CN110408819B

CN110408819B - 一种吹胀式水冷板及所用复合板材的制备方法

Info

Publication number: CN110408819B
Application number: CN201910691412.7A
Authority: CN
Inventors: 伍波; 郭耿锋; 夏承东; 唐友增; 周德敬; 张小军
Original assignee: Yinbang Clad Material Co Ltd
Current assignee: Yinbang Clad Material Co Ltd
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2021-06-15
Anticipated expiration: 2039-07-29
Also published as: CN110408819A

Abstract

本发明提供了一种吹胀式水冷板及所用复合板材的制备方法。该吹胀式水冷板由复合板材制成，复合板材由两层铝合金轧制复合而成，铝合金包括以下成分：Si 0.6％‑1.0％、Fe 0.2％‑0.7％，Cu 0.4％‑0.8％，Mn 1.1％‑1.5％，Mg≤0.5％，Zn≤0.05％，Ti 0.05％‑0.2％，Zr≤0.05％，Cr≤0.05％，其余为Al及小于0.15％质量的不可避免杂质。本发明提供的吹胀式冷水板用复合板材强度高、延伸率好、成形不易开裂。经吹胀、冲压成型制备的水冷板表面无明显橘皮，不易开裂，流道清晰规整，成材率高达95％以上。

Description

一种吹胀式水冷板及所用复合板材的制备方法

技术领域

本发明属于水冷板技术领域，具体地，涉及一种吹胀式水冷板及所用复合板材的制备方法。

背景技术

随着汽车工业的高速发展，汽车带来的环境污染、能源短缺、资源枯竭和安全等方面的问题越来越突出。电动汽车具有良好的环保性能和可以以多种能源为动力的显著特点，既保护环境，又缓解能源短缺，保障能源安全。2018年，我国新能源汽车产销分别完成127万辆和125.6万辆，比上年同期分别增长59.9％和61.7％。新能源汽车的核心结构即动力电池，是现如今新能源汽车必不可少的动力输出来源。动力电池对温度十分敏感，主要是在使用过程中，其温度会逐渐升高，当温度过高时，会导致电池发生热失控，因此对电池包进行冷却是至关重要的。水冷板作为液冷的重要组成部分，主要是其表面与电池的表面进行充分的接触，通过水冷板内部流动的冷却液，将电池的热量带走进行热交换，从而降低电池的温度。

制备工艺不同，水冷板可分为钎焊式水冷板和吹胀式水冷板。不同于钎焊式水冷板，吹胀式水冷板不仅结构紧凑美观，简化了大量的钎焊和切料工艺，降低生产成本，同时可以通过优化流道结构以提高其换热效率。

现有吹胀式水冷板材料要么采用材质不同的铝板复合，要么采用纯铝或普通3003铝合金复合而成。不同材质的双面复合铝板在轧制变形过程中因变形抗力不同，造成两面材料变形速度不一致，引起板形不平整，吹胀后流道变形扭曲，出现“燕尾”状流道，导致产品报废；采用纯铝或普通3003铝合金制备的水冷板往往因强度不足难以满足客户对水冷板强度的要求。因此开发一种强度高、延伸率好、成形不易开裂的水冷板材料变得十分必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种吹胀式水冷板，所述吹胀式水冷板由复合板材制成，所述复合板材由两层铝合金轧制复合而成，所述铝合金包括以下成分：Si0.6％-1.0％、Fe 0.2％-0.7％，Cu 0.4％-0.8％，Mn 1.1％-1.5％，Mg≤0.5％，Zn≤0.05％，Ti 0.05％-0.2％，Zr≤0.05％，Cr≤0.05％，其余为Al及小于0.15％质量的不可避免杂质。

