CN114908276A - 一种新能源汽车电池托盘铝合金及其型材的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新能源汽车电池托盘铝合金及其型材加工方法，新能源汽车用铝合金按重量百分比计，由包括以下的组分制备而成Si:0.46‑0.55wt.％；Fe:0.2‑0.3wt.％；Cu:0.15‑0.3wt.％；Mn:0.1‑0.15wt.％；Mg:0.85‑1.0wt.％；Gr:0.10‑0.25wt.％；Zn:≤0.10wt.％；Ti：0.02‑0.05wt.％；余量为Al和不可避免的杂质。根据本发明实施例的新能源汽车用铝合金电池托盘型材的加工方法，通过铝合金化学成分控制、挤压工艺及人工时效工艺的优化，提高了型材的焊接性能、机械强度以及挤压成形能力，适用于一种新能源汽车用铝合金电池托盘用型材的加工方法。

Description

一种新能源汽车电池托盘铝合金及其型材的加工方法
技术领域
本发明涉及一种金属及金属加工领域，具体涉及一种新能源汽车电池托盘铝合金及其型材加工方法。
背景技术
随着全球石油资源的日益紧张以及汽车保有量的增加对环境污染的加剧，新能源汽车优势越来越明显。不仅如此，国家产业政策也大力支持新能源汽车行业的发展。因此，新能源汽车行业已经进入了高速发展期。因此制造新能源汽车电池托盘的铝合金型材逐渐广泛应用起来，该合金具有良好的机加工、焊接及机械性能，但新能源汽车电池托盘用铝合金型材断面复杂，型腔多，尺寸要求严格，传统生产工艺及材料造成挤压生产困难，工装模具容易报废，型材尺寸不符合设计要求。针对这种情况，有必要开发一种兼顾挤压成型、机械性能、提高工装模具使用寿命的新能源电池托盘用铝合金及其相应的加工方法，以满足新能源汽车行业发展的需要。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种新能源汽车电池托盘用铝合金，本发明还提供一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法。
本发明解决所采用的技术方案是：
一种新能源汽车电池托盘用铝合金，按重量百分比计，由以下的化学成分制备而成：
Si：0.46-0.55wt.％；
Fe：0.20-0.35wt.％；
Cu：0.15-0.30wt.％；
Mn：0.10-0.15wt.％；
Mg：0.80-1.00wt.％；
Gr：0.10-0.25wt.％；
Zn：≤0.10wt.％；
Ti：0.02-0.05wt.％；
余量为Al和不可避免的杂质。
进一步的，所述铝合金中，按质量比计：
Mg/Si＝1.5-1.9。
进一步的，所述铝合金中：
粗大金属间化合物的面分数2％-5％，且间距为10-20微米。
进一步的，所述铝合金中：
弥散金属间化合的面分数为1-3％，间距为1-3微米。
进一步的，所述粗大金属间化合物的尺寸大于1微米；
所述弥散金属间化合的尺寸小于1微米。
一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法，其特征在于：
包括：
S1、新能源汽车电池托盘用的铝合金铸棒进行均匀化退火处理；
S2、对均质退火处理的铸棒进行加温并挤压；
S3、对挤压后的型材进行固溶处理；
S4、对淬火后的型材进行拉伸、锯切、装框人工时效处理。
进一步的，所述S1步骤中：
均匀化退火处理包括步骤：以50-80℃/h的速度升到560±5℃并保温8010小时，强风加水冷冷却至200℃，然后自然冷却到室温。
进一步的，所述S2步骤中：
用铝棒加温炉对铝棒进行加温到510-530℃，挤压速度4-5m/min，挤压出口温度520±5℃。
进一步的，所述S3步骤中：
对挤压后的型材进行固溶处理，降温速率180-200℃/min，保证固溶处理后温度不高于70℃。
进一步的，所述S4步骤中：
对型材拉伸(拉伸量0.5-1％),锯切装框后进行人工时效，加温到175±5℃，保温7.5小时出炉，风冷到50℃以下，保证型材硬度及机械性能硬度＞90HB，抗拉强度＞265，屈服强度＞245，延伸率＞10％。
本发明一种新能源汽车电池托盘铝合金型材的加工方法的优点在于：
