CN110643862A

CN110643862A - 一种用于新能源汽车电池壳体铝合金及其压力铸造制备方法

Info

Publication number: CN110643862A
Application number: CN201911021225.4A
Authority: CN
Inventors: 刘金平; 戴林
Original assignee: Anhui Magnesium Technology Co Ltd
Current assignee: Anhui Magnesium Technology Co Ltd
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-01-03

Abstract

本发明公开了一种用于新能源汽车电池壳体铝合金及其压力铸造制备方法，其各元素的质量百分比为：Si:9.5～13.5％，Fe:0.03～0.15％，Mg:0.22～0.50％，Mn:0.45～0.80％，Ti:0.05～0.15％，B:0.01～0.03％，Sr:0.012～0.05％，RE:0.05～0.2％，单个杂质元素质量百分含量≤0.03％，杂质元素之和≤0.2％，其余为Al；本发明以普通铝合金使用的原料有机组合，再科学合理添加多元混合稀土元素，充分发挥多元混合稀土元素微合金化各种效用，提高了该发明材料综合性能，以满足轻量化要求而对产品材质的提高。

Description

一种用于新能源汽车电池壳体铝合金及其压力铸造制备方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车产品金属材料领域，更具体的涉及一种用于新能源汽车电池壳体铝合金及其压力铸造制备方法。

背景技术

铝合金是以铝为基体加入其他元素组成的合金，是结构工程中最常用的材料，具有比重小、导热性好、导电性好、环保、可回收循环利用等特点，被广泛应用于3C、汽车交通运输，家居、航空航天、化工和火箭等各个领域。

电池托盘是汽车动力电池的关键部件，新能源汽车动力电池，因自身重量缺陷和能量密度需求矛盾，在整车零部件子系统中，轻量化需求显得尤为迫切。在动力电池中，电池托盘占去了电池系统重量的20~30%，保证电池功能安全的前提下，托盘的轻量化就成为电池结构主要改进目标之一。

随着新能源汽车的发展，电池托盘的材质及成形工艺不断变化，从采用铁质材质焊接工艺到改用铝板焊接工艺实现了轻量化，但铝焊接工艺存在生产效率低下，焊接工艺强度较低，而且产品由于焊接存在气密性缺陷的原因造成产品存在泄漏的风险。因此一体成形工艺，是解决上述技术不足的良好途径之一，铝合金高压铸造工艺具有生产效率高，成品气密性好，可以成形结构复杂的产品。但在保证产品功能安全，又实现轻量化的前提下，对铝合金材质提出了更高的要求。而电池托盘具有产品尺寸超大、结构复杂、产品壁厚薄。这要求压铸铝合金材质具有良好的铸造性能（流动性），良好机械性能等综合性能，而目前ADC12等普通的压铸铝合金材料已无法满足要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于新能源汽车电池壳体的压铸铝合金材料，使其具优良的铸造性能、较高的机械性能及优良综合性能。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

包含以下质量分数的组分：Si:9.5~13.5%，Fe:0.03~0.15%，Mg:0.22~0.45%，Mn:0.45~0.80%，B:0.01~0.03%，Ti:0.05~0.15%，Sr:0.012~0.05%，RE:0.05~0.2%，单个杂质元素质量百分含量≤0.03%，杂质元素之和≤0.2%，其余为Al；

