CN114941089B - 一种高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种高强高导电率的Al‑Zr‑Si型铝合金，属于新能源汽车技术领域。该铝合金包括0.05‑0.15wt％的Zr、0.1‑0.3wt％的Si，其余为Al；Zr和Si的重量比为1：(2‑4)。将铝锭在熔炼炉中加热至720‑760℃，然后加入称量好的合金元素添加剂，待其完全熔化后，将熔体搅拌均匀；维持熔体温度在720‑740℃下进行精炼处理，精炼后扒渣，静置；将铸造模具预热后进行离心铸造，铝液浇铸温度为715‑730℃，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得到高强高导电率的Al‑Zr‑Si型铝合金。上述金属元素配比及制备方法，使得铝合金的导电性能、力学性能和耐热性同时提高。

Description

一种高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金
技术领域
本申请涉及一种高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金，属于新能源汽车技术领域。
背景技术
随着新能源汽车发展迅速，为了实现新能源汽车成本降低和轻量化的目标，已经使用铝材替代铜材作为新能源汽车的电机转子，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。
通常，在铝材的电机转子中需要添加一定量的其他金属元素，从而提高电机转子的导电性能或力学性能。目前所添加的金属元素存在生产成本高、加工困难等问题，并且添加的金属元素难以同时提升电机转子的导电性能和力学性能，同时电机转子的耐热性也较差，难以适用于高温场所，由此种种，均限制了铝材转子合金的应用。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金及其制备方法，该铝合金中添加的各种金属元素能够降低生产成本，易于熔炼铸造，并且通过金属元素比例的控制，可同时提高铝合金的导电性能、力学性能和耐热性，从而扩大了铝合金的适用环境。
根据本申请的一个方面，本申请提供了一种高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金，包括0.05-0.15wt％的Zr、0.1-0.3wt％的Si，其余为Al；
所述Zr和Si的重量比为1：(2-4)，优选为1:3。
可选地，还包括0.01-0.05wt％的Sc和/或0.03-0.1wt％的Y。
可选地，所述Sc的含量为0.01-0.03wt％，所述Sc和Zr的重量比为1：(5-8)，优选为1:5。
可选地，所述Y的含量为0.03-0.05wt％，所述Y和Zr的重量比为1：(2-3)，优选为1:2。
可选地，所述高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金由0.1wt％的Zr、0.3wt％的Si、0.02wt％的Sc、0.05wt％的Y，其余为Al组成。
该铝合金中能够形成Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相，上述合金相均匀分布在铝基材中，能够对Al基材起到强化作用，同时减少了单一的Zr、Y和Sc元素在铝基材中的固溶，通过上述元素的合理配比，能够促使各个金属元素相互协同，Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相之间结合强度高，从而同时提高铝合金的导电性能、力学性能和耐热性。
Si元素的加入能够促进上述Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相的时效析出，能够缩短时效时间，进一步提高Zr、Y和Sc元素对铝基材的增强效果，提高生产效率，节约成本。
根据本申请的另一个方面，提供了上述任一项所述的高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金的制备方法，包括下述步骤：
(1)将铝锭在熔炼炉中加热至720-760℃，然后加入称量好的合金元素添加剂，待其完全熔化后，将熔体搅拌均匀；
(2)维持熔体温度在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，铝液浇铸温度为715-730℃，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得到所述高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金。
上述合金元素是指Al、Zr和Si，或Al、Zr、Si和Sc，或Al、Zr、Si和Y，或Al、Zr、Si、Sc和Y的统称。
可选地，所述静置时间为30min以上。
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，所述模具的预热温度为710-740℃，离心转速为200-300r/min。
可选地，所述精炼为向所述熔体中旋转喷吹氮气，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。
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。
优选的，所述氮气的一段吹气压力为1.8Mpa，精炼时间为15min；所述氮气的二段吹气压力为1.0Mpa，精炼时间为10min。
上述设置，将铝液的精炼分为两个阶段，一段精炼的吹气压力高，能够对熔体进行充分精炼，二段吹气压力偏低，在保证继续精炼的同时，能够降低熔体中的气体，从而降低铝合金的孔隙率，提高铝合金的导电性能、耐热性和力学性能。