1、该铝合金主要合金元素是Mg与Si，并形成Mg2Si主要强化相，其化学重量比为Mg/Si＝1.73。当Mg元素和Si元素的含量符合此关系时合金就具有最大的时效强化效果。当不满足此比值时，合金中就会有Si或Mg过剩。Mg含量过剩，不仅会降低Mg2Si在α固溶体中的溶解度，从而造成铝基体中强化相的析出，既降低了铝合金的强度，又降低了铝合金的抗腐蚀性能，而且严重影响合金的成形性能；另一方面，Si过剩，即使强度增加，又使塑性上升，提高铸造性能及焊接性能，但降低了耐腐蚀性能，会引起晶间腐蚀。
在合金中镁含量一定的前提下，随着硅含量的增加，铝合金的抗拉强度也会随之升高。随着合金中强化相Mg2Si愈少，合金的强度、淬火效果、自然时效效果受过剩相的提高就愈大。在合金中硅含量一定的前提下，随着镁含量的增加，6xxx系铝合金的抗拉强度也会随之升高，但相对于硅的效果要差。适当的增加合金中硅元素的含量，合金的铸造性能和焊接性能能够得到改善。而随着合金中强化相Mg2Si相和硅的增加，该铝合金的耐蚀性能会急剧降低。当合金中存在有杂质铁时，部分硅元素可能和铁元素形成FeSiAl三元相，阻止了粗大FeMnAl6相的形成，从而抑制了合金塑性的急剧降低。
由于过剩的硅元素既能够提髙铝合金固溶体的过饱和度，又能够增加时效期间GP区的密度，所以过剩的硅元素能够提高合金的时效硬化效应。但是，过剩的硅元素容易沿着合金的晶界偏析，降低塑性，并降低了合金的耐蚀性。此外，过剩的硅元素能够和铁、铝元素形成AlFeSi三相化合物，并与铝基体构成了一对电极电偶，很大程度的降低了合金的组织稳定性。通常在工厂的实际生产过程中，为了使铝合金获得优异的综合力学性能，可以让硅元素含量稍微过量，但不超过0.06％，避免合金的性能降低。
2、Mn：
Mn可强化基体，提高合金的韧性和耐蚀性，一定量的Mn可提高再结晶温度，含量0.8％-1％时，细化晶粒，还可以加速板条状β(AlFeSi)相向近圆形的α(AlFeSi)相转化，从而相应的减少合金的均匀化时间，促进Mg2Si粒子的均匀分布和挤压变形的均匀性，从而提高合金的强度、韧性、耐蚀性，同时还可以中和Fe元素的有害作用。
加锰不仅可以减少铝合金的停放效应，还能固溶强化，起到提高合金的韧性以及耐蚀性的作用。但Mn过多时，会减少Si的强化效果，形成晶内偏析，并使挤压制品产生粗晶组织，降低铸锭的挤压性能，同时增加了合金的淬火敏感性。
3、Cu：
合金中含有少量的Cu，可使合金产生固溶强化并且增加人工时效效果，提高合金的强度，但会降低合金的耐蚀性。Cu含量愈多，人工时效状态下的晶间腐蚀倾向愈大，添加其他元素如Mn、Cr等，可部分消除这一不利影响。
4、Cr：
Cr能降低晶粒边界的脱溶效果，能使合金自然时效过程减慢，即降低淬火停放效应，提高人工时效强度和耐蚀性；但Cr过多时，会使合金淬火敏感性显著增加，从而使强度降低。
5、Ti：
Ti是晶粒细化剂，可以避免铸造时形成热裂纹，减少铸锭中的柱状晶组织，细化铸锭的晶粒度，起到细晶强化的作用。
对以上合金铸锭需进行均匀化退火热处理。对铸锭进行均匀化退火以40-80℃/h的速度升到560±5℃保温8小时，强风加水冷冷却到200℃，然后自然冷却到室温。均匀化退火过程中，均匀化退火热处理的目的是为了使制品获得均匀的组织和性能，经高温均匀化后，铸态试样组织中粗大的骨骼状、颗粒状的黑色点状物均被细小分布的点状和片状替代，铸态组织中的第二相大部分都回溶到基体中，可以实现晶界上粗大的共晶组织和枝晶的溶解。通过以上的均匀化退火热处理，可使粗大金属间化合物的面分数2％-5％，且间距为10-20微米；弥散金属间化合的面分数为1-3％，间距为1-3微米。并在退火过程中，将会有适量的强化相形成，进一步提高材料强度。
挤压工艺：将均质后的铸棒在感应炉内实行梯度加热，将挤压模具和挤压筒进行预热，再进行挤压处理，其中，铸棒的加热温度为520-530℃，温度梯度为10-20℃。挤压模具的加热温度为460-500℃，保温时间6-12h，挤压筒的加热温度为425-455℃；挤压速度为4-5m/min，制品出口温度不低于520℃，压余设定为25-40mm，挤压比为22-35。
挤压工艺需要重要控制的就是铸棒温度、挤压筒温度、挤压温度和挤压速度，其中挤压温度可通过铸棒温度、挤压筒温度及挤压速度进行调整，当挤压筒温度与铸棒加热温度相匹配时，可减小挤压筒与铸棒之间摩擦，金属的不均匀变形程度也随着降低，从而减轻了挤压缺陷的产生。
对挤压后的型材进行固溶淬火处理，采用强风水雾冷却淬火对挤压得到的管材进行在线淬火，上风量调为60％-90％，下风量调为50％-80％，淬火后的制品温度小于70℃。
拉伸矫直：对淬火后的管材进行拉伸、矫直得到制品，拉伸率控制在0.5-2.0％。
