CN114807700A - 一种Al-Cu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‑Cu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0.6‑1.2wt％的Cu，其余为Al，将铝液升温至700‑750℃，加入0.6‑1.2wt％的纯铜得到溶体，在710‑740℃下对溶体进行精炼；将精炼后的溶体静置，在715‑730℃下进行离心浇铸，即得到所述Al‑Cu型电机转子合金。Cu元素主要以θ＇‑(Al2Cu)相形式存在于转子合金中，通过析出强化明显提高转子合金的力学性能，同时由于Cu元素的固溶量减小，导电率也会有所提升。

Description

一种Al-Cu型电机转子合金及其制备方法与应用
技术领域
本申请涉及一种Al-Cu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，会造成转子合金微相结构分离，使得电学性能和力学性能逐渐下降；并且现有的转子合金还存在耐热性低和孔隙率高等问题，使得转子合金难以用于高温场所，限制了转子合金的应用。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种Al-Cu型电机转子合金及其制备方法，该转子合金采用高纯铝和Cu元素制备得到，Cu元素主要以θ＇-(Al2Cu)相形式存在于转子合金中，通过析出强化明显提高合金强度，同时由于Cu元素的固溶量减小，导电率也会有所提升，离心浇铸和热处理工序，能够提高转子合金的耐热性，降低孔隙率，可将该转子合金用于高温场所下。
根据本申请的一个方面，提供了一种Al-Cu型电机转子合金，该转子合金包括0.6-1.2wt％的Cu，其余为Al。
可选地，该转子合金包括0.8-1.0wt％的Cu，其余为Al。
根据本申请的另一个方面，提供了一种上述所述的Al-Cu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700-750℃，加入0.6-1.2wt％的纯铜得到溶体，在710-740℃下对溶体进行精炼；
(2)将精炼后的溶体静置，在715-730℃下进行离心浇铸，即得到所述Al-Cu型电机转子合金。
可选地，步骤(1)中，所述精炼为向所述溶体中旋转喷吹氮气，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1.5-2Mpa，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；
所述静置时间为30min以上。
可选地，步骤(2)中，所述离心浇铸步骤为：将模具预热至710-740℃，离心转速为200-300r/min，浇铸温度为715-730℃，待合金凝固后，铸造设备停止旋转，自然冷却至室温后得到所述Al-Cu型电机转子合金。
可选地，所述离心浇铸自然冷却后得到铸件，所述铸件经过热处理后得到所述Al-Cu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后进行水冷淬火，之后再将所述铸件二次升温至150-200℃，保温18-24h后空气冷却，即得所述Al-Cu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80-120℃/h；优选为100℃/h。
所述二次升温的升温速率为40-60℃/h，优选为50℃/h。
所述淬火转移时间＜20s。
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30-50℃/h。
可选地，所述水冷淬火的冷却速度为25-35℃/s，冷却时间为12-22s；
所述空气冷却的冷却速度为1-2℃/min，冷却时间为1.2-3.5h。
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8h后进行水冷淬火，水冷淬火的降温速率为30℃/s，冷却时间为15s；之后再将所述铸件以50℃/h的升温速率二次升温至180℃，保温22h后空气冷却，空气冷却的降温速率为1℃/min，冷却时间为3h，即得所述Al-Cu型电机转子合金。
铸造状态下，合金中θ＇-(Al2Cu)相尺寸一般较大，多为微米级，强化效果较弱；通过高温保温过程使合金元素固溶进基体，再通过快速冷却形成过饱和固溶体，第二次升温到150-200℃的保温过程中，过饱和固溶体中析出纳米级θ＇-(Al2Cu)相，能够明显提高合金强度，并且细化θ＇-(Al2Cu)相尺寸，使得θ＇-(Al2Cu)相尺寸变小，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。
可选地，未经热处理的转子合金的屈服强度大于45MPa，抗拉强度大于90MPa，导电率大于32.5MS/m，200℃服役1000h变形量为0.2％的蠕变极限为10MPa，200℃服役1000h变形量为0.2％的疲劳极限为15MPa，200℃保温100h的强度损失率＜20％。
热处理之后转子合金的屈服强度大于70MPa、抗拉强度大于120MPa，导电率大于33MS/m,200℃服役1000h变形量为0.2％的蠕变极限为12MPa，200℃服役1000h变形量为0.2％的疲劳极限为20MPa，200℃保温100h的强度损失率＜10％。
