CN115821126B

CN115821126B - 一种高强度电池冷却板料及其制备方法和应用

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Publication number: CN115821126B
Application number: CN202211461488.9A
Authority: CN
Inventors: 郭飞跃; 卢紫琼; 桂良宝; 黄美艳; 吴佳丽; 彭东旺; 李洪伟
Original assignee: Guangdong Yuchuang Electronics Co ltd; Ruyuan Dongyangguang Uacj Fine Aluminum Foil Co ltd
Current assignee: Guangdong Yuchuang Electronics Co ltd; Ruyuan Dongyangguang Uacj Fine Aluminum Foil Co ltd
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-11-24
Anticipated expiration: 2042-11-17
Also published as: CN115821126A

Abstract

本发明涉及一种高强度电池冷却板料及其制备方法和应用。该高强度电池冷却板料，由外层合金和芯层合金复合而成，所述外层合金由如下质量百分比的组分组成：硅：2.2～3.0％，铁：≤0.25％，铜：≤0.05％，锰：0.6～1.0％，镁：≤0.03％，锌：≤0.1％，钛≤0.05％；铝余量；所述芯层合金由如下质量百分比的组分组成：硅：≤0.12％，铁：≤0.18％，铜：0.4～0.6％，锰：1.0～1.5％，镁：≤0.03％，锌：≤0.1％，钛：0.08～0.15％；铝余量。该高强度电池冷却板料具有冲压性能好、钎焊后厚度不减薄、钎焊强度高和耐腐蚀性能好的特点。

Description

一种高强度电池冷却板料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及新能源汽车热交换器用合金技术领域，更具体的，涉及一种高强度电池冷却板料及其制备方法和应用。

背景技术

近几年来，全球新能源汽车的发展保持高速增长的态势。与传统燃油车相比，纯电动汽车由于没有发动机和变速器，对应的水箱、暖风、中冷器和油冷器等热交换器也没有了，但也会相应增加电池冷却器、电池冷却板、PTC加热器等新的热交换器。其中电池冷却板主要是给电动汽车电池冷却使用的，通过电池冷却板内部流道中的冷媒(制冷剂)或水，将电池充放电过程中产生的大量热及时导走，从而避免电池热失控引起着火的风险。

电池冷却板通常是由一块平底板和流道复合板组装、在590～605℃温度下钎焊而成。平底板可以是非复合板，也可以与流道板相同的复合板。电池流道板料，通常也简称电池冷却板料，由外层合金和芯层合金复合而成，其中外层合金的组成为4XXX系铝合金，主要起钎料作用。在钎焊过程中，外层4XXX钎焊层熔化后，在毛细作用下，钎料流到流道板与平底板连接的焊角处，钎焊后外层钎焊层厚度也会大幅减薄，导致钎焊后的电池冷却板局部实际厚度较钎焊前偏薄，可能导致电池外壳与电池冷却板无法紧密接触，从而影响电池的整体散热性能。

名称为一种高耐腐蚀性集流管料及其制备方法和应用的中国专利提供了一种一种高耐腐蚀性集流管料，但其并不关注集流管料钎焊后的厚度变化。

因此，需要开发出一种钎焊后厚度尺寸变化小的电池冷却板料。

发明内容

本发明的首要目的是克服上述现有电池冷却板料钎焊后尺寸变化大的缺陷，提供一种高强度电池冷却板料。该高强度电池冷却板料通过外层合金和芯层合金中特定的金属组分含量，具有冲压性能好、钎焊后厚度不减薄、钎焊强度高和耐腐蚀性能好的特点，该高强度电池冷却板料可用于新能源汽车电池冷却板。

本发明的进一步目的是提供上述高强度电池冷却板料的制备方法。

本发明的进一步目的是提供一种电池冷却板。

本发明的进一步目的是提供上述电池冷却板在新能源汽车汽车中的应用。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种高强度电池冷却板料，由外层合金和芯层合金复合而成，所述外层合金由如下质量百分比的组分组成：硅：2.2～3.0％，铁：≤0.25％，铜：≤0.05％，锰：0.6～1.0％，镁：≤0.03％，锌：≤0.1％，钛≤0.05％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量；

