CN114790527B - Al基三元电机转子合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Al基三元电机转子合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本申请公开了Al基三元电机转子合金及其制备方法和应用，属于新能源汽车电机技术领域，其包括Mg 0.2‑0.9wt％，Cu 0.6‑1.2wt％，其余为Al；或包括Mg 0.2‑0.9wt％，Zn 1.5‑2.5wt％，其余为Al；或包括Mg 0.2‑0.9wt％，Si0.3‑0.9wt％，其余为Al。本申请给出了三种铸造铝合金添加的元素及各元素添加比例，该元素配比能够在保证电导率良好的情况下，使铝合金具有优异的力学性能，并且易于熔炼铸造，生产成本低。

Description

Al基三元电机转子合金及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及Al基三元电机转子合金及其制备方法和应用，属于新能源汽车电机技术领域。
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高纯铝，铸造工艺主要为高压铸造和离心铸造等，一般情况下，在一定范围内添加其他金属元素能够有利于铸造铝合金电导率或力学性能的提升，但是现有技术中所添加的金属元素一方面成本较高，性能提升较差，性价比很低，另一方面添加金属元素后，不易于熔炼铸造，铸造性能差，再一方面添加金属元素后难以做到电导率和力学性能的平衡，经常出现电导率高，力学性能较差，或电导率低，力学性能优异的情况，各种性能难以都处在良好的范围内。
发明内容
为了解决上述问题，提供了Al基三元电机转子合金及其制备方法和应用，给出了三种铸造铝合金添加的元素及各元素添加比例，该元素配比能够在保证电导率良好的情况下，使铝合金具有优异的力学性能，并且易于熔炼铸造，生产成本低。
根据本申请的一个方面，提供了Al基三元电机转子合金，包括Mg 0.2-0.9wt％，Cu0.6-1.2wt％，其余为Al；
或包括Mg 0.2-0.9wt％，Zn 1.5-2.5wt％，其余为Al；或包括Mg 0.2-0.9wt％，Si0.3-0.9wt％，其余为Al。
优选地，所述Al为高纯Al，纯度大于99.8％。
可选地，由Mg 0.2-0.4wt％，Cu 0.6-1.2wt％，其余为Al组成。
可选地，Al-Cu-Mg合金中，Cu和Mg的含量比为Cu：Mg≥3:1。
可选地，由Mg 0.3-0.6wt％，Zn 0.9-3.0wt％，其余为Al组成。
可选地，Al-Zn-Mg合金中，Zn和Mg的含量比为Zn：Mg＝(3-5):1。
可选地，由Mg 0.3-0.9wt％，Si 0.3-0.9wt％，其余为Al组成。
可选地，Al-Mg-Si合金中，Mg和Si的含量比为Mg：Si＝1:1。
根据本申请的另一个方面，还提供了一种上述Al基三元电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Mg和Cu组分或称量好的Mg和Zn组成或称量好的Mg和Si组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在720-740℃下进行精炼处理，精炼后扒渣，静置；
(3)将铸造模具预热后进行离心铸造，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得Al基三元电机转子合金。
可选地，步骤(1)中的加热温度为710-750℃；步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹气体或加入熔体总质量0.5-1％的精炼剂，精炼时间为10-30min；
步骤(3)中的预热温度720-740℃，离心转速为200-300r/min，浇铸温度为715-730℃。
优选地，步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹氮气或加入熔体总质量0.5-1％的六氯乙烷；步骤(2)中的静置时间不小于30min。
根据本申请的又一个方面，提供了一种上述Al基三元电机转子合金的应用，其适用于新能源汽车电机转子，其屈服强度不小于60MPa，抗拉强度不小于120MPa，导电率不小于31.5MS/m。
本申请中，“室温”指的是25℃。
本申请的有益效果包括但不限于：
1.根据本申请的Al基三元电机转子合金，给出了三种铸造铝合金添加的元素及各元素添加比例，该元素配比能够在保证电导率良好的情况下，使铝合金具有优异的力学性能，并且易于熔炼铸造，生产成本低。
2.根据本申请的Al基三元电机转子合金，通过限定Al-Cu-Mg合金中Cu和Mg元素含量满足Cu：Mg≥3:1，使得Cu元素部分固溶在铝基体中，起到固溶强化的作用，其余Cu以Al2CuMg相的形式存在，Mg元素以Al2CuMg相的形式存在，形成第二相，从而实现固溶强化和第二相强化共同提高合金强度。
3.根据本申请的Al基三元电机转子合金，通过限定Al-Zn-Mg合金中Zn和Mg元素含量满足Zn：Mg＝(3-5):1，使得Zn元素部分固溶在铝基体中，其余与Mg元素形成MgZn2相，从而实现固溶强化和第二相强化共同提高合金强度。
4.根据本申请的Al基三元电机转子合金，通过限定Al-Mg-Si合金中，当Mg：Si＝1:1时，主要含有Mg2Si相和Si相，从而实现两种第二相共同提高合金强度。
5.根据本申请的Al基三元电机转子合金的制备方法，通过限定离心铸造的条件和精炼方法，使得铸造铝合金的孔隙率低，力学性能好，电导率良好，制备方法简单易操作，易于工业化推广。
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。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本专利中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1铝合金1#的制备
铝合金1#的组成为：Mg 0.3wt％，Cu 1.0wt％，其余为高纯Al。
铝合金1#的制备方法包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Mg和Cu组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在730℃下进行精炼处理，精炼后扒渣，静置；
