金的0.015wt％。
请参阅图2，图2为本发明实施例的铝合金制造方法的流程图。图2所述的铝合金制造方法可适用在图1所示的铝合金及其装配件10。关于铝合金制造方法，首先可执行步骤S100，将金属铝原料和工业硅以摄氏740～770度进行熔炼；步骤S100会事先计算好原料具有预设比例的铝元素和硅元素。接着，执行步骤S102，检测以相应调整铝合金的硅元素与铁元素的含量分别介于0.33～0.37wt％及0.07～0.15wt％，并且其它杂质元素符合前述规定条件。
接下来，执行步骤S104与步骤S106，加入无公害的盐类精炼剂进行除渣处理，并且加入具有预设重量的镁元素。精炼剂的内容物与除渣方式按常规操作完成，于此不再另行说明。步骤S106加入的镁元素需符合预设含量要求、及相比于硅元素与三分之一铁元素的差值的比例的预设条件，意即符合公式一。此时，可选择性执行步骤S108，检测以相应调整镁元素符合前述0.45～0.55wt％的含量要求，以及镁元素相比于硅元素与三分之一铁元素的差值的质量比例需介于1.45～1.75。
接下来，执行步骤S110，通入惰性气体进行除气处理。惰性气体可能是氮气、氩气或其它可应用气体，端视设计需求而定。本发明中，铝合金在除气处理后的针孔度符合中华人民共和国机械行业标准的《铸造铝合金金相》(JB/T7946.3)的二级及以上标准、或是符合在减压条件下的减压凝固密度大于2.67g/cm3、或是符合在常压条件下的常压凝固密度与减压凝固密度的差异相对于常压凝固密度的比值小于1.5、或是符合铝液含氢量小于0.2ml/100gAl，并且检测铝合金的含渣量，确保其液态通过率大于或等于500g/min。最后，执行步骤S112，保温并搅拌液态合金以执行离心或高温铸造，从而将铝合金铸造成锭状物、棒状物、或任意零部件，例如装配件10的电机转子。
在步骤S112之后，如果将铸成锭或铸成棒重新熔解后生产，重熔精炼后的液态铝合金需符合前述的硅元素、镁元素与铁元素的含量要求、以及镁元素相比于硅元素与三分之一铁元素的差值的比例要求，并且铸造过程中的冷却速度应介于1～100℃/s，以使铝合金能维持高力学性能、高电导率及高热导率的优良性能。若步骤S112铸造出装配件10的电机转子，则电机转子在热安装制程的温度控制应当介于摄氏200～350度，并且保温时间介于15～60分钟。这样一来，本发明的制造方法所制备的铝合金在常温下可具有电导率大于或等于34mS/m、热导率大于或等于220W/m.K、屈服强度大于或等于80MPa、延伸率大于或等于10％、以及硬度值大于或等于40HBS的优点。
本发明在符合前揭的元素含量与比例的条件下，对装配件10的电机转子的端面本体执行多笔取样实例，并针对各实例进行电导率测试、热导率测试、力学性能测试、金相分析测试、及晶粒度分析测试；测试结果请参照下列表一，可看出本发明的铝合金及其制造方法能够兼具高力学性能、高电导率及高热导率的优良性能。表一所载的密度当量即为前述的在常压条件下的常压凝固密度与减压凝固密度的差异相对于常压凝固密度的比值。
Figure BDA0003209533250000061
Figure BDA0003209533250000071
Figure BDA0003209533250000081
表一
请参照图3，图3为本发明实施例的铝合金的性能示意图。如图3所示，标记框F3为偏重高屈服强度的传统铝合金，其电导率较差，代表铝合金如A356-T6，A356+0.5Cu-T6等；标记框F4为偏重高电导率的传统铝合金，其屈服强度较差，代表铝合金如Al99.7(99.7％Al)，Al99.5(99.5％Al)等；标记框F1为加入4.3～6wt％Ni的铝合金，如国际专利公开号WO2020/028730，其成本较高，具有中等的屈服强度及电导率；标记框F2为本发明的铝合金的取样实例测试，可发现其屈服强度与电导率皆优于标记框F1的测试结果，兼具高屈服强度与高电导率的优点。
