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
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
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。
Priority Applications (1)
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