CN117488141A - 一种铝锰合金动力电池壳体及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝锰合金动力电池壳体及其加工方法，该壳体包括如下质量百分比的原料：锰1.48～1.50wt％、硅0.10～0.12wt％、铁0.22～0.24wt％、铜0.18～0.2％、镁0.46～0.48wt％、钛0.01～0.03wt％，铝含量为平衡余量。具体加工方法如下：在熔炼炉中添加上述配比的纯铝以及中间合金进行熔炼，得到铝棒，通过热挤压机挤压铝棒成第一铝合金壳体；将第一铝合金壳体进行退火处理得到第二铝合金壳体；将第二铝合金壳体进行滚轮式拉拔，得到第三铝合金壳体，提高材料强度和硬度，达到精度为高精级；将第三铝合金进行冷拔处理，调控R角，得到动力电池壳。本发明采用热挤压工艺+退火处理+拉拔现超薄高精铝合金矩形电池壳成形，得到的成品壁厚0.45mm，壁厚偏差小于20μm，长宽比4:1，抗拉强度能达到190MPa，延伸率大于5％。

Description

一种铝锰合金动力电池壳体及其加工方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车电池壳体加工工艺技术领域，尤其涉及一种铝锰合金动力电池壳体及其加工方法。

背景技术

动力电池壳的壁厚直接影响动力电池的轻量化，动力电池壳作为动力电池的重要组成部分，壁厚越薄意味着整个动力电池会越轻，但同时动力电池壳仍需要起到保护作用，这就要求动力电池壳在减薄的过程中强度依旧达标。

铝锰合金是变形Al-Mn系合金的代表，Mn含量为1％-1.5％。由于其良好的耐蚀性、导电和导热性、焊接性和加工成形性，已成为动力电池壳主流材料。铝锰合金同时也是典型的免热处理强化铝合金，这类合金通常采用的是冷加工进行应变强化，提高合金强度。故对于铝锰合金电池壳生产工艺来说，目前行业内主要采用两种方式，第一种冷挤压+变薄拉伸工艺，第二种轧制成形+焊接工艺。这两种方式可以实现电池壳壁厚0.5mm以下产品成形，但是存在很大弊端：第一种工艺需要多到次工序变薄拉伸，设备投入和设备精度要求高，效率底，合格率低，无法实现不等壁厚；第二种工艺弊端在于需要无法实现不等壁厚方形壳成形，成品长度受限于精度要求。

通过市场及文献调研发现，目前行业内致力于仅通过热挤压+冷拔工艺(外模是正常方形外模，非滚轮式外模)实现电池壳成形。中国专利CN110983115A公布了一种改进铝锰合金带材及其制备方法和应用，该专利采用Si 0.6％，Fe0.7％，Cu 0.1％，Mn1.25％，以及Mg＜0.02％和Zn＜0.02％且Mg+Zn＜0.03％，其余为Al，以及不可避免的杂质，来实现电池壳生产，但是只适用于2-3mm厚度电池壳，无法做到超薄高精。中国专利CN116240431A公布了一种动力电池方形壳体制备方法，采用Cu 0.05～0.18％、Fe≤0.70％、Mn 1.00～1.20％、Si≤0.60％、Mg+Zn+Li≤0.05、Ti≤0.05％，余量为Al和不可避免的杂质，来实现电池壳成形，该专利对熔铸要求极高，铸棒及检测成本极高，难以做到大批量生产。中国专利CN116287879A一种动力电池壳体用铝合金及其制备方法，该专利通过热挤压+两道次冷拔实现电池壳成形，在生产中无法很好的控制两道次拉拔之间的参数关系，对生产技术要求高。同时调研发现国内广泛使用的不等壁厚电池壳壁厚还是处在0.6～0.8mm，且误差范围为50～80μm，现已难以满足实际需求，新能源汽车厂、电池厂家急需壁厚在0.5mm以下，壁厚误差小于20μm的电池壳。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种铝锰合金动力电池壳体及其加工方法，特别提供一种小于0.5mm壁厚的高精铝锰合金矩形壳体制造工艺，通过合理选择合金化元素、采用合适的热挤压方法以及冷加工方法，从而解决上述背景技术中提出的问题。