优选地，Si质量分数为10.0~11.5%；

优选地，Fe质量分数为0.05~0.13%；

优选地，Mg质量分数为0.25~0.45%；

优选地，Mn质量分数为0.50~0.75%；

优选地，Ti质量分数为0.08~0.12%；

优选地，B质量分数为0.015~0.02%；

优选地，Sr质量分数为0.015~0.035%；

优选地，RE质量分数为0.08~0.15%；

优选地，稀土元素RE为La、Ce、Y、Pr、Er等资源丰富的两种或多种混合稀土。

相应地，所述的一种用于新能源汽车电池壳体铝合金的压力铸造制备方法，包括以下步骤：

第一步：熔炼合金，获得铝合金熔体；

第二步：对所述的铝合金熔体进行压力铸造；

优选地，第一步中，熔炼合金包括如下步骤：

1）将纯铝、结晶硅、铝锰、铝钛硼、铝锶、铝稀土、纯镁等各种中间合金原材料及操作工具预热至200℃，时间为1~2h；

2）将经步骤1）预热处理后的原材料纯铝、结晶硅、铝锰合金，按合理的加料顺序，加入到炉内740~800℃，直至充分熔化；

3）将步骤2）获得的熔体，进行充分搅拌，在700~740℃，依次加入除渣剂和精炼剂；所述除渣剂和精炼剂的用量均为所述熔体质量的0.5~1.0%；扒去浮渣；

4）加入混合稀土中间合金，充分搅拌进行微合金化；

5）加入镁、铝锶、铝钛硼中间合金，充分搅拌进行合金化；

6）将步骤（5）所获熔体通入氩气进行精炼后，静置20~30min，降温至680～700℃后，精炼完毕后，测氢和炉前成分分析，等待浇注；

第二步，所述的压力铸造，浇注温度为680~700℃，压射压力为0.2~5.5m/s，模具温度为180~220℃。

与现有的普通的ADC12压铸铝合金性能（抗拉强度230~250MPa，屈服强度140~160MPa，延伸率1.5~2.5%）相比，本发明提供了一种用于新能源汽车电池托盘的压铸铝合金，该压铸铝合金具有良好的铸造性能，高强高韧性能。在压铸态电池壳体本体取样机械性能：抗拉强度280~320MPa,屈服强度150~190MPa,延伸率5.0~8.0%。具有更优的综合性能。

Si能有效的提升铝合金的铸造性能，随着Si含量的增加，共晶液相的增加和α-Al枝晶晶粒的细化，在共晶到过共晶都能得到优良的流动性能，但共晶析出的Si易形成硬点，影响切削性能，Si还可以与Mg形成Mg₂Si强化相，保障合金的力学性能，所述Si的质量分数优选地为10.0~11.5%。

Mg是铝硅系合金中的强化元素，与Si形成Mg₂Si强化相，在压铸过程的激冷中固溶在α-Al中，通过时效析出后弥散强化。每增加1%的Mg，合金抗拉强度提升34MPa,随着Mg含量的提高，合金的机械性能提高，耐腐蚀性能更好。但Mg含量越高，延伸率逐渐下降，同时还降低流动性能，同时Mg含量的增加，易产生裂纹，所述Mg的质量分数优选地为0.25~0.45%。

Mn促进针片状β（Al₉Fe₂Si₂）向汉字状α（Al₁₂Fe₃Si）转变，提高合金的综合性能，还可以形成MnAl₆,细化再结晶晶粒，降低热裂倾向；在高镁合金中，锰可以使Mg₅Al₈化合物沉淀，改善抗腐蚀性和焊接性能。铝合金中的Fe相和Mn相大部分互相溶入，形成AlFeMnSi相、（Fe、Mn）Al₆相，所以Mn可以替代合金中部分Fe降低铝合金粘模倾向。

Sr是永久变质剂，使共晶硅由粗大针状转变为短杆状，提高合金的综合力学性能，变质效果对冷却速度十分敏感。而压铸件凝固过程本身就是一种激冷过程，可以为Sr变质创造良好的条件。锶是表面活性元素，锶能改变金属间化合物相的行为。因此锶元素进行变质处理能改善合金的塑性；所述的Sr的质量分数优选地为0.015~0.03%。

Ti和B作为α铝的晶粒细化剂，提高铸造铝合金的综合性能。所述的Ti的质量分数优选地为0.08~0.12%；所述B的质量分数优选地为0.015~0.02%。

Fe在合金中在一定条件下回形成粗大片状或针状的β（Al₉Fe₂Si₂）中，不仅使合金流动性减低，热裂性增大，还严重割裂基体，降低力学性能，尤其降低延伸率。所述Fe的质量分数优选地为0.05~0.13%。