在本发明的一些实施例中，所述复合板材的平均晶粒度≤90μm，抗拉强度≥155MPa，屈服强度≥60MPa，延伸率≥22％。

在本发明的一些实施例中，所述吹胀式水冷板由所述复合板材经吹胀、冲压成型。

本发明还提供了一种制备上述复合板材的方法，其包括步骤：

热轧：铸锭均匀化结束后，经多道次热轧至5mm-8mm厚并打卷，获得热轧卷；

冷轧：将所述热轧卷经过多道次冷轧至1.5mm-3.0mm厚并打卷，获得冷轧卷；

退火：将所述冷轧卷在氮气保护加热炉中退火，获得铝合金卷材；

剪切：将所述铝合金卷材在线矫直并剪切成铝合金板；

双层板固定：将两层所述铝合金板固定连接，获得双层板；

复合：将所述双层板退火后热轧至1.0-3.0mm厚的复合板材；

成品退火：将所述复合板材在连续隧道炉中进行退火，获得成品。

在本发明的一些实施例中，双层板固定步骤，采用铆接进行固定连接。

在本发明的一些实施例中，双层板固定步骤，固定连接的端部平行于所述冷轧的轧制方向。

在本发明的一些实施例中，复合步骤，所述固定连接的端部为轧制入口方向。

在本发明的一些实施例中，热轧步骤，铸锭均匀化结束后，待温度降至450℃-550℃时出炉热轧。

在本发明的一些实施例中，还包括：将所述复合板材通过矫直辊矫直，再进行成品退火步骤。

在本发明的一些实施例中，还包括：将所述铝合金板要复合的表面经过钢丝刷打磨后印刷一层石墨流道，再进行所述双层板固定步骤，其中，所述流道的方向沿所述冷轧的轧制方向。

本发明提供的吹胀式冷水板用复合板材强度高、延伸率好、成形不易开裂。经吹胀、冲压成型制备的水冷板表面无明显橘皮，不易开裂，流道清晰规整，成材率高达95％以上。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明一实施例制备复合板材的工艺流程图。

图2为本发明另一实施例制备复合板材的工艺流程图。

图3为本发明一本实施例制得的吹胀式水冷板用复合板材的金相图。

图4为本发明另一本实施例制得的吹胀式水冷板用复合板材的金相图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本申请的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

需要特别说明的是，本发明中，除特殊说明外，“％”指得是质量百分含量。

本发明提供了一种强度高、延伸率好、成形不易开裂的吹胀式水冷板。本发明提供的吹胀式水冷板由复合板材制成。其中，复合板材由两层铝合金轧制复合而成。其中，铝合金包括以下成分：Si 0.6％-1.0％、Fe 0.2％-0.7％，Cu 0.4％-0.8％，Mn 1.1％-1.5％，Mg≤0.5％，Zn≤0.05％，Ti 0.05％-0.2％，Zr≤0.05％，Cr≤0.05％，其余为Al及小于0.15％质量的不可避免杂质。

Mn元素起到增加强度、细化晶粒、改善深冲性能的作用。Mn含量低于0.5％时强度不足，但高于2％时会形成Al₆Mn粗大一次晶化合物。本发明中，Mn的含量为1.1％-1.5％。

Fe与Mn形成Al₆(MnFe)化合物，这种化合物的存在可以有效避免深拉过程中铝屑在模具中的积累。Fe低于0.2％时这一作用不充分，但高于0.7％则会出现含Fe的粗大初晶相，恶化板材的成形性能。本发明中，Fe的含量为0.2％-0.7％。

本发明中，Si的含量为0.6％-1.0％，在本发明中，其有助于Al₆(MnFe)相转化为α-Al(MnFe)Si相，后者一般呈松散的针状或蜂窝状，硬度高、易破碎，在成品卷带材中呈细小颗粒状，变薄拉伸中起到润滑、排除铝屑的作用。

本发明中，Cu的含量为0.4％-0.8％，在本发明中Cu与Al协同作用，有助于增强铝合金的强度。发明人发现，当Cu含量超过0.1％时，会形成Al₂Cu相，对提高材料的强度亦有帮助，但是，Cu的含量不宜过高，否则会降低合金的耐蚀性能。

本发明中，Ti能细化铸态晶粒，防止铸造开裂，并且能够提高合金的抗腐蚀性能。一般认为，Ti含量不宜超过0.15％，否则会形成粗大的Al₃Ti相，降低合金的力学性能。但本发明中，Ti的含量为0.05％-0.2％。发明人发现，在本发明的合金元素的配比下，当Ti含量不超过0.2％时，基本不会出现Al₃Ti相，故而对本发明的合金的力学性能不会产生负面影响。