本发明提出的一种铝锰合金动力电池壳体及其加工方法，由铝合金制成，其特征在于，按照质量百分比，所述铝合金的组成为：锰1.48～1.50wt％、硅0.10～0.12wt％、铁0.22～0.24wt％、铜0.18～0.2％、镁0.46～0.48wt％、钛0.01～0.03wt％，铝含量为平衡余量。

优选地，锰和铜含量取最大值，即铜0.2wt％、锰0.50wt％，硅和镁含量比为1:4。

本专利通过控制镁含量0.46～0.48wt％，硅含量0.10～0.12wt％，形成Mg2Si相，来提高材料的力学性能，相较于不添加镁元素，屈服强度提高了20MPa，抗拉强度提高了25MPa，通过控制锰含量为1.48～1.50wt％，进一步提高材料强度。在此材料成分下配合本专利所采用的挤压工艺，使得到的挤压材第二相粒子尺寸控制在长100-600nm，宽80-300nm，第二相粒子越小，对再结晶晶粒长大的阻碍作用越强，所得到的材料强度也越高。

此外，由于锰含量过高，材料塑性相对有所降低，对冷拔变形量有较大影响，故本专利创新性的通过440℃，90min退火处理，控制晶粒长大，使晶粒分布更加均匀，得到的晶粒尺寸等级为2级，未通过退火处理的晶粒等级为3级。经过退火后的材料消除了热挤压大变形产生的残余应力，材料塑性大幅提升，未经退火的挤压材延伸率25％左右，而经过退火处理后的挤压材延伸率在32％左右，使拉拔更有效的进行；再通过滚轮式拉拔控制变形量在40％，大幅提高材料强度；最后简单通过冷拔工序控制材料R角大小。

一种铝锰合金动力电池壳体加工方法，包括如下步骤：

S1:将金属材料混合进行熔化、铸造得到铝棒；

S2:铝棒加热后去除表面氧化层，通过热挤压机挤压成第一铝合金壳体；

S3:将第一铝合金壳体放到调直机上进行简单调直，调直后进行切割，切割长度6～7m后进行退火处理得到第二铝合金壳体；

S4:将第二铝合金壳体进行滚轮式拉拔处理，得到第三铝合金壳体，提高材料强度和硬度，达到精度为高精级；

S5:将第三铝合金壳体进行冷拔处理，冷拔处理对所述第三铝合金壳体相邻的两侧面的倒角进行处理得到动力电池壳。

优选地，步骤S2中将温度为480℃～490℃铝棒输送至炉体温度410℃～420℃挤压机中进行热挤压，热挤压模具温度510℃～520℃，挤压及推杆速度4.5～5mm/s，然后空冷至室温。

优选地，第一铝合金壳体的宽侧壁的厚度从中部向两侧逐渐减小，第一铝合金壳体中间壁厚比两侧厚20～30μm。

优选地，步骤S3中退火温度440℃，保温时间90min。

优选地，步骤S4第二铝合金壳体宽侧壁厚度从中间向两侧逐渐变小，故以宽侧壁沿其长度方向的中心线参考拉拔变形量为40％，拉拔变形量从该中心线向两侧逐渐减小，最大差值3％～5％。

