CN114774742B - 一种Al-Mg型电机转子合金及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种Al‑Mg型电机转子合金及其制备方法与应用，属于电机转子合金技术领域。该电机转子合金包括0.2‑0.5wt％的Mg，其余为Al，将铝液升温至700‑740℃，加入0.2‑0.5wt％的镁剂得到熔体，在710‑740℃下对熔体进行精炼；将精炼后的熔体静置，在715‑730℃下进行反重力浇铸，即得到所述Al‑Mg型电机转子合金。Mg元素固溶在α‑Al基体基材中，能够强化合金强度，通过反重力浇铸工艺，提高Mg元素的固溶含量，降低转子合金中的孔隙率，并降低铸造过程中转子合金的开裂率。
Description
技术领域
本申请涉及一种Al-Mg型电机转子合金及其制备方法与应用，属于电机转子合金技术领域。
背景技术
随着经济和社会的发展，汽车已逐渐进入寻常百姓家，成为人们出行生活的必备工具。新能源汽车能够有效解决地球能源的消耗和环境恶劣等问题，因此新能源汽车逐渐成为研究重点，新能源汽车中所使用的电机转子往往是铝材质，铝质电机转子通常是将铝升温至熔点得到均匀的金属铝液，再使用压力铸铝或离心铸铝的方式将金属铝液注入铝模中，冷却凝固即可。
目前的铸铝转子中，通过向铝液中加入多种其他金属元素，以提高电机转子合金电学性能和力学性能，但是现有的多种金属元素加入至铝液中，不仅会造成成本增加，难以大规模化生产，还会导致其他金属元素在铝液中形成不同的合金组织，不同合金组织之间彼此存在间隙，添加的成分的析出倾向大，会造成转子合金微相结构分离，使得转子合金中存在较多的气泡，最终导致电学性能和力学性能下降。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种Al-Mg型电机转子合金及其制备方法，该转子合金采用高纯铝和Mg元素制备得到，仅添加单一的Mg元素至铝液中，Mg元素固溶在α-Al基体基材中，能够强化合金强度，通过反重力浇铸工艺，提高Mg元素的固溶含量，降低转子合金中的孔隙率，并降低铸造过程中转子合金的开裂率。
根据本申请的一个方面，提供了一种Al-Mg型电机转子合金，其特征在于，包括0.2-0.5wt％的Mg，其余为Al。
可选地，所述Al-Mg型电机转子合金包括0.5wt％的Mg，其余为Al。
可选地，所述Al-Mg型电机转子合金的孔隙率为2％-6％，优选为2％。
可选地，所述Al-Mg型电机转子合金的屈服强度大于35MPa，抗拉强度大于80MPa
根据本申请的另一个方面，提供了一种上述任一项所述的Al-Mg型电机转子合金的制备方法，包括下述步骤：
(1)将铝液升温至700-740℃，加入0.2-0.5wt％的镁剂得到熔体，在710-740℃下对熔体进行精炼；
(2)将精炼后的熔体静置，在715-730℃下进行反重力浇铸，即得到所述Al-Mg型电机转子合金。
可选地，步骤(1)中，所述精炼为向所述熔体中旋转喷吹氮气，加入0.5-1.0wt％的六氯乙烷精炼剂，所述氮气的吹气压力为0.5-2Mpa，精炼时间为15-30min，精炼后扒渣再静置。
可选地，所述六氯乙烷精炼剂的加入量为0.8wt％；所述氮气的一段吹气压力为1.5-2.0Mpa，精炼时间为10-20min；所述氮气的二段吹气压力为0.5-1.0Mpa，精炼时间为5-15min。
可选地，所述静置时间为30min以上。
可选地，步骤(2)中，所述反重力浇铸步骤为：将模具预热至680-700℃，铝液温度为715-730℃，升液阶段：升液压力为4.6kPa，升液速度为22.6mm/s，升液时间为10s；充型阶段：充型压力为12kPa，充型速度为12.11mm/s，充型时间为30S，保压5S，待合金凝固后，冷却至室温后得到所述Al-Mg型电机转子合金。
可选地，所述冷却速度为15-25℃/min，冷却时间为0.5-1h。
