CN114959367A - 一种Al-Fe系三元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‑Fe系三元电机转子合金及其制备方法和应用，属于新能源汽车电机技术领域，其包括Fe 0.6‑1.0wt％，Cu 0.5‑0.6wt％，其余为Al；或包括Fe 0.6‑1.0wt％，Si 0.3‑0.5wt％，其余为Al。本申请给出了两种铸造铝合金添加的元素及各元素添加比例，该元素配比能够在保证电导率和抗拉强度良好的情况下，使铝合金具有良好的抗热裂倾向性能，并且浇铸平稳，氧化夹渣少，生产成本低。

Description

一种Al-Fe系三元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-Fe系三元电机转子合金及其制备方法和应用，属于新能源汽车电机技术领域。
背景技术
由于铝具有密度小，导电及导热性能良好，且价格低的优点，逐渐被选择应用于制造新能源汽车的电机转子，代替铜材，以实现降本和轻量化的目标。为了获得更高的效率，要求铸铝转子铝材有较高的导电率；为了实现更高的转速，要求铸铝转子铝材有较高的强度。
目前新能源汽车用铸铝转子主要使用高纯铝，铸造工艺主要为高压铸造和离心铸造等，一般情况下，在一定范围内添加其他金属元素能够有利于铸造铝合金电导率或力学性能的提升，但是现有技术中所添加的金属元素一方面成本较高，性能提升较差，性价比很低，另一方面添加金属元素后，氧化夹渣较多，再一方面添加金属元素后难以做到电导率、力学性能和其他性能的平衡，经常出现电导率高，力学性能较差，抗热裂倾向差，或电导率低，力学性能优异，抗热裂倾向差的情况，各种性能难以都处在良好的范围内。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种Al-Fe系三元电机转子合金及其制备方法和应用，给出了两种铸造铝合金添加的元素及各元素添加比例，该元素配比能够在保证电导率和抗拉强度良好的情况下，使铝合金具有良好的抗热裂倾向性能，并且浇铸平稳，氧化夹渣少，生产成本低。
根据本申请的一个方面，提供了一种Al-Fe系三元电机转子合金，包括Fe 0.6-1.0wt％，Cu 0.5-0.6wt％，其余为Al；或包括Fe 0.6-1.0wt％，Si 0.3-0.5wt％，其余为Al。
优选地，所述Al为高纯Al，纯度大于99.8％。
可选地，由Fe 0.8-1.0wt％，Cu 0.5wt％，其余为Al组成。
可选地，Al-Fe-Cu合金中，Fe与Cu的含量比为(1.6-2.0)：1。
可选地，由Fe 0.8-1.0wt％，Si 0.4wt％，其余为Al组成。
可选地，Al-Fe-Si合金中，Fe与Si的含量比为(2.0-2.5)：1。
根据本申请的另一个方面，还提供了一种上述Al-Fe系三元电机转子合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Fe和Cu组分或称量好的Fe和Si组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在730-750℃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，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得Al-Fe系三元电机转子合金。
可选地，步骤(1)中的熔炼温度为740-770℃；
步骤(3)中的预热温度720-740℃，离心转速为200-300r/min，浇铸温度为710-730℃。
可选地，步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹气体或加入熔体总质量0.5-1％的精炼剂，精炼时间为10-30min。
可选地，气体为氮气或氩气，精炼剂为六氯乙烷。
根据本申请的又一个方面，提供了一种上述Al-Fe系三元电机转子合金的应用，其适用于新能源汽车电机转子，其屈服强度不小于50MPa，抗拉强度不小于100MPa，导电率不小于31MS/m。
本申请中，“室温”，是指25℃。
本申请的有益效果包括但不限于：
1.根据本申请的Al-Fe系三元电机转子合金，给出了两种铸造铝合金添加的元素及各元素添加比例，该元素配比能够在保证电导率和抗拉强度良好的情况下，使铝合金具有良好的抗热裂倾向性能，并且浇铸平稳，氧化夹渣少，生产成本低。
2.根据本申请的Al-Fe系三元电机转子合金，通过限定Al-Fe-Cu合金中，Fe与Cu的含量比满足(1.6-2.0)：1，使Al-Fe-Cu合金中铸造状态下主要形成微米级Al3Fe相和Al6(FeCu)相，通过第二相强化的方式提高合金强度，同时减少枝晶间的分离，细化晶粒，从而降低Al-Fe-Cu合金的热裂倾向。
3.根据本申请的Al-Fe系三元电机转子合金，通过限定Al-Fe-Si合金中，Fe与Si的含量比为(2.0-2.5)：1，使Al-Fe-Si合金中主要形成汉字状α-(Al8Fe2Si)相，α-(Al8Fe2Si)相的强韧化效果好，晶相在裂纹形成的过程中，能够对裂纹进行一定的填充，能够降低合金的热裂倾向，同时该配比也能够起到细化晶粒的作用，使合金同时具有良好的电导率、抗拉强度和较低的热裂倾向。
4.根据本申请的Al-Fe系三元电机转子合金的制备方法，通过限定离心铸造的条件和精炼方法，使得铸造铝合金的孔隙率低，力学性能好，电导率良好，同时还具有良好的抗热裂倾向性能，制备过程中浇铸平稳，氧化夹渣少，制备方法简单易操作，易于工业化推广。
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。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本专利中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1铝合金1#的制备
