CN114807641A - 一种Al-Zn-Fe系电机转子合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种Al‑Zn‑Fe系电机转子合金及其制备方法和应用，属于新能源汽车电机转子材料技术领域。一种Al‑Zn‑Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Zn：0.5‑2.0％，Fe：0.1‑0.4％，IVA或IB族元素：0.1‑1.0％，余量为Al。该Al‑Zn‑Fe系电机转子合金通过优化合金成分及其处理工艺，解决了现有技术中新能源汽车电机转子合金不能同时兼顾优良高温抗蠕变性能和力学性能的问题。

Description

一种Al-Zn-Fe系电机转子合金及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及一种Al-Zn-Fe系电机转子合金及其制备方法和应用，属于新能源汽车电机转子材料技术领域。
背景技术
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。其电机转子在长时间服役之后，高温低应力区的疲劳损伤比较大，长期高温循环交变载荷对转子的疲劳性会产生较大影响，而且转子普遍存在发热情况，如果不采取有效措施，就会造成转子低周期疲劳以及蠕变损耗，甚至可能引发安全性事故。
现有技术中关于如何更好地提高新能源汽车电机转子合金的耐高温抗蠕变性能以及如何兼顾优异的力学性能的策略还十分有限，因此开发出一种具有优异高温抗蠕变变形性能和力学性能的新能源汽车电机转子合金是非常有意义的。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种Al-Zn-Fe系电机转子合金及其制备方法和应用，通过优化合金成分及其处理工艺，解决了现有技术中新能源汽车电机转子合金不能同时兼顾优良高温抗蠕变性能和力学性能的问题。
本发明的技术方案为：
一种Al-Zn-Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Zn：0.5-2.0％，Fe：0.1-0.4％，IVA或IB族元素：0.1-1.0％，余量为Al。
优选地，IVA族元素为Si，IB族元素为Cu。
优选地，Cu在电机转子合金中的质量百分比为0.5-1.0％。
优选地，Si在电机转子合金中的质量百分比为0.1-0.4％。
优选地，所述Al-Zn-Fe系电机转子合金的组织结构内部的相包括第二相，所述第二相包括Al6FeCu相或α-Al8Fe2Si相。
优选地，所述Al-Zn-Fe系电机转子合金在200℃/17MPa服役1000h，蠕变应变量不高于0.20％。
根据本申请的另一个方面，提供了一种如上述的Al-Zn-Fe系电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Al-Zn-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含锌料、含铁料和含铝料，并于710-750℃进行熔炼，得到熔化液；
(2)向步骤(1)熔化液中加入IVA或IB族元素，采用六氯乙烷、氮气或氩气进行熔体精炼处理，精炼温度为720-740℃，处理时间10-30min；
(3)将熔体静置30min以上，在715-730℃下进行浇铸，离心铸造处理，得到所述Al-Zn-Fe系电机转子合金。
优选地，所述步骤(2)中六氯乙烷、氮气或氩气的添加量占熔体质量的0.5-1wt％。
优选地，所述步骤(3)中离心铸造转速为200-300r/min。
根据本申请的又一个方面，提供了一种如上述的Al-Zn-Fe系电机转子合金或上述的制备方法制备得到的所述Al-Zn-Fe系电机转子合金的应用，其适用于新能源汽车电机转子。
本申请的有益效果包括但不限于：
1.本申请的Al-Zn-Fe系电机转子合金，通过在精炼阶段添加适量IVA族元素Si或IB族元素Cu，Si和Cu元素均部分固溶在铝基体中，另一部分以第二相(α-Al8Fe2Si相、Al6FeCu相)的形式存在，固溶强化和第二相强化共同提高合金强度，另外由于合金元素使层错能降低，易形成扩展位错，且溶质原子与溶剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能，从而提高了蠕变极限。
2.本申请的Al-Zn-Fe系电机转子合金中，适量Si的加入还能够进一步提升合金的流动性，提高韧性，并在合金凝固时抑制裂纹产生，赋予合金良好的抗裂纹特性；适量Cu的加入在合金中不仅能够起到增强力学性能的作用，同时保证合金良好的抗腐蚀性能；合金中各元素协同作用，均衡了各种性能，形成了稳定的晶体结构，从而得到了综合性能优异的Al-Zn-Fe系电机转子合金。
3.本申请的Al-Zn-Fe系电机转子合金的制备方法，工艺简单、生产成本低，制备得到的电机转子合金良品率高，各向性能优异，应用前景广阔，尤其适用于新能源汽车电机转子合金领域。