根据本申请的另一个方面，提供了一种上述所述的Al-Cu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-Cu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。
本申请的有益效果包括但不限于：
1.根据本申请的Al-Cu型电机转子合金，只添加一种Cu元素，可降低转子合金的成本，用于大规模化生产电机转子，并且Cu元素主要以θ＇-(Al2Cu)相形式存在于转子合金中，通过析出强化能明显提高转子合金的力学性能。
2.根据本申请的Al-Cu型电机转子合金，Cu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，Cu元素的固溶量减小，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-Cu型电机转子合金的制备方法，该制备工艺步骤简单，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，降低合金中θ＇-(Al2Cu)相的尺寸，从而提高转子合金的力学性能。
4.根据本申请的Al-Cu型电机转子合金的制备方法，采用离心铸造和热处理工序，能够改变转子合金的微观尺寸，降低转子合金的孔隙率，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，可在200℃使用10h以上。
5.根据本申请的Al-Cu型电机转子合金的制备方法，热处理工艺分为二段升温和二段降温，第一升温后在较高温度下保温，能够促进合金元素固溶于基体内部，在通过水冷淬火形成过饱和固溶体，二段升温后能够使得该过饱和固溶体析出纳米级的θ＇-(Al2Cu)相，从而降低θ＇-(Al2Cu)相的尺寸，提高对转子合金的强化效果，从而提升转子合金的力学性能。
6.根据本申请的Al-Cu型电机转子合金的制备方法，热处理工艺通过形成的过饱和固溶体和析出的纳米级的θ＇-(Al2Cu)相，能够降低转子合金内部的孔隙率，降低转子合金中的气泡，提高其耐热性，同时在热处理后合金元素析出，能够减小铝晶格的畸变，提高转子合金的电导率。
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
本实施例涉及一种Al-Cu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700-750℃，加入0.6-1.2wt％的纯铜得到溶体，在710-740℃下对溶体进行精炼；
(2)将精炼后的溶体静置30min以上，在715-730℃下进行离心浇铸，得到铸件；
(3)将铸件以80-120℃/h的升温速率一次升温至450-550℃，处理6-10h后进行水冷淬火，水冷淬火的降温速率为25-35℃/s，冷却时间为12-22s；之后再将所述铸件以30-50℃/h的升温速率二次升温至150-200℃，保温18-24h后空气冷却，空气冷却的降温速率为1-2℃/min，冷却时间为1.2-3.5h，即得Al-Cu型电机转子合金。
优选的，离心浇铸步骤为：将模具预热至710-740℃，离心转速为200-300r/min，浇铸温度为715-730℃，待合金凝固后，铸造设备停止旋转，得到铸件。
按照上述制备方法制备得到转子合金1#-13#和对比转子合金D1#-D4#，具体制备方法的不同之处见下表1。
表1
Figure BDA0003561019520000051
Figure BDA0003561019520000061
Figure BDA0003561019520000071
Figure BDA0003561019520000081
实验例
将上述转子合金1#-13#和对比转子合金D1#-D4#分别对各自端面取样，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2：
表2
Figure BDA0003561019520000091
Figure BDA0003561019520000101
根据表1及表2的制备条件及测试数据可知，在铝液中加入0.6-1.2wt％的Cu元素，能够降低转子合金中的杂质含量，明显提高转子合金的强度和导电率，离心铸造和热处理工艺能够细化θ＇-(Al2Cu)相的尺寸，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。
转子合金1#与转子合金2#-3#、对比转子合金D1#相比，Cu元素的含量发生改变，其力学性能、电导率、孔隙率和耐热性发生改变，原因在于，Cu元素过高，会造成Cu元素的固溶量增多，降低电导率，并且转子合金中气体残留增多，孔隙率上升，Cu元素过低，会造成θ＇-(Al2Cu)相的尺寸变大，Cu元素的强化效果降低，转子合金1#与对比转子合金D2#相比，还含有其他金属元素，加入的其他元素能够破坏转子合金的微相结构，不同合金组织之间存在间隙，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。
