CN107400807A - 一种动力电池外壳用铝合金及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动力电池外壳用铝合金及其加工方法。所述动力电池外壳用铝合金按重量百分比计，由包括以下的组分制备而成：Mn:1.1~1.8 wt.%；Cu:0.05~0.25 wt.%；Fe:0.1~0.3 wt.%；Si:0.05~0.2 wt.%；Mg:0.05~0.2 wt.%；Zr:0.01~0.10 wt.%；Ti:≤0.10 wt.%；余量为Al和不可避免的杂质。根据本发明实施例的动力电池外壳用铝合金，通过组成成分及工艺的优化，提高了材料的焊接、强度以及成形性能，适用于动力电池外壳。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属及金属加工领域，具体涉及一种动力电池外壳用铝合金及其加工方法。
背景技术
随着石油资源的减少以及汽车保有量的增加对环境污染的加剧，新能源汽车的优势越来越明显。不仅如此，国家产业政策也大力支持新能源汽车行业的发展。因此，新能源汽车行业已经进入了高速发展期。一般制造新能源汽车关键部件-动力电池外壳的铝合金为3003铝合金。该合金通常具有较佳的深冲、焊接及强度，但仍存在一些问题：激光焊接时易出现品质不良，如气孔和漏气；焊接熔池深度过大时（如超过0.3mm），焊池均匀性变差，易飞溅，严重影响壳体的密封性和电池安全性能。但随着电池容量增大及壳体壁厚的增加，熔池深度也必然会增加；深冲、焊接及强度三者之间存在相互影响，如提高强度则可能降低深冲性能。CN103409668A公开了一种动力电池壳体用Al-Mn合金，对Al-Mn合金的成分及微观组织进行了限制，具有较好的焊接性能，但材料的力学性能偏低；CN101910434A公开了一种动力电池壳体用1系铝合金，但该材料的力学性能过低，使用范围将受到极大限制；专利CN102206775A发明了一种用于动力电池外壳用的铝合金，为了提高材料的焊接性能，发明者降低了材料的强度性能。因此有必要开发一种兼顾强度、成形性能、焊接性能的动力电池外壳用铝合金及其相应的加工方法，以满足行业发展的需要。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种动力电池外壳用铝合金。
本发明还提供一种上述动力电池外壳用铝合金的加工方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种动力电池外壳用铝合金，按重量百分比计，由包括以下的组分制备而成：
Mn:1.1~1.8 wt.%；
Cu:0.05~0.25 wt.%；
Fe:0.1~0.3 wt.%；
Si:0.05~0.2 wt.%；
Mg:0.05~0.2 wt.%；
Zr:0.01~0.10 wt.%；
Ti:≤0.10 wt.%；
余量为Al和不可避免的杂质。
优选地，不可避免的杂质含量不超过0.10 wt.%，进一步优选地，不可避免的杂质含量不超过0.005 wt.%，最优选地，不可避免的杂质的含量为0 wt.%。本发明中所述不可避免的杂质指由生产造成的杂质。
进一步地，按质量比计，Mg/Si=0.9~1.1。
进一步地，粗大金属间化合物的面分数2%~5%，且间距为10~20微米。
进一步地，弥散金属间化合的面分数为1~3%，间距为1~3微米。
进一步地，所述粗大金属间化合物的尺寸大于1微米，所述弥散金属间化合的尺寸小于1微米。
本发明还包括一种动力电池外壳用铝合金加工方法，包括步骤：
S1，将组成成分与权利要求1-5任一项所述的动力电池外壳用铝合金相同的铸锭进行均匀化退火处理；
S2，再进行热轧，得热轧板；
S3，对热轧板进行冷轧，得冷轧板。