人工时效：锯切装框进炉后进行人工时效，加温到175±5℃，保温7.5小时出炉，风冷到50℃以下，得到最终产品。型材硬度及机械性能，硬度＞90HB，抗拉强度＞265，屈服强度＞245，延伸率＞10％。
本发明技术方案中严格控制镁、硅、铜及锰等微量元素的含量，降低其他杂质元素的含量，通过后续挤压、淬火、拉伸、时效等工艺的规范限定，提高了电池托盘铝合金型材的各项性能，所得铝合金型材的抗拉强度为265-300Mpa，屈服强度为250-270Mpa，延伸率为10％-13％，硬度＞90HB，挤压性能良好，有效的提高了挤压模具寿命，完全满足了客户使用要求，具有很好的实用效果和经济效益，为今后新能源汽车的发展奠定了基础。
具体实施方式
为了更加清楚地、明确地说明本发明的具体实施目的和实施方式，下面将对本发明技术方案进行完整的描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。在未做出创造性劳动的前提下，基于本发明所描述实施例的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
实施例1
本实施例的一种新能源汽车电池托盘用铝合金，按重量百分比计，由以下的化学成分制备而成：
Si：0.46wt.％；
Fe：0.22wt.％；
Cu：0.20wt.％；
Mn：0.12wt.％；
Mg：0.80wt.％；
Gr：0.12wt.％；
Zn：≤0.10wt.％；
Ti：0.03wt.％；
余量为Al和不可避免的杂质，且Mg/Si质量比为1.73。
本实施例的一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法，包括：
S1、对组成成分与上述新能源汽车电池托盘用铝合金型材相同的铸锭进行均匀化退火热处理：以50-80℃/h的速度升到560±5℃并保温8小时，强风加水冷冷却到200℃，然后自然冷却到室温。
S2、挤压工艺：将均质后的铸棒在感应炉内实行梯度加热，将挤压模具和挤压筒进行预热，再进行挤压处理，其中，铸棒的加热温度为510℃，温度梯度为10-20℃。挤压模具的加热温度为500℃，保温时间6-12h，挤压筒的加热温度为425-455℃；挤压速度为4-5m/min，制品出口温度不低于520℃，压余设定为30mm，挤压比为28。得到挤压坯料电池托盘铝型材；
S3、对挤压后的型材进行固溶淬火处理，采用强风水雾冷却淬火对挤压得到的管材进行在线淬火，上风量调为60％-90％，下风量调为50％-80％，淬火后的制品温度小于70℃。对淬火后的管材进行拉伸、矫直得到制品，拉伸率控制在0.5-2.0％。
S4、切装框进炉后进行人工时效，加温到175±5℃，保温7.5小时出炉，风冷到50℃以下，得到最终产品。
实施例2
本实施例的一种新能源汽车电池托盘用铝合金，按重量百分比计，由以下的化学成分制备而成：
Si：0.46wt.％；
Fe：0.22wt.％；
Cu：0.20wt.％；
Mn：0.12wt.％；
Mg：0.80wt.％；
Gr：0.12wt.％；
Zn：≤0.10wt.％；
Ti：0.03wt.％；
余量为Al和不可避免的杂质。
本实施例的一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法，包括：
S1、对组成成分与上述新能源汽车电池托盘用铝合金型材相同的铸锭进行均匀化退火热处理：以50-80℃/h的速度升到560±5℃并保温8小时，强风加水冷冷却到200℃，然后自然冷却到室温。
S2、挤压工艺：将均质后的铸棒在感应炉内实行梯度加热，将挤压模具和挤压筒进行预热，再进行挤压处理，其中，铸棒的加热温度为530℃，温度梯度为10-20℃。挤压模具的加热温度为500℃，保温时间6-12h，挤压筒的加热温度为425-455℃；挤压速度为4-5m/min，制品出口温度不低于520℃，压余设定为30mm，挤压比为28。得到挤压坯料电池托盘铝型材；
S3、对挤压后的型材进行固溶淬火处理，采用强风水雾冷却淬火对挤压得到的管材进行在线淬火，上风量调为60％-90％，下风量调为50％-80％，淬火后的制品温度小于70℃。对淬火后的管材进行拉伸、矫直得到制品，拉伸率控制在0.5-2.0％。
S4、锯切装框进炉后进行人工时效，加温到175±5℃，保温7.5小时出炉，风冷到50℃以下，得到最终产品。
