CN114959388B - 一种Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种Al‑Cu‑Mg‑Ag型电机转子铝合金及其制备方法和应用，属于新能源汽车电机技术领域，包括Cu 0.3‑1.0wt％，Mg 0.1‑0.3wt％，Ag0.1‑0.3wt％，其余为Al。本申请通过限定铸造铝合金添加的元素及各元素添加比例，能够在保证电导率和抗拉强度等力学性能良好的情况下，使铝合金具有良好的耐热性能，抗高温蠕变性能良好，并且生产成本低，适于工业化推广。

Description

一种Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及一种Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝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，性价比低，另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，耐热性差，或电导率低，其他性能良好的情况，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-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金及其制备方法和应用，通过限定铸造铝合金添加的元素及各元素添加比例，能够在保证电导率和抗拉强度等力学性能良好的情况下，使铝合金具有良好的耐热性能，抗高温蠕变性能良好，并且生产成本低，适于工业化推广。
根据本申请的一个方面，提供了一种Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金，包括Cu0.3-1.0wt％，Mg 0.1-0.3wt％，Ag 0.1-0.3wt％，其余为Al。
优选地，所述Al为高纯Al，纯度大于99.8％。
可选地，Al-Cu-Mg-Ag合金中，Cu、Mg与Ag的含量比为(3-4)：(1-2)：(1-2)。
可选地，Al-Cu-Mg-Ag合金中，Cu、Mg与Ag的含量比为4：1：1。
根据本申请的另一个方面，还提供了一种上述Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝锭放置在熔炼炉中，加热使其熔融，先加入称量好的Cu和Ag组分，待其完全融化后，再加入Mg组分，搅拌均匀；
(2)保持温度在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，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温；
(4)对步骤(3)得到的合金进行热处理，热处理后即得Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金。
可选地，步骤(1)中的加热温度为710-750℃；步骤(3)中的预热温度710-740℃，离心转速为200-300r/min，浇铸温度为715-730℃。
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，步骤(4)热处理的步骤为将步骤(3)得到的合金一次升温至450-550℃，保温后进行水冷淬火，然后二次升温至160-200℃，保温后空气冷却至室温。
可选地，一次升温的升温速率为80-120℃/h，保温时间为6-10h；二次升温的升温速率为90-110℃/h，保温时间为15-20h。
可选地，水冷淬火转移时间小于20s，水冷淬火的冷却速度为25-35℃/s，空气冷却的冷却速度为2-4℃/min。
根据本申请的又一个方面，提供了一种上述Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金或上述制备方法制备得到的Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金的应用，其适用于新能源汽车电机转子。
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-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金，通过限定铸造铝合金添加的元素及各元素添加比例，能够在保证电导率和抗拉强度等力学性能良好的情况下，使铝合金具有良好的耐热性能，抗高温蠕变性能良好，并且生产成本低，适于工业化推广。
2.根据本申请的Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金，通过限定Al-Cu-Mg-Ag合金中具体元素比例，Cu、Mg与Ag的含量比为(3-4)：(1-2)：(1-2)，使合金中主要形成S’(Al2CuMg)相和Ω’(Al2Cu)相，S’(Al2CuMg)相有助于提升合金的强度和电导率，Ω’(Al2Cu)相有利于提高合金的强度和耐热性，从而使得Al-Cu-Mg-Ag合金既具备良好的电导率和强度等力学性能，同时还具备良好的耐热性。
3.根据本申请的Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金的制备方法，通过限定元素加入顺序，能够减少Mg元素的氧化损失，通过在离心铸造后再进行热处理，限定一次升温至较高温度，能够促进一部分合金元素固溶于基体内部，在通过水冷淬火、二次升温，使部分Ω’(Al2Cu)相弥散析出，增强了合金高温的稳定性，再通过人工时效使合金中细小的相细化析出，提高合金的强度，从而使合金具备优异的综合性能。
4.根据本申请的Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金的制备方法，通过限定离心铸造的条件、精炼和热处理方法，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高温蠕变性能，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：Cu 0.3wt％，Mg 0.1wt％，Ag 0.1wt％，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，先加入称量好的Cu和Ag组分，待其完全融化后，再加入Mg组分，搅拌均匀；
(2)保持温度在720℃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；
(4)对步骤(3)得到的合金进行热处理，热处理后即得铝合金1#。
其中，步骤(1)中的加热温度为710℃；步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹氮气，精炼时间为10min；步骤(3)中的预热温度710℃，离心转速为200r/min，浇铸温度为715℃；步骤(2)中的静置时间为50min；步骤(4)热处理的步骤为将步骤(3)得到的合金一次升温至450℃，保温后进行水冷淬火，然后二次升温至160℃，保温后空气冷却至室温；一次升温的升温速率为80℃/h，保温时间为6h；二次升温的升温速率为90℃/h，保温时间为15h；水冷淬火转移时间为15s，水冷淬火的冷却速度为25℃/s，空气冷却的冷却速度为2℃/min。
实施例2铝合金2#的制备
铝合金2#的组成为：Cu 1.0wt％，Mg 0.3wt％，Ag 0.3wt％，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，先加入称量好的Cu和Ag组分，待其完全融化后，再加入Mg组分，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；
(4)对步骤(3)得到的合金进行热处理，热处理后即得铝合金2#。
其中，步骤(1)中的加热温度为750℃；步骤(2)中精炼的方法为旋转喷吹氩气，精炼时间为30min；步骤(3)中的预热温度740℃，离心转速为300r/min，浇铸温度为730℃；步骤(2)中的静置时间为40min；步骤(4)热处理的步骤为将步骤(3)得到的合金一次升温至550℃，保温后进行水冷淬火，然后二次升温至200℃，保温后空气冷却至室温；一次升温的升温速率为120℃/h，保温时间为10h；二次升温的升温速率为110℃/h，保温时间为20h；水冷淬火转移时间为18s，水冷淬火的冷却速度为35℃/s，空气冷却的冷却速度为4℃/min。
实施例3铝合金3#的制备
铝合金3#的组成为：Cu 0.4wt％，Mg 0.2wt％，Ag 0.2wt％，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，先加入称量好的Cu和Ag组分，待其完全融化后，再加入Mg组分，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；
(4)对步骤(3)得到的合金进行热处理，热处理后即得铝合金3#。
其中，步骤(1)中的加热温度为730℃；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20min；步骤(3)中的预热温度730℃，离心转速为250r/min，浇铸温度为720℃；步骤(2)中的静置时间为30min；步骤(4)热处理的步骤为将步骤(3)得到的合金一次升温至500℃，保温后进行水冷淬火，然后二次升温至180℃，保温后空气冷却至室温；一次升温的升温速率为100℃/h，保温时间为8h；二次升温的升温速率为100℃/h，保温时间为18h；水冷淬火转移时间为15s，水冷淬火的冷却速度为30℃/s，空气冷却的冷却速度为3℃/min。
实施例4铝合金4#的制备
铝合金4#的组成为：Cu 0.4wt％，Mg 0.1wt％，Ag 0.1wt％，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，先加入称量好的Cu和Ag组分，待其完全融化后，再加入Mg组分，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；
(4)对步骤(3)得到的合金进行热处理，热处理后即得铝合金4#。
其中，步骤(1)中的加热温度为730℃；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20min；步骤(3)中的预热温度730℃，离心转速为250r/min，浇铸温度为720℃；步骤(2)中的静置时间为30min；步骤(4)热处理的步骤为将步骤(3)得到的合金一次升温至500℃，保温后进行水冷淬火，然后二次升温至180℃，保温后空气冷却至室温；一次升温的升温速率为100℃/h，保温时间为8h；二次升温的升温速率为100℃/h，保温时间为18h；水冷淬火转移时间为15s，水冷淬火的冷却速度为30℃/s，空气冷却的冷却速度为3℃/min。
对比例1对比铝合金1#
对比铝合金1#制备方法与铝合金4#相同，不同之处在于，对比铝合金1#中元素组成为Cu 0.5wt％，Mg 0.5wt％，Ag 0.5wt％，其余为Al。
对比例2对比铝合金2#
对比铝合金2#与铝合金4#的元素组成相同，不同之处在于，对比铝合金2#的制备方法中步骤(2)的保温温度为700℃。
对比例3对比铝合金3#
对比铝合金3#与铝合金4#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)在730℃下保温后不进行精炼。
对比例4对比铝合金4#
对比铝合金4#与铝合金4#的元素组成相同，不同之处在于，对比铝合金4#的制备方法中不进行热处理。
实施例5性能表征
1.将铝合金1#-4#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，耐热性实验在RD2-3型高温蠕变及持久强度试验机上进行，实验温度200℃，载荷240MPa，测定合金持久时间。各项测试结果如表1所示。
表1力学性能、电导率和耐热性测试结果
Figure BDA0003601093680000081
Figure BDA0003601093680000091
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#-4#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29MS/m及以上的需求，电导率良好，并且高温持久性能良好；其中采用本申请所限定的具体元素比例的铝合金4#持久时间达到了275h，表明抗高温蠕变性能好。
对比铝合金1#中Cu、Mg和Ag的比例超出了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，高温持久时间较短，抗高温蠕变性能较差。对比铝合金2#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，力学性能和抗高温蠕变性能受影响；对比铝合金3#中不进行精炼步骤，最终表明其强度、电导率和抗高温蠕变性能均较差，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；对比铝合金4#中不进行热处理步骤，最终表明其强度、电导率和抗高温蠕变性能均差。
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 (9)

