CN110373580A - 一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材，其特征在于原料中各合金元素的质量百分含量为：Si 1.11‑1.30％，Mg 0.70‑0.90％，Cu 0.11‑0.20％，Fe 0.21‑0.30％，Mn 0.65‑0.85％，Cr 0.06‑0.10％，Zn<0.05％，Ti≤0.10％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。本发明的挤压工艺采用了变速调控实现等温挤压的方式，可以减少和避免因模具在承受高温高压热摩擦时产生的金属弹变，有效改善挤压后长材产品头尾尺寸偏差较大现状，同时也能保障型材出料时的表面温度基本一致性，来满足在线固溶(水淬)要求；采用的双级时效热处理工艺，使型材经过双级时效处理后，时效强化相充分均匀析出，从而提升合金的力学性能要求。

Description

一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种电池托盘的材料及处理工艺，具体涉及一种生产新能源汽车电池托盘边梁型材的6系高强铝合金材料及热处理工艺，可以在诸多款型的新能源汽车的电池托盘组装焊接生产行业中广泛推广应用。
背景技术
当前轻量化、低成本是电动汽车发展的重要方向，新能源汽车电池托盘用材料的要求是：精密度高、电气性能好、耐电解液、阻燃、长期尺寸稳定、轻量化、机械性能好、使用范围广。以前新能源汽车多采用钢材料制作电动汽车动力电池托盘，重量偏高。
铝合金在汽车轻量化中的应用优势在于密度小(2.73g/cm3)、耐蚀性好、塑性优良，从生产成本、零件质量、材料利用、制造技术、机械性能、可持续发展等多方面具有其他轻量化材料无可比拟的优越性，因此铝合金将成为汽车工业中的首选轻量化材料。
首先，铝合金型材减重效果明显。铝的力学性能好，密度小，具有良好的导热性，表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性，成为实现汽车轻量化最理想的首选材料。减震器套管、电池包、防撞梁、吸能盒、仪表支架等零部件均采用铝合金制品，实现减重轻量化。通过合理的结构设计，在满足使用要求的前提下，可以大幅度降低产品整体的重量。
其次，铝合金型材的吸收冲击能力强。铝的吸冲击能力是钢的2倍，在碰撞安全性方面具有明显的优势，具有代表零件为吸能盒，在发生事故碰撞时，保险杠横梁将能量均匀地传递给吸能盒，将碰撞中产生的能量通过自身的压溃变形，进行一定的吸收，进而降低撞击应力。吸能盒采用格室构造为柔性结构，在碰撞产生较大变形，以吸收撞击能量，减少对撞击物或人的损伤，能有效地减少发生碰撞事故时对行人的伤害。
再次，铝合金材料易于回收。在使用过程中仅发生轻微的腐蚀，且铝合金熔点低，便于重熔回收，回收率高于80％。60％以上的汽车用铝合金材料为再生铝，回收生产1t铝合金要比重新生产1t铝合金少耗能95％，铝的损耗也仅5％左右，采用铝所节省的能量是生产该零件所用原铝耗能的6～12倍。
同时，铝合金型材的装配效率高。铝合金汽车整体构架，焊点少，减少了加工工序，铝合金整体车身比钢铁焊接车身约轻35％，且无须防锈处理，只有25％～35％的部件需点焊，现在已同步研发出了搅拌摩擦焊接新型技术，为保障产品质量，先按图纸设计切割所需的型材形状，在模型支架内组装固定，再采用先进的搅拌摩擦焊接技术，保障产品一体成型，可大幅度提高新能源汽车的装配生产效率。
因此，现在很多企业都选用以铝合金材料为主，作为新能源电动汽车动力电池托盘，无论在压缩还是焊接等方面，铝合金材质优势明显；而且铝合金凭借高比强度、高效产能成为优选的钢材替代材料。
先期开发研制的新能源汽车电池托盘是由7系Al-Zn-Mg合金材料焊接组成,但在高温焊接时,产品局部的机械性能产生失效,使焊接部位机械性能偏低,引发开裂等质量缺陷；另外7系Al-Zn-Mg合金对应力腐蚀较敏感，在使用寿命周期内易产生组织开裂风险。
发明内容