优选地，步骤S4中用于对第二铝合金壳体滚轮式拉拔的装置包括机架、上滚压轮、下滚压轮、第一侧滚压轮和第二侧滚压轮，所述第一侧滚压轮和所述第二侧滚压轮相对且均竖向转动安装在所述机架上，所述上滚压轮和所述下滚压轮相对安装且均横向转动安装在所述机架上，所述上滚压轮、所述下滚压轮、所述第一侧滚压轮和所述第二侧滚压轮之间形成滚压空间并对第二铝合金壳体的外侧面接触滚压，需要说明的是对第二铝合金壳体进行滚轮式拉拔过程中还包括拉动第二铝合金壳体水平移动的拉伸机构，该机构和现有的对铝合金壳体冷拔过程中拉动铝合金壳体移动的装置一样，本专利不再赘述其具体结构，为了避免在拉拔过程中第二铝合金壳体的侧壁发生裂缝，优选地，与第二铝合金壳体较宽的侧面接触的滚压轮(本领域技术人员应该理解该滚压轮为第一侧滚压轮、第二侧滚压轮或上滚压轮、下滚压轮)上还设有驱动件，驱动该驱动件带动该滚压轮转动使该线速度等于第二铝合金壳体拉拔过程中的速度。

优选地，所述上滚压轮、所述下滚压轮、所述第一侧滚压轮和所述第二侧滚压轮的轴线在同一竖直面内。

优选地，步骤S4中用于对第一铝合金壳体滚轮式拉拔的装置还包括内模，所述内模可拆卸安装在所述机架上并位于所述滚压空间内，第二铝合金壳体套设在所述内模外，且所述第二铝合金壳体和所述内模之间有润滑膜。

本发明，从铝锰合金强化机理以及加工工艺交互影响的角度创新性提出了热挤压+退火处理+拉拔实现铝锰合金不等壁厚电池壳成形，通过退火处理将热挤压与冷拔工艺结合，创新性的将冷加工强化铝合金采用热加工与冷加工相结合的方式实现超薄高精铝合金矩形电池壳成形。

本发明中，所提出的铝锰合金动力电池壳体及其加工方法，本发明制备的铝合金电池壳性能：得到的成品最薄处壁厚0.45mm，允许误差范围20μm，线密度0.424kg/m，抗拉强度能达到190MPa，延伸率大于5％。

本发明超薄高精铝合金矩形电池壳的制造工艺实现了铝锰合金材料非等壁厚薄壁成形。这种新型的工艺不仅操作方便而且成本较低。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明对第二铝合金壳体滚轮式拉拔的装置拆卸内模结构示意图；

图2为本发明一些实施例中滚轮式拉拔装置结构示意图；

图3为本发明内模与机架连接结构示意图

图4为本发明第一铝合金壳体结构示意图；

图5为本发明第三铝合金壳体结构示意图；

图6为本发明实施例1加工成型的动力电池壳；

图中：1、机架；2、上滚压轮；3、下滚压轮；4、第一侧滚压轮；5、第二侧滚压轮；6、内模；7、内滚轮；8、固定销；9、支撑块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中表示，其中自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解对本发明的限制。

实施例一

一种铝锰合金动力电池壳体加工方法，包括如下步骤：

S1:按照质量百分比的原料：锰1.50wt％、硅0.12wt％、铁0.23wt％、铜0.2wt％、镁0.48wt％、钛0.03wt％，铝含量为平衡余量。将金属材料混合进行熔化、铸造得到铝棒；

S2:铝棒加热后去除表面氧化层，通过挤压机挤压成第一铝合金壳体，如图4所示。其中铝棒温度为480℃～490℃，挤压机炉体温度410℃～420℃，挤压模具温度510℃～520℃，挤压推杆速度为4.5～5mm/s，然后空冷至室温；

S3:将热挤压后得到的第一铝合金壳体放到调直机上进行简单调直，无明显弯曲即可，调直后进行切割，切割长度6-7m后进行退火处理，得到第二铝合金壳体，退火温度440℃保温90min，取出空冷至室温；

S4:将第二铝合金壳体进行滚轮式冷拔处理，冷拔速度45m/min，故以宽侧壁沿其长度方向的中心线参考拉拔变形量为40％，拉拔变形量从该中心线向两侧逐渐减小，最大差值3％～5％。侧边拉拔变形量为35％，得到第三铝合金壳体；