本发明的吹胀式水冷板用复合板材的平均晶粒度≤90μm，抗拉强度≥155MPa，屈服强度≥60MPa，延伸率≥22％。

本发明的吹胀式水冷板由上述复合板材经吹胀、冲压成型。水冷板表面无明显橘皮，不易开裂，流道清晰规整，成材率高达95％以上。

图1所示本发明一实施例中制备上述复合板材的步骤，其包括：热轧、冷轧、退火、剪切、双层板固定、复合、成品退火步骤。具体地：

热轧：铸锭均匀化结束后，经多道次热轧至5mm-8mm厚并打卷，获得热轧卷。

铸锭是按一定元素配比熔炼，经熔化、电磁搅拌、扒渣、除气、精炼、半连续浇铸等步骤，得到一定规格的扁铸锭。

获得的铸锭一般需要按照规格要求将进行铣面。上下面铣面量优选为5mm-15mm，两侧小面铣面量优选为0-10mm。

铣面后的铸锭进行均匀化处理。本发明中，均匀化处理指得是均热一体化处理。优选地，均匀化步骤为：在加热炉中进行600±20℃加热处理，加热时间为12h-24h。

优选地，热轧步骤，铸锭均匀化结束后，待温度降至450℃-550℃时出炉热轧，更优选500℃。

优选地，热轧步骤的开轧温度为480±20℃，终轧温度不低于300℃。

冷轧：将热轧卷经过多道次冷轧至1.5mm-3.0mm厚并打卷，获得冷轧卷。

退火：将冷轧卷在氮气保护加热炉中退火，获得铝合金卷材。

优选地，退火温度为380±20℃，保温2h-5h。

剪切：将铝合金卷材在线矫直并剪切成铝合金板。

优选地，剪切成500mm-600mm(垂直轧制方向)×650mm-750mm(轧制方向)规格的板材。更优选地，540mm(垂直轧制方向)×700mm(轧制方向)规格。

双层板固定：将两层上述铝合金板固定连接，获得双层板。

优选地，固定连接的端部平行于冷轧的轧制方向，相比于其他固定方向，尤其是垂直于轧制方向的固定连接，该种固定方向，有利于后期吹胀流道的均匀成形

优选地，采用铆接进行固定连接。此时，更优选地，铆接的端部垂直于冷轧的轧制方向。

优选地，在剪切步骤和双层板固定步骤之间还包括表面处理步骤。其中，表面处理步骤包括表面打磨及印刷：将所述铝合金板要复合的表面经过钢丝刷打磨后印刷一层石墨流道。流道的方向沿冷轧的轧制方向。

复合：将上述双层板退火后热轧至1.0-3.0mm厚的复合板材。

优选地，在350℃-420℃退火1h-2h。进一步优选地，一道次轧制至1.0mm-3.0mm。更优选地，轧制至1.5mm-2.0mm。另，优选地，复合步骤，固定连接的端部为轧制入口方向，有利于流道均匀成形。

成品退火：将复合板材在连续隧道炉中进行退火，获得成品。

优选地，炉温为400℃-500℃，退火时间为20min-40min。更优选地，炉温为450℃-500℃。

成品退火采用连续隧道炉在线退火，同普通箱式炉退火相比，不仅退火速度快，产量高，而且通过高温快速退火工艺，使冷轧复合板快速到达再结晶温度以上，位错形核点数量增加，再结晶晶粒增多，同时，较短的退火时间可以保证再结晶晶粒不会明显长大。

更优选地，在复合步骤和成品退火步骤之间还包括矫直步骤：将热轧复合得到的复合板材通过矫直辊矫直。更优选地，矫直的压下量为2±1％。

图2所示为本发明优选的制备上述复合板材的步骤，其包括：热轧、冷轧、退火、剪切、表面处理、双层板固定、复合、矫直、成品退火步骤。具体地：

剪切：将铝合金卷材在线矫直并剪切成铝合金板。

表面处理：将铝合金板要复合的表面经过钢丝刷打磨后印刷一层石墨流道。其中，流道的方向沿冷轧的轧制方向。

双层板固定：将两层铝合金板铆接，获得双层板。其中，铆接的端部平行于冷轧的轧制方向。

复合：将双层板退火后热轧至1.0-3.0mm厚的复合板材。

矫直：将复合板材通过矫直辊矫直。

成品退火：将矫直后的复合板材在连续隧道炉中进行退火，获得成品。

其优选参数及相应技术效果请参见前面内容，在此不再赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。

实施例1

本实施例提供一种铝合金材料制得的复合板材，其中，铝合金各成分的质量百分数为：0.65％的Si，0.45％的Fe，0.75％的Cu，1.4％的Mn，0.05％的Ti，其余为Al和总量小于0.15％的不可避免杂质。