本发明的目的就是针对此前使用的7系Al-Zn-Mg合金材料存在的高温焊接时产品局部的机械性能产生失效，焊接部位机械性能偏低,引发开裂等质量缺陷，以及使用中易产生组织开裂风险的技术难题，而提供一种具有高强高韧、高耐蚀耐疲劳和优异的焊接性能的汽车电池托盘用高强度铝合金型材，专门用于新能源汽车电池托盘，以提高其高综合性能，可满足汽车电池托盘加工对材料的性能要求，来代替当前应用的7系材料。
本发明的另一个目的是提供上述汽车电池托盘用高强度铝合金型材的生产方法。
为达到本发明的上述目的，本发明一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材，针对性地对合金元素成分配比进行综合优化、调整，先采用合金成分的优化，提高了硅Si、镁Mg、铁Fe、铜Cu、锰Mn、铬Cr、锌Zn、钛Ti等合金元素成分的百分比，再进一步优化处理工艺。其原料中各合金元素的质量百分含量为：Si 1.11-1.30％，Mg 0.70-0.90％，Cu 0.11-0.20％，Fe 0.21-0.30％，Mn 0.65-0.85％，Cr 0.06-0.10％，Zn<0.05％，Ti≤0.10％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。
原料中各合金元素的质量百分含量优选为：Si 1.15-1.25％，Mg 0.75-0.90％，Cu0.13-0.18％，Fe 0.22-0.30％，Mn 0.70-0.85％，Cr 0.06-0.10％，Zn 0.01-0.04％，Ti0.04-0.09％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。
原料中各合金元素的质量百分含量进一步优选为：Si 1.15-1.25％，Mg 0.81-0.90％，Cu 0.13-0.18％，Fe 0.22-0.30％，Mn 0.72-0.85％，Cr 0.06-0.10％，Zn 0.01-0.04％，Ti 0.04-0.08％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。
本发明一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材的生产方法采用以下工序：
(1)铝棒的制造工艺：原料经过熔炼除渣除气提纯和深井铸造等方式完成铸棒成型，再经过喷淋水冷，在(560±10)℃范围内加热保温7～8h进行均质处理，使合金成分均匀化；
(2)型材热挤压成型工艺：采用变速调控实现等温挤压方式对铸棒进行挤压，使挤压出的型材在出模成型后，表面温度(红外测温仪监测)达到540～560℃之间；强制冷却方式是以≥600℃/min速度进入水温(50±5)℃的循环流动水槽内，进行在线固溶水淬处理，使合金材料中的Mg2Si强化相以最大数量溶入基体，可最大限度地提高了Mg、Si元素在基体内的过饱和度，对后续时效热处理过程中析出相大小、数量、形态和分布起到了良好改善作用，以满足合金材料强化效果。
经过在线固溶水淬处理后，按照3～5％的拉伸变量，通过张力拉直加工，来释放减少材料基体中留存的残余应力，并保证了型材全尺寸和形位尺寸的达标。
(3)双级时效热处理工艺：对张力拉直加工后的型材采用双级时效热处理工艺；第一段低温预时效处理，用120～140℃加温1～3h并保温4-5h后，再调整提高温度至165～175℃加温0.5～1h并保温7～8h进行第二段峰值时效处理，从而使型材经过双级时效处理后，时效强化相充分均匀析出，以提升合金的力学性能要求。
在步骤(1)中，加热保温温度最好为560℃；步骤(2)的强制冷却方式是以≥600℃/min速度进入水温约50℃的循环流动水槽内为佳。
本发明一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材及其生产方法采用以上技术方案后，具有以下积极效果：
(1)研究结果表明，通过优化调整合金中相关元素含量，增加硅Si、镁Mg、铁Fe、铜Cu、锰Mn、铬Cr、锌Zn、钛Ti等合金元素成分的百分比，有利于提高汽车电池托盘用高强度铝合金材的抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度等综合性能。
