CN114752829A - 新能源动力电池液冷板用复合铝合金板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种新能源动力电池液冷板用复合铝合金板及其制备方法，复合铝合金板包括芯材层和防护层；其中，芯材层包含Cr(铬)元素，可以抑制Mg2Si相在晶界的析出，提高人工时效后的强度，同时可以细化晶粒，使再结晶后的晶粒呈细长状，可以提高耐腐蚀性能；所述防护层为Al‑Mn合金或1系合金，钎焊过程中，防护层可以防止芯材层的Mg元素扩散到表面，避免Mg的毒化作用影响焊接效果。

Description

新能源动力电池液冷板用复合铝合金板及其制备方法
技术领域
本申请涉及铝合金复合材料技术领域，具体涉及一种新能源动力电池液冷板用复合铝合金板及其制备方法。
背景技术
随着电动汽车的快速发展，动力电池作为新能源汽车动力系统的核心部件也将飞速发展。作为电池冷却模块的液冷板，其需求也将越来越大。
动力电池的一种冷却方式为间接冷却，液冷板通道中流通的冷却液，利用对流传热、制冷等方式降低电池组的工作温度，起到冷却作用。其中一种设计方式为，液冷板不仅起到冷却作用，还作为支撑板，起到支撑电池组重量的作用，不需要额外安装支撑架。这种设计方式，对液冷板的强度要求较高。
然而，常用的3系铝合金焊后屈服强度一般小于100MPa，通常只能满足150kg的承重要求。尽管传统的3×××系及传统铝合金已满足常规的使用要求，但随着市场发展，该高强度需求将会普遍化。不同的汽车电池重量不一样，国内电动汽车电池重量通常为250kg左右，部分在300kg以上，若要满足更大的承重要求，则对其强度有更高的要求。
发明内容
为了解决本领域存在的上述问题，本申请旨在提供一种新能源动力电池液冷板用复合铝合金板及其制备方法。
根据本申请的一个方面，提供一种新能源动力电池液冷板用复合铝合金板，包括芯材层和防护层；
其中，芯材层组成成分及重量百分比为：Si：0.7～1.0％，Fe：0.2～0.4％， Cu：0.2～0.4％，Mn：0.3～0.4％，Mg：0.6～0.8％，Ti：0.05～0.1％，Cr： 0.05～0.15％，其它元素单个含量＜0.05％，总量＜0.15％，余量为铝；
所述防护层为Al-Mn合金或1系合金。
所述防护层位于芯材层的上下两面，避免芯材层的Mg元素扩散。
根据本申请的一些实施例，所述防护层选自3003铝合金。
根据本申请的一些实施例，所述复合铝合金板屈服强度＞220MPa。
根据本申请的另一方面，提供一种Al-Mn合金在新能源动力电池液冷板用复合铝合金板的防护层中的应用。
根据本申请的又一方面，还提供一种新能源动力电池液冷板用复合铝合金板的制备方法，包括：
复合热轧：按照防护层、芯材、防护层的顺序复合后进行热轧，开轧温度为470～500℃，热轧厚度为6～8mm的热轧卷；
冷轧：将热轧卷经过2-3道次轧制为1.0～3.0mm的冷轧卷；
成品退火，将冷轧卷放入退火炉进行退火，退火温度为350～380℃，保温2～4h后出炉；
钎焊工艺：25-30min由室温升至595-605℃，保温20-30min；
时效工艺：钎焊后进行空冷或风冷。
根据本申请的一些实施例，所述防护层按5～8％的比例配锭后再与芯材层复合热轧。所述比例为最终产品厚度中一层防护层的占比。
根据本申请的一些实施例，所述芯材无需均匀化处理。
根据本申请的一些实施例，所述空冷或风冷的人工时效温度为200～ 240℃，保温时间为60～120min。
根据本申请的又一方面，还提供一种上述复合铝合金板制备的新能源动力电池液冷板。
与现有技术相比，本申请至少包括如下有益效果：
根据本申请实施例，提供一种新能源动力电池液冷板用复合铝合金板，包括芯材层和防护层。其中，芯材层为Al-Mg-Si系合金，具有热处理强化效果，该材料的高强度具有减薄、减轻电池重量、轻量化的前景，以此提升续航里程。
本申请的复合材料芯材层上、下两面防护层为Al-Mn合金，钎焊过程中，防护层可以防止芯材层的Mg元素扩散到表面，避免Mg的毒化作用影响焊接效果。并且本申请的复合材料钎焊时不发生低熔点第二相溶解，不产生过烧现象。
本申请的复合材料的芯材合金含有较高的Mg、Mn、Cu、Si等合金元素，可以消耗较大比例的回收铝，与其他同时含有上述合金元素的钎焊式复合铝合金相比，回收铝消耗比例可以由10～20％提高到30～45％，有利于回收铝的循环利用，减少碳排放。据统计生产一吨原铝的碳排放量约为 11.2吨，而生产一吨再生铝的碳排放量仅为0.2吨，回收铝的循环利用将大大减少碳排放。
