CN114231796A - 一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝合金制备技术领域，具体为一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法，所述用于电池防爆阀的铝合金材料，其化学组分及其质量百分比含量如下：Si≤0.1wt%、Fe：0.8～1.6wt%、Cu≤0.05wt%、Mn：0.3～0.8wt%、Zn≤0.01wt%、Ti：0.01～0.16wt%，余量为铝和不可避免的杂质，所述的杂质单项含量＜0.05wt%，通过以上成分及其质量百分比的控制，制备的铝合金具有拉伸强度在95MPa以上，延伸率在40％以上，再结晶晶粒的平均尺寸为10～25μm。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，涉及一种铝合金壳体结构的锂离子电池，当电池内部压力达到安全上限后，用该铝合金材料制成的电池防爆阀件优先破裂，从而起到对电池压力过大导致壳体爆炸的保护作用，具体为一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法。
背景技术
目前，随着新能源汽车的推广，对车用锂离子电池的需求越来越大，由于锂离子电池在使用过程中可能出现高温高压气体，假如不能排出到锂离子电池外部，就可能发生爆炸起火引发严重安全事故。所以电池盖板在设计时特将盖板上设有防爆阀装置，在电芯内部压力过大的情况下，防爆阀会爆开达到泄压的目的，防止出现爆炸现象，因此防爆阀材料选择非常关键，它需要有一定强度和较高延伸率，以便能承受电芯在安全工况下的内部压力，同时，当电芯内部压力过大时，可以及时爆裂，帮助泄压。
中国专利：一种新能源电池盖防爆阀用铝合金带材及其制备方法，授权公告号：CN107502787 A，授权公告日：2017年12月22日，通过优化成分及工艺控制，开发出一种具有稳定爆破压力、优良激光焊接性能的新能源电池盖防爆阀用铝合金带材，适用于当前电池盖防爆片的生产要求及生产方式，但是其延展率在35.6%~37.2%之间，不能满足于当前电池盖防爆阀的延展性的生产要求，因此需要设计一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新能源电池盖用铝合金板及其制造方法，通过优化合金成分，并结合工艺技术控制，获得一种晶粒及化合物尺寸细小均匀和延展性好的铝合金带材，满足于当前电池盖防爆阀的生产要求及生产方式。
为实现本发明的目的，本发明的技术解决方案如下：本发明提供了1. 一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法，其特征在于，其化学组分及其质量百分比如下：Si≤0.1wt%、Fe：0.8～1.6wt%、Cu≤0.05wt%、Mn：0.3～0.8wt%、Zn≤0.01wt%、Ti：0.01～0.16wt%，余量为铝和不可避免的杂质，所述的杂质单项含量＜0.05wt%，通过以上成分及其质量百分比的控制，制备的铝合金具有拉伸强度在95MPa以上，延伸率在40％以上。
本发明的进一步改进在于：包括如下步骤：
（1）配料：采用99.6%铝锭、锰剂、铁剂、钛剂，按照内控化学成分以及铸锭的规格、数量确定以上投料量；
（2）熔炼：完成上述计算步骤后，在熔炼炉中加入铝锭和钛剂，待金属全部熔化，熔炼温度为730℃-750℃，当金属温度达到730-750℃时开始扒渣，然后依次加入锰剂、铁剂、钛剂，搅拌均匀，然后取样分析；
（3）调整配料比例：调整成分使所有成分都达到控制范围，余量为铝和不可避免的杂质，然后进行炉内精炼并扒渣，然后控制金属温度达到合理的铸造温度；
（4）连续铸造：待金属温度达到合理的铸造温度，开始铸造，铸造过程中金属从炉内流出来，经过流槽输送，进行在线除气、在线晶粒细化、在线过滤后，采用连铸连轧成为需要规格的铸轧卷；
（5）预退火：对连铸连轧制成的卷以规定的温度和时间，实施退火处理，出炉后自然冷却到常温 ；
（6）冷轧：热轧好的铝卷，在室温状态转到冷轧机，按照设定的冷轧道次进行冷轧，控制好板型，直至轧到规定厚度；
（7）退火：通过合适的退火工艺，对铝卷进行退火，保温温度在350～450℃，保温时间在2.5-3.5小时；
（8）分切：获得的卷材经纵切机切边或分条成标准规格的卷材，最终制得一种电池防爆阀用铝合金带材。
