一种高导电铸造铝合金及异步电机转子

技术领域

本发明属于铸造铝合金技术领域，具体涉及一种高导电铸造铝合金及新能源汽车电机铸铝转子。

背景技术

铝具有导电性高、导热性好、密度小、价格低、资源丰富等优点，逐渐被选择应用于制造新能源汽车的电机转子，代替铜材料，以实现降低成本和轻量化的目标。新能源汽车的关键零部件异步电机转子多采用99.7％纯铝铸造而成，但纯铝强度低，随着人们对汽车加速性能的要求不断提高，要求电机具备更高的转速从而提高输出功率，高速旋转(＞2万转/分钟)的电机因纯铝导条强度不够存在断条的风险。专利WO2020028730A1中给出了一种Al-Ni系高导电铸造铝合金用于异步电机转子，Ni含量为4～6wt％，镍价昂贵(约是铝价的7倍)，导致该铝合金的原材料价格上升了约35％，价格上升明显，不利于大规模应用。

99.7％纯铝的电导率约为59～62％IACS，但是99.7％纯铝的强度低，不适合应用于导电电极转子。传统铸造铝合金(ADC12、A380等)含有大量Si、Mn、Mg、Cu等杂质元素，导致铝合金导电性大大降低，尤其是Mn元素损伤电导率更严重，传统铸造铝合金的电导率仅约为30％IACS。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中铸造铝合金作为电机转子电导率低、成本高，纯铝作为电机转子强度低的技术问题，本发明提供一种高导电铸造铝合金及异步电机转子。

为解决上述技术问题，本申请提供一种高导电铸造铝合金，以所述铝合金为100％计，包括以下元素组分：

Fe：1.0wt％～3.0wt％；

B：0.005wt％～0.04wt％；

Mg：0.001wt％～0.1wt％；

Si：＜0.5wt％；

Ni：0.001wt％～1.0wt％；

其它元素的总量：＜0.004wt％，且单个其它元素含量＜0.001wt％；

其余为Al。其它元素为杂质元素，主要包括Mn、Cr、V、Ti、Ga、Zn、Cu、Sr、Zr、Ca中的一种或多种，且单个其它元素的含量都小于0.001wt％。

优选的，所述铝合金中Fe的含量为1.4wt％～1.8wt％。

所述铝合金中Si的含量＜0.1wt％。优选的，所述铝合金中Mg的含量为0.05wt％～0.1wt％；所述Si的含量为0.05wt％～0.1wt％。

优选的，所述铝合金中Mg与Si的质量比为9:10～12:10。

优选的，所述铝合金中Ni的含量≤0.5wt％。

优选的，所铝合金还包括RE元素，所述RE含量为0.001～0.5wt％。

优选的，所述铝合金中其它元素包括Mn，所述Mn的含量＜0.001wt％。

所述铝合金中其它元素还包括Cr，所述Cr的含量＜0.001wt％。

优选的，所述铝合金的电导率＞55％IACS。

优选的，所述高导电铸造铝合金的屈服强度＞70Mpa，抗拉强度＞130Mpa，延伸率＞15％。

另一方面，本申请提供一种异步电机转子，所述异步电机转子由上述所述的高导电铸造铝合金铸成。

本申请提供的高导电铸造铝合金以铁元素为合金主体元素，不仅对铝基材料的导电性影响较小，且与铝形成Al

附图说明

图1是硅含量0.3％的高导电铝合金压铸平板试样；

图2是硅含量0.6％的高导电铝合金压铸平板试样；

图3是图2中铝合金压铸平板试样裂纹放大图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本申请提供一种高导电铸造铝合金，以所述铝合金为100％计，包括以下元素组分：

Fe：1.0wt％～3.0wt％；

B：0.005wt％～0.04wt％；

Mg：0.001wt％～0.1wt％；

Si：＜0.5wt％；

Ni：0.001wt％～1.0wt％；

其它元素的总量：＜0.004wt％，且单个其它元素含量＜0.001wt％；

其余为Al。

本申请中的其它元素是杂质元素，主要包括Mn、Cr、V、Ti、Ga、Zn、Cu、Sr、Zr、Ca中的一种或多种，且单个其它元素的含量都小于0.001wt％。如其它元素若包括Mn、V、Cr、Cu四种元素，这四种元素在铝合金中的含量都小于0.001wt％，即Mn＜0.001wt％，V＜0.001wt％，Cr＜0.001wt％，Cu＜0.001wt％；同时Mn、V、Cr、Cu四种元素的整体含量小于0.004wt％。