铝合金1#的组成为：Fe 0.6wt％，Cu 0.6wt％，其余为高纯Al。
铝合金1#的制备方法包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Fe和Cu组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在730℃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，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得铝合金1#。
其中，步骤(1)中的加热温度为740℃；步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹氮气，精炼时间为20min；步骤(3)中的预热温度720℃，离心转速为200r/min，浇铸温度为710℃；步骤(2)中的静置时间为50min。
实施例2铝合金2#的制备
铝合金2#的组成为：Fe 1.0wt％，Cu 0.5wt％，其余为高纯Al。
铝合金2#的制备方法包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Fe和Cu组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在750℃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，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得铝合金2#。
其中，步骤(1)中的加热温度为770℃；步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹氩气，精炼时间为10min；步骤(3)中的预热温度740℃，离心转速为200r/min，浇铸温度为730℃；步骤(2)中的静置时间为40min。
实施例3铝合金3#的制备
铝合金3#的组成为：Fe 0.8wt％，Cu 0.5wt％，其余为高纯Al。
铝合金3#的制备方法包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Fe和Cu组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在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，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得铝合金3#。
其中，步骤(1)中的加热温度为750℃；步骤(2)中精炼的方法为加入熔体总质量0.8％的六氯乙烷，精炼时间为30min；步骤(3)中的预热温度730℃，离心转速为300r/min，浇铸温度为720℃；步骤(2)中的静置时间为30min。
实施例4铝合金4#的制备
铝合金4#的组成为：Fe 0.6wt％，Si 0.5wt％，其余为高纯Al。
铝合金4#的制备方法包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Fe和Si组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在730℃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，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得铝合金4#。
其中，步骤(1)中的加热温度为740℃；步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹氮气，精炼时间为20min；步骤(3)中的预热温度720℃，离心转速为200r/min，浇铸温度为710℃；步骤(2)中的静置时间为50min。
实施例5铝合金5#的制备
铝合金5#的组成为：Fe 1.0wt％，Si 0.3wt％，其余为高纯Al。
铝合金5#的制备方法包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Fe和Si组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在750℃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，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得铝合金5#。
其中，步骤(1)中的加热温度为770℃；步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹氩气，精炼时间为10min；步骤(3)中的预热温度740℃，离心转速为200r/min，浇铸温度为730℃；步骤(2)中的静置时间为40min。
实施例6铝合金6#的制备
铝合金6#的组成为：Fe 0.8wt％，Si 0.4wt％，其余为高纯Al。
铝合金6#的制备方法包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Fe和Si组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在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，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得铝合金6#。
