CN113373348A - 一种动力电池壳体用铝合金型材及其加工工艺和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种动力电池壳体用铝合金型材及其加工工艺和应用，通过控制铝合金的具体组成成份及加工工艺，最终制得的动力电池壳体用铝合金型材，其在抗拉强度、屈服强度、以及硬度方面均能达到并优于现有的6063‑T6铝合金，而在导热系数和焊接良率方面又能达到3003‑H112铝合金的水平，兼具了6063‑T6铝合金和3003‑H112铝合金在抗拉强度、屈服强度、硬度、以及导热系数各方面的优势，特别适用用来制备动力电池壳体。调整后的铝合金原料按重量百分比为：Si:0.40~0.60%，Fe:≤0.20%，Cu:≤0.10%，Mn：≤0.30~0.60%，Mg：0.35~0.55%，Cr：0.05~0.20%，Zn：≤0.10%，V：0.01~0.10%，Ti：≤0.05%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.20%，余量为Al。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池壳体的加工领域，尤其涉及一种涵括合金成分、熔铸、挤压、时效工艺的动力电池壳体用铝合金型材加工工艺和应用。
背景技术
随着新能源车的快速发展，作为纯电动汽车最核心的零部件之一，动力电池与车辆的续航里程、整备质量、动力表现、操控性能等息息相关。在纯电动汽车的制造成本方面，动力电池的占比也最高，普遍在30%以上，这导致了电动汽车较高的售价以及后期维护成本。因此，降低电池的单位成本，以及增加电池的能量密度，一直是电动汽车技术发展的主要方向。
目前，主流的动力电池分为两种，一种是不锈钢外壳圆柱型电芯方式不同，另一种是国内普及率更高的方形铝壳。其中，方形铝壳具有能量密度高，集成难度低的优势。并且，方形的封装工艺，也有助于缩小电芯间的缝隙，让整体尺寸更加紧凑，而圆柱电芯必然要在电芯间留出三角形的空隙，降低了空间利用率。同时，铝合金材质打造的方形电芯壳体，与圆柱型电池所采用的不锈钢壳体相比，有利于提高电芯的能量密度，而且更轻、制造成本也更低。另外，方形壳体可以容纳更多电解液、电芯极片膨胀应力更低，电池寿命比圆柱形长2倍以上。
对于方形铝壳合金的选择，目前主流的是3系合金（3003铝合金），因为其很容易加工成形，并且具备高温耐腐蚀性、良好的传热性和导电性。如公开号为CN 105112730 A、CN104204249 A、CN 105695803 A等中国发明专利申请所述。
但是，3系铝合金是非热处理强化合金，其材料强度较低，在加工运输包括装配过程中都容易出现变形导致报废；而且因为硬度较低，对电池内芯的保护作用也不是很充足。并且，随着轻量化需求的增加，电池铝壳的厚度已经从原来的0.8mm开始向0.5mm开发，在这个厚度情况下，如果强度不足将导致更多的制程与应用问题。而目前测试传统的6063合金，因其可以进行时效热处理强化，硬度及强度可以在3系铝合金的基础上提升50%以上，但因为6063合金热处理后的导热率一般会达到190-200W/(m•K)，较3系铝合金提升20%左右，在焊接过程中的热扩散会更明显，热影响区更大，如果使用与3系铝合金同样的焊接条件会出现较多不良，并且，即使调整焊接工艺工装也仍有偶发性焊接不良的问题，对于自动装配产线十分致命。
有鉴于此，研究开发一种具备类似6063铝合金的中等强度，同时又能获得与3系铝合金一致的焊接效果的铝合金材料及其加工工艺具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具备类似6063铝合金的中等强度、同时又具备3系铝合金的易焊接性能的电池壳体用铝合金型材加工工艺。