本申请提供的高导电铸造铝合金以铁元素为合金主体元素，不仅对铝基材料的导电性影响较小，且与铝形成Al

在其他具体的实施例中，所述Fe可以选自1.0wt％、1.3wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.8wt％、1.9wt％、2.1wt％、2.5wt％、2.8wt％或3.0；所述B的含量可以选自0.007wt％、0.01wt％、0.015wt％、0.019wt％、0.02wt％、0.024wt％、0.026wt％、0.029wt％、0.034wt％、0.038wt％或0.04wt％；所述Mg可以选自0.001wt％、0.008wt％、0.012wt％、0.024wt％、0.029wt％、0.034wt％、0.038wt％、0.045wt％、0.05wt％、0.056wt％、0.061wt％、0.075wt％、0.080wt％、0.086wt％、0.09wt％、0.095wt％或0.1wt％；所述Si可以选自0.45wt％、0.40wt％、0.35wt％、0.25wt％、0.3wt％、0.2wt％、0.1wt％、0.15wt％、0.25wt％、0.05wt％或0.01wt％；所述Ni可以选自0.005wt％、0.03wt％、0.06wt％、0.08wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.7wt％、0.9wt％或1.0wt％。

需要说明的是，所述压铸铝合金中，各元素并非单独作用，而是存在相关联的作用，任一元素的增加或减少均可能导致其他元素作用效果的改变，进而导致压铸铝合金整体性能的变化，以下，通过具体的实施例对本发明中元素的相互关系进行说明：

在一些实施例中加入了对铝合金导电性能影响较小的Fe元素，加入1.0wt％～3.0wt％的Fe元素，以Fe元素作为主体合金元素，Fe在铝合金中能够与Al共晶析出，形成Al

在铝合金中加入0.005wt％～0.04wt％B元素，微量硼元素能够去除铝合金中的杂质元素，使得硼和Cr、Mn、V、Ti等杂质形成不溶化合物从固溶体中析出，从而减小晶格变形，降低电阻率，提高铝合金的延伸率和导电性。

本申请提供的铝合金，电导率紧略微低于纯铝。传统铸造铝合金(ADC12、A380等)大多加入Si、Mn、Mg、Cu等元素，会导致铝合金材料的导电性能降低，尤其是铝合金中的Mn元素会损失铝材料的电导率。本申请是采用微量的硼元素能够除去铝材料本身含有的Mn、V、Ti、Cr等杂质，降低铝合金电阻率，利用对铝基材的电导率影响较小的Fe元素作为主体元素，两者协同，实现铝合金材料电导率大于55％IACS。现有的压铸铝合金的电导率仅为30％IACS，99.7％纯铝的电导率约为59～62％IACS，本申请提供高导电铸造铝合金的电导率仅比纯铝的电导率略低且远高于现有的压铸铝合金的电导率。

在一些实施例中，所述铝合金中其它元素包括Mn，所述Mn的含量＜0.001wt％。在铝合金中加入0.005wt％～0.04wt％B元素，微量的B元素除去Mn杂质，使得铝合金中的Mn元素杂质的含量＜0.001wt％，从而有效降低铝合金的电阻率，提高铝合金的导电性。

在一些实施例中，所述铝合金中其它元素还包括Cr，所述Cr的含量＜0.001wt％。铝合金中含量微量Cr杂质，减少铝合金晶格变形，有效提高铝合金的延伸率，增加铝合金的用途。

本申请提供的铝合金强度高于纯铝的一倍。铝合金中加入的Fe元素，不仅能提升铝合金的电导率，同时Fe与Al析出的Al

在铝合金中加入0.001wt％～0.1wt％Mg和＜0.5wt％Si，微量元素Si和Mg形成具有强化效果的Mg

在一些实施例中，铝合金中Mg的含量为0.05wt％～0.1wt％；所述Si的含量为0.05wt％～0.1wt％；因铝合金中加入的Mg、Si影响铝合金的导电性，若加入的Mg、Si元素较多，会降低铝合金的电导率。本申请控制铝合金中的Mg元素和Si元素的添加量在0.05～0.1wt％之间，尽可能降低铝合金中Mg元素、Si元素的含量，在提高铝合金的抗拉性能的同时，减少对铝合金导电性的影响。