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高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金；
所述热处理步骤为：将所述铸件一次升温至600-650℃，处理4-7h后进行水冷淬火，之后再将所述铸件二次升温至350-400℃，保温20-27h后空气冷却至室温，即得所述高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金。
铸件经过热处理之后得到铝合金，在热处理过程中，通过一次升温至较高温度下，能够促进合金元素固溶进基材中，之后再通过水冷淬火使得铝基材内形成过饱和固溶体，二次升温的温度比一次升温要低，则铝基材中的过饱和固溶体能够析出纳米级的Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相，使得上述Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相对铝基材的强化效果得到提高，随着合金元素的析出，还能够减小铝晶格的畸变，提高铝基材微相上的致密性，从而提高铝合金各方面的性能。
可选地，所述一次升温的升温速率为130-150℃/h；
所述二次升温的升温速率为70-100℃/h；
所述淬火的转移时间＜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40-50℃/h。在上述差值范围内，能够提高铝基材中过饱和固溶体析出的纳米级Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相的数量，进一步细化析出的Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相的尺寸，降低Zr、Y和Sc元素在铝基材中的固溶，从而提高铝合金各方面的性能。
可选地，所述水冷淬火的冷却速度为25-35℃/s，冷却时间为17-25s；
所述空气冷却的冷却速度为1-2℃/min，冷却时间为3-6.5h。
优选的，所述热处理步骤为：将所述铸件以150℃/h的升温速率一次升温至620℃，处理5h后进行水冷淬火，水冷淬火的降温速率为30℃/s，冷却时间为20s；之后再将所述铸件以100℃/h的升温速率二次升温至380℃，保温25h后空气冷却，空气冷却的降温速率为1℃/min，冷却时间为6h，即得所述高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金。
根据本申请的另一个方面，提供了一种上述任一项所述的高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金或上述任一项所述的制备方法制备得到的高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金的应用，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.根据本申请的高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金，所用合金元素原料易得，易于熔炼铸造，可降低铝合金的生产成本，上述元素的比例，能够在铝基材中生成Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相，对铝基材起到增强效果，同时提高铝合金的导电性能、力学性能和耐热性。
2.根据本申请的高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金，Si元素的加入能够促进上述Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相的时效析出，并且提高上述合金组织之间的结合力，从而提高铝合金的微观均匀性，同时降低铝合金中的金属杂质。
3.根据本申请的制备方法，铝液与模具的温度能够控制铸件的凝固时间，促使铸造过程中杂质气体及时排出，降低铝合金内部的杂质含量和孔隙率，从而提高铝合金的致密性。
4.根据本申请的制备方法，热处理工艺促使铝基体中形成纳米级的Al3(ZrY)、Al3Zr或Al3(ZrSc)相，减少了Y、Zr和Sc元素在铝基体中的固溶，能够同时提高合金强度和导电率。
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1
本实施例涉及一种Al-Zr-Si型铝合金的制备方法，包括下述步骤：
(1)将铝锭在熔炼炉中加热至740℃，加入0.1wt％的Zr、0.3wt％的Si、0.02wt％的Sc和0.05wt％的Y，待其完全熔化后，将熔体搅拌均匀；
(2)维持熔体的温度为740℃，向熔体中加入1.0wt％的六氟乙烷进行精炼，精炼中吹入氮气，氮气的一段吹气压力1.8Mpa，精炼时间15min；氮气的二段吹气压力1.0Mpa，精炼时间10min，静置30min以上；
(3)将精炼后的熔体，将铸造模具预热至720℃，铝液温度为730℃进行离心铸造，离心转速为300r/min，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后得到铸件；