此外，本申请的芯材层包含Cr(铬)元素，可以抑制Mg2Si相在晶界的析出，提高人工时效后的强度，同时可以细化晶粒，使再结晶后的晶粒呈细长状，可以提高耐腐蚀性能。
根据本申请的实施例，还提供一种新能源动力电池液冷板用复合铝合金板的制备方法。本申请发现，防护层比例越大防护层越厚，芯材将会越薄，但这将会牺牲芯材的时效强化强度，故防护层在起到有效防护的基础上比例越小越好。因此，本申请复合材料的防护层比例小，根据Mg元素扩散深度试验确定防护层厚度。
本申请的制备方法中，钎焊后采用人工时效(即空冷或水冷)。本申请的复合材料，钎焊后经空冷后人工时效屈服强度可达220MPa以上，水冷后人工时效屈服强度可达240MPa以上，较自然时效屈服强度的110MPa以上提高一倍以上。
在本申请的制备方法中，芯材铸锭不均匀化退火，钎焊后芯材晶粒形貌更具长条状，晶粒长宽比更大，晶界少，可减少Mg在钎焊过程中的扩散深度，还可以节约成本并提高产品生产周期。
附图说明
图1为本申请示例实施例的复合材料的示意图。
具体实施方式
如前所述背景技术，随着。针对上述问题，本申请提供一种新能源动力电池液冷板用复合铝合金板及其制备方法。
下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
特别需要指出的是，针对本申请所做出的类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本申请。相关人员明显能在不脱离本申请内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本申请技术。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请如未注明具体条件者，均按照常规条件或制造商建议的条件进行，所用原料药或辅料，以及所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
下面对本申请进行详细说明。
目前液冷板材料多为3系及3系改性合金，其钎焊后屈服强度基本在 40～80MPa之间，因此，其钎焊后强度需大幅提高，才能满足较高的支撑要求及轻量化要求。
本发明以Al-Mg-Si系铝合金为基础，利用可热处理强化来提升钎焊后屈服强度，可实现钎焊后屈服强度＞220MPa。
一般6系铝合金固、液相线温度相对3系铝合金较低，固相线温度大都低于610℃。但同时需要解决固、液相线温度低的问题，以保证满足600℃温度下钎焊的要求。本申请的复合材料的合理的合金元素范围，确保在 600℃温度下钎焊不发生低熔点第二相溶解，不产生过烧现象。
本申请的复合材料，还解决Mg钎焊过程中的毒化作用。6系铝合金中的Mg元素在425℃以上的温度下容易扩散，钎焊温度达600℃，Mg扩散到表面，与氧化铝层、KAlF焊剂发生反应，大量消耗焊剂的同时，还产生 K2MgF4，附着在材料表面，妨碍皮材流动，影响焊接质量。故本申请通过增加防护层，以解决Mg扩散造成的影响，若防护层越厚，芯材将会越薄，会牺牲芯材的时效强化强度，故需要根据Mg的扩散深度以确定防扩散层合理的复合比。
本申请提供一种Al-Mn合金在新能源动力电池液冷板的含Mg的复合铝合金板的防护层中的应用。
经本申请的合理的成分调控、芯材铸锭不均匀化以及合理的成品退火工艺等方案；经试验，防护层厚度为1mm，钎焊后Mg元素扩散深度约30～ 40μm；防护层厚度为2mm，钎焊后Mg扩散深度为80～100μm；防护层厚度为3mm，钎焊后Mg扩散深度为100～140μm，因此，本申请的防护层厚度比例为5～8％。
此外，本申请钎焊后合理的冷却方式，时效工艺，实现强度的提升。材料在600℃钎焊之后冷却，形成过饱和固溶体，通过时效，过饱和固溶体分解，合金元素以一定方式析出，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位错的运动，从而提高合金强度。
下面结合具体实施例对本申请进行详细说明。
实施例1
本申请的新能源动力电池液冷板用复合铝合金板的制备：
芯材组成及质量百分比：Si 0.9％，Fe 0.36％，Cu 0.35％，Mn 0.34％， Mg0.7％，Ti 0.08％，Cr 0.1％，其它元素单个含量＜0.05％，总量＜0.15％，余量为铝；