如图1所示，步骤S4中用于对第二铝合金壳体滚轮式拉拔的装置包括机架1、上滚压轮2、下滚压轮3、第一侧滚压轮4和第二侧滚压轮5，所述第一侧滚压轮4和所述第二侧滚压轮5相对且均竖向转动安装在所述机架1上，所述上滚压轮2和所述下滚压轮3相对安装且均横向转动安装在所述机架1上，所述上滚压轮2、所述下滚压轮3、所述第一侧滚压轮4和所述第二侧滚压轮5之间形成滚压空间并对第二铝合金壳体的外侧面接触滚压，需要说明的是对第二铝合金壳体进行滚轮式拉拔过程中还包括拉动第二铝合金壳体水平移动的拉伸机构，该机构和现有的对铝合金壳体冷拔过程中拉动铝合金壳体移动的装置一样，为了避免在拉拔过程中第二铝合金壳体的侧壁发生裂缝，优选地，与第二铝合金壳体较宽的侧面接触的滚压轮(本领域技术人员应该理解该滚压轮为第一侧滚压轮4、第二侧滚压轮5或上滚压轮2、下滚压轮3)上还设有驱动件，该驱动件带动该滚压轮转动使该线速度等于第二铝合金壳体拉拔过程中的速度，在拉拔过程通过拉伸机构对第二铝合金壳体作用带的第二铝合金壳体水平移动，同时通过驱动件驱动滚压轮转动进而实现对第二铝合金壳体水平移动，需要说明的是该驱动滚轮的线速度等于拉拔过程中拉伸机构对第二铝合金壳体水平移动的速度相等，和现有的冷拔技术一样，在滚压冷拔过程中，为了防止第二铝合金壳体变形较大，还包括内模6，所述内模6可拆卸安装在所述机架1上并位于所述滚压空间内，第二铝合金壳体套设在所述内模6外，且所述第二铝合金壳体和所述内模6之间有润滑膜，该润滑膜为油膜；

优选地，所述上滚压轮2、所述下滚压轮3、所述第一侧滚压轮4和所述第二侧滚压轮5的轴线在同一竖直面内，且上滚压轮2和第一侧滚压轮4和第二侧滚压轮5之间形成倒角区，下滚压轮3和第二侧滚压轮5和第一侧滚压轮4之间也形成倒角区，倒角区部分的第二铝合金壳体没有与滚压轮接触；

优选地，如图2所示，该内模6和现有的内模6不同之处在于该内模6的侧面上开有凹槽，所述凹槽内转动安装有内滚轮7，内滚轮7与其中一个滚压轮平行，且内滚轮7的轴线与四个滚压轮(包括上滚压轮2、下滚压轮3、第一侧滚压轮4和第二侧滚压轮5)的轴线在同一竖直面上，进一步减小内模6和第二铝合金壳体的摩擦，增大加工精度；

且如图2所述，该内滚轮7并不影响内模6的倒角处，如图3所示，该内模6通过支撑块9和固定销8可拆卸固定在机架1上；

步骤S4对铝合金壳体的侧面进行加工，仅仅是相邻两侧面的倒角不合格，成品如图5所示，无手感刮痕和凹陷；

S5:将第三铝合金壳体进行冷拔处理，冷拔速度45m/min，得到动力电池壳，最终成品如图6所示尺寸壁厚图厚度仅为0.45mm。

对比例1

与实例1的区别在于所述步骤1中铝棒成分，所述成分为镁小于0.01wt％、锰1.14wt％、硅0.12wt％，铁0.23wt％、铜0.2wt％、钛0.03wt％。

对比例2

与实例1的区别在于所述步骤1中铝棒成分，所述成分为镁小于0.01wt％、锰1.14wt％、硅0.078wt％，铁0.23wt％、铜0.2wt％、钛0.03wt％。