(4)将铸件以150℃/h的升温速率一次升温至620℃，处理5h后进行水冷淬火，水冷淬火的降温速率为30℃/s，冷却时间为20s；之后再将铸件以100℃/h的升温速率二次升温至380℃，保温25h后空气冷却，空气冷却的降温速率为1℃/min，冷却时间为6h，即得铝合金1#。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，Zr的含量为0.1wt％，Si的含量为0.3wt％，不含有Sc和Y元素，其余条件与实施例1相同，即得铝合金2#。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，Zr的含量为0.1wt％，Si的含量为0.3wt％，Sc元素含量为0.01wt％，不含有Y元素，其余条件与实施例1相同，即得铝合金3#。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，Zr的含量为0.1wt％，Si的含量为0.3wt％，Y元素含量为0.03wt％，不含有Sc元素，其余条件与实施例1相同，即得铝合金4#。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(2)的精炼条件发生变化，具体为：维持熔体的温度为740℃，向熔体中加入1.0wt％的六氟乙烷进行精炼，精炼中吹入氮气，氮气的一段吹气压力1.0Mpa，精炼时间15min；氮气的二段吹气压力1.8Mpa，精炼时间10min，静置30min以上，其余条件与实施例1相同，即得铝合金5#。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(3)的离心浇铸条件发生变化，具体为铸造模具的预热为740℃，铝液温度为720℃，其余条件与实施例1相同，即得铝合金6#。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(4)的热处理条件发生变化，具体为，铸件以150℃/h的升温速率一次升温至500℃，处理8h后进行水冷淬火，其余条件与实施例1相同，即得铝合金7#。
实施例8
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(4)的热处理条件发生变化，具体为，铸件的一次升温条件与实施例1相同，水冷淬火后再将铸件以100℃/h的升温速率二次升温至180℃，保温25h后空气冷却，其余条件与实施例1相同，即得铝合金8#。
实施例9
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(4)的热处理条件发生变化，具体为，铸件的一次升温速率为100℃/h，二次升温速率为150℃/h，其余条件与实施例1相同，即得铝合金9#。
实施例10
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(4)的热处理条件发生变化，具体为，将铸件以150℃/h的升温速率一次升温至620℃，处理5h后进行空气冷却，空气冷却的降温速率为2℃/min，冷却时间为5h；之后再将铸件以100℃/h的升温速率二次升温至380℃，保温25h后水冷淬火，水冷淬火的降温速率为30℃/s，冷却时间为12s，即得铝合金10#
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，Zr的含量为0.1wt％，Si的含量为0.3wt％，还含有0.02wt％的Fe和0.05wt％的Er，不含有Sc和Y元素，其余条件与实施例1相同，即得对比铝合金D1#。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，Zr的含量为0.1wt％，Si的含量为0.3wt％，还含有0.02wt％的Yb和0.05wt％的Cu，不含有Sc和Y元素，其余条件与实施例1相同，即得对比铝合金D2#。
对比例3
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(3)得到的铸件不再进行热处理操作，其余条件与实施例1相同，即得对比铝合金D3#。
将上述实施例1-10和对比例1-3制备得到的铝合金1#-10#和对比铝合金D1#-D3#进行性能测试，分别对各自铝合金的端面取样，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1：
表1
Figure BDA0003603065030000081
根据表1的测试数据可知，加入的Zr、Y、Sc和Si元素，能够对铝合金进行强化，全面提高铝合金的导电性能、力学性能和耐热性，为铝合金在高温场所下的长期使用提供了可能。
实施例2-4和实施例1相比，合金元素的种类及含量改变，当不存在Sc和/或Y元素时，铝合金内部则不能形成Al3(ZrY)和Al3(ZrSc)相，对铝合金的强化效果减弱，因此铝合金的各方面性能均降低。
对比例1和2将Sc和Y元素替换为其他元素，则铝合金的各方面性能大幅度降低，原因在于，其余元素的存在一是会增加铝合金中的杂质含量，从而破坏铝合金的微相结构，从而降低Zr和Si元素对铝合金的强化效果，二是其余元素的加入，会增大Al3Zr相的尺寸，使得Al3Zr相微米级的数量增多，纳米级的数量减少，与铝基材的结合力降低，从而提高铝合金的孔隙率，降低铝合金的导电性能和力学强度。
实施例5和实施例1相比，熔体的精炼条件发生变化，实施例5中一段吹气压力较低中对熔体的精炼效率下降，熔体中杂质含量增多，二段出气中压力较高，则铝液中会溶入较多的气体，进而降低铝合金的致密性，铝合金的孔隙率升高，使得电学性能和力学性能下降。
实施例6和实施例1相比，实施例6中模具的温度高于铝液的温度，则在浇铸过程中铝液会再次升温，则铝液容易出现受热不均的现象，影响铝合金的微观上的均匀性，并且延缓铝合金的结晶，使得铝合金内部晶格畸变的数量增多，从而导致铝合金各方面性能均下降。
实施例7和实施例1相比，改变的是一次升温后的温度及处理时间，该条件影响其余合金元素在铝基材中的固溶量，实施例7的处理温度较低，即使延长了处理时间，但是实施例7的铝基材中其余合金元素的固溶量也降低，从而影响水冷淬火后析出的过饱和固溶体的含量，若过饱和固熔体的含量降低，则在二次升温中会降低纳米级Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相析出效率和析出数量，导致上述Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相的尺寸变大，从而降低对铝合金的强化效果。