本发明最重要的是：1）选用的稀土元素为廉价且资源丰富；2）轻重稀土元素科学组合，相互交叉的多元合金化和微合金化协同叠加效应。既进一步提高了铝合金产品的铸造、强度等综合性能，还兼顾合金的经济廉价效应。

轻稀土元素，化学活性很强加入到铝合金中，降低熔体表面张力，以提高合金的铸造性能，同时轻稀土元素可与其中氢、氧、硫、磷、砷等非金属杂质和铁、钴、铜、镍等金属杂质以及氧化物夹渣作用而使其除去。同时利用轻重稀土元素相互交叉作用，重稀土与铝及铝合金元素发生合金化和微合金化作用，形成热稳定高的高熔点化合物，以第二相粒子弥散分于晶界及晶内，减慢晶界滑移和晶内位错运动，提高铝合金力学及其他综合性能。所述的RE的质量分数优选地为0.08~0.15%。

附图说明

图1为本发明实施例中制造出的大型超薄动力电池托盘。

具体实施方式：

本发明以动力电池托盘产品并本体取样为实施例对本发明技术方案做具体说明。

实施例1

本实施例提供一种用于新能源汽车电池壳体铝合金及其压力铸造制备方法，所述铝合金各元素百分含量，见表1；

本实施例一种用于新能源汽车电池壳体铝合金的压力铸造制备方法，包括以下步骤：

1）按比例将纯铝、结晶硅、铝锰、铝钛硼、铝锶、铝稀土、纯镁等各种中间合金原材料及操作工具预热至200℃，时间为1~2h；

2）将经步骤1）预热处理后的原材料纯铝、结晶硅、铝锰中间合金，按合理的加料顺序，加入到机边炉内，温度为740~800℃，直至充分熔化；

3）将步骤2）获得的熔体，进行充分搅拌，在730~740℃，依次加入除渣剂和精炼剂；所述除渣剂和精炼剂的用量均为所述熔体质量的0.5~1.0%；扒去浮渣。

4）按比例加入混合稀土中间合金，充分搅拌进行微合金化；

5）按比例加入镁、铝锶、铝钛硼中间合金，充分搅拌进行合金化；

6）将步骤（5）所获熔体通入氩气进行精炼后，静置20~30min，降温至680～700℃后，精炼完毕后，测氢和炉前成分分析。等待浇注。

本实施例所述的压力铸造，使用公司5000T压铸机，浇注温度为700±10℃，压射压力为5m/s，模具温度为200℃。

本实施例中压铸的铝合金电池壳，在产品本体取样加工，获得的铝合金抗拉强度σ_b=271MPa,σ_s=153MPa,δ=7.6%。

实施例2

1）在实施例1的基础上，根据实施例2相应的元素百分含量，按比例配料，承重需要添加的结晶硅、铝锰中间合金、铝锶、铝钛硼、纯镁。

2）把上述需要添加的原材料按实施例1中的步骤1~6，获得符合实施例2要求成分的熔体，等待浇注。

本实施例中压铸的铝合金电池壳，在产品本体取样加工，获得的铝合金抗拉强度σ_b=293MPa,σ_s=167MPa,δ=6.9%。

实施例3

1）在实施例2的基础上，根据实施例3相应的元素百分含量，按比例配料，承重需要添加的结晶硅、铝锰中间合金、铝锶、铝钛硼、纯镁、铝稀土中间合金。

2）把上述需要添加的原材料按实施例1中的步骤1~6，获得符合实施例3要求成分的熔体，等待浇注。

本实施例中压铸的铝合金电池壳，在产品本体取样加工，获得的铝合金抗拉强度σ_b=302MPa,σ_s=175MPa,δ=6.3%。

实施例4

1）在实施例3的基础上，根据实施例4相应的元素百分含量，按比例配料，承重需要添加的结晶硅、铝锰中间合金、铝锶、铝钛硼、纯镁、铝稀土中间合金。

2）把上述需要添加的原材料按实施例1中的步骤1~6，获得符合实施例4要求成分的熔体，等待浇注。

本实施例中压铸的铝合金电池壳，在产品本体取样加工，获得的铝合金抗拉强度σ_b=312MPa,σ_s=183MPa,δ=5.6%。

表1 实施例1~4中合金主要元素的重量百分比含量表

元素/%	Si	Fe	Mn	Mg	Ti	B	Sr	RE	Al
										实施例1	10.0	0.05	0.55	0.25	0.08	0.015	-	-	其余
元素/%	Si	Fe	Mn	Mg	Ti	B	Sr	RE	Al
										实施例2	10.5	0.08	0.61	0.31	0.10	0.018	0.018	-	其余
元素/%	Si	Fe	Mn	Mg	Ti	B	Sr	RE	Al