可选地，所述反重力浇铸冷却后得到铸件，所述铸件经过热处理后得到所述Al-Mg型电机转子合金；
所述热处理步骤为：将所述铸件一次升温至450-550℃，处理6-10h后以10-15℃/min的冷却速率冷却至室温，之后再将所述铸件二次升温至150-200℃，保温18-24h后以1-2℃/min的冷却速度冷却至室温，即得所述Al-Mg型电机转子合金。
可选地，所述自然冷却的冷却速度为1-2℃/min，冷却时间为6-12h。
优选的，所述自然冷却的冷却速度为2℃/min，冷却时间为6-7h。
可选地，所述一次升温的升温速率为100-120℃/h；优选为100℃/h。
所述二次升温的升温速率为30-40℃/h，优选为30℃/h。
可选地，所述一次升温的升温速率与所述二次升温的升温速率的差值为60-80℃/h。
优选的，所述热处理步骤为：将所述铸件以100℃/h的升温速率一次升温至500℃，处理9h后以10℃/min的冷却速率冷却至室温；之后再将所述铸件以30℃/h的升温速率二次升温至180℃，保温20h后以2℃/min的冷却速度冷却至室温，即得所述Al-Mg型电机转子合金。
铸造状态下，Al-Mg合金组织尺寸一般较大，多为微米级，Mg元素易在转子合金中出现分散不均或团聚现象，对转子合金的强化效果较弱；通过上述热处理过程，能够提高合金元素的固溶量，并且细化固溶体的尺寸，使得合金元素在熔体中的分散性变好，与α-Al基体结合力强，能够明显提高合金强度，同时两次升温与降温能够减少转子合金内部的应力，促进转子合金内的气体排出，细化α-Al基体的微相组织，使得转子合金相的尺寸变小，强化效果得到提高，同时合金元素的析出，减小了铝晶格的畸变，有利于提高合金的导电率。
上述反重力浇铸后，所述Al-Mg型电机转子合金的屈服强度大于30MPa；抗拉强度大于70MPa，导电率大于30MS/m，200℃服役1000h变形量为0.2％的蠕变极限大于8MPa，200℃服役1000h变形量为0.2％的疲劳极限大于10MPa，200℃保温100h的强度损失率＜10％。
热处理之后，Al-Mg型电机转子合金的屈服强度大于35MPa；抗拉强度大于80MPa，导电率大于31MS/m，200℃服役1000h变形量为0.2％的蠕变极限大于10MPa，200℃服役1000h变形量为0.2％的疲劳极限大于13MPa，200℃保温100h的强度损失率＜8％。
根据本申请的另一个方面，提供了一种上述任一项所述的Al-Mg型电机转子合金或上述任一项所述的制备方法制备得到的所述Al-Mg型电机转子合金的应用，其适用于新能源电机转子。
本申请的有益效果包括但不限于：
1.根据本申请的Al-Mg型电机转子合金，只添加一种Mg元素，可降低转子合金的成本，提高生产效率，原料易得，便于工业上大批量生产加工，同时所用金属元素单一，能够降低转子合金中的杂质含量，Mg元素固溶于α-Al基材中，能够对α-Al起到强化作用，从而提高转子合金的力学性能。
2.根据本申请的Al-Mg型电机转子合金，Mg元素与Al元素生成单一且均匀的合金组织，能够提高转子合金在微观上的均匀性，Mg元素经过热处理之后，在提高固溶量和减少晶格畸变中维持较好的平衡，使得转子合金的导电率得以提升，可用于高导电需求的场所。
3.根据本申请的Al-Mg型电机转子合金的制备方法，反重力浇铸能够避免在铸造过程中引入杂质气体，提高铸件微观上的均匀性，从而提高转子合金的力学性能，还能降低铸造过程中形成裂纹的几率，提高成品率。
4.根据本申请的Al-Mg型电机转子合金的制备方法，采用铸件后续的热处理能够进一步细化转子合金的微观尺寸，降低转子合金的孔隙率和热裂倾向，提高转子合金的耐热性，制备得到的转子合金可在高温场所下使用，极限使用温度为200℃。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
实施例1
本实施例涉及一种Al-Mg型电机转子合金的制备方法，包括下述步骤：