所述芯层合金由如下质量百分比的组分组成：硅：≤0.12％，铁：≤0.18％，铜：0.4～0.6％，锰：1.0～1.5％，镁：≤0.03％，锌：≤0.1％，钛：0.08～0.15％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。

对于现有常规电池冷却板料，其外层合金硅含量通常为6.8～11％左右，高硅含量使得外层合金的整体熔点较低，在590～605℃钎焊条件下外层合金完全熔化成液体，起钎料连接作用。但在高温钎焊过程中，钎料在毛细作用下流到焊角等处，导致电池冷却板厚度减薄，同时高温钎料中的硅不可避免向3XXX合金芯层渗透，造成芯材熔蚀。

本发明创造性地设计外层合金低硅方案，硅含量为2.2～3.0％，外层合金由于硅含量不高，整体熔点较高，在590～605℃钎焊条件下不会完全熔化，但由于硅含量2.2～3.0％远高于常规单层翅片中的硅含量(通常0.5～1.35％)，在高温钎焊条件下，外层合金中较多硅颗粒会熔化成液体，但最终只有部分液体通过晶界析出到表面并流到流道板与平底板连接的焊角处起连接作用。由于外部合金在钎焊时不完全熔化、只是有液体从内部析出来，因此钎焊后厚度不会明显减薄，也不会造成芯材钎焊熔蚀。

若硅含量降到2.2％以下，590～605℃钎焊时，外层合金中析出的液体较少，钎焊时钎料量太少、焊角长度过短，不能起到有效连接作用；若硅含量超出3.0％，高温钎焊时，外层合金中析出的液体太多，将造成钎焊时钎料量过多、芯材钎焊熔蚀。

外层合金中控制铁含量≤0.25％，若铁含量超出0.25％，容易与硅形成大量富含铁、硅的Al-Fe-Si相，Al-Fe-Si相与铝之间形成局部原电池反应，导致该区域被优先腐蚀掉，形成点腐蚀，从而降低了合金的耐腐蚀性能；理论上，外层合金中铁含量越低，合金的耐腐蚀性能越好。

外层合金中控制锰含量为0.6～1.0％，锰可以显著提高铝合金强度，锰与铝形成MnAl₆化合物弥散质点阻止铝合金的再结晶过程，可以提高材料高温性能。若锰含量降到0.6％以下，则形成的(Fe,Mn)Al₆、MnAl₆化合物弥散质点较少，高温钎焊时不能对再结晶过程起到充分的阻碍作用，材料的高温性能会明显下降；若锰含量超出1.0％，锰在铝基体中固溶度过大(658℃时锰在铝中的最大溶解度为1.82％)，外层合金强度过高，成形性能将变差，不利于电池冷却板料冲压成型。

外层合金中控制镁含量为≤0.03％，若镁含量超出0.03％，由于镁在高温钎焊时会蒸发出来，在氮气保护焊时与钎剂(主要成分为KAlF₄)发生化学反应，容易造成钎焊不良。

传统的3003合金芯层为了获得细小的再结晶晶粒和良好的成形性能，铁硅比通常按3﹕1左右的比例设计，硅含量、铁含量通常分别按0.15～0.25％、0.45～0.65％左右的高含量控制。当硅、铁含量较高时，当外层合金被腐蚀掉后，腐蚀进入3003合金芯层，芯层腐蚀速度会加快。

本发明的芯层合金中，硅含量、铁含量分别降低至≤0.12％、≤0.18％。通过采用低硅、低铁设计，当腐蚀进入芯层合金后，芯层腐蚀速度将大大减缓，从而进一步延长了电池冷却板料的使用寿命。理论上，芯层合金中硅和铁的含量越低越好。