实施例3
本实施例的一种新能源汽车电池托盘用铝合金，按重量百分比计，由以下的化学成分制备而成：
Si：0.55wt.％；
Fe：0.22wt.％；
Cu：0.10wt.％；
Mn：0.12wt.％；
Mg：0.95wt.％；
Gr：0.12wt.％；
Zn：≤0.10wt.％；
Ti：0.03wt.％；
余量为Al和不可避免的杂质，且Mg/Si质量比为1.73。
本实施例的一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法，包括：
S1、对组成成分与上述新能源汽车电池托盘用铝合金型材相同的铸锭进行均匀化退火热处理：以50-80℃/h的速度升到560±5℃并保温8小时，强风加水冷冷却到200℃，然后自然冷却到室温。
S2、挤压工艺：将均质后的铸棒在感应炉内实行梯度加热，将挤压模具和挤压筒进行预热，再进行挤压处理，其中，铸棒的加热温度为510℃，温度梯度为10-20℃。挤压模具的加热温度为460-500℃，保温时间6-12h，挤压筒的加热温度为425-455℃；挤压速度为4-5m/min，制品出口温度不低于520℃，压余设定为30mm，挤压比为28。得到挤压坯料电池托盘铝型材；
S3、对挤压后的型材进行固溶淬火处理，采用强风水雾冷却淬火对挤压得到的管材进行在线淬火，上风量调为60％-90％，下风量调为50％-80％，淬火后的制品温度小于70℃。对淬火后的管材进行拉伸、矫直得到制品，拉伸率控制在0.5-2.0％。
S4、锯切装框进炉后进行人工时效，加温到175±5℃，保温7.5小时出炉，风冷到50℃以下，得到最终产品。
实施例4
本实施例的一种新能源汽车电池托盘用铝合金，按重量百分比计，由以下的化学成分制备而成：
Si：0.55wt.％；
Fe：0.22wt.％；
Cu：0.15wt.％；
Mn：0.10wt.％；
Mg：0.95wt.％；
Gr：0.12wt.％；
Zn：≤0.10wt.％；
Ti：0.03wt.％；
余量为Al和不可避免的杂质，且Mg/Si质量比为1.73。
本实施例的一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法，包括：
S1、对组成成分与上述新能源汽车电池托盘用铝合金型材相同的铸锭进行均匀化退火热处理：以50-80℃/h的速度升到560±5℃并保温8小时，强风加水冷冷却到200℃，然后自然冷却到室温。
S2、挤压工艺：将均质后的铸棒在感应炉内实行梯度加热，将挤压模具和挤压筒进行预热，再进行挤压处理，其中，铸棒的加热温度为530℃，温度梯度为10-20℃。挤压模具的加热温度为460-500℃，保温时间6-12h，挤压筒的加热温度为425-455℃；挤压速度为4-5m/min，制品出口温度不低于520℃，压余设定为30mm，挤压比为28。得到挤压坯料电池托盘铝型材；
S3、对挤压后的型材进行固溶淬火处理，采用强风水雾冷却淬火对挤压得到的管材进行在线淬火，上风量调为60％-90％，下风量调为50％-80％，淬火后的制品温度小于70℃。对淬火后的管材进行拉伸、矫直得到制品，拉伸率控制在0.5-2.0％。
S4、锯切装框进炉后进行人工时效，加温到175±5℃，保温7.5小时出炉，风冷到50℃以下，得到最终产品。
实施例5
本实施例的一种新能源汽车电池托盘用铝合金，按重量百分比计，由以下的化学成分制备而成：
Si：0.52wt.％；
Fe：0.22wt.％；
Cu：0.20wt.％；
Mn：0.12wt.％；
Mg：0.90wt.％；
Gr：0.25wt.％；
Zn：≤0.10wt.％；
Ti：0.03wt.％；
余量为Al和不可避免的杂质，且Mg/Si质量比为1.73。
本实施例的一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法，包括：
S1、对组成成分与上述新能源汽车电池托盘用铝合金型材相同的铸锭进行均匀化退火热处理：以50-80℃/h的速度升到560±5℃并保温8小时，强风加水冷冷却到200℃，然后自然冷却到室温。
S2、挤压工艺：将均质后的铸棒在感应炉内实行梯度加热，将挤压模具和挤压筒进行预热，再进行挤压处理，其中，铸棒的加热温度为520℃，温度梯度为10-20℃。挤压模具的加热温度为460-500℃，保温时间6-12h，挤压筒的加热温度为425-455℃；挤压速度为4-5m/min，制品出口温度不低于520℃，压余设定为30mm，挤压比为28。得到挤压坯料电池托盘铝型材；