(1)将铝液升温至730℃，加入0.5wt％的镁剂得到熔体，在730℃下向熔体中加入0.8wt％的六氯乙烷进行精炼，精炼中吹入氮气，氮气的一段吹气压力1.8Mpa，精炼时间15min；氮气的二段吹气压力1.0Mpa，精炼时间10min；
(2)将精炼后的熔体静置30min以上，将模具预热至700℃，铝液温度为720℃，进行反重力浇铸，升液阶段：升液压力为4.6kPa，升液速度为22.6mm/s，升液时间为10s；充型阶段：充型压力为12kPa，充型速度为12.11mm/s，充型时间为30S，保压5S，待合金凝固后，20℃/min的冷却速率冷却0.8h后得到铸件；
(3)将铸件以100℃/h的升温速率一次升温至500℃，处理9h后以10℃/min的冷却速率冷却至室温；之后再将铸件以30℃/h的升温速率二次升温至180℃，保温20h后以2℃/min的冷却速度冷却至室温，即得Al-Mg型电机转子合金。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，镁剂的加入量为0.2wt％，其余条件与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，铝液升温至700℃后加入0.5wt％的镁剂得到熔体，并在710℃下进行精炼，其余条件与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中精炼条件发生变化，具体为：在730℃下向熔体中加入0.8wt％的六氯乙烷进行精炼，精炼中吹入氮气，氮气的一段吹气压力1.0Mpa，精炼时间15min；氮气的二段吹气压力1.8Mpa，精炼时间10min，其余条件与实施例1相同。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(2)中反重力浇铸的条件发生变化，具体为：将模具预热至680℃，铝液温度为730℃，进行反重力浇铸，其余条件与实施例1相同。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(2)中反重力浇铸的条件发生变化，具体为：将模具预热至700℃，铝液温度为720℃，进行反重力浇铸，铸造条件与实施例1相同，待合金凝固后，30℃/min的冷却速率冷却0.5h后得到铸件，其余条件与实施例1相同。
实施例7
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(3)中热处理条件发生变化，具体为：将铸件以80℃/h的升温速率一次升温至500℃，处理9h后以10℃/min的冷却速率冷却至室温；之后再将铸件以30℃/h的升温速率二次升温至180℃，保温20h后以2℃/min的冷却速度冷却至室温，即得Al-Mg型电机转子合金。
实施例8
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(3)中热处理条件发生变化，具体为：将铸件以100℃/h的升温速率一次升温至500℃，处理9h后以10℃/min的冷却速率冷却至室温；之后再将铸件以50℃/h的升温速率二次升温至180℃，保温20h后以2℃/min的冷却速度冷却至室温，即得Al-Mg型电机转子合金。
实施例9
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(3)中热处理条件发生变化，具体为：将铸件以100℃/h的升温速率一次升温至500℃，处理9h后以2℃/min的冷却速度冷却至室温；之后再将铸件以30℃/h的升温速率二次升温至180℃，保温20h后以10℃/min的冷却速度冷却至室温，即得Al-Mg型电机转子合金。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于，还加入1.0wt％的Fe元素和0.5wt％的Zr元素，其余条件与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，步骤(2)采用离心浇铸，离心浇铸的条件为：将模具预热至720℃，离心转速为200-300r/min，铝液浇铸温度为730℃，待合金凝固后，铸造设备停止旋转，得到铸件，其余条件与实施例1相同。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于，步骤(2)得到的铸件不再进行热处理操作，其余条件与实施例1相同。