4.本申请的Al-Zn-Fe系电机转子合金制备方法，通过限定Si和Cu的添加顺序和添加量以及精炼过程和离心铸造的条件，使得制备得到的电机转子合金的孔隙率低，并兼有优良的高温抗蠕变性能和力学性能，可靠性强，便于工业化推广应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，在此指出以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域普通技术人员根据本发明的内容作出一些简单的替换或调整，均在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种Al-Zn-Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Zn：0.5％，Fe：0.4％，Si：0.1％，余量为Al。
该Al-Zn-Fe系电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Al-Zn-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含锌料、含铁料和含铝料，并于710℃进行熔炼，得到熔化液；
(2)向步骤(1)熔化液中加入Si，然后添加熔体质量0.5wt％氮气进行熔体精炼处理，精炼温度为740℃，处理时间10min；
(3)将熔体静置30min以上，在715℃下进行浇铸，离心铸造处理，离心铸造转速为300r/min，得到Al-Zn-Fe系电机转子合金。
实施例2
一种Al-Zn-Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Zn：1.8％，Fe：0.2％，Si：0.3％，余量为Al。
该Al-Zn-Fe系电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Al-Zn-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含锌料、含铁料和含铝料，并于750℃进行熔炼，得到熔化液；
(2)向步骤(1)熔化液中加入Si，然后添加熔体质量0.8wt％六氯乙烷进行熔体精炼处理，精炼温度为720℃，处理时间30min；
(3)将熔体静置30min以上，在730℃下进行浇铸，离心铸造处理，离心铸造转速为200r/min，得到Al-Zn-Fe系电机转子合金。
实施例3
一种Al-Zn-Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Zn：2.0％，Fe：0.1％，Cu：0.6％，余量为Al。
该Al-Zn-Fe系电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Al-Zn-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含锌料、含铁料和含铝料，并于730℃进行熔炼，得到熔化液；
(2)向步骤(1)熔化液中加入Cu，然后添加熔体质量1wt％氩气进行熔体精炼处理，精炼温度为740℃，处理时间20min；
(3)将熔体静置30min以上，在720℃下进行浇铸，离心铸造处理，离心铸造转速为240r/min，得到Al-Zn-Fe系电机转子合金。
实施例4
一种Al-Zn-Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Zn：1.2％，Fe：0.3％，Cu：1.0％，余量为Al。
该Al-Zn-Fe系电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Al-Zn-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含锌料、含铁料和含铝料，并于720℃进行熔炼，得到熔化液；
(2)向步骤(1)熔化液中加入Cu，然后添加熔体质量0.6wt％氮气进行熔体精炼处理，精炼温度为730℃，处理时间25min；
(3)将熔体静置30min以上，在725℃下进行浇铸，离心铸造处理，离心铸造转速为280r/min，得到Al-Zn-Fe系电机转子合金。
对比例1
与实施例1的区别在于：Al-Zn-Fe系电机转子合金中未包括Si。
对比例2
与实施例2的区别在于：将Si：0.3％替换为Sn：0.8％。
对比例3
与实施例1的区别在于：步骤(2)中Si与步骤(1)中含锌料、含铁料和含铝料同时加入熔炼炉中进行熔炼，得到熔化液。
对比例4
与实施例3的区别在于：步骤(2)中添加熔体质量2wt％Na2SiF6进行熔体精炼处理，精炼温度为700℃，处理时间40min。
对比例5
与实施例4的区别在于：步骤(3)中浇铸温度为800℃，离心铸造转速为100r/min。
测试例1