在一些优选的实施例中，铝合金中Mg的含量为0.05wt％～0.1wt％；所述Si的含量为0.05wt％～0.1wt％，且所述铝合金中Mg与Si的质量比范围满足为9:10～12:10，在此质量比范围内，Si和Mg更有利于生成具有强化效果的Mg

本申请中的铝合金元素还包括0.001wt％～1.0wt％Ni，Ni元素与Fe元素和铝形成AlFeNi强化相，Ni和铝形成AlNi强化相，两种强化相都能达到强化效果。

现有的用于异步电机转子的Al-Ni体系高导电铸造铝合金，Ni的含量为4～6wt％，镍的价格约为铝价格的七倍，使得该Al-Ni体系高导电铸造铝合金原材料价格上升了35％，不利于该材料大规模应用。本申请采用的Al-Fe体系的高导电铝合金，铁元素为主体元素，且铁价格远低于镍的价格，Al-Fe体系合金材料成本低，适合大规模推广应用。本申请控制镍的质量含量最高为1.0wt％，进一步的，在一些优选实施例中，所述铝合金中Ni的含量≤0.5wt％；不仅能够降低高导电铸造铝合金的成本，还能通过加入微量的镍提升铝合金的强度。

在一些实施例中，所铝合金还包括RE元素，所述RE含量为0.001～0.5wt％；RE稀土元素，具有净化溶体、细化晶粒、提升铝合金强度的作用。

在一些实施例中，所述高导电铸造铝合金的屈服强度＞70Mpa，抗拉强度＞130Mpa，延伸率＞15％。

现有技术中，纯铝的电导率高于铝合金的电导率，但其强度则远低于合金产品。铝合金材料中的杂质含量及其存在状态、第二相形貌及存在形式、合金宏观及微观组织缺陷等都对导体导电性及力学性能产生显著影响。如Al99.7，电导率大于59％IACS，但其屈服强度仅有30～40MPa，难以满足大多应用工况；通用压铸铝合金牌号ADC12屈服强度较高约180MPa，但其电导率小于30％IACS；6101、6082等经T6处理后具有较高的导电性能，但其成型方式多采用挤压、轧制、锻造等，不适合铸造成型的复杂零件。本发明提供一种高导电铸造铝合金，可通过铸造、低压铸造、离心铸造、挤压铸造、半固态压铸、压力铸造等工艺形成产品；且通过高导电铸造铝合金铸成产品具有屈服强度＞70Mpa，抗拉强度＞130Mpa，延伸率＞15％的特性，能够满足使用要求。

另一方面，本申请提供一种异步电机转子，所述异步电机转子由上述所述的高导电铸造铝合金铸成。

本申请提供的异步电机转子具有屈服强度＞70Mpa，抗拉强度＞130Mpa，延伸率＞15％的特性，能够满足汽车关键零部件异步电机转子对铸造铝合金的导电性、强度等要求。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的高导电铸造铝合金及异步电机转子进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例

通过低压铸造法铸造具有如下表1中列出的实施例1-实施例18、对比例1-对比例11不同组分的几种高导电铸造铝合金。铸造后，以相同的测试方式对实施例1-18、对比例1-11的铝合金测试其合金的性能，测试结果如表2。

表1实施例1-18、对比例1-11铝合金组分

性能测试

对上述实施例1-18和对比例1-11制备得到的铝合金进行如下性能测试：

采用《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》测试材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率。

从上述成分中制备得到的铝合金压铸平板试样，采用型号为CMT5105的电子万能试验机进行拉伸性能测试，标距为50mm，加载速率为2mm/min，记录测量数据，每个配方点测试六根样件，其中屈服强度、抗拉强度与延伸率为六个数据的平均值，屈服强度的相对标准偏差为6个屈服强度数据的标准偏差与平均值的比值百分数，抗拉强度的相对标准偏差为6个抗拉强度数据的标准偏差与平均值的比值百分数；得到的测试结果填入表2。