将上述实施例1-9和对比例1-3制备得到的转子合金进行性能测试，分别对各自转子合金的端面取样，进行性能测试，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，具体测试结果见下表1：
表1
根据表1的测试数据可知，在铝液中加入0.2-0.5wt％的Mg元素，Mg元素能够固溶于α-Al基材中，从而对转子合金起到强化效果，单一的Mg元素能够降低转子合金中的杂质含量，从而降低转子合金的孔隙率，并且提高转子合金的耐热性，为转子合金在高温场所下的长期使用提供了可能。
实施例2与实施例1相比，Mg元素降低，α-Al基材中Mg元素的固溶量降低，不足以形成均匀且细致的合金相，其对转子合金的强化效果变弱，实施例2的转子合金的力学性能、电导率、孔隙率和耐热性均降低；对比例1与实施例1相比，还添加了Fe和Zr元素，加入的其他元素会增加转子合金中的杂质含量，会破坏转子合金的微相结构，使得不同合金组织之间存在间隙，并且其余金属元素会降低Mg元素在α-Al基材中的固溶量，反而限制Mg元素的增强效果，从而导致转子合金的孔隙率升高，力学性能、电导率和耐热性变差。
实施例3与实施例1相比，铝液的温度及精炼温度发生变化，转子合金的各方面性能变差，原因在于，铝液温度过低，将会影响铝液的精炼过程，导致铝液中杂质增多，从而电学性能和力学性能下降。
实施例4与实施例1相比，转子合金的精炼条件发生变化，精炼的一段吹气压力高，能够对铝液进行充分精炼，二段吹气压力偏低，在保证继续精炼的同时，能够降低铝液中的气体，降低转子合金的孔隙率，实施例4的二段吹气压力比一段吹气压力高，则铝液中会溶入较多的气体，进而降低转子合金的致密性，使得电学性能和力学性能下降。
实施例5与实施例1相比，转子合金在反重力浇铸中，模具与铝液的温差增大，则铸件的凝固时间变短，转子合金的结晶速度加快，转子合金的内部的晶型不完善，晶格缺陷增多，且模具中的滤液易出现受热不均匀的现象，影响转子合金的均匀性，从而各方面性能下降。实施例6与实施例1相比，改变的反重力浇铸后的冷却速度，冷却速度过快，则转子合金内部结晶速度也加快，易存在晶格缺陷，另外还会导致转子合金内部存在较大的热应力，从而力学性能变差，同时铝液中的气体排出率变低，使得转子合金的孔隙率升高。
实施例7和实施例8与实施例1相比，改变的是热处理中的一次升温速率和二次升温速率，一次升温的条件能够影响合金元素在基体中的固溶量和纳米级合金相的数量，从而间接影响Mg元素对转子合金的强化效果，降低转子合金的性能；二次升温的条件能够影响合金组织的尺寸，改变铝晶格的畸变的数量，最终影响转子合金的导电率和耐热性。若一次升温与二次升温速率相差过大，则导致转子合金内部易出现微相分离，导致转子合金的抗蠕变性能变差，热裂倾向变大。实施例9与实施例1相比，一次升温之后的冷却速率小于二次升温后的冷却速率，实施例9的转子合金中，Mg元素会析出，无法溶解于铝基材中，导致转子合金出现微相分离的现象，并且二次升温后铝晶格畸变的数量增多，进而导致转子合金各方面的性能变差，尤其是导电性能下降较多。对比例3与实施例1相比，并未对转子合金进行后处理步骤，转子合金的各方面性能变差，原因在于热处理能够使得转子合金的晶相更加完整，合金组织更为致密，在提高合金元素固溶量的基础上，减少转子合金内部晶格畸变的数量，从而提高转子合金的各方面性能，未经处理的转子合金微相组织尺寸较大，转子合金内部存在热应力，易造成转子合金的开裂。
