CN116463529A - 一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金及其制备方法，一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金由以下原料按照重量百分比组成：Fe≤0.25wt％，Si≤0.2wt％，Fe和Si的重量比为0.5～2；Ni：2.0～5.0wt％，Zr：0.05～0.5wt％，B：0.05～0.2wt％，Mg≤0.2wt％，Cu≤0.2wt％，Er：0.005～0.1wt％，Ce：0.005～0.1wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下；本发明的有益效果是，相比传统加入方式更加均匀，非晶粉末的加入减少了加入时引入的缺陷，不易产生夹渣或未溶颗粒相，提升了铝液的纯度，减少了杂质元素固溶在铝基体中，提升了材料的导电性和导热性；降低了对合金导电性和力学性能的不利因素。

Description

一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，特别是一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
新能源汽车行业发展迅速，铝合金材料因其具有良好的耐蚀性、优良的导电导热、高的比强度以及良好的加工性等特点被广泛应用于新能源汽车行业，实现新能源汽车的低成本及轻量化目标；
新能源汽车电机转子是新能源汽车发动机的主要构件之一，由于电机转子的服役环境温度较高，高温下除了材料需要具备高的导电性外还需具备较高的力学性能和散热性能，防止因强度不足带来的性能衰减，因此需开发一款高导电、高导热和具备高温强度的压铸铝合金以满足市场需求；
专利CN113981278 B公布了一种高导电耐热压力铸造铝合金，其主要成分包括：镍1.8～3.8％，铁0.25～0.30％，锆0.006～0.15％，铬0.0015～0.025％，钒0.001～0.02％，锌≤0.01％，钛≤0.005％，铜≤0.02％，硅≤0.01％，其它不可避免的微量杂质元素≤0.1％，剩余为铝；其中Fe含量范围偏高，也未加入对Fe相改性的元素，这会导致铝基体极容易产生针片状相Al3Fe以及β-Al5FeSi，针片状相的存在不仅会增加电子散射机率，降低材料导电性，影响电机效率，且会恶化材料力学性能，使得材料变脆而不利于力学性能的提高，同时专利中对Si含量的限定极为严格，工业高纯铝尚无法满足要求，对材料要求极为苛刻，并且专利涉及耐热测试温度仅为150℃，无法表征电机转子极端的服役环境，耐热测试存在一定局限性；
专利CN114318090 B公布了一种新能源汽车电机转子铸造铝合金及其制备方法，其主要成分包括：钛0.05w t％～0.06wt％，硼0.04wt％～0.06wt％，硅0.15wt％～0.5wt％，铁0.01wt％～0.08wt％，铜0.5wt％～0.7wt％，镁0.3wt％～0.5wt％，锌0.01wt％～0.2wt％，锰0.02wt％～0.12wt％，其余为铝；其中通过添加Ti增加结晶核心，增加Mn提升强度，但Ti和Mn的添加会明显恶化材料导电性能和导热性能，且材料中Cu和Mg含量较高，由于Cu和Mg的固溶度较高，虽然可以起到固溶强化作用，提升材料力学性能，但固溶在基体中的Cu和Mg又会很大程度降低材料导电性和导热性，难以达到高导电导热需求；
鉴于上述情况，有必要对现有的压铸铝合金制备方式加以改进，使其能够适应现在对压铸铝合金使用的需要。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金及其制备方法。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，由以下原料按照重量百分比组成：Fe≤0.25wt％，Si≤0.2wt％，Fe和Si的重量比为0.5～2；Ni：2.0～5.0wt％，Zr：0.05～0.5wt％，B：0.05～0.2wt％，Mg≤0.2wt％，Cu≤0.2wt％，Er：0.005～0.1wt％，Ce：0.005～0.1wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下。
对本技术方案的进一步补充，所述的Fe、Zr、B、Ni及稀土以非晶中间合金形式进行添加。
对本技术方案的进一步补充，所述的非晶中间合金通过气体急冷雾化法方式对Al-Fe、Al-B、Al-Ni、Al-Zr、Al-Er和Al-Ce进行处理，制得中间相合金非晶粉体。
对本技术方案的进一步补充，所述气体急冷雾化法包括以下工作步骤：
步骤一:分别加入Al-Fe、Al-B、Al-Ni、Al-Zr、Al-Er和Al-Ce中间相合金；
步骤二：将合金加热到800-1400℃熔融状态；
步骤三：通过高速气流冲击熔融液流形成微小液滴，急冷后形成非晶合金粉末。
对本技术方案的进一步补充，所述气流为惰性气体。
对本技术方案的进一步补充，所述气流压力0.5-4Mpa，冷却速率达103-104℃/s。