进一步地，步骤S1中，退火处理包括步骤：以40~80 °C/h的速度升到 400~440 °C保温 4~8小时，然后再以同样的升温速率升到590~640 °C并保温8~10小时。
进一步地，步骤S2中，以低于100 °C/小时速度降到500~540 °C进行热轧。
进一步地，在步骤S3后还包括步骤：S4，将冷轧板在350~430 °C保温1~3小时。
本发明所达到的有益效果：
Mn是该发明合金中的主要元素，其主要起固溶强化以及弥散强化的作用。Mn含量越高，强化效果越明显。但Mn含量过高，则由于形成大量难以控制分布的粗大金属间化合物，而使得材料成型性能下降，其成分在1.1~1.8 wt.%为宜；
Cu为微量添加元素，可通过固溶强化作用提高材料的强度。但其添加不宜过多，否则容易造成焊接裂纹倾向增加及增加材料成本。因此Cu 0.05~0.25 wt.%为宜；
Fe、Ti、Zr为微量添加元素，主要起控制晶粒的作用。但其含量不宜过多，否则一方面将形成大量粗大金属间化合物，不利于性能的提升；另一方面，其含量过多，也无法再有效的降低材料的晶粒。因此Fe 0.1~0.3 wt.%，Zr 0.01~0.10 wt.%，Ti≤0.10 wt.%为宜；
Si可与Al、Fe、Mn元素形成金属间化合物，有利于强度、成形性能及焊接性能，但其含量不宜过高，否则影响材料的成形性能，其含量应为Si 0.05~0.2 wt.%；Mg主要起固溶强化以及时效强化的作用，其含量应为 0.05~0.2 wt.%。同时Mg/Si质量比为0.9~1.1，有利于强化相的析出。
对以上合金需进行均火处理、轧制及退火处理。对铸锭进行均匀化退火以40~80 °C/h的速度升到 400~440 °C保温 4~8小时，然后再以同样的升温速率升到590~640 °C并保温8~10小时；然后以低于100 °C/小时速度降到500~540 °C进行热轧，并对热轧板进行冷轧；冷轧板在350~430°C保温1~3小时。均火过程中，控制升温速率以及设置低、高温度均火平台的目的是为了促进粗大金属间化合物（尺寸大于1微米）的转变以及弥散金属间化合物（尺寸小于1微米）的析出和长大。通过以上的均火热处理，可使粗大金属间化合物（尺寸大于1微米）的面分数2%~5%，且间距为10~20微米；弥散金属间化合（尺寸小于1微米）的面分数为1~3%，间距为1~3微米。该分布特征的金属间化合物，可使得材料在激光焊接过程中的吸收率增加，即较小的激光功率下，即可达到较大的熔深，避免了焊接不良（如飞溅等）的发生。同时也由于金属间化合物有效的Orowan作用而提高强度及成形性能；冷轧板在350~430°C保温1~3小时，主要为了改善材料的成形性能。同时在合适的Mg/Si条件下（如本专利的0.9~1.1），在退火过程中，将会有适量的强化相形成，进一步提高材料强度。当然该强化相在后续的焊接过程中将溶解，但在焊件冷却过程中，仍会析出并再次强化材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例的动力电池外壳用铝合金，按重量百分比计，由包括以下的组分制备而成：
Mn 1.2 wt.%，Cu 0.2 wt.%，Fe 0.25 wt.%，Si 0.15 wt.%，Mg 0.16 wt.%，Zr 0.01wt.%，Ti 0.03 wt.%，余量为Al和不可避免的杂质，且Mg/Si质量比为0.9~1.1。
本实施例的动力电池外壳用铝合金通过以下加工方法制备而成，包括步骤：
S1.对组成成分与上述动力电池外壳用铝合金相同的铸锭进行均匀化退火，退火处理包括步骤：以63 °C/h的速度升到 420 °C保温 5小时，然后再以同样的升温速率升到620 °C并保温9小时；
S2.然后以低于100 °C/小时速度降到500 °C进行热轧，得热轧板；
S3.对热轧板进行冷轧，得冷轧板；
S4. 将冷轧板在350 °C保温3小时。