本发明的进一步改进在于：步骤（4）中的铸造温度为660℃-700℃，连铸连轧速1500-2000mm/min。
本发明的进一步改进在于：步骤（5）中的预退火温度为400～450℃，时间控制为1小时。
本发明的进一步改进在于：步骤（6）的冷轧工序中，冷轧总加工率在60％～85％范围内。
本发明的进一步改进在于：步骤（7）的退火工序中，退火温度360℃，保温时间3小时。
本发明的进一步改进在于：步骤（8）的分切工序中，获得的卷材经纵切机切边或分条成规格0 .5mm*60mm的卷材，材料成品厚度为0.4mm～1.5mm。
本发明的有益效果：
利用Ti元素细化作用克服锰和铁含量高易形成大颗粒化合物而带来的不利影响，通过合金成分的优化和科学的制备方法，在350-450℃下退火产生的弥散相优先在亚晶界/晶界处析出，析出相的类型有针状、块状和颗粒状，并均匀的分布在组织表面进行再结晶，获得细小均匀的晶粒和金属化合物，保证材料一定的强度、塑性及爆破压力的稳定性，本发明所制备的材料经过不同加工量的冲压加工后，加工量越大，加工硬化的趋势逐渐减弱，其延伸率好于AA1050和AA300材料，本发明所制备的材料具有优良的激光焊接性能，满足防爆阀与电池盖板之间的激光焊接要求，减少了焊接工序带来的泄漏、爆破压力不稳定等隐患。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例1：
本实施例的技术解决方案如下：本实施例提供了实施例1：
本实施例提供了一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法，其化学组分及其质量百分比如下：Si≤0.1wt%、Fe：0.8～1.6wt%、Cu≤0.05wt%、Mn：0.3～0.8wt%、Zn≤0.01wt%、Ti：0.01～0.16wt%，余量为铝和不可避免的杂质，所述的杂质单项含量＜0.05wt%。
其制造方法，具体步骤为：
（1）配料：采用99.6%铝锭、锰剂、铁剂、钛剂，按照内控化学成分以及铸锭的规格、数量确定以上投料量；
（2）熔炼：完成上述计算步骤后，在熔炼炉中加入铝锭和钛剂，待金属全部熔化，熔炼温度为730℃-750℃，当金属温度达到730-750℃时开始扒渣，然后依次加入锰剂、铁剂、钛剂，搅拌均匀，然后取样分析；
（3）调整配料比例：调整成分使所有成分都达到控制范围，即：Si≤0.1wt%、Fe：0.8～1.6wt%、Cu≤0.05wt%、Mn：0.3～0.8wt%、Zn≤0.01wt%、Ti：0.01～0.16wt%，余量为铝和不可避免的杂质，然后进行炉内精炼并扒渣，然后控制金属温度达到合理的铸造温度；
（4）连续铸造：待金属温度达到合理的铸造温度，开始铸造，铸造过程中金属从炉内流出来，经过流槽输送，进行在线除气、在线晶粒细化、在线过滤后，采用连铸连轧成为需要规格的铸轧卷，其中铸造温度660℃-700℃、连铸连轧速度1500-2000mm/min；
（5）预退火：对连铸连轧制成的卷以400～450℃的温度、1小时以上的保持时间实施退火处理，出炉后自然冷却到常温 ；
（6）冷轧：热轧好的铝卷，在室温状态转到冷轧机，按照设定的冷轧道次进行冷轧，控制好板型，直至轧到0.5mm厚度；
（7）退火：通过合适的退火工艺，对铝卷进行退火，退火温度360℃，保温时间3小时；
（8）分切：获得的卷材经纵切机切边或分条成规格0 .5mm*60mm的卷材，最终制得一种电池防爆阀用铝合金带材。
（9）检测：力学检测按照GB/T 16865-2013 《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》金相检测按照GB/T 3246.1-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法》。
通过对Fe、Mn、Ti元素含量进行了优化，产生如下效果：
如果Fe元素含量少于0.8质量％，则铸锭中的Fe类金属间化合物的尺寸和数量减少，在均匀化处理时无法充分减少铸锭的Mn固溶量，因此对于最终高加工率下的加工硬化可能会变得显著，不利于达到最终延伸率达到40%以上的条件；如果Fe含量多于1 .6质量％，则Fe类金属间化合物的尺寸和数量增加，导致最终材料的成形性降低，因此Fe含量设为0.8～1 .6质量％的范围，进一步优选的Fe含量是1 .2～1 .5质量％的范围。