										实施例3	11.0	0.11	0.63	0.38	0.10	0.018	0.025	0.10	其余
元素/%	Si	Fe	Mn	Mg	Ti	B	Sr	RE	Al
										实施例4	11.5	0.13	0.68	0.44	0.12	0.022	0.032	0.15	其余

以上所述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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于新能源汽车电池壳体的铝合金，其特征在于，包含以下质量分数的组分：Si:9.5～13.5％，Fe:0.03～0.15％，Mg:0.22～0.50％，Mn:0.45～0.80％，Ti:0.05～0.15％，B:0.01～0.03％，Sr:0.012～0.05％，RE:0.05～0.2％，单个杂质元素质量百分含量≤0.03％，杂质元素之和≤0.2％，其余为Al。

2.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车电池壳体铝合金，其特征在于，所述Si的含量为10.0～11.5％。

3.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车电池壳体铝合金，其特征在于，所述Fe的含量为0.05～0.13％。

4.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车电池壳体铝合金，其特征在于，所述Mg的含量为0.25～0.45％。

5.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车电池壳体压铸铝合金，其特征在于，所述Mn的含量为0.50～0.75％。

6.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车电池壳体铝合金，其特征在于，所述Ti的含量为0.08～0.12％。

7.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车电池壳体铝合金，其特征在于，所述B的含量为0.015～0.02％。

8.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车电池壳体铝合金，其特征在于，所述Sr的含量为0.015～0.035％。

9.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车电池壳体铝合金，其特征在于，所述RE的含量为0.08～0.15％。

10.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车电池壳体铝合金，其特征在于，稀土元素为La、Ce、Y、Pr、Nd、Er中的一种或多种混合。

11.一种根据权利要求1～9所述的用于新能源汽车电池壳体铝合金的压力铸造制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：熔炼合金，获得铝合金熔体；

第二步：对所述的铝合金熔体进行压力铸造；

其中，第一步中，熔炼合金包括如下步骤：

1)将纯铝、结晶硅、铝锰、铝钛硼、铝锶、铝稀土、纯镁这些中间合金原材料及操作工具预热至200℃，时间为1～2h；

2)将经步骤1)预热处理后的原材料纯铝、结晶硅、铝锰合金，按合理的加料顺序，加入到炉内740～800℃，直至充分熔化；

3)将步骤2)获得的熔体，进行充分搅拌，在700～740℃，依次加入除渣剂和精炼剂；所述除渣剂和精炼剂的用量均为所述熔体质量的0.5～1.0％；扒去浮渣。

4)加入混合稀土中间合金，充分搅拌进行微合金化；

5)加入镁、铝锶、铝钛硼中间合金，充分搅拌进行合金化；

6)将步骤5)所获熔体通入氩气进行精炼后，静置20～30min，降温至680～700℃后，等待浇注。

其中，第二步中，所述的压力铸造，浇注温度为680～700℃，压射压力为0.2～5.5m/s，模具温度为180～220℃。