实施例2
本实施例的动力电池外壳用铝合金，按重量百分比计，组成元素如下：
Mn 1.4 wt.%，Cu 0.12 wt.%，Fe 0.23 wt.%，Si 0.11 wt.%，Mg 0.12 wt.%，Zr 0.10wt.%，Ti 0.02 wt.%，余量为Al。
本实施例的动力电池外壳用铝合金通过以下加工方法制备而成，包括步骤：
S1.对组成成分与上述动力电池外壳用铝合金相同的铸锭进行均匀化退火，退火步骤包括：以80 °C/h的速度升到 440 °C保温 4小时，然后再以同样的升温速率升到590 °C并保温10小时；
S2.然后以低于100 °C/小时速度降到540 °C进行热轧，得热轧板；
S3.对热轧板进行冷轧，得冷轧板；
S4.将冷轧板在430 °C保温1小时。
实施例3
本实施例的动力电池外壳用铝合金，按重量百分比计，组成元素如下：
Mn 1.8 wt.%，Cu 0.25 wt.%，Fe 0.3 wt.%，Si 0.05 wt.%，Mg 0.05 wt.%，Zr 0.05wt.%，Ti 0.10 wt.% ，余量为Al。
本实施例的动力电池外壳用铝合金通过以下加工方法制备而成，包括步骤：
S1.对组成成分与上述动力电池外壳用铝合金相同的铸锭进行均匀化退火，退火步骤包括：以40 °C/h的速度升到 400 °C保温 8小时，然后再以同样的升温速率升到640 °C并保温8小时；
S2.然后以低于100 °C/小时速度降到500 °C进行热轧，得热轧板；
S3.对热轧板进行冷轧，得冷轧板；
S4.将冷轧板在400 °C保温2小时。
实施例4
本实施例的动力电池外壳用铝合金，按重量百分比计，组成元素如下：
Mn 1.3 wt.%，Cu 0.05 wt.%，Fe 0.3 wt.%，Si 0.2 wt.%，Mg 0.2 wt.%，Zr 0.02wt.%，Ti 0.05 wt.% ，余量为Al。
本实施例的动力电池外壳用铝合金通过以下加工方法制备而成，包括步骤：
S1.对组成成分与上述动力电池外壳用铝合金相同的铸锭进行均匀化退火，退火步骤包括：以50 °C/h的速度升到 420 °C保温 6小时，然后再以同样的升温速率升到610 °C并保温9小时；
S2.然后以低于100 °C/小时速度降到530 °C进行热轧，得热轧板；
S3.对热轧板进行冷轧，得冷轧板；
S4.将冷轧板在410 °C保温1.5小时。
实施例5
本实施例的动力电池外壳用铝合金，按重量百分比计，组成元素如下：
Mn 1.36 wt.%，Cu 0.16 wt.%，Fe 0.21 wt.%，Si 0.12 wt.%，Mg 0.11 wt.%，Zr 0.03wt.%，Ti 0.03 wt.% ，余量为Al。
本实施例的动力电池外壳用铝合金通过以下加工方法制备而成，包括步骤：
S1.对组成成分与上述动力电池外壳用铝合金相同的铸锭进行均匀化退火，退火步骤包括：以70 °C/h的速度升到 410 °C保温 6小时，然后再以同样的升温速率升到620 °C并保温9小时；
S2.然后以低于100 °C/小时速度降到515 °C进行热轧，得热轧板；
S3.对热轧板进行冷轧，得冷轧板；
S4.将冷轧板在410°C保温3小时。
比较例1
本对比例的动力电池外壳用铝合金，按重量百分比计，组成元素如下：
Mn 0.8 wt.%，Cu 0.02 wt.%，Fe 0.6 wt.%，Si 0.09 wt.%，Mg 0.02 wt.%，Ti 0.02wt.%，余量为Al。
本对比例的动力电池外壳用铝合金加工方法包括以下步骤：
对组成成分与本对比例动力电池外壳用铝合金相同的铸锭进行均匀化退火，退火步骤包括：在600 °C并保温9小时；然后以120 °C/小时速度降到500 °C；然后进行热轧，得热轧板；并对热轧板进行冷轧，得冷轧板；冷轧板在410°C保温3小时。