Mn是增加铝合金材料的屈服强度的元素，一部分固溶于基体中来促进固溶强化，因此是必需元素；如果Mn含量少于0.3质量％，铸锭中的Fe类金属间化合物的形状成为针状，对最终材料的延伸率会有影响；如果Mn含量多于0 .8质量％，则铸锭中的Mn固溶量过高，对最终材料的延伸率也会有影响；
因此Mn含量设为0 .3～0 .8质量％的范围，进一步优选的Mn含量是0 .4～0 .65质量％的范围。
Ti在铸锭铸造时起到晶粒细化剂作用，能够防止铸造开裂，因此是必需元素；如果Ti含量少于0 .01质量％，则铸锭铸造时的微细化效果不充分，有可能造成铸造破裂。如果Ti含量多于0 .16质量％，则在铸锭铸造时TiAl3等粗大的金属间化合物结晶析出，对最终材料的延伸率会有影响；因此，Ti含量设为0 .01～0 .16质量％的范围；进一步优选的Ti含量是0 .02～0 .08质量％的范围。
经该方法制得的铝合金带材晶粒平均尺寸20μm，拉伸强度在98MPa，延伸率在42％，可以满足延展率高于40%的生产要求，与电池盖板激光焊接无气孔无裂纹。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种用于电池防爆阀的铝合金材料，其特征在于：化学组分及其质量百分比如下：Si≤0.1wt%、Fe：0.8～1.6wt%、Cu≤0.05wt%、Mn：0.3～0.8wt%、Zn≤0.01wt%、Ti：0.01～0.16wt%，余量为铝和不可避免的杂质，所述的杂质单项含量＜0.05wt%。
2.如权利要求1所述的一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法，其特征在于：再结晶晶粒的平均尺寸为10～25μm。
3.一种制备如权利要求1所述的一种用于电池防爆阀的铝合金材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）配料：采用99.6%铝锭、锰剂、铁剂、钛剂，按照所述化学成分及其质量百分比、铸锭的规格、数量确定以上投料量；
（2）熔炼：完成上述计算步骤后，在熔炼炉中加入铝锭和钛剂，待金属全部熔化，熔炼温度为730℃-750℃，当金属温度达到730-750℃时开始扒渣，然后依次加入锰剂、铁剂、钛剂，搅拌均匀，然后取样分析；
（3）调整配料比例：调整成分使所有成分都达到控制范围，余量为铝和不可避免的杂质，然后进行炉内精炼并扒渣，然后控制金属温度达到合理的铸造温度；
（4）连续铸造：待金属温度达到合理的铸造温度，开始铸造，铸造过程中金属从炉内流出来，经过流槽输送，进行在线除气、在线晶粒细化、在线过滤后，采用连铸连轧成为需要规格的铸轧卷；
（5）预退火：对连铸连轧制成的卷以规定的温度和时间，实施退火处理，出炉后自然冷却到常温 ；
（6）冷轧：热轧好的铝卷，在室温状态转到冷轧机，按照设定的冷轧道次进行冷轧，控制好板型，直至轧到规定厚度；
（7）退火：通过合适的退火工艺，对铝卷进行退火，保温温度在350～450℃，保温时间在2.5-3.5小时；
（8）分切：获得的卷材经纵切机切边或分条成标准规格的卷材，最终制得一种电池防爆阀用铝合金带材。
4.根据权利要求3所述的一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法，其特征在于：步骤（4）中的铸造温度为660℃-700℃，连铸连轧速1500-2000mm/min。
5.根据权利要求3所述的一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法，其特征在于：步骤（5）中的预退火温度为400～450℃，时间控制为1小时。
6.根据权利要求3所述的一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法，其特征在于：步骤（6）的冷轧工序中，冷轧总加工率在60％～85％范围内。
7.根据权利要求3所述的一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法，其特征在于：步骤（7）的退火工序中，退火温度360℃，保温时间3小时。
8. 根据权利要求3所述的一种用于电池防爆阀的铝合金材料及其制备方法，其特征在于：步骤（8）的分切工序中，获得的卷材经纵切机切边或分条成规格0 .5mm*60mm的卷材，材料成品厚度为0.4mm～1.5mm。
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