此外，芯层合金中硅含量低，与本发明的外层合金中的高硅形成的浓度差将进一步加大，有利于在芯层合金靠近外层合金界面附近的区域形成布朗沉淀带，布朗沉淀带电极电位较3XXX芯层中心部位要低一些，并呈现层状腐蚀，也可以起到牺牲阳极保护芯层合金中心部作用，从而进一步提高了电池冷却板料的使用寿命。若硅含量超出0.12％或铁含量超出0.18％，一方面芯层合金自身的耐腐蚀性能会变差，也不利于高温钎焊后形成大晶粒；另一面芯层合金与外层合金硅浓度差不是足够大，在芯层合金靠近外层合金界面附近区域不容易形成布朗沉淀带，对芯层合金中心部的牺牲阳极保护作用也会减弱。

芯层合金中控制铜含量0.4～0.6％，发明人研究发现，铜可以显著提高铝合金强度和电极电位，若铜含量降到0.4％以下，一方面芯层合金经钎焊后强度比较低，另一方面芯层合金电极电位不够高，与外层合金的电位差不够大，外层合金对芯层合金的牺牲阳极保护作用将会减弱；若铜含量超出0.6％，芯层合金强度过高，成形性能将变差，不利于电池冷却板料冲压成型的要求。

芯层合金中控制锰含量为1.0～1.5％，锰可以显著提高3XXX芯层合金的强度，锰与铝形成MnAl₆化合物弥散质点阻止铝合金的再结晶过程，可以提高材料高温性能。MnAl₆的另一作用是能溶解铁，形成(Fe,Mn)Al₆减小铁的有害影响；若锰含量降到1.0％以下，则形成的(Fe,Mn)Al₆、MnAl₆化合物弥散质点较少，高温钎焊时不能对再结晶过程起到充分的阻碍作用，材料的高温抗下垂性能会明显下降；若锰含量超出1.5％，锰在铝基体中固溶度过大，芯层合金强度过高，成形性能将变差，不利于电池冷却板料冲压成型；同时基体电阻会增大，电导率会下降，对应的导热性能也会下降。

芯层合金中控制镁含量为≤0.03％，若镁含量超出0.03％，由于镁在高温钎焊时会蒸发出来，在氮气保护焊时与钎剂(主要成分为KAlF₄)发生化学反应，造成钎焊不良。

芯层合金中控制钛含量0.08～0.15％，钛在铝合金中除了可以起晶粒细化作用，还可以在铝基体中形成包晶，呈现层状腐蚀特征，可以提高铝合金的耐腐蚀性能；若钛含量低于0.08％，钛在铝基体中不易形成包晶，不能起到层状腐蚀提高耐蚀性能的效果；若钛含量超出0.15％，钛易与锰等元素形成粗大化合物，造成材料成形性能下降。

本发明通过对外层合金和芯层合金中金属组分含量进行调控，得到的高强度电池冷却板料的冲压性能好、钎焊后厚度不减薄、钎焊强度高和耐腐蚀性能好。

优选地，所述外层合金由如下质量百分比的组分组成：硅：2.24～2.91％，铁：0.06～0.23％，铜：≤0.04％，锰：0.63～0.96％，镁：≤0.02％，锌：≤0.04％，钛：≤0.04％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。

优选地，所述外层合金中，其他杂质元素单个质量百分比≤0.05％。

优选地，所述芯层合金包括如下质量百分比的组分：硅：0.06～0.11％，铁：0.07～0.16％，铜：0.43～0.58％，锰：1.02～1.46％，镁：≤0.02％，锌：≤0.04％，钛：0.09～0.14％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。

优选地，所述高强度电池冷却板料的厚度为0.6～1.5mm。

优选地，其特征在于，所述外层合金的厚度为高强度电池冷却板料厚度的3.5～12％。

外层合金的厚度占比在此比例范围内，电池冷却板料的单侧钎料熔化后可以与平底板连接成一个牢固的整体，既可以保证电池冷却板料芯层厚度从而使得整体强度更高，也可以使钎焊效果更好。