一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将高纯铝元素投入加热炉，加热至700℃，完全融化保温15min；
2)升温至760℃，加入Si、Cu单质元素；
3)降温至730℃，加入Al-Fe、Al-B、Al-Ni、Al-Zr、Al-Er和Al-Ce非晶中间合金；
4)降温至720℃，加入纯Mg，金属材料；
5)原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸锭。
对本技术方案的进一步补充，将所述铝合金铸件进行高压压铸成型。
对本技术方案的进一步补充，所述高压压铸成型工作步骤如下：
1)将铝合金铸锭在750℃再次融化并保温；
2)保温时通入保护性气体与空气隔绝，然后注入压铸模具；
3)通过压铸机冲头将步骤1)得到的熔融合金预填充在料筒内，压铸模具采用模温机预先保持温度在240-360℃，同时，压铸模具配备保温料筒，压铸时，料筒温度保持在210-260℃，料筒承接的熔融铝合金铸件在40-80MPa压力下采用压射速度4-5m/s快速进入压铸模具冷却成型；
4)脱模，通过机械臂取出铸件。
对本技术方案的进一步补充，
所述材料室温铸态力学性能：抗拉强度140-210Mpa，屈服强度60-100Mpa，延伸率≥15％，电导率32-34Ms/m，热导率≥200W/m·k。
所述材料180℃下高温力学性能：抗拉强度≥110Mpa，延伸率≥30％。
其有益效果在于，1)本发明通过气体急冷雾化法制备的Al-Fe、Al-B、Al-Ni、Al-Zr、Al-Er和Al-Ce等多元合金，其非晶粉末颗粒尺寸＜30um，采用非晶粉体加入的方式对铝液进行材料的变质和细化，相比传统加入方式更加均匀，非晶粉末的加入减少了加入时引入的缺陷，不易产生夹渣或未溶颗粒相，提升了铝液的纯度，减少了杂质元素固溶在铝基体中，提升了材料的导电性和导热性，导电性的提高在于提升电机工作效率，导热性提高在于提升电机散热效率；
2)本发明采用特定比例的Fe/Si比，由于单独添加Fe元素容易生成针片状相，为避免针片状相带来的不利影响，通过特定的Fe/Si比的控制对Fe相形貌进行改性，弱化了长针状的Al3Fe和β-Fe相，改性为汉字状的α-Al8Fe2Si，降低了对合金导电性和力学性能的不利因素；
3)本发明通过添加Ni和Zr元素，通过生成的Al3Zr和Al3Ni高温稳定的弥散相，稳定组织的亚结构，提升铝材耐热性和高温性能；添加微量的Mg元素，利用Mg和Si在时效形成的Mg2Si弥散相，提升材料的高温力学性能，同时Mg2Si的生成降低了过剩Si在铝基体中的固溶度，进一步提升材料导电性和导热性；微量Cu的加入可与其它元素复合生成Al2Cu，AlCuMg，Al3CuNi和Al2Si5Cu4Mg4等弥散相，提升材料的耐热性能；
4)稀土Ce，Er和B的复合添加，由于稀土元素极为活泼且固溶度低，可以有效减少组织含气量提升材料致密度，同时稀土可与B协同作用，可明显降低杂质如Mn，Ti，V等的固溶度，将杂质元素使其从固溶态转变为析出态，提升材料电导率，与其余元素生成Al3Er，Al10Fe2Ce和Ce5Si3等稀土相亦有利于高温力学性能的提升。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，由以下原料按照重量百分比组成：Fe≤0.25wt％，Si≤0.2wt％，Fe和Si的重量比为0.5～2；Ni：2.0～5.0wt％，Zr：0.05～0.5wt％，B：0.05～0.2wt％，Mg≤0.2wt％，Cu≤0.2wt％，Er：0.005～0.1wt％，Ce：0.005～0.1wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下。
实施例1
一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，由以下原料按照重量百分比组成：Fe0.15wt％，Si0.08wt％，Fe和Si的重量比为1.875；Ni：4.15wt％，Zr：0.12wt％，B：0.05wt％，Mg0.08wt％，Cu0.06wt％，Er0.051％，Ce0.048wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下。
实施例2
一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，由以下原料按照重量百分比组成：Fe0.18wt％，Si0.10wt％，Fe和Si的重量比为1.8；Ni：2.11wt％，Zr：0.13wt％，B：0.07wt％，Mg0.08wt％，Cu0.05wt％，Er0.058％，Ce0.061wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下。
实施例3
一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，由以下原料按照重量百分比组成：Fe0.12wt％，Si0.07wt％，Fe和Si的重量比为1.71；Ni：2.01wt％，Zr：0.16wt％，B：0.05wt％，Mg0.06wt％，Cu0.06wt％，Er0.067％，Ce0.054wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下。
