CN114807702A - 一种Al-Mg-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‑Mg‑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‑Mg‑Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Mg：0.2‑0.5％，Fe：0.1‑0.4％，IB或IIB族元素：0.6‑2.0％，余量为Al。该Al‑Mg‑Fe系电机转子合金能够明显改善新能源汽车电机转子合金的高温抗蠕变性能，同时兼有优良的力学性能。

Description

一种Al-Mg-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-Mg-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
铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、导热导电性能好、阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成型、废料容易回收等优点，在新能源汽车电机转子领域具有重要的应用价值，被称为21世纪“绿色工程材料”。近年来，虽然铝合金的室温强韧化不断提升，但是其中高温抗蠕变性能差的问题尚未得到根本解决，这使得铝合金在新能源汽车电机转子的应用上受阻，难以达到大规模产业化应用的预期效果。
另外，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-Mg-Fe系电机转子合金及其制备方法和应用，能够明显改善新能源汽车电机转子合金的高温抗蠕变性能，同时兼有优良的力学性能。
本发明提供如下技术方案：
一种Al-Mg-Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Mg：0.2-0.5％，Fe：0.1-0.4％，IB或IIB族元素：0.6-2.0％，余量为Al。
优选地，所述IB族元素为Cu，Cu在电机转子合金中的质量百分比为0.6-1.0％。
优选地，所述IIB族元素为Zn，Zn在电机转子合金中的质量百分比为1.5-2.0％。
优选地，所述Al-Mg-Fe系电机转子合金中Cu和Mg的含量比为Cu：Mg≥3:1。
优选地，Al-Mg-Fe-Zn电机转子合金在200℃/12MPa服役1000h，蠕变应变量不高于0.20％；或
Al-Mg-Fe-Cu电机转子合金在200℃/15MPa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-Mg-Fe系电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Al-Mg-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含镁料、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Cu或Zn，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，得到铸件；
(4)将步骤(3)铸件进行热处理，得到所述Al-Mg-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。
优选地，所述步骤(4)的热处理步骤包括：将铸件以150℃/h的升温速率加热至450-500℃，保温5-8h后进行水冷淬火，淬火转移时间＜20s，然后再将铸件以100℃/h的升温速率加热至120-180℃，保温20-25h后空冷至室温。
根据本申请的又一个方面，提供了一种如上述的Al-Mg-Fe系电机转子合金或上述的制备方法制备得到的所述Al-Mg-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-Mg-Fe系电机转子合金，通过添加适量IB族元素Cu或IIB族元素Zn，使得铝基体中形成S’(Al2CuMg)和Al6(FeCu)相，或η’(MgZn2)和Al3Fe相，进一步提升了合金的强度和高温抗蠕变性能，以保证新能源汽车电机转子合金在服役期间内安全工作，延长使用寿命。
2.本申请的Al-Mg-Fe系电机转子合金中，适量Zn元素的添加还能够降低合金的凝固温度，提升合金的流动性，减少压铸裂纹的产生；控制Cu和Mg的含量比在合适的范围可以使Al-Mg-Fe系电机转子合金具有较高的强度；通过Al-Mg-Fe系电机转子合金中各元素的协同作用，均衡了合金的各种性能，使得合金在具有优异高温抗蠕变性能的情况下，兼顾良好的强度、韧性等力学性能。
3.本申请的Al-Mg-Fe系电机转子合金，铸造过程中裂纹倾向一般，铸件孔隙率2％-10％，屈服强度73-82MPa、抗拉强度141-149MPa，导电率31.2-32.5MS/m，在200℃/15MPa(或12MPa)服役1000h，蠕变应变量不高于0.20％，疲劳极限为16MPa(或14MPa)，200℃保温100h的强度损失率＜35％(或50％)。
4.本申请的Al-Mg-Fe系电机转子合金的制备方法，通过改变Cu或Zn添加顺序和热处理工艺，能够使合金在高温服役时释放晶界处的局部应力集中，促进应力分布均匀，显著改善Al-Mg-Fe系电机转子合金的高温抗蠕变性能。
5.本申请的Al-Mg-Fe系电机转子合金的制备方法，工艺合理，流程简单，操作方便，成本低，效率高，对Al-Mg-Fe系电机转子合金的高温抗蠕变性能改善效果显著、稳定，制备的新能源汽车电机转子的质量可靠，提升产品竞争力，具有良好的应用前景。
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-Mg-Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Mg：0.2％，Fe：0.4％，Cu：0.8％，余量为Al。
该Al-Mg-Fe系电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Al-Mg-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含镁料、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Cu，然后添加熔体质量0.5wt％六氯乙烷进行熔体精炼处理，精炼温度为720℃，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200r/min，得到铸件；
(4)将步骤(3)铸件进行热处理，将铸件以150℃/h的升温速率加热至500℃，保温5h后进行水冷淬火，淬火转移时间＜20s，然后再将铸件以100℃/h的升温速率加热至175℃，保温20h后空冷至室温，得到Al-Mg-Fe系电机转子合金。
实施例2
一种Al-Mg-Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Mg：0.3％，Fe：0.2％，Cu：1.0％，余量为Al。
该Al-Mg-Fe系电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Al-Mg-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含镁料、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Cu，然后添加熔体质量0.6wt％氩气进行熔体精炼处理，精炼温度为740℃，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300r/min，得到铸件；
(4)将步骤(3)铸件进行热处理，将铸件以150℃/h的升温速率加热至480℃，保温8h后进行水冷淬火，淬火转移时间＜20s，然后再将铸件以100℃/h的升温速率加热至180℃，保温25h后空冷至室温，得到Al-Mg-Fe系电机转子合金。
实施例3
一种Al-Mg-Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Mg：0.5％，Fe：0.1％，Zn：2.0％，余量为Al。