上述复合板材的制备过程为：

将铝含量不低于99.7％的原铝锭、金属硅、铝铜中间合金、铁添加剂、锰添加剂按上述质量百分数进行配比，钛元素以AlTiBi金属杆在线形式加入流槽中。

首先，将原铝锭投入到熔炼炉中进行熔化，炉气温度为800℃-900℃，待原铝锭熔化1/3时，进行电磁搅拌，待原铝锭全部熔化后，投入剩余的材料。控制铝液温度为750℃-780℃，扒去表面浮渣后，取样进行化学成分分析，待化学成分合格后，转至保温炉进行保温精炼，精炼时间不得大于4h，待精炼完成、扒去表面浮渣后，当铝液温度为720±10℃时开始铸造，得到规格为450mm×1200mm×7000mm的铸锭。

将上述铸锭进行切头尾及铣面处理后，将铸锭在均热一体化炉中进行均匀化处理，均匀化温度设定600℃，保温16小时后，炉内冷却至500℃开炉，将铸锭转至热轧轨道上进行热轧，经多道次热轧至5.0mm-8.0mm并打卷，终轧温度需保证在300℃以上，待热轧卷冷却至室温后，将热轧卷经多道次冷轧至2.0或2.5mm。分别将2.0mm和2.5mm冷轧卷退火温度为380℃，到温后保温2h，分别将2.0mm和2.5mm后铝合金卷剪切成450×700mm规格的板材；在2.5mm板单面涂覆一层石墨流道，并将涂有流道层的一面与2.0mm合金板进行铆接，将铆接后的双层铝板加热至350℃后保温2h，出炉一道次轧制2.0mm；经矫直后再将复合板经550℃连续退火炉退火，退火时间为20min。

制得的复合板材的平均晶粒度85μm，抗拉强度160MPa，屈服强度67MPa，延伸率22％。

图3所示为本实施例制得的复合板材的金相图。可见，较多微米级α-Al(FeMn)Si相和Al₆(MnFe)相分布在铝基体中，在提高强度的同时，亦能抑制再结晶的长大，获得细小再结晶晶粒。

实施例2

本实施例提供一种铝合金材料制得的复合板材，其中，铝合金各成分的质量百分数为：0.85％的Si，0.35％的Fe，0.75％的Cu，1.15％的Mn，0.5％的Mg，0.03％的Zn，0.2％的Ti，0.03％的Zr，0.05％的Cr，其余为Al和总量小于0.15％的不可避免杂质。

上述复合板材的制备过程为：

将铝含量不低于99.7％的原铝锭、金属硅、铝铜中间合金、铁添加剂、锰添加剂、镁锭、锌锭、铝锆中间合金、铬添加剂按上述质量百分数进行配比，钛元素以AlTiBi金属杆在线形式加入流槽中。

首先，将原铝锭投入到熔炼炉中进行熔化，炉气温度为800-900℃，待原铝锭熔化1/3时，进行电磁搅拌，待原铝锭全部熔化后，投入剩余的材料。控制铝液温度为750-780℃，扒去表面浮渣后，取样进行化学成分分析，待化学成分合格后，转至保温炉进行保温精炼，精炼时间不得大于4h，待精炼完成、扒去表面浮渣后，当铝液温度为720±10℃时开始铸造，得到规格为450mm×1200mm×7000mm的铸锭。

将上述铸锭进行切头尾及铣面处理后，将铸锭在均热一体化炉中进行均匀化处理，均匀化温度设定600℃，保温16小时后，炉内冷却至500℃开炉，将铸锭转至热轧轨道上进行热轧，经多道次热轧至5.0-8.0mm并打卷，终轧温度需保证在300℃以上，待热轧卷冷却至室温后，将热轧卷经多道次冷轧至1.75或2.35mm。分别将1.75mm和2.35mm冷轧卷退火温度为380℃，到温后保温2h，分别将1.75mm和2.35mm后铝合金卷剪切成450×700mm规格的板材；在2.35mm板单面涂覆一层石墨流道，并将涂有流道层的一面与1.75mm合金板进行铆接，将铆接后的双层铝板加热至450后保温1h，出炉一道次轧制1.5mm；矫直后载将复合板经450℃连续退火炉退火，退火时间为40min。