铸造过程中实施例1-4的合金裂纹倾向一般，铸件孔隙率3％-10％，对上述实施例1-4和对比例1-5的Al-Zn-Fe系电机转子合金进行测试，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，力学性能及电导率测试结果如表1所示：
表1
组别 抗拉强度MPa 屈服强度MPa 延伸率％ 电导率MS/m
实施例1 127 68 36.3 31.7
实施例2 130 70 37.0 31.0
实施例3 124 65 36.5 32.1
实施例4 120 60 35.8 32.5
对比例1 111 40 21.4 33.1
对比例2 115 43 22.3 30.5
对比例3 98 25 22.6 31.4
对比例4 116 45 22.8 31.2
对比例5 118 47 23.1 30.7
由表1可以看出，本申请的Al-Zn-Fe系电机转子合金的力学性能和导电性能优异，抗拉强度不低于120MPa；屈服强度不低于60MPa；延伸率不低于35.8％；电导率不低于31.0MS/m；满足新能源汽车电机转子材料使用要求。
测试例2
实施例1-4的合金在200℃服役1000h变形量为0.2％的疲劳极限为18MPa，200℃保温100h的强度损失率＜20％。将上述实施例1-4和对比例1-5的Al-Zn-Fe系电机转子合金置于蠕变机里进行高温抗蠕变性能测试，测试条件为：蠕变温度200℃，服役时间为1000h，蠕变应力为17MPa，结果如表2所示。
表2
Figure BDA0003560876560000061
Figure BDA0003560876560000071
由表2可以看出，本申请Al-Zn-Fe系电机转子合金具有比较好的高温抗蠕变性能，在200℃/17MPa，1000h的条件下，蠕变应变量不高于0.20％，稳态蠕变速率不高于6.763×10-8s-1。对比例1-5表明改变添加元素的种类、含量和顺序，以及制备工艺的参数，均在不同程度上降低了Al-Zn-Fe系电机转子合金的高温抗蠕变性能。
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 (10)

1.一种Al-Zn-Fe系电机转子合金，其特征在于，包括如下质量百分比的各组分：Zn：0.5-2.0％，Fe：0.1-0.4％，IVA或IB族元素：0.1-1.0％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Zn-Fe系电机转子合金，其特征在于，IVA族元素为Si，IB族元素为Cu。
3.根据权利要求2所述的Al-Zn-Fe系电机转子合金，其特征在于，Cu在电机转子合金中的质量百分比为0.5-1.0％。
4.根据权利要求2所述的Al-Zn-Fe系电机转子合金，其特征在于，Si在电机转子合金中的质量百分比为0.1-0.4％。
5.根据权利要求3或4所述的Al-Zn-Fe系电机转子合金，其特征在于，所述Al-Zn-Fe系电机转子合金的组织结构内部的相包括第二相，所述第二相包括Al6FeCu相或α-Al8Fe2Si相。
6.根据权利要求5所述的Al-Zn-Fe系电机转子合金，其特征在于，所述Al-Zn-Fe系电机转子合金在200℃/17MPa服役1000h，蠕变应变量不高于0.20％。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的Al-Zn-Fe系电机转子合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照Al-Zn-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含锌料、含铁料和含铝料，并于710-750℃进行熔炼，得到熔化液；
(2)向步骤(1)熔化液中加入IVA或IB族元素，采用六氯乙烷、氮气或氩气进行熔体精炼处理，精炼温度为720-740℃，处理时间10-30min；
(3)将熔体静置30min以上，在715-730℃下进行浇铸，离心铸造处理，得到所述Al-Zn-Fe系电机转子合金。
8.根据权利要求7所述的Al-Zn-Fe系电机转子合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中六氯乙烷、氮气或氩气的添加量占熔体质量的0.5-1wt％。
9.根据权利要求7所述的Al-Zn-Fe系电机转子合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中离心铸造转速为200-300r/min。
10.一种如权利要求1-6任一项所述的Al-Zn-Fe系电机转子合金或权利要求7-9任一项所述的制备方法制备得到的所述Al-Zn-Fe系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。
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