上述高强度电池冷却板料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.按照外层合金和芯层合金的组分含量，分别进行调配，经熔炼、精炼、除气、扒渣、铸造，分别制得外层板锭和芯层板锭；

S2.对外层板锭进行锯头、铣面、加热、热轧、剪切，制得外层板块；

对芯层板锭进行锯头、均热、铣面，得到待焊合组装的芯层板锭；

S3.将清洗后的外层板块和待焊合组装的芯层板锭叠放，经加热、热轧复合、冷轧、清洗、成品退火、切板，即得所述高强度电池冷却板料。

优选地，所述外层板锭的厚度为400～500mm，所述芯层板锭的厚度为360～500mm。

优选地，所述外层板块的厚度为22.5～65mm。

优选地，所述铣面控制铣削量为8～10mm/每面；所述热轧复合为制得3.5～6mm厚度的复合带卷。

一种电池冷却板，由上述高强度电池冷却板料制得。

上述电池冷却板在新能源汽车汽车中的应用也在本发明的保护范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过对外层合金和芯层合金中金属组分含量进行调控，得到的高强度电池冷却板料冲压性能好、钎焊后厚度不减薄、钎焊强度高和耐腐蚀性能好，该高强度电池冷却板料可用于新能源汽车电池冷却板。

具体实施方式

为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。

实施例1～5

实施例1～5分别提供一系列高强度电池冷却板料，高强度电池冷却板料由外层合金和芯层合金复合而成，外层合金和芯层合金的组成见表1，电池冷却板料的制造方法如下：

S1.按照外层合金和芯层合金的组分含量，分别进行调配，经熔炼、精炼、除气、扒渣、铸造，分别制得厚度为400～500mm的外层板锭和厚度为360～500mm的芯层板锭；

熔炼：熔炼温度控制在740～780℃，待原材料熔化后，搅拌、扒渣、成分取样检测合格后，将铝液倒入静置炉；

精炼：在静置炉采用N₂精炼10-12分钟，然后搅拌、扒渣、静置5-10分钟；

铸造：成分取样检测合格后，静置炉中的铝液经在线除气、过滤，并采用Al-Ti-B丝在线晶粒细化，铸造成板锭。

S2.对外层板锭进行锯头、铣面、加热、热轧、剪切，制得厚度为22.5～65mm的外层板块；

对芯层板锭进行锯头、均热、铣面，制得待焊合组装的芯层板锭；

铣面控制铣削量为8～10mm/每面；

加热：金属温度控制在480～510℃，保持1-3小时；

热轧：多道次轧制，终轧温度≥350℃；

剪切：冷却至300℃开始切板；

均热：芯材板锭均热金属温度控制在600-610℃，保持10-15小时；

S3.将清洗后的外层板块和待焊合组装的芯层板锭叠放好(通常外层板块放上面、芯层板锭放下面)，采用钢带捆绑，经加热、热轧复合，制得3.5～6mm厚度的复合带卷，再进行冷轧、清洗、成品退火、切板，得到电池冷却板料；

加热：金属温度控制在480～510℃，保持1～3小时；

热轧：多道次轧制，终轧温度控制在260～300℃；

冷轧：多道次轧制，轧至中退厚度，退火冷却后，再轧至要求的成品厚度。

中间退火：金属温度控制在350～450℃，保持2～3小时；

实施例制得的高强度电池冷却板料的厚度为1.0mm，其中实施例1～5的外层合金的厚度分别占高强度电池冷却板料厚度的9.7％、8.3％、9.2％、10.4％、11.7％。

表1实施例1～5的外层合金和芯层合金的组分组成(wt.％)

对比例1～8

对比例1～8分别提供一种电池冷却板料，由外层合金和芯层合金复合而成，外层合金和芯层合金的组成见表2，电池冷却板料的制造方法与实施例相同。

对比例制得的电池冷却板料厚度为1.0mm，其中对比例1～8的外层合金的厚度分别占电池冷却板料厚度的11.4％、9.5％、8.6％、10.2％、10.6％、9.1％、8.3％、9.9％。

