CN115637358B - 一种以铝代铜电机芯用铝合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以铝代铜电机芯用铝合金及其制造方法，涉及铝合金材料技术领域。该铝合金由如下质量百分含量的化学成分组成：Mg0.52‑0.63wt％，Cu 0.55‑0.65wt％，Zn≤0.012wt％，Mn≤0.02wt％，Ti≤0.03wt％，Si≤0.04wt％，Fe≤0.08wt％；其余单个杂质≤0.03wt％，其余杂质总和≤1.0wt％；其余含量为Al。本发明以铝代铜，在保证铝合金材料在电机芯中使用性能的基础上，显著降低了原有电机芯铜材的成本，并实现了设备减重，对于推动电机芯材料的发展具有长足的积极影响。

Description

一种以铝代铜电机芯用铝合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料技术领域，特别是涉及一种以铝代铜电机芯用铝合金及其制造方法。

背景技术

铝是地球上分布最广的金属，其储量在金属中居首位，同时铝有许多优良特性，其导电能力在金属中仅次于铜、银、金，比强度也高于大多数金属，为设备制造的轻量化提供了广阔空间。

传统上电机芯大多数都是使用铜带，铜材的最大优点是电导率高，在金属中铜的电导率仅次于银，因而铜材是电机芯的首选材料，然而，虽然铜带较好的保证了电机芯的导电性，但主要存在以下三方面的问题：一是，铜资源有限；二是，铜的比重是铝的3倍，不利于设备减重；三是，铜的价格约是铝的3倍，价格过高不利于降低制造成本。

基于上述现状，如果能够实现以铝代铜，同时保证铝合金材料用于电机芯中的使用性能，对于推动电机芯材料的发展具有长足的积极影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种以铝代铜电机芯用铝合金及其制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，在保证电机芯材料性能需求的基础上，实现了降低成本及设备减重的技术效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种铝合金，由如下质量百分含量的化学成分组成：

Mg 0.52-0.63wt％，Cu 0.55-0.65wt％，Zn≤0.012wt％，Mn≤0.02wt％，Ti≤0.03wt％，Si≤0.04wt％，Fe≤0.08wt％；其余单个杂质≤0.03wt％，其余杂质总和≤1.0wt％；其余含量为Al。

进一步地，上述铝合金由铝锭、AlCu40中间合金和镁锭为原料制备得到。

本发明还提供上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)清炉、洗炉：清炉后，利用铝锭进行洗炉，直至洗炉试样成分达到所述铝锭的元素成分标准；

(2)投料：将与步骤(1)同样成分的铝锭和AlCu40中间合金投入炉中；AlCu40中间合金先期投入，铝锭投在其上层；

(3)熔炼：当炉料熔化后，加入熔剂覆盖，当熔体温度达到740±5℃，扒除液面浮渣，然后将精炼剂喷射到所述熔体底部，扒净液面浮渣，加入镁锭，搅拌，进行化学成分分析，并按照所述铝合金成分调整化学成分，直至达到所述铝合金的化学成分要求；

所述熔剂添加量为所述炉料的0.2wt％；所述精炼剂添加量为所述熔体的0.15wt％。熔剂采用50％NaCl+50％KCl，精炼剂采用(25-35％)NaCl+(35-50％)KCl+(35-50％)K₃AlF₆混合的混合物。

(4)除气：调整化学成分合格后，对所述熔体进行除气处理；

(5)铸造：对步骤(4)得到的熔体进行铸造，得到所述铝合金。

进一步地，所述铝锭由如下质量百分含量的化学成分组成：

Si≤0.04wt％，Fe≤0.06wt％，Zn≤0.012wt％，Mn≤0.02wt％，Ti≤0.01wt％，其余单个杂质≤0.03wt％，其余杂质总和≤1.0wt％，余量为Al。

进一步地，所述AlCu40中间合金和镁锭中，除铜元素和镁元素外，所述AlCu40中间合金和镁锭两种原料中其他元素杂质含量总和低于1.0wt％。

本发明进一步提供上述铝合金在电机芯中的应用。

进一步地，所述电机芯为新能源汽车电机芯。

本发明公开了以下技术效果：

本发明制备的以铝代铜电机芯用铝合金力学性能和物理性能优异，抗拉强度≥130Mpa，屈服强度≥50Mpa，伸长率≥25％，电导率≥30MS/m，热导率≥210W/m.k，硬度≥25HB，耐腐蚀性:腐蚀电位650±10mv(SCE)，达到了与铜材相当的性能，完全满足电机转子对合金材料的性能要求。