本发明还提供一种利用上述加工工艺制得的电池壳体用铝合金型材。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，其特征在于，主要包括如下步骤：1）铝合金原料调整，按照如下重量份数比配制铝合金原料：Si:0.40~0.60%，Fe:≤0.20%，Cu:≤0.10%，Mn：≤0.30~0.60%，Mg：0.35~0.55%，Cr：0.05~0.20%，Zn：≤0.10%，V：0.01~0.10%，Ti：≤0.05%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.20%，余量为Al；2）铝合金铸锭制备，将配制好的铝合金原料解为铝液，再将铝液铸造为铝合金铸锭；3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭在300±10℃均质化处理4~8h后升温至560±10℃继续均质4~8h，均质处理后使用风冷的方式冷却；4）表面刷棒或剥皮处理，将均质后的铝合金铸锭表面进行表面刷棒或剥皮处理；5）挤压成型，将刷棒或剥皮好的铝合金铸锭进行头中尾分段加热，加热后放入挤压机的挤压筒中进行挤压成型，挤压后的型材进行淬火冷却处理获得动力电池壳体用铝合金型材；6）矫正，挤压型材产品冷却后进行矫正；7）人工时效。
更为优选的是，在步骤2）中，铝液在经过搅拌、精炼除气、过滤步骤之后再铸造为铝合金铸锭。
更为优选的是，搅拌步骤是通过搅拌设备将铝液搅拌均匀，精炼除气步骤是使用精炼剂进行精炼除气20~40分钟，过滤步骤是通过40~60目陶瓷过滤板过滤铝液中杂质。
更为优选的是，在步骤5）中，所采用的加热设备是燃气炉或工频炉。
更为优选的是，在步骤5）中，温度分别为棒头温度470~540℃、棒中温度450~520℃、棒尾温度430~500℃，产品的挤出速度为5~15m/min，挤压盛锭筒温度控制在390~440℃。
更为优选的是，在步骤5）中，淬火冷却方式为使用变频风机进行淬火冷却，淬火冷却时的淬火冷却速度≥250℃/min。
更为优选的是，在步骤6）中，矫正量为0.2-1.0%。
更为优选的是，在步骤7）中，人工时效温度为170-190℃，时效保温时间为3-6h。
本发明还提供一种动力电池壳体用铝合金型材，其特征在于，利用如上所述的加工工艺制得。
本发明还提供一种如上所述的一种动力电池壳体用铝合金型材在动力电池壳体中的应用。
本发明的有益效果是：通过控制铝合金的具体组成成份及加工工艺，最终制得的动力电池壳体用铝合金型材，其在抗拉强度、屈服强度、以及硬度方面均能达到并优于现有的6063-T6铝合金，而在导热系数和焊接良率方面又能达到3003-H112铝合金的水平，兼具了6063-T6铝合金和3003-H112铝合金在抗拉强度、屈服强度、硬度、以及导热系数各方面的优势，特别适用用来制备动力电池壳体。
附图说明
图1所示为本发明提供的铝合金型材的结构示意图。
附图标记说明：1-铝合金型材。
具体实施方式
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，主要包括如下步骤。
1）铝合金原料调整，按照如下重量份数比配制铝合金原料：Si:0.40~0.60%，Fe:≤0.20%，Cu: ≤0.10%，Mn：≤0.30~0.60%，Mg：0.35~0.55%，Cr：0.05~0.20%，Zn：≤0.10%，V：0.01~0.10%，Ti：≤0.05%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.20%，余量为Al。
其中，Mg、Si含量是确保型材在挤压时效后能达到性能提升的关键，但是因为电池壳体型材本身壁厚薄，如果Mg、Si添加量过大将导致挤压变形抗力增加，变形难度提升，难以成型获得需求的产品。
Mn、Cr的组合添加有多方面作用：a）促进Fe相在均质化过程中的转变，减少针状相比例，避免在生产超薄电池壳型材时造成卡烂的不良缺陷。b）提高再结晶温度，细化型材晶粒，同步提升型材强度与塑性。c）形成弥散相降低材料的导热率，可以将型材的导热率保持在3003合金的水平。
V元素的添加可以使弥散均匀地分布进而抑制再结晶的过程，同时可以细化铸态组织，提升材料挤压性，还可以通过提高再结晶温度，使制品的再结晶晶粒得以细化，强度、韧性得以提高，塑性、耐蚀性得以改善。
2）铝合金铸锭制备，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，使用电磁搅拌设备搅拌均匀，再使用精炼剂进行精炼除气后静置20~40分钟沉淀杂质，然后通过40~60目陶瓷过滤板过滤铝液中剩余杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。