表2对比例1～8的外层合金和芯层合金的组分组成(wt.％)

性能测试

对上述实施例制得的高强度电池冷却板料及对比例所制得的电池冷却板料进行性能测试，具体方法如下：

冲压性能：对钎焊前的高强度电池冷却板料/电池冷却板料进行杯突试验检测，按GB/T 4156-2020《金属材料薄板和薄带埃里克森杯突试验》进行制样，在室温条件下进行杯高5mm的冲杯试验，观察表面有无明显裂纹。

厚度和力学性能：对钎焊前、后的高强度电池冷却板料/电池冷却板料分别进行厚度、抗拉强度的检测，钎焊条件为按600℃65min进行高温模拟钎焊，抗拉强度按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行制样，在室温条件下进行检测。

耐腐蚀性能：对钎焊后的电池冷却板料按ASTM G85试验标准进行SWAAT 300h腐蚀试验，然后取20个腐蚀点计算平均腐蚀坑深度，腐蚀坑深度越小，说明耐腐蚀性能越好。

实施例和对比例的测试结果见表3。

表3实施例和对比例的测试结果

从表3可知，实施例1～5的电池冷却板料冲压性能良好，钎焊后厚度未出现减薄，钎焊后抗拉强度≥150MPa，钎焊强度高，且耐腐蚀性能也好。而对比例1～3的外层合金的硅含量太高，电池冷却板料的钎焊后厚度出现明显减薄，且抗拉强度为142～146MPa，明显低于实施例的抗拉强度；对比例4的外层合金的铁含量太高，电池冷却板料的耐腐蚀性能较差；对比例5的外层合金的锰含量太高，导致电池冷却板料的成形性能将变差，不利于电池冷却板料冲压成型；对比例6的芯层合金的铜含量太低，导致电池冷却板料的抗拉强度偏低；对比例7的芯层合金的铜含量太高，对比例8的芯层合金的锰含量太高，两者的电池冷却板料的冲压成型性能较差。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种高强度电池冷却板料，由外层合金和芯层合金复合而成，其特征在于，所述外层合金由如下质量百分比的组分组成：硅：2.2～3.0％，铁：≤0.25％，铜：≤0.05％，锰：0.6～1.0％，镁：≤0.03％，锌：≤0.1％，钛≤0.05％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量；

2.根据权利要求1所述高强度电池冷却板料，其特征在于，所述外层合金由如下质量百分比的组分组成：硅：2.24～2.91％，铁：0.06～0.23％，铜：≤0.04％，锰：0.63～0.96％，镁：≤0.02％，锌：≤0.04％，钛：≤0.04％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。

3.根据权利要求1所述高强度电池冷却板料，其特征在于，所述芯层合金包括如下质量百分比的组分：硅：0.06～0.11％，铁：0.07～0.16％，铜：0.43～0.58％，锰：1.02～1.46％，镁：≤0.02％，锌：≤0.04％，钛：0.09～0.14％；其它杂质合计比例不大于0.15％，铝余量。

4.根据权利要求1所述高强度电池冷却板料，其特征在于，所述高强度电池冷却板料的厚度为0.6～1.5mm。

5.根据权利要求1所述高强度电池冷却板料，其特征在于，所述外层合金的厚度为高强度电池冷却板料厚度的3.5～12％。

6.权利要求1～5任一所述高强度电池冷却板料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述外层板锭的厚度为400～500mm，所述芯层板锭的厚度为360～500mm。

8.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述铣面控制铣削量为8-10mm/每面；所述热轧复合为制得3.5～6mm厚度的复合带卷。

9.一种电池冷却板，其特征在于，由权利要求1～5任一项所述高强度电池冷却板料制得。

10.权利要求9所述电池冷却板在新能源汽车中的应用。