本发明以铝代铜，在保证铝合金材料在电机芯中使用性能的基础上，显著降低了原有电机芯铜材的成本，并实现了设备减重，对于推动电机芯材料的发展具有长足的积极影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明制备的铝合金金相图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明在不降低电机芯用金属材料力学性能和物理性能前提下而开展电机芯材料研发，具体要求如下：

抗拉强度≥130Mpa；屈服强度≥50Mpa；伸长率≥25％；电导率≥30MS/m；热导率≥210W/m.k；硬度≥25HB。

另外，本发明材料主要用于新能源汽车电机芯，其工作环境恶劣，需要保证材料的耐腐蚀性能，同时电机工作时会有一定温升，还要考虑其一定的耐热性。

根据上述原因，本发明研发时选用少量铜元素作为铝合金的强化元素，化合成θ(CuAl₂)强化相，但不宜过多，一旦过多，虽然抗拉强度和屈服强度提高，但伸长率、电导率等会同时下降，经计算和试验，合金中加入Cu(wt％)0.55-0.65，同时加入Mg(wt％)0.52-0.63，其目的与铜元素生成金属化合物S(CuMgAl₂)强化相，该相除提高合金强度外，还可提高材料的耐热性能，以适应电机的温升性能要求，一般情况下，生成S强化相(CuMgAl₂)的Cu：Mg质量比＝2.6，据此计算，合金铜含量0.55％-0.65％，Mg含量应该在0.21％-0.25％，显然合金中Mg含量过剩0.3％-0.4％，其主要目的是使其与铝生成Mg₂Al₃化合物，既能提高强度，还能提高合金的抗腐蚀性能，以适应电机的工作环境。

图1为本发明制备的铝合金金相图，S强化相如图中箭头所示，Mg₂Al₃为图中细小弥散点。

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细的说明：

实施例1

铝合金制备过程中，铝元素以A00铝锭形式加入，铜元素以AlCu40中间合金形式加入；镁元素通过无腐蚀斑的一级镁锭形式加入；

A00铝锭中杂质元素的含量：Si(wt％)≤0.04，Fe(wt％)≤0.06，Zn(wt％)≤0.012，Mn(wt％)≤0.02，Ti(wt％)≤0.01，其余杂质：单个杂质(wt％)≤0.03，杂质总和(wt％)：≤1.0。

AlCu40中间合金和一级镁锭中，除铜元素和镁元素外，两种原料中其他元素杂质含量总和低于1.0wt％。

以铝代铜电机芯用铝合金的制备步骤如下：

步骤1，将A00铝锭、AlCu40中间合金和一级镁锭送至生产现场，严防原材料表面有雨雪水分和脏物。

步骤2，清炉：对计划生产本合金炉组，首先用渣铲清炉，清炉后扒净炉渣。

步骤3，洗炉：清炉后，按炉容量的50％投入A00铝锭熔化，当铝液温度达到850±20℃，用耙对铝熔体搅拌3次，每次不少于5min，每次搅拌间隔10min，同时将炉内的铝液转入静置炉，并按熔炼炉方法操作，搅拌后取化学成分试样分析。第二次洗炉投入与首次洗炉相同量的铝锭，并按首次洗炉工序操作，对第二次洗炉试样分析结果，若成分已达A00铝锭的元素成分标准，则可投料生产，否则继续洗炉直至合格后方可投料生产。

步骤4，投料：一次性投入除镁锭以外的原料，其中AlCu40中间合金先期投入，其余铝锭投在其上层。

步骤5，熔炼：将炉料升温熔化。当炉料熔化后，按炉料量的0.2％(wt％)加入熔剂(50％NaCl+50％KCl)覆盖，当熔体温度达到740±5℃，首先扒除液面浮渣，然后用喷粉机将精炼剂(NaCl+KCl+K₃AlF₆混合)按熔体重量的0.15％(wt％)，用钢管均匀的喷射到熔体炉底，随后用搅拌耙在炉内搅动熔体5min后，将熔体静置10min，用耙扒净液面浮渣，加入镁锭并搅拌，取化学成分试样用光谱仪分析，按照目标成成分调整化学成分，直至成分达到如下标准：

Mg 0.52-0.63wt％，Cu 0.55-0.65wt％，Zn≤0.012wt％，Mn≤0.02wt％，Ti≤0.03wt％，Si≤0.04wt％，Fe≤0.08wt％，其余杂质：单个杂质≤0.03wt％，杂质总和≤1.0wt％，其余含量为Al。