防护层为3003合金。
(1)芯材铸锭不均匀化，上下两侧的防护层按5％配比进行复合热轧，开轧温度为500℃，热轧卷厚度为8mm；
(2)热轧卷经2道次冷轧轧制成3mm的冷轧卷；
(3)冷轧卷进行成品退火，温度380℃，保温时间2h；
(4)退火后的冷轧卷进行钎焊工艺，25min由室温升至595℃，保温30min；
(5)时效工艺：空冷+自然时效15D、空冷+200℃保温120min的人工时效、水冷+200℃保温120min的人工时效；
(6)力学性能测试：力学性能见汇总表。
实施例2
本申请的新能源动力电池液冷板用复合铝合金板的制备：
芯材组成及质量百分比：Si 1.0％，Fe 0.4％，Cu 0.2％，Mn 0.4％，Mg 0.8％，Ti0.05％，Cr 0.15％，其它元素单个含量＜0.05％，总量＜ 0.15％，余量为铝；
防护层为3003合金。
(1)芯材铸锭不均匀化，上下两侧的防护层3003按6％配比进行复合热轧，开轧温度为490℃，热轧厚度为7mm；
(2)热轧卷经2道次冷轧轧制成2.5mm的冷轧卷；
(3)冷轧卷进行成品退火温度370℃，保温时间2.5h；
(4)退火后的冷轧卷进行钎焊工艺，25min由室温升至600℃，保温20min；
(5)时效工艺：空冷+自然时效15D、空冷+225℃保温80min的人工时效、水冷+225℃保温60min的人工时效；
(6)力学性能测试：力学性能见汇总表。
实施例3
本申请的新能源动力电池液冷板用复合铝合金板的制备：
芯材组成及质量百分比：Si 0.7％，Fe 0.2％，Cu 0.4％，Mn 0.3％， Mg 0.6％，Ti0.1％，Cr 0.05％，其它元素单个含量＜0.05％，总量＜0.15％，余量为铝；
防护层为3003合金。
(1)芯材铸锭不均匀化，上下两侧的防护层3003按7％配比进行复合热轧，开轧温度为480℃，热轧厚度为6.5mm；
(2)热轧卷经3道次冷轧轧制成2mm的冷轧卷；
(3)冷轧卷进行成品退火温度360℃，保温时间3h；
(4)退火后的冷轧卷进行钎焊工艺，30min由室温升至605℃，保温25min；
(5)时效工艺：空冷+自然时效15D、空冷+240℃保温60min的人工时效、水冷+240℃保温60min的人工时效；
(6)力学性能测试：力学性能见汇总表。
实施例4
本申请的新能源动力电池液冷板用复合铝合金板的制备：
芯材组成及质量百分比：Si 0.8％，Fe 0.3％，Cu 0.32％，Mn 0.4％， Mg 0.75％，Ti 0.07％，Cr 0.12％，其它元素单个含量＜0.05％，总量＜ 0.15％，余量为铝；
防护层为3003合金。
(1)芯材铸锭不均匀化，上下两侧的防护层3003按8％配比进行复合热轧，开轧温度为470℃，热轧厚度为6mm；
(2)热轧卷经3道次冷轧轧制成1mm的冷轧卷；
(3)冷轧卷进行成品退火温度350℃，保温时间4h；
(4)退火后的冷轧卷进行钎焊工艺，28min由室温升至600℃，保温30min；
(5)时效工艺：空冷+自然时效15D、空冷+200℃保温120min的人工时效、水冷+240℃保温60min的人工时效；
(6)力学性能测试：力学性能见汇总表。
实施例5
芯材组成及质量百分比：Si 1.0％，Fe 0.4％，Cu 0.2％，Mn 0.4％， Mg 0.8％，Ti0.05％，Cr 0.15％，其它元素单个含量＜0.05％，总量＜ 0.15％，余量为铝；
防护层为1050合金，制备方法同实施例2。
对比例1
材料组成及质量百分比：Si 0.22％，Fe 0.5％，Cu 0.08％，Mn 1.3％， Mg0.01％，Ti 0.04％；因Mg含量极低，因此无防护层。
铸锭不均匀化；
热轧，开轧温度为470℃，热轧厚度为6.5mm，经3道次冷轧轧制成 2mm的冷轧卷，成品退火温度360℃，保温时间3h；
力学性能测试：力学性能见汇总表。
对比例2
芯材组成及质量百分比：Si 0.65％，Fe 0.45％，Cu 0.68％，Mn 1.5％， Mg0.01％，Ti 0.08％；因Mg含量极低，无防护层。
芯材铸锭不均匀化；
热轧，开轧温度为480℃，热轧厚度为6mm，经3道次冷轧轧制成 1mm的冷轧卷，成品退火温度380℃，保温时间2h；
力学性能测试：力学性能见汇总表。
对比例3