1.一种Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金，其特征在于，包括Cu 0.3-1.0wt％，Mg 0.1-0.3wt％，Ag 0.1-0.3wt％，其余为Al；
Al-Cu-Mg-Ag合金中，Cu、Mg与Ag的含量比为(3-4)：(1-2)：(1-2)。
2.根据权利要求1所述的Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金，其特征在于，Al-Cu-Mg-Ag合金中，Cu、Mg与Ag的含量比为4：1：1。
3.一种如权利要求1-2中任一所述的Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金的制备方法，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，先加入称量好的Cu和Ag组分，待其完全融化后，再加入Mg组分，搅拌均匀；
(2)保持温度在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，等合金凝固后，浇铸设备停止旋转，自然冷却至室温；
(4)对步骤(3)得到的合金进行热处理，热处理后即得Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的加热温度为710-750℃；步骤(3)中的预热温度710-740℃，离心转速为200-300r/min，浇铸温度为715-730℃。
5.根据权利要求3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。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)热处理的步骤为将步骤(3)得到的合金一次升温至450-550℃，保温后进行水冷淬火，然后二次升温至160-200℃，保温后空气冷却至室温。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，一次升温的升温速率为80-120℃/h，保温时间为6-10h；二次升温的升温速率为90-110℃/h，保温时间为15-20h。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，水冷淬火转移时间小于20s，水冷淬火的冷却速度为25-35℃/s，空气冷却的冷却速度为2-4℃/min。
9.一种如权利要求1-2所述的Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金或权利要求3-8任一项所述的制备方法制备得到的Al-Cu-Mg-Ag型电机转子铝合金的应用，其特征在于，其适用于新能源汽车电机转子。
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