该Al-Mg-Fe系电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Al-Mg-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含镁料、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Zn，然后添加熔体质量1wt％氮气进行熔体精炼处理，精炼温度为730℃，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，得到铸件；
(4)将步骤(3)铸件进行热处理，将铸件以150℃/h的升温速率加热至460℃，保温7h后进行水冷淬火，淬火转移时间＜20s，然后再将铸件以100℃/h的升温速率加热至150℃，保温22h后空冷至室温，得到Al-Mg-Fe系电机转子合金。
实施例4
一种Al-Mg-Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Mg：0.4％，Fe：0.3％，Zn：1.5％，余量为Al。
该Al-Mg-Fe系电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照Al-Mg-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含镁料、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Zn，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15min；
(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270r/min，得到铸件；
(4)将步骤(3)铸件进行热处理，将铸件以150℃/h的升温速率加热至480℃，保温6h后进行水冷淬火，淬火转移时间＜20s，然后再将铸件以100℃/h的升温速率加热至120℃，保温24h后空冷至室温，得到Al-Mg-Fe系电机转子合金。
对比例1
与实施例1的区别在于：Al-Mg-Fe系电机转子合金中未包括Cu。
对比例2
与实施例1的区别在于：将Cu：0.8％替换为Ag：0.3％。
对比例3
与实施例2的区别在于：一种Al-Mg-Fe系电机转子合金，包括如下质量百分比的各组分：Mg：0.6％，Fe：0.2％，Cu：0.8％，余量为Al。
对比例4
与实施例3的区别在于：步骤(2)中Zn与步骤(1)中含镁料、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5
与实施例4的区别在于：步骤(2)中添加熔体质量2wt％KCl进行熔体精炼处理，精炼温度为600℃，处理时间50min。
对比例6
与实施例4的区别在于：步骤(3)中浇铸温度为850℃，离心铸造转速为150r/min。
测试例1
铸造过程中实施例1-4的合金裂纹倾向一般，实施例1和2的铸件孔隙率3％-10％，实施例3和4的铸件孔隙率2％-6％，对上述实施例1-4和对比例1-6的Al-Mg-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1 149 82 36.7 31.3
实施例2 151 85 36.3 31.2
实施例3 144 75 35.5 32.1
实施例4 141 73 35.2 32.5
对比例1 113 35 37.5 31.8
对比例2 129 47 37.0 35.3
对比例3 150 86 30.0 30.2
对比例4 101 23 22.8 30.0
对比例5 117 38 23.0 29.5
对比例6 120 42 23.2 29.7
由表1可以看出，本申请的Al-Mg-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141MPa；屈服强度不低于73MPa；延伸率不低于35.2％；电导率不低于31.2MS/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和2的合金在200℃服役1000h变形量为0.2％的疲劳极限为16MPa，200℃保温100h的强度损失率＜35％；实施例3和4的合金在200℃服役1000h变形量为0.2％的疲劳极限为14MPa，200℃保温100h的强度损失率＜50％。将上述实施例1-4和对比例1-6的Al-Mg-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，结果如表2所示。
表2
Figure BDA0003560520570000081
由表2可以看出，本申请Al-Mg-Fe系电机转子合金具有比较好的高温抗蠕变性能，实施例1和2的Al-Mg-Fe系电机转子合金在200℃/15MPa，1000h的条件下，蠕变应变量不高于0.14％，稳态蠕变速率不高于6.824×10-8s-1；实施例3和4的Al-Mg-Fe系电机转子合金在200℃/12MPa，1000h的条件下，蠕变应变量不高于0.20％，稳态蠕变速率不高于7.517×10- 8s-1。对比例1-6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-Mg-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-Mg-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：Mg：0.2-0.5％，Fe：0.1-0.4％，IB或IIB族元素：0.6-2.0％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Mg-Fe系电机转子合金，其特征在于，所述IB族元素为Cu，Cu在电机转子合金中的质量百分比为0.6-1.0％。
3.根据权利要求1所述的Al-Mg-Fe系电机转子合金，其特征在于，所述IIB族元素为Zn，Zn在电机转子合金中的质量百分比为1.5-2.0％。
4.根据权利要求2所述的Al-Mg-Fe系电机转子合金，其特征在于，所述Al-Mg-Fe系电机转子合金中Cu和Mg的含量比为Cu：Mg≥3:1。
5.根据权利要求3或4所述的Al-Mg-Fe系电机转子合金，其特征在于，Al-Mg-Fe-Zn电机转子合金在200℃/12MPa服役1000h，蠕变应变量不高于0.20％；或
Al-Mg-Fe-Cu电机转子合金在200℃/15MPa服役1000h，蠕变应变量不高于0.20％。
6.一种如权利要求5所述的Al-Mg-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-Mg-Fe系电机转子合金的组分配比，向熔炼炉中加入含镁料、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Cu或Zn，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，得到铸件；
(4)将步骤(3)铸件进行热处理，得到所述Al-Mg-Fe系电机转子合金。
7.根据权利要求6所述的Al-Mg-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％。
8.根据权利要求6所述的Al-Mg-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。
9.根据权利要求6所述的Al-Mg-Fe系电机转子合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的热处理步骤包括：将铸件以150℃/h的升温速率加热至450-500℃，保温5-8h后进行水冷淬火，淬火转移时间＜20s，然后再将铸件以100℃/h的升温速率加热至120-180℃，保温20-25h后空冷至室温。
10.一种如权利要求1-5任一项所述的Al-Mg-Fe系电机转子合金或权利要求6-9任一项所述的制备方法制备得到的所述Al-Mg-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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