其中，电磁搅拌的目的是加强整体搅拌均匀性，避免元素分布不均匀，出现挤压型材的硬度及力学性能不均匀的状况。显然，具体的搅拌设备、过滤设备、以及精炼除气工艺是本领域技术人员根据实际需要进行选择的，可以使其他现有已知的或将来能够实现的设备、工艺，不限于以上举例。
3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭在300±10℃均质化处理4~8h后升温至560±10℃继续均质4~8h，均质处理后使用风冷的方式冷却。
在这里，采用双级均质化处理工艺所带来的技术效果是：通过一级均质先确保Mg、Si元素充分形成弥散分布的β-Mg2Si相，然后在二级均质升温过程中β相内的Mg逃离重新固溶，保存稳定的Si结构；同时Mn与Cr元素进入结合，生成Al（Mn、Cr）Si相，进而达到弥散分布的目的，避免了Mn、Cr元素因为热扩散速度慢而出现的偏析现象，充分保证了Mn、Cr元素的添加效果；同时二级高温均质可以确保Fe相球化完全，减小针状相对挤压性能的影响，消除铸锭的微观偏析，使晶体内部各种溶质元素均匀分布。
4）表面刷棒或剥皮处理，将均质后的铝合金铸锭表面进行表面刷棒或剥皮处理。这样设置的好处是，可以避免表面偏析层杂质在挤压过程中卷入造成挤压过程出现拖伤或拖烂缺陷。
5）挤压成型，将刷棒或剥皮好的铝合金铸锭进行头中尾分段加热，温度分别为棒头温度470~540℃、棒中温度450~520℃、棒尾温度430~500℃，加热后放入挤压机的挤压筒中进行挤压成型，产品的挤出速度为5~15m/min，挤压盛锭筒温度控制在390~440℃。这样设置的好处是，可以减少铸锭表面偏析层杂质在挤压过程中的卷入，挤压后使用变频风机进行淬火冷却处理。因为Mn、Cr元素均会提高材料的淬火敏感性，所以在本发明中，淬火冷却时的淬火冷却速度≥250℃/min。
需要说明的是，在挤压成型步骤中，所采用的加热设备可以是燃气炉、工频炉等现有已知的或将来能够实现其他加热设备，只要能起到稳定、内外均匀加热的效果即可。
6）矫正，挤压型材产品冷却后进行矫正，矫正量0.2-1.0%。在这里，控制矫正量范围可以避免过大造成型材尺寸出现变化。
7）人工时效，将挤压型材进行人工时效处理，时效温度为170-190℃，时效保温时间为3-6h。通过人工时效，可以进一步提升型材强度。
实施例1。
一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，主要包括如下步骤。
1）铝合金原料调整，按照如下重量份数比配制铝合金原料：Si:0.50%，Fe:≤0.20%，Cu: ≤0.10%，Mn：≤0.50%，Mg：0.45%，Cr：0.15%，Zn：≤0.10%，V：0.05%，Ti：≤0.05%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.20%，余量为Al。
2）铝合金铸锭制备，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，使用电磁搅拌设备搅拌均匀，再使用精炼剂进行精炼除气后静置30分钟沉淀杂质，然后通过50目陶瓷过滤板过滤铝液中剩余杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。
3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭在300±10℃均质化处理5h后升温至560±10℃继续均质5h，均质处理后使用风冷的方式冷却。
4）表面刷棒或剥皮处理，将均质后的铝合金铸锭表面进行表面刷棒或剥皮处理。
5）挤压成型，将刷棒或剥皮好的铝合金铸锭进行头中尾分段加热，温度分别为棒头温度510℃、棒中温度500℃、棒尾温度460℃，加热后放入挤压机的挤压筒中进行挤压成型，产品的挤出速度为10m/min，挤压盛锭筒温度控制在420℃。挤压后使用变频风机进行淬火冷却处理，淬火冷却速度≥250℃/min。
6）矫正，挤压型材产品冷却后进行矫正，矫正量0.5%。
7）人工时效，将挤压型材进行人工时效处理，时效温度为180℃，时效保温时间为5h。
实施例2。