比较例2
本对比例的动力电池外壳用铝合金，按重量百分比计，组成元素如下：
Mn 2.1 wt.%，Cu 0.36 wt.%，Fe 0.61 wt.%，Si 0.25 wt.%，Mg 0.15 wt.%，Ti 0.23wt.% ，余量为Al。
本对比例的动力电池外壳用铝合金加工方法包括以下步骤：
对组成成分与本对比例动力电池外壳用铝合金相同的铸锭进行均匀化退火，退火步骤包括：以70 °C/h的速度升到 410 °C保温 6小时，然后再以同样的升温速率升到620 °C并保温9小时；然后以低于100 °C/小时速度降到515 °C进行热轧，得热轧板；并对热轧板进行冷轧，得冷轧板；冷轧板在410°C保温3小时。
比较例3
本对比例的动力电池外壳用铝合金，按重量百分比计，组成元素如下：
Mn 2.1 wt.%，Cu 0.36 wt.%，Fe 0.11 wt.%，Si 0.25 wt.%，Mg 0.15 wt.%，Ti 0.23wt.% ，余量为Al。
本对比例的动力电池外壳用铝合金加工方法包括以下步骤：
对组成成分与本对比例动力电池外壳用铝合金相同的铸锭进行均匀化退火在600 °C并保温9小时；然后以120 °C/小时速度降到500 °C进行热轧，得热轧板；并对热轧板进行冷轧，得冷轧板；然后将冷轧板在410°C保温3小时。
表1示意了实施例及比较例中所得动力电池外壳用铝合金的性能，表2示意了合金的组织特征。
表1实施例及比较例中合金的性能结果
表2实施例及比较例中合金组织特征
如表1及表2所示，本发明通过成分及工艺优化，可使得材料具有较佳的组织及最终的综合性能，是用于动力电池外壳的理想材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种动力电池外壳用铝合金，其特征在于，按重量百分比计，由包括以下的组分制备而成：
Mn:1.1~1.8 wt.%；
Cu:0.05~0.25 wt.%；
Fe:0.1~0.3 wt.%；
Si:0.05~0.2 wt.%；
Mg:0.05~0.2 wt.%；
Zr:0.01~0.10 wt.%；
Ti:≤0.10 wt.%；
余量为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的动力电池外壳用铝合金，其特征在于，按质量比计，Mg/Si=0.9~1.1。
3.根据权利要求1所述的动力电池外壳用铝合金，其特征在于，粗大金属间化合物的面分数2%~5%，且间距为10~20微米。
4.根据权利要求3所述的动力电池外壳用铝合金，其特征在于，弥散金属间化合的面分数为1~3%，间距为1~3微米。
5.根据权利要求4所述的动力电池外壳用铝合金，其特征在于，所述粗大金属间化合物的尺寸大于1微米，所述弥散金属间化合的尺寸小于1微米。
6.一种动力电池外壳用铝合金加工方法，其特征在于，包括步骤：
S1，将组成成分与权利要求1-5任一项所述的动力电池外壳用铝合金相同的铸锭进行均匀化退火处理；
S2，再进行热轧，得热轧板；
S3，对热轧板进行冷轧，得冷轧板。
7.根据权利要求6所述的动力电池外壳用铝合金加工方法，其特征在于，步骤S1中，退火处理包括步骤：以40~80 °C/h的速度升到 400~440 °C保温 4~8小时，然后再以同样的升温速率升到590~640 °C并保温8~10小时。
8.根据权利要求7所述的动力电池外壳用铝合金加工方法，其特征在于，步骤S2中，以低于100 °C/小时速度降到500~540 °C进行热轧。
9.根据权利要求6或8所述的动力电池外壳用铝合金加工方法，其特征在于，在步骤S3后还包括步骤：S4，将冷轧板在350~430 °C保温1~3小时。
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