转子合金1#与转子合金4#相比，铝液的温度发生改变，转子合金4#相比于转子合金1#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。
转子合金1#与转子合金5#和对比转子合金D3#相比，精炼条件发生改变，转子合金5#和对比转子合金D3#相比于转子合金1#的各方面性能变差，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，若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。
转子合金1#与转子合金6#-8#和对比转子合金D4#相比，离心浇铸条件发生改变，转子合金6#-8#和对比转子合金D4#相比于转子合金1#的各方面性能变差，原因在于，模具的温度比铝液温度高，则浇铸过程中铝液再次升温，容易出现受热不均的现象，影响转子合金的均匀性，离心转速变低，则会降低铝液中气体排出速率，并且延缓转子合金的结晶，使得转子合金内部出现晶格畸变，离心转速过快，则转子合金结晶速度过快，则转子合金的内部的晶型不完善，晶格缺陷增多，浇铸温度偏低，则铝液在浇铸时流动性变差，转子合金中气体残留增多，浇铸温度偏高则铝液与模具的温差变大，铝液在浇铸过程中容易冷凝过快，同样会造成晶格缺陷增多。
转子合金1#与转子合金9#-13#相比，改变的是热处理工艺，其中转子合金13#未经过热处理工艺进行处理，转子合金9#-13#与转子合金1#相比各方面性能变差，原因在于一次升温的条件能够影响合金元素在基体中的固溶量，从而间接影响水冷淬火后的过饱和固溶体的含量，水冷淬火的冷却速度直接影响过饱和固溶体的含量，若过饱和固溶体的含量降低，则在二次升温中会降低纳米级θ＇-(Al2Cu)相的数量，从而降低Cu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θ＇-(Al2Cu)相的尺寸，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。
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-Cu型电机转子合金，其特征在于，包括0.6-1.2wt％的Cu，其余为Al。
2.一种权利要求1所述的Al-Cu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700-750℃，加入0.6-1.2wt％的纯铜得到溶体，在710-740℃下对溶体进行精炼；
(2)将精炼后的溶体静置，在715-730℃下进行离心浇铸，即得到所述Al-Cu型电机转子合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述精炼为向所述溶体中旋转喷吹氮气，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。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，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1.5-2Mpa，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；
所述静置时间为30min以上。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述离心浇铸步骤为：将模具预热至710-740℃，离心转速为200-300r/min，浇铸温度为715-730℃，待合金凝固后，铸造设备停止旋转，自然冷却至室温后得到所述Al-Cu型电机转子合金。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述离心浇铸自然冷却后得到铸件，所述铸件经过热处理后得到所述Al-Cu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后进行水冷淬火，之后再将所述铸件二次升温至150-200℃，保温18-24h后空气冷却，即得所述Al-Cu型电机转子合金。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述一次升温的升温速率为80-120℃/h；
所述二次升温的升温速率为40-60℃/h；
所述淬火转移时间＜20s。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，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30-50℃/h。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述水冷淬火的冷却速度为25-35℃/s，冷却时间为12-22s；
所述空气冷却的冷却速度为1-2℃/min，冷却时间为1.2-3.5h。
10.一种如权利要求1所述的Al-Cu型电机转子合金或权利要求2-9任一项所述的制备方法制备得到的所述Al-Cu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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