一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，主要包括如下步骤。
1）铝合金原料调整，按照如下重量份数比配制铝合金原料：Si:0.40%，Fe:≤0.20%，Cu: ≤0.10%，Mn：≤0.60%，Mg：0.35%，Cr： 0.20%，Zn：≤0.10%，V：0.01%，Ti：≤0.05%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.20%，余量为Al。
2）铝合金铸锭制备，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，使用电磁搅拌设备搅拌均匀，再使用精炼剂进行精炼除气后静置20分钟沉淀杂质，然后通过60目陶瓷过滤板过滤铝液中剩余杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。
3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭在300±10℃均质化处理4h后升温至560±10℃继续均质4h，均质处理后使用风冷的方式冷却。
4）表面刷棒或剥皮处理，将均质后的铝合金铸锭表面进行表面刷棒或剥皮处理。
5）挤压成型，将刷棒或剥皮好的铝合金铸锭进行头中尾分段加热，温度分别为棒头温度540℃、棒中温度520℃、棒尾温度500℃，加热后放入挤压机的挤压筒中进行挤压成型，产品的挤出速度为15m/min，挤压盛锭筒温度控制在440℃。挤压后使用变频风机进行淬火冷却处理，淬火冷却速度≥250℃/min。
6）矫正，挤压型材产品冷却后进行矫正，矫正量0.2%。
7）人工时效，将挤压型材进行人工时效处理，时效温度为190℃，时效保温时间为3h。
实施例3。
一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，主要包括如下步骤。
1）铝合金原料调整，按照如下重量份数比配制铝合金原料：Si: 0.60%，Fe:≤0.20%，Cu: ≤0.10%，Mn：≤0.30%，Mg： 0.55%，Cr：0.05%，Zn：≤0.10%，V： 0.10%，Ti：≤0.05%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.20%，余量为Al。
2）铝合金铸锭制备，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，使用电磁搅拌设备搅拌均匀，再使用精炼剂进行精炼除气后静置40分钟沉淀杂质，然后通过40目陶瓷过滤板过滤铝液中剩余杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。
3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭在300±10℃均质化处理8h后升温至560±10℃继续均质8h，均质处理后使用风冷的方式冷却。
4）表面刷棒或剥皮处理，将均质后的铝合金铸锭表面进行表面刷棒或剥皮处理。
5）挤压成型，将刷棒或剥皮好的铝合金铸锭进行头中尾分段加热，温度分别为棒头温度470℃、棒中温度450℃、棒尾温度430℃，加热后放入挤压机的挤压筒中进行挤压成型，产品的挤出速度为5m/min，挤压盛锭筒温度控制在390℃。挤压后使用变频风机进行淬火冷却处理，淬火冷却速度≥250℃/min。
6）矫正，挤压型材产品冷却后进行矫正，矫正量1.0%。
7）人工时效，将挤压型材进行人工时效处理，时效温度为170℃，时效保温时间为6h。
图1所示为利用上述实施例1-实施例3任意一个实施例制得的动力电池壳体用铝合金型材，其为方形壳体结构，该铝合金型材的边长控制在70-150mm，边宽控制在50-100mm，壁厚控制在0.4-0.8mm。
对比实验。
为更好地体现本发明的进步性，下面随机抽取100件由6063-T6铝合金制得的动力电池壳体用铝合金型材，标记为对比产品1；随机抽取100件由3003-H112铝合金制得的动力电池壳体用铝合金型材，标记为对比产品2；随机按本发明实施例-实施例3制得的动力电池壳体用铝合金型材，标记为专利产品。各产品的边长均为100mm，边宽均为70mm，壁厚均为0.5mm。