实施例4
一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，由以下原料按照重量百分比组成：Fe0.22wt％，Si0.14wt％，Fe和Si的重量比为1.57；Ni：3.82wt％，Zr：0.12wt％，B：0.06wt％，Mg0.09wt％，Cu0.07wt％，Er0.071％，Ce0.064wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下。
实施例5
一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，由以下原料按照重量百分比组成：Fe0.19wt％，Si0.11wt％，Fe和Si的重量比为1.73；Ni：4.72wt％，Zr：0.25wt％，B：0.05wt％，Mg0.14wt％，Cu0.10wt％，Er0.062％，Ce0.051wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下。
实施例6
一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，由以下原料按照重量百分比组成：Fe0.11wt％，Si0.08wt％，Fe和Si的重量比为1.38；Ni：3.55wt％，Zr：0.11wt％，B：0.04wt％，Mg0.10wt％，Cu0.12wt％，Er0.064％，Ce0.053wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下。
实施例7
一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，由以下原料按照重量百分比组成：Fe0.10wt％，Si0.09wt％，Fe和Si的重量比为1.11；Ni：3.20wt％，Zr：0.13wt％，B：0.06wt％，Mg0.07wt％，Cu0.13wt％，Er0.055％，Ce0.048wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下。
实施例8
一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，由以下原料按照重量百分比组成：Fe0.15wt％，Si0.10wt％，Fe和Si的重量比为1.50；Ni：2.82wt％，Zr：0.16wt％，B：0.06wt％，Mg0.08wt％，Cu0.09wt％，Er0.052％，Ce0.057wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下。
表1为实施例1-8的铝合金中各元素含量表以及由此制得的材料成分表
实施例 Fe Si Ni Zr Mg Cu B Ce Er
1 0.15 0.08 4.15 0.12 0.08 0.06 0.05 0.048 0.051
2 0.18 0.10 2.11 0.13 0.08 0.05 0.07 0.061 0.058
3 0.12 0.07 2.01 0.16 0.06 0.06 0.05 0.054 0.067
4 0.22 0.14 3.82 0.12 0.09 0.07 0.06 0.064 0.071
5 0.19 0.11 4.72 0.25 0.14 0.10 0.05 0.051 0.062
6 0.11 0.08 3.55 0.11 0.10 0.12 0.04 0.053 0.064
7 0.10 0.09 3.20 0.13 0.07 0.13 0.07 0.048 0.055
8 0.15 0.10 2.82 0.16 0.08 0.09 0.06 0.057 0.052
按上表1备料，其中，所述的Fe、Zr、B、Ni和稀土以非晶中间合金形式进行添加，非晶中间合金采用气体急冷雾化法的方式对Al-Fe、Al-B、Al-Ni、Al-Zr、Al-Er和Al-Ce合金进行处理，制得中间相合金非晶粉体，使Zr、Ni、Fe、B和稀土在铝液中均匀分散；
气体急冷雾化法包括以下工作步骤：
步骤一:分别加入Al-Fe、Al-B、Al-Ni、Al-Zr、Al-Er和Al-Ce中间相合金；
步骤二：将合金加热到800-1400℃熔融状态；
步骤三：以惰性气体作为保护和冷却介质，通过高速气流冲击熔融液流形成微小液滴，急冷后形成非晶合金粉末；气流压力0.5-4Mpa，冷却速率达103-104℃/s。
一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将高纯铝元素投入加热炉，加热至700℃，完全融化保温15min；
2)升温至760℃，加入Si、Cu单质元素；
3)降温至730℃，加入Al-Fe、Al-B、Al-Ni、Al-Zr、Al-Er和Al-Ce非晶中间合金；
4)降温至720℃，加入纯Mg，金属材料；
5)原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸锭。