制得的复合板材的平均晶粒度62μm，抗拉强度180MPa，屈服强度75MPa，延伸率25％。

图4所示为本实施例制得的复合板材的金相图。可见，较多微米级α-Al(FeMn)Si相和Al₆(MnFe)相分布在铝基体中，在提高强度的同时，亦能抑制再结晶的长大，获得细小再结晶晶粒。

实施例3

本实施例提供一种吹胀式水冷板，其由实施例1制得的复合板材经吹胀、冲压成型。

本实施例制得的水冷板流道清晰规整，不易开裂，其成材率为97％。制得的水冷板最大变形弯角处无明显橘皮。

实施例4

本实施例提供一种吹胀式水冷板，其由实施例2制得的复合板材经吹胀、冲压成型。

本实施例制得的水冷板流道清晰规整，不易开裂，其成材率为98％。制得的水冷板变形最大弯角处表面无明显橘皮。

从上述实施例可知，本发明提供的吹胀式水冷板用复合板材平均晶粒度在90μm以下，抗拉强度≥155MPa，屈服强度≥60MPa，延伸率≥22％。基于该复合板材制得的吹胀式水冷板，表面无明显橘皮，不易开裂，流道清晰规整，成材率高达95％以上。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种吹胀式水冷板，其特征在于，所述吹胀式水冷板由复合板材制成，所述复合板材由两层铝合金轧制复合而成，所述铝合金包括以下成分：Si 0.6%-1.0%、Fe 0.2%-0.7%，Cu0.4%-0.8%，Mn 1.1%-1.5%，Mg≤0.5%，Zn≤0.05%，Ti 0.05%-0.2%，Zr≤0.05%，Cr≤0.05%，其余为Al及小于0.15%质量的不可避免杂质；

所述复合板材的平均晶粒度≤90μm，155MPa≤抗拉强度≤180MPa，60MPa≤屈服强度≤75MPa，22%≤延伸率≤25%。

2.根据权利要求1所述的吹胀式水冷板，其特征在于，所述吹胀式水冷板由所述复合板材经吹胀、冲压成型。

3.一种制备复合板材的方法，其特征在于，所述复合板材由两层铝合金轧制复合而成，所述铝合金包括以下成分：Si 0.6%-1.0%、Fe 0.2%-0.7%，Cu 0.4%-0.8%，Mn 1.1%-1.5%，Mg≤0.5%，Zn≤0.05%，Ti 0.05%-0.2%，Zr≤0.05%，Cr≤0.05%，其余为Al及小于0.15%质量的不可避免杂质；

所述复合板材的平均晶粒度≤90μm，155MPa≤抗拉强度≤180MPa，60MPa≤屈服强度≤75MPa，22%≤延伸率≤25%；

所述方法包括步骤：

退火：将所述冷轧卷在氮气保护加热炉中退火，退火温度为360℃-400℃，保温2h-5h，获得铝合金卷材；

剪切：将所述铝合金卷材在线矫直并剪切成铝合金板；

双层板固定：将两层所述铝合金板固定连接，获得双层板；

复合：将所述双层板在350℃-420℃退火1h-2h，退火后热轧至1.0-3.0mm厚的复合板材；

成品退火：将所述复合板材在连续隧道炉中进行退火，炉温为400℃-500℃，退火时间为20min -40min，获得成品。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，双层板固定步骤，采用铆接进行固定连接。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，双层板固定步骤，固定连接的端部平行于所述冷轧的轧制方向。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，复合步骤，所述固定连接的端部为轧制入口方向。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，热轧步骤，铸锭均匀化结束后，待温度降至450℃-550℃时出炉热轧。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：将所述复合板材通过矫直辊矫直，再进行成品退火步骤。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：将所述铝合金板要复合的表面经过钢丝刷打磨后印刷一层石墨流道，再进行所述双层板固定步骤，其中，所述流道的方向沿所述冷轧的轧制方向。