实施例8和实施例1相比，改变的是二次升温后的温度，实施例8的处理温度降低，能够使得Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相的尺寸变大，从而强化效果降低，另外温度较低下，铝晶格的畸变的数量增多，最终影响铝合金的导电率和耐热性。实施例9和实施例1相比，一次升温与二次升温速率相反，则导致铝合金内部易出现微相分离，降低铝合金的抗蠕变性能变差，使得铝合金的热裂倾向变大。
实施例10和实施例1相比，一次升温之后采用空气冷却，二次升温之后进行水冷淬火，实施例10的铝合金中，在空气冷却之后无法形成过饱和固溶体，因此上述Zr、Y和Sc元素在铝基材中的固溶量增多，无法形成纳米级的Al3(ZrY)、Al3Zr和Al3(ZrSc)相，导致铝合金出现微相分离的现象，并且二次升温后铝晶格畸变的数量增多，进而导致铝合金各方面的性能变差。
对比例3与实施例1相比，并未对铝合金进行后处理步骤，铝合金的各方面性能变差，原因在于热处理能够使得铝合金的晶相更加完整，合金组织更为致密，从而提高铝合金的各方面性能，未经处理的铝合金微相组织尺寸较大，铝合金内部存在热应力，易造成铝合金的开裂，从而降低铝合金的耐热性。
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 (4)

1.一种高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金，其特征在于，包括0.05-0.15wt%的Zr、0.1-0.3wt%的Si，其余为Al；
所述Zr和Si的重量比为1：（2-4）；
还包括0.01-0.03wt%Sc和0.03-0.05wt%的Y，所述Sc和Zr的重量比为1：（5-8），所述Y和Zr的重量比为1：（2-3）；
所述Al-Zr-Si型铝合金的制备方法包括下述步骤：
（1）将铝锭在熔炼炉中加热至720-760℃，然后加入称量好的合金元素添加剂，待其完全熔化后，将熔体搅拌均匀；
（2）维持熔体温度在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，铝液浇铸温度为715-730℃，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却后得到铸件，所述铸件经过热处理后得到所述高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金；
所述热处理步骤为：将所述铸件一次升温至600-650℃，处理4-7h后进行水冷淬火，之后再将所述铸件二次升温至350-400℃，保温20-27h后空气冷却至室温，即得所述高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金，所述一次升温的升温速率为130-150℃/h，所述二次升温的升温速率为70-100℃/h，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40-50℃/h，所述淬火的转移时间＜20s，所述水冷淬火的冷却速度为25-35℃/s，冷却时间为17-25s，所述空气冷却的冷却速度为1-2℃/min，冷却时间为3-6.5h；
步骤（2）中，所述精炼为向所述熔体中旋转喷吹氮气，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。
2.根据权利要求1所述的高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金，其特征在于，由0.1wt%的Zr、0.3wt%的Si、0.02wt%的Sc、0.05wt%的Y，其余为Al组成。
3.一种如权利要求1或2所述的高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）将铝锭在熔炼炉中加热至720-760℃，然后加入称量好的合金元素添加剂，待其完全熔化后，将熔体搅拌均匀；
（2）维持熔体温度在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，铝液浇铸温度为715-730℃，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却后得到铸件，所述铸件经过热处理后得到所述高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金；
所述热处理步骤为：将所述铸件一次升温至600-650℃，处理4-7h后进行水冷淬火，之后再将所述铸件二次升温至350-400℃，保温20-27h后空气冷却至室温，即得所述高强高导电率的Al-Zr-Si型铝合金，所述一次升温的升温速率为130-150℃/h，所述二次升温的升温速率为70-100℃/h，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40-50℃/h，所述淬火的转移时间＜20s，所述水冷淬火的冷却速度为25-35℃/s，冷却时间为17-25s，所述空气冷却的冷却速度为1-2℃/min，冷却时间为3-6.5h；
步骤（2）中，所述精炼为向所述熔体中旋转喷吹氮气，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。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述模具的预热温度为710-740℃，离心转速为200-300 r/min。
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