将所述铝合金铸件进行高压压铸成型，具体包括以下步骤：
1)铝合金铸锭在750℃再次融化并保温，保温时通入保护性气体与空气隔绝；
2)保温时通入保护性气体与空气隔绝，然后注入压铸模具；
3)通过压铸机冲头将步骤1)得到的熔融合金预填充在料筒内，压铸模温机预先保持温度在240-360℃，同时，压铸模具配备保温料筒，压铸时，料筒温度保持在210-260℃，料筒承接的熔融铝合金铸件在40-80MPa压力下采用压射速度4-5m/s快速进入压铸模具冷却成型；
4)脱模，通过机械臂取出铸件。
将上述实施例1-8制备得到的铝合金铸件按照电导率试验和力学性能标准加工成标准样件进行性能检测。
所述材料室温铸态力学性能：抗拉强度140-210Mpa，屈服强度60-100Mpa，延伸率≥15％，电导率32-34Ms/m，热导率≥200W/m·k。
所述材料180℃下高温力学性能：抗拉强度≥110Mpa，延伸率≥30％。
表2为实施例1-8性能表
可以从表2看出，本专利申请的实施例1-8具有优良的导电和导热性，同时有兼备了良好的力学性能和高温稳定性，在电机转子领域具有广阔的应用场景以及经济价值。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，其特征在于，由以下原料按照重量百分比组成：Fe≤0.25wt％，Si≤0.2wt％，Fe和Si的重量比为0.5～2；Ni：2.0～5.0wt％，Zr：0.05～0.5wt％，B：0.05～0.2wt％，Mg≤0.2wt％，Cu≤0.2wt％，Er：0.005～0.1wt％，Ce：0.005～0.1wt％；余量为Al和不可避免的杂质，杂质的重量百分比之和控制在0.1wt％以下。
2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，其特征在于，所述的Fe、Zr、B、Ni及稀土以非晶中间合金形式进行添加。
3.根据权利要求2所述的一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，其特征在于，所述的非晶中间合金通过气体急冷雾化法方式对Al-Fe、Al-B、Al-Ni、Al-Zr、Al-Er和Al-Ce进行处理，制得中间相合金非晶粉体。
4.根据权利要求3所述的一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，其特征在于，所述气体急冷雾化法包括以下工作步骤：
步骤一:分别加入Al-Fe、Al-B、Al-Ni、Al-Zr、Al-Er和Al-Ce中间相合金；
步骤二：将合金加热到800-1400℃熔融状态；
步骤三：通过高速气流冲击熔融液流形成微小液滴，急冷后形成非晶合金粉末。
5.根据权利要求4所述的一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，其特征在于，所述气流为惰性气体。
6.根据权利要求5所述的一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金，其特征在于，所述气流压力0.5-4Mpa，冷却速率达103-104℃/s。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将高纯铝元素投入加热炉，加热至700℃，完全融化保温15min；
2)升温至760℃，加入Si、Cu单质元素；
3)降温至730℃，加入Al-Fe、Al-B、Al-Ni、Al-Zr、Al-Er和Al-Ce非晶中间合金；
4)降温至720℃，加入纯Mg，金属材料；
5)原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸锭。
8.根据权利要求7所述的一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，将所述铝合金铸件进行高压压铸成型。
9.根据权利要求8所述的一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述高压压铸成型工作步骤如下：
1)将铝合金铸锭在750℃再次融化并保温；
2)保温时通入保护性气体与空气隔绝，然后注入压铸模具；
3)通过压铸机冲头将步骤1)得到的熔融合金预填充在料筒内，压铸模具采用模温机预先保持温度在240-360℃，同时，压铸模具配备保温料筒，压铸时，料筒温度保持在210-260℃，料筒承接的熔融铝合金铸件在40-80MPa压力下采用压射速度4-5m/s快速进入压铸模具冷却成型；
4)脱模，通过机械臂取出铸件。
10.根据权利要求7所述的一种新能源汽车用高导电高耐热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，材料室温铸态力学性能：抗拉强度140-210Mpa，屈服强度60-100Mpa，延伸率≥15％，电导率32-34Ms/m，热导率≥200W/m·k，180℃下高温力学性能：抗拉强度≥110Mpa，延伸率≥30％。
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