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
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
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
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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