采用GB/T 12966-2008规定的铝合金电导率涡流测试方法测试铝合金的导电性。

铝合金导电性测试：

测试使用的导电仪是频率为60kHz的涡流电导仪；

试件的测试：测试时，将导电仪的探头放在从上述成分中制备得到的铝合金压铸平板试样上，探头与测试面紧密接触，微摆探头，仪器指针偏摆最大值当作探头在上的正确位置，用电导率刻度盘平衡该值示零，读出平板试样上的电导率。分别在平板试样上测试至少3个位置的电导率值，并取平均值，得到真实电导率值，得到的测试数据见表2。铝合金压铸开裂判定标准依据GB/T15114-94中3.5规定标准判定，3.5.2规定铸件不允许有裂纹。压铸开裂是否有裂纹，可以通过肉眼检测。

表2实施例1-18、对比例1-11铝合金测试性能

通过表1-2知，实施例1-4、实施例7是合金中Fe含量单一对比，在Fe含量在1.4-1.8之间，随着Fe含量增加，铝合金的屈服强度、抗拉强度、电导率逐渐增大，Fe含量为2.1％时，铝合金的电导率降低；对比例4-5与实施例1对比，Fe含量小于1.0％，电导率虽然大于55％IACS，但制备得到的铝合金屈服强度明显低于实施例1；Fe含量大于3.0％，铝合金的屈服强度虽然较高，但是电导率降低幅度较大；说明铝合金中加入Fe在1％-3％之间，不仅能提升铝合金的屈服强度，且能降低对铝合金的电导性的影响；Fe含量在1.4％-1.8％之间，铝合金具有较高的屈服强度和电导率。

实施例1、实施例8-9对比知，随着B含量的增加，铝合金电导率增加，但铝合金的延伸率也逐渐降低；实施例1、8-9与对比例8对比，B含量小于0.005％，铝合金的电导率小于55％IACS；说明铝合金中加入B的含量在0.005％-0.04％之间，能提高铝合金的电导率，增强延伸率；B含量低于0.005％，无法去除铝合金的杂质元素，同时也影响电导率。

实施例1、5、17和对比例9对比，Ni含量在0.001％～1％之间，随着Ni含量的增加，铝合金的屈服强度和抗拉强度逐渐增加，延伸率逐渐降低，导电率也逐渐降低；Ni含量大于1％，铝合金电导率小于55％ICAS，Ni含量小于0.001％，铝合金的屈服强度小于70MPa。

由实施例1、10、12、15、16和对比例3对比知，铝合金中加入硅含量大于0.5％，压铸铝合金表面具有裂纹；在0.05-0.1％之间，铝合金具有更高的抗拉强度。实施例1、10-16和对比例1对比，Mg含量在0.001％-0.1％之间，铝合金具有较高的抗拉强度、屈服强度，电导率也高于55％ICAS，Mg含量大于0.1％，铝合金延伸率大大降低，且导电性降低。实施例1、10-16对比，Mg、Si含量的比值超出0.9-1.2的铝合金抗拉强度低于Mg和Si含量的比值在0.9-1.2之间的铝合金抗拉强度。说明在铝合金中加入硅含量低于0.5％，能够保证压铸铝合金无裂纹；铝合金中加入0.001％-0.1％含量的Mg和质量含量小于0.5％的Si，有助于提高铝合金的抗拉强度；尤其是Mg和硅的含量都在0.05％-0.1％之间，能进一步提高铝合金的抗拉强度、且不明显影响合金的电导率；同时在于Mg和Si含量的比值在0.9-1.2之间的铝合金抗拉强度更高。

实施例6、18、和对比例10、11对比，当RE含量低于0.001％，铝合金的电导率降低、强度降低，说明RE含量低，无法起到净化溶体、细化晶粒、提升铝合金性能作用；当RE含量高于0.5％，铝合金的电导率降低、强度也降低。铝合金中加入0.001％-0.5％的RE，能够提高铝合金的屈服强度和抗拉强度。实施例1和对比例2、6、7对比，铝合金中含有的杂质Mn、Cr的的含量高于0.001％，降低铝合金的电导率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。