步骤6，除气：调整化学成分合格后，调整温度为730±5℃，通过流槽将熔体导入静置炉，当静置炉内熔体温度达到735±5℃时，用除气耙将氩气输入到炉底进行除气精炼，除气耙应在炉底缓慢移动，经过每个角落，氩气压力：0.25±0.05Mpa，除气约30min，用测氢仪检测熔体含气量，当含气量≤0.12ml/100g铝时，停止除气，否则，继续除气，直到达到标准为止。

步骤7，铸造：铸造采用热顶式半连续铸造机，铸棒规格铸造参数：熔体725±5℃；冷却水温25±3℃；水压0.04Mpa；水量120m³/h；铸造速度120±2mm/min；铸棒长度6±0.1m。

步骤8，锯切：当完成上述工序后，将铸棒用天车从铸井中吊出放到检测平台，用超声波对铸棒进行检测其缺陷(缺陷主要包括各种裂纹、气孔、夹渣等)。

步骤9，性能检测：经超声波检测无缺陷铸棒在其头、中、尾锯切长400mm的棒料3根，在每根棒料上分别取力学性能、耐腐蚀性能、电导率、热导率及硬度试样，并进行相应检测，检测结果：抗拉强度130-135Mpa；屈服强度50-55Mpa，伸长率28-35％，电导率30-32Ms/m，热导率200-220w/m.k，硬度28-35HB，腐蚀电位650±10mv(SCE)，符合电机转子的性能要求，完全满足电机转子对合金材料性能要求。

电机芯材料要求电导率≥30MS/m，热导率≥210W/m.k，这几乎接近铝合金的物理性能极限值，因此，合金中除加入的必要强化元素之外，其余元素含量必须严格控制，否则将影响材料的电导率和热导率。

另外，铝合金在生产中，不可避免会产生气体和非金属夹杂物，它们的存在既影响材料的力学性能也影响物理性能，因此研发过程中必须严格控制清炉操作、控制铝液温度，对铝液既要选择渣铝分离能力较强的精炼剂，又要选用除气能力较好的惰性气体对铝液精炼，保证铝液洁净度，从而使合金材料达到力学和物理性能要求。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种铝合金，其特征在于，由如下质量百分含量的化学成分组成：

Mg 0.52-0.63 wt%，Cu 0.55-0.65 wt%，Zn≤0.012 wt%，Mn≤0.02 wt%，Ti≤0.03wt%，Si≤0.04 wt%，Fe≤0.08 wt%；其余单个杂质≤0.03 wt%，其余杂质总和≤1.0 wt%；其余含量为Al；

所述铝合金的抗拉强度≥130Mpa，屈服强度≥50Mpa，伸长率≥25％，电导率≥30MS/m，热导率≥210W/m.k，硬度≥25HB，耐腐蚀性:腐蚀电位650±10mv。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金由铝锭、AlCu40中间合金和镁锭为原料制备得到。

3.如权利要求1-2任一项所述的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)清炉、洗炉：清炉后，利用铝锭进行洗炉，直至洗炉试样成分达到所述铝锭的元素成分标准；

(2)投料：将与步骤(1)同样成分的铝锭和AlCu40中间合金投入炉中；

(3)熔炼：当炉料熔化后，加入熔剂覆盖，当熔体温度达到740±5℃，扒除液面浮渣，然后将精炼剂喷射到所述熔体底部，扒净液面浮渣，加入镁锭，搅拌，进行化学成分分析，并按照所述铝合金成分调整化学成分，直至达到所述铝合金的化学成分要求；

(4)除气：调整化学成分合格后，对所述熔体进行除气处理；

(5)铸造：对步骤(4)得到的熔体进行铸造，得到所述铝合金。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述铝锭由如下质量百分含量的化学成分组成：

Si≤0.04 wt%，Fe≤0.06 wt%，Zn≤0.012 wt%，Mn≤0.02 wt%，Ti≤0.01 wt%，其余单个杂质≤0.03 wt%，其余杂质总和≤1.0 wt%，余量为Al。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔剂添加量为所述炉料的0.2 wt%；所述精炼剂添加量为所述熔体的0.15 wt %。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述AlCu40中间合金和镁锭中，除铜元素和镁元素外，所述AlCu40中间合金和镁锭两种原料中其他元素杂质含量总和低于1.0wt%。

7.如权利要求1-2任一项所述的铝合金在电机芯中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述电机芯为新能源汽车电机芯。