综上所述，铝合金的力学性能与电导率及热导率主要取决于其合金成分、金相组织以及合金洁净度。合金材料的晶体缺陷越多，晶格的畸变越大，位错阻力也越大，使合金材料的强度提高。但是晶体缺陷越多，组织缺陷也越多，合金洁净度降低会增加电子散射率，造成电导率与热导率下降。因此，本发明会通过元素的成分设计和缺陷控制，使铝合金的力学性能与电导率及热导率的指标达到综合平衡，以符合电机转子或其它应用的性能需求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种力学与电导热导性能优良的铝合金，其特征在于，该铝合金包括0.33～0.37wt％的硅元素、0.45～0.55wt％的镁元素、以及0.07～0.15wt％的铁元素，并且其余含量为铝元素。
2.如权利要求1所述的铝合金，其特征在于，该镁元素相比于该硅元素与三分之一该铁元素的差值的质量比例介于1.45～1.75。
3.如权利要求1所述的铝合金，其特征在于，该铝合金还包括小于或等于0.03wt％的镓元素、小于或等于0.03wt％的锌元素、小于或等于0.01wt％的锰元素、小于或等于0.01wt％的钛元素、小于或等于0.001wt％的钠元素、小于或等于0.0002wt％的锂元素、小于或等于0.015wt％的该锰元素、钒元素与铬元素的总和、小于或等于0.01wt％的其它元素、并且上述该些元素的总和在该铝合金中的含量小于或等于0.1wt％。
4.如权利要求1所述的铝合金，其特征在于，该铝合金之电导率大于或等于34mS/m，该铝合金之热导率大于或等于220W/m.K，该铝合金之屈服强度大于或等于80MPa，该铝合金之延伸率大于或等于10％，该铝合金之硬度值大于或等于40HBS。
5.一种力学与电导热导性能优良的铝合金的制造方法，其特征在于，该制造方法包括：
将具有预设比例的铝元素和硅元素进行熔炼；
加入具有预设重量的镁元素；以及
保温并搅拌以执行离心或高温铸造，从而取得该铝合金。
6.如权利要求5所述的制造方法，特征在于，该制造方法还包括：
以摄氏740～770度熔炼具有该预设比例的该铝元素和该硅元素。
7.如权利要求5所述的制造方法，特征在于，该制造方法还包括：
检测且调整该铝合金的所述硅元素与铁元素的含量分别介于0.33～0.37wt％及0.07～0.15wt％。
8.如权利要求7所述的制造方法，特征在于，该制造方法还包括：
检测且调整该铝合金的该镁元素的含量介于0.45～0.55wt％；以及
检测且调整该镁元素相比于该硅元素与三分之一该铁元素的差值的质量比例介于1.45～1.75。
9.如权利要求5所述的制造方法，特征在于，该制造方法另包括：
加入盐类精炼剂进行除渣处理；以及
通入惰性气体进行除气处理。
10.如权利要求9所述的制造方法，特征在于，该铝合金在该除气处理后的针孔度符合中华人民共和国机械行业标准的铸造铝合金金相(JB/T7946.3)的二级及以上标准、或是在减压条件下的减压凝固密度大于2.67g/cm3、或是在常压条件下的常压凝固密度与该减压凝固密度的差异相对于该常压凝固密度的比值小于1.5、或是该铝合金的铝液含氢量小于0.2ml/100gAl，并且该铝合金的液态通过率大于或等于500g/min。
11.如权利要求5所述的制造方法，特征在于，该制造方法另包括：
以该铝合金进行铸造过程的冷却速度介于1～100℃/s。
12.如权利要求5所述的制造方法，特征在于，该制造方法另包括：
以该铝合金成型电机转子；以及
该电机转子在热安装制程的温度控制介于摄氏200～350度，并且保温时间介于15～60分钟。
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