对比例2与实施例1相比，对比例2采用的是离心铸造，离心铸造过程中由于模具是边旋转边进行浇铸，会导致铝液中的一部分气体无法及时排出，从而提高转子合金的孔隙率，各方面性能均变差。
以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种Al-Mg型电机转子合金，其特征在于，包括0.5wt％的Mg，其余为Al；
所述转子合金的制备方法，包括下述步骤：
(1)将铝液升温至700-740℃，加入0.5wt％的镁剂得到熔体，在710-740℃下对熔体进行精炼；
(2)将精炼后的熔体静置，在715-730℃下进行反重力浇铸，冷却后得到铸件；
(3)将铸件以100℃/h的升温速率一次升温至500℃，处理9h后以10℃/min的冷却速率冷却至室温；之后再将铸件以30℃/h的升温速率二次升温至180℃，保温20h后以2℃/min的冷却速度冷却至室温，即得Al-Mg型电机转子合金；
所述精炼为向所述熔体中转喷吹氮气，加入0.5-1.0t％的六氯乙烷精炼剂，所述氮气吹气的一段吹气压力为1.5-2MPa，精炼时间为10-20min，所述氮气的二段吹气压力为0.5-1.0MPa，精炼时间为5-15min，精炼后扒渣再静置30min以上；
步骤(2)中，所述反重力浇铸步骤为:将模具预热至680-700C，铝液温度为715-730℃，升液阶段：升液压力为4.6kPa，升液速度为22.6mm/s，升液时间为10s；充型阶段：充型压力为12kPa，充型速度为12.11mm/s，充型时间为30s，保压5s，待合金凝固后，冷却至室温后得到所述Al-Mg型电机转子合金；所述冷却速度为15-25C/min，冷却时间为0.5-1h。
2.根据权利要求1所述的Al-Mg型电机转子合金，其特征在于，所述Al-Mg型电机转子合金的孔隙率为2％-6％；
屈服强度大于35MPa；
抗拉强度大于80MPa。
3.一种权利要求1或2所述的Al-Mg型电机转子合金的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)将铝液升温至700-740℃，加入0.5wt％的镁剂得到熔体，在710-740℃下对熔体进行精炼；
(2)将精炼后的熔体静置，在715-730℃下进行反重力浇铸，冷却后得到铸件；
(3)将铸件以100℃/h的升温速率一次升温至500℃，处理9h后以10℃/min的冷却速率冷却至室温；之后再将铸件以30℃/h的升温速率二次升温至180℃，保温20h后以2℃/min的冷却速度冷却至室温，即得Al-Mg型电机转子合金；
所述精炼为向所述熔体中转喷吹氮气，加入0.5-1.0t％的六氯乙烷精炼剂，所述氮气吹气的一段吹气压力为1.5-2MPa，精炼时间为10-20min，所述氮气的二段吹气压力为0.5-1.0MPa，精炼时间为5-15min，精炼后扒渣再静置30min以上；
步骤(2)中，所述反重力浇铸步骤为:将模具预热至680-700C，铝液温度为715-730℃，升液阶段：升液压力为4.6kPa，升液速度为22.6mm/s，升液时间为10s；充型阶段：充型压力为12kPa，充型速度为12.11mm/s，充型时间为30s，保压5s，待合金凝固后，冷却至室温后得到所述Al-Mg型电机转子合金；所述冷却速度为15-25C/min，冷却时间为0.5-1h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述六氯乙烷精炼剂的加入量为0.8wt％。
5.一种如权利要求1-2任一项所述的Al-Mg型电机转子合金或权利要求3-4任一项所述的制备方法制备得到的所述Al-Mg型电机转子合金的应用，其特征在于，其适用于新能源电机转子。
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