(2)挤压工艺采用了变速调控实现等温挤压的方式，可以减少和避免因模具在承受高温高压热摩擦时产生的金属弹变，有效改善挤压后长材产品头尾尺寸偏差较大现状，同时也能保障型材出料时的表面温度基本一致性，来满足在线固溶(水淬)要求。
(3)采用双级时效热处理工艺，使型材经过双级时效处理后，时效强化相充分均匀析出，从而提升合金的力学性能要求。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合具体实施例对本发明一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材及其生产方法做进一步详细说明。
当前常规6系铝合金含有以下技术控制要求如下：
化学成分：Si/0.90-1.1％，Mg/0.70-0.80％，Cu/0.05-0.10％，Fe/0.10-0.20％，Mn/0.50-0.70％，Cr/0.05％，Zn/0.05％，Ti/0.03％，余量为Al；
加工工艺：常规热挤压方式+水淬固溶处理；时效工艺均采用常规峰值单级时效180-200℃保温6-10h；
力学性能满足：抗拉强度Rm≥310Mpa,屈服强度Rp0.2≥260Mpa,延伸率A50≥8％；
硬度值满足在15-16°HW。
按照目前6系铝合金的化学成分和热处理工艺生产的铝合金型材，其性能检测指标如表1所示。
表1现有6系铝合金型材性能检测数据
上述的6系铝型材合金成分与生产时效工艺只能满足在国标、欧标的控制基础上，到目前为止，还没有专门设计针对汽车托盘开发的专用高强铝合金材料。
因此，本发明需要研发出一种专门用于新能源汽车电池托盘用的具有高综合性能的高强度铝合金材料及其生产方法。
本发明一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材，其原料中各合金元素的质量百分含量为：Si 1.11-1.30％，Mg 0.70-0.90％，Cu 0.11-0.20％，Fe 0.21-0.30％，Mn 0.65-0.85％，Cr 0.06-0.10％，Zn<0.05％，Ti≤0.10％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。
其生产方法采用以下工序：
(1)铝棒的制造工艺：原料经过熔炼除渣除气提纯和深井铸造等方式完成铸棒成型，再经过喷淋水冷，在560℃范围内加热保温7～8h进行均质处理，使合金成分均匀化；
(2)型材热挤压成型工艺：采用变速调控实现等温挤压方式对铸棒进行挤压，使挤压出的型材在出模成型后，表面温度达到540～560℃之间；强制冷却方式是以≥600℃/min速度进入水温50℃的循环流动水槽内，进行在线固溶水淬处理，使合金材料中的Mg2Si强化相以最大数量溶入基体；
经过在线固溶水淬处理后，按照3～5％的拉伸变量，通过张力拉直加工，来释放减少材料基体中留存的残余应力，并保证了型材全尺寸和形位尺寸的达标；
(3)双级时效热处理工艺：对张力拉直加工后的型材采用双级时效热处理工艺；第一段低温预时效处理，用120～140℃加温1～3h并保温4-5h后，再调整提高温度至165～175℃加温0.5～1h并保温7～8h进行第二段峰值时效处理，从而使型材经过双级时效处理后，时效强化相充分均匀析出，以提升合金的力学性能要求。
本发明采用以上合金及工艺生产的生产的专门用于新能源汽车电池托盘的高强度铝合金型材力学性能检测数据如表2所示。
表2本发明实施例生产产品的力学性能检测数据。
本发明实施例中样品1、2、3、4的合金元素成分分别为：
样品1：Si 1.12％，Mg 0.70％，Cu 0.11％，Fe 0.22％，Mn 0.69％，Cr 0.06％，Zn0.04％，Ti 0.09％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。
样品2：Si 1.17％，Mg 0.80％，Cu 0.15％，Fe 0.24％，Mn 0.75％，Cr 0.07％，Zn0.04％，Ti 0.06％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。