(3)将铸造模具预热后进行离心铸造，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得铝合金1#。
其中，步骤(1)中的加热温度为730℃；步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹氮气，精炼时间为20min；步骤(3)中的预热温度730℃，离心转速为250r/min，浇铸温度为720℃；步骤(2)中的静置时间为50min。
实施例2铝合金2#的制备
铝合金2#的组成为：Mg 0.4wt％，Zn 1.6wt％，其余为高纯Al。
铝合金2#的制备方法包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Mg和Zn组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在720℃下进行精炼处理，精炼后扒渣，静置；
(3)将铸造模具预热后进行离心铸造，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得铝合金2#。
其中，步骤(1)中的加热温度为710℃；步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹氮气，精炼时间为10min；步骤(3)中的预热温度720℃，离心转速为200r/min，浇铸温度为715℃；步骤(2)中的静置时间为40min。
实施例3铝合金3#的制备
铝合金3#的组成为：Mg 0.5wt％，Si 0.5wt％，其余为高纯Al。
铝合金3#的制备方法包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Mg和Si组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在740℃下进行精炼处理，精炼后扒渣，静置；
(3)将铸造模具预热后进行离心铸造，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得铝合金3#。
其中，步骤(1)中的加热温度为740℃；步骤(2)中精炼的方法为加入熔体总质量0.8％的六氯乙烷，精炼时间为30min；步骤(3)中的预热温度740℃，离心转速为300r/min，浇铸温度为730℃；步骤(2)中的静置时间为30min。
对比例1对比铝合金1#
对比铝合金1#制备方法与铝合金1#相同，不同之处在于，对比铝合金1#中元素组成为Mg 0.3wt％，Cu 0.6wt％，其余为高纯Al。
对比例2对比铝合金2#
对比铝合金2#制备方法与铝合金1#相同，不同之处在于，对比铝合金2#中元素组成为Mg 0.4wt％，Zn 0.8wt％，其余为高纯Al。
对比例3对比铝合金3#
对比铝合金3#制备方法与铝合金1#相同，不同之处在于，对比铝合金3#中元素组成为Mg 0.5wt％，Si 0.8wt％，其余为高纯Al。
对比例4对比铝合金4#
对比铝合金4#与铝合金1#的元素组成相同，不同之处在于，对比铝合金4#的制备方法中步骤(2)的保温温度为710℃。
对比例5对比铝合金5#
对比铝合金5#与铝合金1#的元素组成相同，不同之处在于，对比铝合金5#的制备方法中步骤(2)在730℃下保温后不进行精炼。
实施例4性能表征
1.将铝合金1#-3#和对比铝合金1#-5#分别对各自端面取样，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，力学性能及电导率测试结果如表1所示。
表1铝合金1#-3#和对比铝合金1#-5#力学性能及电导率测试结果
Figure BDA0003561207670000071
结果表明，采用本申请所限定的元素组分所制备的电机转子铝合金1#-3#具有优异的抗拉强度和屈服强度，力学性能优异，同时电导率仍能满足30MS/m及以上的需求，电导率良好，并且铝合金易于铸造。
对比铝合金1#中Cu与Mg的比例小于本申请所限定的3:1，最终结果显示其强度等力学性能较差，抗拉强度和屈服强度均较低，原因在于Al2CuMg相第二相为增强相，增强相较少，强度降低。
对比铝合金2#中Zn和Mg的比例小于本申请所限定的范围，最终显示力学性能较差，具体分析为MgZn2为增强相，Zn量不足即增强相少，导致强度减低，但合金元素降低，固溶量低，电导率有所增加。
对比铝合金3#中Si与Mg的比例超出了本申请所限定的范围，最终结果强度和电导率均下降，分析为超出的Si作为杂质元素导致强度及电导率同时下降。
对比铝合金4#中步骤(2)的保温温度较低，金属液不会充分融化，部分合金不会充分的融入金属液中，力学性能受影响；对比铝合金5#中不进行精炼步骤，最终表明其强度和电导率均较差，主要原因为反应生成的夹渣及气体无法排除，夹渣破坏了金属基体的连续性，生成的气体在铸造中造成较大的孔隙，同样破坏了金属的连续性。
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 (4)

1.Al基三元电机转子合金，其特征在于，包括Mg 0.4wt%，Zn1.6wt%，其余为Al。
2.一种如权利要求1所述的Al基三元电机转子合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Mg和Zn组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
（2）保持温度在720-740℃下进行精炼处理，精炼后扒渣，静置；
（3）将铸造模具预热后进行离心铸造，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得Al基三元电机转子合金。
3.根据权利要求2所述的Al基三元电机转子合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的加热温度为710-750℃；
步骤（2）中精炼的方法为旋转喷吹气体或加入熔体总质量0.5-1%的精炼剂，精炼时间为10-30min；
步骤（3）中的预热温度720-740℃，离心转速为200-300 r/min，浇铸温度为715-730℃。
4.一种如权利要求1所述的Al基三元电机转子合金的应用，其特征在于，其适用于新能源汽车电机转子，其屈服强度不小于60MPa，抗拉强度不小于120MPa，导电率不小于31.5MS/m。
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