芯材组成及质量百分比：Si 0.8％，Fe 0.3％，Cu 0.32％，Mn 0.4％， Mg 0.75％，Ti 0.07％，Cr 0.12％，其它元素单个含量＜0.05％，总量＜ 0.15％，余量为铝；
防护层为：3004铝合金，即Si 0.06％，Fe 0.27％，Cu 0.01％，Mn 1.2％， Mg0.9％，Ti 0.03％，其它元素单个含量＜0.05％，总量＜0.15％，余量为铝；
制备方法同实施例4。
钎焊后流道板和平板之间大面积虚焊，芯材有较高含量的Mg元素，阻挡层也含有Mg元素，Mg元素的毒化作用导致钎焊失败。
对比例4
芯材组成及质量百分比：Si 0.7％，Fe 0.2％，Cu 0.4％，Mn 0.3％，Mg 0.6％，Ti0.1％，Cr 0.05％，其它元素单个含量＜0.05％，总量＜0.15％，余量为铝；
无防护层；
制备方法同实施例3。
钎焊后流道板和平板之间大面积虚焊，芯材有较高含量的Mg元素， Mg元素的毒化作用导致钎焊失败。
对比例5
芯材组成及质量百分比：Si 0.9％，Fe 0.36％，Cu 0.35％，Mn 0.34％， Mg0.7％，Ti 0.08％，其它元素单个含量＜0.05％，总量＜0.15％，余量为铝；
除芯材层不含Cr外，其他均与实施例1相同。
试验例
对实施例1-5及对比例1-5进行力学性能测试。
Figure BDA0003628058990000101
Figure BDA0003628058990000111
根据上述表格可知：
防护层为1系合金时，因1系合金较软，钎焊时效后强度比防护层为3 系的低，且实际复合热轧过程中发现防护层为1系时轧制相对困难，成品率低于3系防护层的，因为1系相对于3系较软，1系与6系芯材的硬度差异相对与3系与6系芯材的硬度差异大，故复合难度相对大，虽都能起到防护层的作用，但从生产难易角度出发，选择3系更为合理；防护层为3 系含Mg合金时，钎焊时效后强度虽比3系不含Mg合金有所增加，但因防护层Mg元素的毒化作用造成焊接虚焊，无法满足焊接要求，故3系含Mg 合金不能作为防护层；芯材不含Cr元素时，钎焊人工时效后强度略低于含 Cr元素，进一步说明了Cr元素可以抑制Mg2Si相在晶界的析出，提高人工时效后的强度。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种新能源动力电池液冷板用复合铝合金板，其特征在于，包括芯材层和防护层；
其中，芯材层组成成分及重量百分比为：Si：0.7～1.0％，Fe：0.2～0.4％，Cu：0.2～0.4％，Mn：0.3～0.4％，Mg：0.6～0.8％，Ti：0.05～0.1％，Cr：0.05～0.15％，其它元素单个含量＜0.05％，总量＜0.15％，余量为铝；
所述防护层为Al-Mn合金或1系合金。
2.根据权利要求1所述的复合铝合金板，其特征在于，所述防护层选自3003铝合金。
3.根据权利要求1所述的复合铝合金板，其特征在于，所述复合铝合金板屈服强度＞220MPa。
4.一种权利要求1所述的新能源动力电池液冷板用复合铝合金板的制备方法，其特征在于，包括：
复合热轧：按照防护层、芯材层、防护层的顺序复合后进行热轧，开轧温度为470～500℃，热轧厚度为6～8mm的热轧卷；
冷轧：将热轧卷过2-3道次轧制为1.0～3.0mm的冷轧卷；
成品退火：将冷轧卷放入退火炉进行退火，退火温度为350～380℃，保温2～4h后出炉；
钎焊工艺：25-30min由室温升至595-605℃，保温20-30min
时效工艺：钎焊后进行空冷或风冷之后，在一定温度下保温一定时间。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，每层所述的防护层按5～8％的比例配锭后再与芯材层复合热轧。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述芯材无需均匀化处理。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述空冷或风冷的人工时效温度为200～240℃，保温时间为60～120min。
8.一种权利要求1-3任一所述复合铝合金板制备的新能源动力电池液冷板。
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