实验方法：分别测试各产品的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率、硬度、以及焊接良率，并进行统计分析，结果如表1所示。
表1、性能测试对比表
从表1可以看出，利用本发明制得的动力电池壳体用铝合金型材，其抗拉强度、屈服强度、以及硬度均能达到并优于现有的6063-T6铝合金，而导热系数和焊接良率均能达到3003-H112铝合金的水平，兼顾了抗拉强度、屈服强度、硬度、以及导热系数各方面的优势，特别适用用来制备动力电池壳体。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。
Claims (10)
1.一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，其特征在于，主要包括如下步骤：
1）铝合金原料调整，按照如下重量份数比配制铝合金原料：Si:0.40~0.60%，Fe:≤0.20%，Cu: ≤0.10%，Mn：≤0.30~0.60%，Mg：0.35~0.55%，Cr：0.05~0.20%，Zn：≤0.10%，V：0.01~0.10%，Ti：≤0.05%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.20%，余量为Al；
2）铝合金铸锭制备，将配制好的铝合金原料解为铝液，再将铝液铸造为铝合金铸锭；
3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭在300±10℃均质化处理4~8h后升温至560±10℃继续均质4~8h，均质处理后使用风冷的方式冷却；
4）表面刷棒或剥皮处理，将均质后的铝合金铸锭表面进行表面刷棒或剥皮处理；
5）挤压成型，将刷棒或剥皮好的铝合金铸锭进行头中尾分段加热，加热后放入挤压机的挤压筒中进行挤压成型，挤压后的型材进行淬火冷却处理获得动力电池壳体用铝合金型材；
6）矫正，挤压型材产品冷却后进行矫正；
7）人工时效。
2.根据权利要求1所述的一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，其特征在于，在步骤2）中，铝液在经过搅拌、精炼除气、过滤步骤之后再铸造为铝合金铸锭。
3.根据权利要求2所述的一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，其特征在于，搅拌步骤是通过搅拌设备将铝液搅拌均匀，精炼除气步骤是使用精炼剂进行精炼除气20~40分钟，过滤步骤是通过40~60目陶瓷过滤板过滤铝液中杂质。
4.根据权利要求1所述的一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，其特征在于，在步骤5）中，所采用的加热设备是燃气炉或工频炉。
5.根据权利要求1所述的一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，其特征在于，在步骤5）中，温度分别为棒头温度470~540℃、棒中温度450~520℃、棒尾温度430~500℃，产品的挤出速度为5~15m/min，挤压盛锭筒温度控制在390~440℃。
6.根据权利要求1所述的一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，其特征在于，在步骤5）中，淬火冷却方式为使用变频风机进行淬火冷却，淬火冷却时的淬火冷却速度≥250℃/min。
7.根据权利要求1所述的一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，其特征在于，在步骤6）中，矫正量为0.2-1.0%。
8.根据权利要求1所述的一种动力电池壳体用铝合金型材的加工工艺，其特征在于，在步骤7）中，人工时效温度为170-190℃，时效保温时间为3-6h。
9.一种动力电池壳体用铝合金型材，其特征在于，利用如权利要求1-8中任意一项所述的加工工艺制得。
10.如权利要求9所述的一种动力电池壳体用铝合金型材在动力电池壳体中的应用。
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