S3、对挤压后的型材进行固溶淬火处理，采用强风水雾冷却淬火对挤压得到的管材进行在线淬火，上风量调为60％-90％，下风量调为50％-80％，淬火后的制品温度小于70℃。对淬火后的管材进行拉伸、矫直得到制品，拉伸率控制在0.5-2.0％。
S4、锯切装框进炉后进行人工时效，加温到175±5℃，保温7.5小时出炉，风冷到50℃以下，得到最终产品。
对实施例1-5的新能源汽车电池托盘用铝合金型材进行检测对比，硬度值、机械性能、挤压性能及焊接性能的测试结果如下表所示。
Figure BDA0003558434460000091
通过上表可以看出，按照本发明实施例的制备方法得到的新能源汽车电池托盘铝合金型材的性能如下：硬度≥90HB，抗拉强度≥260，屈服强度≥240，延伸率≥9，均高于标准要求。
本发明实施例的新能源汽车电池托盘铝合金型材制备方法是通过优化合金元素组成、均匀化退火热处理、挤压工艺参数、在线淬火及人工时效加工获得的，同时提高了型材挤压性能和焊接性能；本发明实施例的铝合金型材应用广泛广，如新能源汽车、各种物流集装箱及建筑模板等等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新能源汽车电池托盘用铝合金，其特征在于：
按重量百分比计，由以下的化学成分制备而成：
Si：0.46-0.55wt.％；
Fe：0.20-0.35wt.％；
Cu：0.15-0.30wt.％；
Mn：0.10-0.15wt.％；
Mg：0.80-1.00wt.％；
Gr：0.10-0.25wt.％；
Zn：≤0.10wt.％；
Ti：0.02-0.05wt.％；
余量为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池托盘用铝合金，其特征在于：
所述铝合金中，按质量比计：
Mg/Si＝1.5-1.9。
3.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池托盘用铝合金，其特征在于：
所述铝合金中：
粗大金属间化合物的面分数2％-5％，且间距为10-20微米。
4.根据权利要求3所述的一种新能源汽车电池托盘用铝合金，其特征在于：
所述铝合金中：
弥散金属间化合的面分数为1-3％，间距为1-3微米。
5.根据权利要求4所述的一种新能源汽车电池托盘用铝合金，其特征在于：
所述粗大金属间化合物的尺寸大于1微米；
所述弥散金属间化合的尺寸小于1微米。
6.一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法，其特征在于：
包括：
S1、新能源汽车电池托盘用的铝合金铸棒进行均匀化退火处理；
S2、对均质退火处理的铸棒进行加温并挤压；
S3、对挤压后的型材进行固溶处理；
S4、对淬火后的型材进行拉伸、锯切、装框人工时效处理。
7.根据权利要求6所述的一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法，其特征在于：
所述S1步骤中：
均匀化退火处理包括步骤：以50-80℃/h的速度升到560±5℃并保温8010小时，强风加水冷冷却至200℃，然后自然冷却到室温。
8.根据权利要求6所述的一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法，其特征在于：
所述S2步骤中：
用铝棒加温炉对铝棒进行加温到510-530℃，挤压速度4-5m/min，挤压出口温度520±5℃。
9.根据权利要求6所述的一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法，其特征在于：
所述S3步骤中：
对挤压后的型材进行固溶处理，降温速率180-200℃/min，保证固溶处理后温度不高于70℃。
10.根据权利要求6所述的一种新能源汽车电池托盘用铝合金型材的加工方法，其特征在于：
所述S4步骤中：
对型材拉伸(拉伸量0.5-1％),锯切装框后进行人工时效，加温到175±5℃，保温7.5小时出炉，风冷到50℃以下，保证型材硬度及机械性能硬度＞90HB，抗拉强度＞265，屈服强度＞245，延伸率＞10％。
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