对比例3

与实例1的区别在于所述步骤1中铝棒成分，所述成分为镁小于0.01wt％、锰1.5wt％、硅0.078wt％，铁0.23wt％、铜0.2wt％、钛0.03wt％。

对比例4

与实例1的区别在于所述步骤3，未进行退火工序。

实施例5

与实施例一的区别在于没有进行步骤S4，仅通过正常冷拔，选取性能较好的进行记录。

各项测定结果如表1所示。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝锰合金动力电池壳体，由铝合金制成，其特征在于，按照质量百分比，所述铝合金的组成为：锰1.48～1.50wt％、硅0.10～0.12wt％、铁0.22～0.24wt％、铜0.18～0.2％、镁0.46～0.48wt％、钛0.01～0.03wt％，铝含量为平衡余量。

2.根据权利要求1所述的铝锰合金动力电池壳体及其加工方法，其特征在于，锰和铜含量取最大值，硅和镁含量比为1:4。

3.一种铝锰合金动力电池壳体加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:在熔炼炉中加入相应质量分数的纯铝和中间合金进行熔炼,得到铝棒；

S2:铝棒加热后去除表面氧化层，通过热挤压机挤压成第一铝合金壳体；

S3:将第一铝合金壳体放到调直机上进行简单调直，调直后进行切割，切割长度6～7m后进行退火处理得到第二铝合金壳体；

S4:将第二铝合金壳体进行滚轮式拉拔处理，得到第三铝合金壳体；

S5:将第三铝合金壳体进行冷拔处理，冷拔处理对所述第三铝合金壳体相邻的两侧面的倒角进行处理得到动力电池壳。

4.根据权利要求3所述的铝锰合金动力电池壳体加工方法，其特征在于，步骤S2中将温度为480℃～490℃铝棒输送至炉体温度410℃～420℃挤压机中进行热挤压，热挤压模具温度510℃～520℃，挤压及推杆速度4.5～5mm/s，然后空冷至室温。

5.根据权利要求1所述的铝锰合金动力电池壳体加工方法，其特征在于，第一铝合金壳体的宽侧壁的厚度从中部向两侧逐渐减小，第一铝合金壳体中间壁厚比两侧厚20～30μm。

6.根据权利要求1所述的铝锰合金动力电池壳体加工方法，其特征在于，步骤S3中退火温度440℃，保温时间90min。

7.根据权利要求1所述的铝锰合金动力电池壳体加工方法，其特征在于，步骤S4第二铝合金壳体宽侧壁厚度从中间向两侧逐渐变小，故以宽侧壁沿其长度方向的中心线参考拉拔变形量为40％，拉拔变形量从该中心线向两侧逐渐减小，最大差值3％～5％。

8.根据权利要求1所述的铝锰合金动力电池壳体加工方法，其特征在于，步骤S4中用于对第二铝合金壳体滚轮式拉拔的装置包括机架、上滚压轮、下滚压轮、第一侧滚压轮和第二侧滚压轮，所述第一侧滚压轮和所述第二侧滚压轮相对且均竖向转动安装在所述机架上，所述上滚压轮和所述下滚压轮相对安装且均横向转动安装在所述机架上，所述上滚压轮、所述下滚压轮、所述第一侧滚压轮和所述第二侧滚压轮之间形成滚压空间并对第二铝合金壳体的外侧面接触滚压。

9.根据权利要求8所述的铝锰合金动力电池壳体加工方法，其特征在于，所述上滚压轮、所述下滚压轮、所述第一侧滚压轮和所述第二侧滚压轮的轴线在同一竖直面内。

10.根据权利要求8所述的铝锰合金动力电池壳体加工方法，其特征在于，步骤S4中用于对第一铝合金壳体滚轮式拉拔的装置还包括内模，所述内模可拆卸安装在所述机架上并位于所述滚压空间内，第二铝合金壳体套设在所述内模外，且所述第二铝合金壳体和所述内模之间有润滑膜。