样品3：Si 1.18％，Mg 0.81％，Cu 0.14％，Fe 0.25％，Mn 0.76％，Cr 0.08％，Zn0.03％，Ti 0.05％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。
样品4：Si 1.15％，Mg 0.75％，Cu 0.13％，Fe 0.22％，Mn 0.80％，Cr 0.07％，Zn0.03％，Ti 0.04％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。
由表2可以看出，通过优化调整合金元素中硅Si、镁Mg、铁Fe、铜Cu、锰Mn、铬Cr、锌Zn、钛Ti等合金元素含量，并采用优化的生产工艺，生产出的高强度铝合金型材的综合力学性能比表1中的性能明显提高，完全可以作为新能源汽车电池托盘用铝合金型材，取得了意想不到的技术效果和应用效果。
采用本发明方法生产出的高强度铝合金型材已经销往国内有关电动汽车生产厂家，深受市场欢迎。

Claims (5)

1.一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材，其特征在于原料中各合金元素的质量百分含量为：Si 1.11-1.30％，Mg 0.70-0.90％，Cu 0.11-0.20％，Fe 0.21-0.30％，Mn 0.65-0.85％，Cr 0.06-0.10％，Zn<0.05％，Ti≤0.10％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。
2.如权利要求1所述的一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材，其特征在于原料中各合金元素的质量百分含量为：Si 1.15-1.25％，Mg 0.75-0.90％，Cu 0.13-0.18％，Fe0.22-0.30％，Mn 0.70-0.85％，Cr 0.06-0.10％，Zn 0.01-0.04％，Ti 0.04-0.09％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。
3.如权利要求2所述的一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材，其特征在于原料中各合金元素的质量百分含量为：Si 1.15-1.25％，Mg 0.81-0.90％，Cu 0.13-0.18％，Fe0.22-0.30％，Mn 0.72-0.85％，Cr 0.06-0.10％，Zn 0.01-0.04％，Ti 0.04-0.08％，Ca+Na/≤0.002％，余量为Al。
4.如权利要求1、2或3所述的一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材的生产方法，其特征在于采用以下工序：
(1)铝棒的制造工艺：原料经过熔炼除渣除气提纯和深井铸造等方式完成铸棒成型，再经过喷淋水冷，在(560±10)℃范围内加热保温7～8h进行均质处理，使合金成分均匀化；
(2)型材热挤压成型工艺：采用变速调控实现等温挤压方式对铸棒进行挤压，使挤压出的型材在出模成型后，表面温度达到540～560℃之间；强制冷却方式是以(300±8)℃/min速度进入水温(50±5)℃的循环流动水槽内，进行在线固溶水淬处理，使合金材料中的Mg2Si强化相以最大数量溶入基体；
经过在线固溶水淬处理后，按照3～5％的拉伸变量，通过张力拉直加工，来释放减少材料基体中留存的残余应力，并保证了型材全尺寸和形位尺寸的达标；
(3)双级时效热处理工艺：对张力拉直加工后的型材采用双级时效热处理工艺；第一段低温预时效处理，用120～140℃加温1～3h并保温4-5h后，再调整提高温度至165～175℃加温0.5～1h并保温7～8h进行第二段峰值时效处理，从而使型材经过双级时效处理后，时效强化相充分均匀析出，以提升合金的力学性能要求。
5.如权利要求4所述的一种汽车电池托盘用高强度铝合金型材的生产方法，其特征在于：步骤(1)的加热保温温度为560℃；步骤(2)的强制冷却方式是以300℃/min速度进入水温约50℃的循环流动水槽内。
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