其中，步骤(1)中的加热温度为750℃；步骤(2)中精炼的方法为加入熔体总质量1％的六氯乙烷，精炼时间为30min；步骤(3)中的预热温度730℃，离心转速为300r/min，浇铸温度为720℃；步骤(2)中的静置时间为30min。
对比例1对比铝合金1#
对比铝合金1#制备方法与铝合金3#相同，不同之处在于，对比铝合金1#中元素组成为Fe 0.3wt％，Cu 0.6wt％，其余为高纯Al。
对比例2对比铝合金2#
对比铝合金2#制备方法与铝合金6#相同，不同之处在于，对比铝合金2#中元素组成为Fe 0.4wt％，Si 0.6wt％，其余为高纯Al。
对比例3对比铝合金3#
对比铝合金3#与铝合金3#的元素组成相同，不同之处在于，对比铝合金3#的制备方法中步骤(2)的保温温度为710℃。
对比例4对比铝合金4#
对比铝合金4#与铝合金6#的元素组成相同，不同之处在于，对比铝合金4#的制备方法中步骤(2)在740℃下保温后不进行精炼。
实施例7性能表征
1.将铝合金1#-6#和对比铝合金1#-4#分别对各自端面取样，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，合金热裂倾向采用等长度热裂试样检测，热裂倾向采用热裂敏感系数评价，计算方法见下式
Figure BDA0003601103300000081
式中：Hsc为表征合金热裂倾向的热敏感系数，热敏感系数值越低则合金的热裂抗性越好，合金越不易产生热裂纹；Dcrit为浇注试棒的断裂临界直径，即热裂试棒中尺寸最大的试棒所对应的直径大小，25表示模具中试棒的固定端直径25mm。测试结果如表1所示。
表1铝合金1#-6#和对比铝合金1#-4#力学性能、电导率和Hsc测试结果
Figure BDA0003601103300000082
Figure BDA0003601103300000091
结果表明，采用本申请所限定的元素组分所制备的电机转子铝合金1#-6#具有优异的抗拉强度和屈服强度，力学性能优异，同时电导率仍能满足28MS/m及以上的需求，电导率良好，Hsc系数较低，表明具有良好的抗热裂倾向的性能，并且铝合金易于铸造；其中采用本申请所限定的具体元素比例的铝合金3#和铝合金6#的Hsc系数达到了1.10及以下，抗热裂倾向性能好。
对比铝合金1#中Fe与Cu的比例小于本申请所限定的比例，最终结果显示其强度等力学性能较差，抗拉强度和屈服强度均较低，Hsc系数较高，抗热裂倾向较差。
对比铝合金2#中Fe和Si的比例小于本申请所限定的范围，最终显示力学性能较差，抗热裂倾向差，具体分析为当Si含量大于Fe含量时，主要形成针状β-(Al5FeSi)相，而α-(Al8Fe2Si)相的强韧化效果比β-(Al5FeSi)相好，以β-(Al5FeSi)相为主合金的热裂倾向大。
对比铝合金3#中步骤(2)的保温温度较低，金属液不会充分融化，部分合金不会充分的融入金属液中，力学性能和抗热裂倾向性能受影响；对比铝合金4#中不进行精炼步骤，最终表明其强度、电导率和抗热裂倾向均较差，主要原因为反应生成的氧化夹渣及气体无法排除，夹渣破坏了金属基体的连续性，生成的气体在铸造中造成较大的孔隙，同样破坏了金属的连续性。
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 (10)

1.一种Al-Fe系三元电机转子合金，其特征在于，包括Fe 0.6-1.0wt％，Cu0.5-0.6wt％，其余为Al；
或包括Fe 0.6-1.0wt％，Si 0.3-0.5wt％，其余为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Fe系三元电机转子合金，其特征在于，由Fe0.8-1.0wt％，Cu 0.5wt％，其余为Al组成。
3.根据权利要求2所述的Al-Fe系三元电机转子合金，其特征在于，Al-Fe-Cu合金中，Fe与Cu的含量比为(1.6-2.0)：1。
4.根据权利要求1所述的Al-Fe系三元电机转子合金，其特征在于，由Fe0.8-1.0wt％，Si 0.4wt％，其余为Al组成。
5.根据权利要求4所述的Al-Fe系三元电机转子合金，其特征在于，Al-Fe-Si合金中，Fe与Si的含量比为(2.0-2.5)：1。
6.一种如权利要求1-5中任一所述的Al-Fe系三元电机转子合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，再加入称量好的Fe和Cu组分或称量好的Fe和Si组分，待其完全融化后，搅拌均匀；
(2)保持温度在730-750℃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，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温后即得Al-Fe系三元电机转子合金。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的熔炼温度为740-770℃；
步骤(3)中的预热温度720-740℃，离心转速为200-300r/min，浇铸温度为710-730℃。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹气体或加入熔体总质量0.5-1％的精炼剂，精炼时间为10-30min。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，气体为氮气或氩气，精炼剂为六氯乙烷。
10.一种如权利要求1-5中任一所述的Al-Fe系三元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，其屈服强度不小于50MPa，抗拉强度不小于100MPa，导电率不小于31MS/m。
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