CN115305389A - 一种铝合金电池外壳板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金电池外壳板，以重量百分比计算，所述铝合金电池外壳板的化学成分如下：Si硅0.20～0.25%，Fe铁0.50～60%，Cu铜0.06～0.10%，Mn锰1.05～1.15%，Mg镁＜0.05%，Zn锌＜0.015%，Ti钛0.025～0.035%，单个杂质≤0.03%，杂质总量≤0.15%，余量为Al铝。采用熔炼→铸锭→铣面→均匀化加热→热连轧→冷轧→中间退火→二次冷轧→精整等工艺步骤，关注每个工序参数对材料力学性能、各向异性、织构分布、晶粒组织、表面质量、厚度公差的影响，选择合适的均匀化加热制度，对铸锭进行充分的均匀化退火，消除成分偏析对成品性能的不利影响，生产出冲压性能优异、表面质量好、且板材的各种性能和厚度精度都相当稳定的电池壳用铝板产品。

Description

一种铝合金电池外壳板及其生产方法

技术领域

本发明属于铝压延加工技术领域，特别是涉及一种铝合金电池外壳板及其生产方法。

背景技术

近年来随着“双碳”目标的持续推进，节能、环保、绿色出行的理念已深入人心。但是，作为新能源交通的动力装置－—动力电池，受加工制造技术的影响，却难以无限制的变小，为了适应新能源交通的发展趋势，研发轻便小巧、续航里程持久的动力电池已成为新能源交通的重点课题之一。在这种背景下，动力电池用材料的研究越来越受到新能源交通电池厂家的重视。近年来，铝合金板带材以其优良的综合机械加工性能、良好的抗蚀性和比重轻等特点正逐步取代了原有的动力电池壳用材料——钢材，铝合金电池外壳板材的市场前景非常广阔。

铝合金电池外壳对材料的综合性能要求极高，首先，铝合金电池壳是通过冲压拉伸加工成形的，其变形量大、冲制工序多、冲制工艺复杂、模具设计精密并且属于非对称盒型冲压。冲压拉伸过程能否顺利进行与材料性能、冲压模具设计和冲压工艺参数等因素有关。其中，材料的性能是冲压拉伸成功与否最为重要的基础条件之一，因此所用材料必须具有良好深冲性能，并且各项力学性能必须稳定在一个严格的范围内。第二，为了对内部电池结构起到有效的保护作用，铝合金电池壳在保证必要的塑性的前提下，还必须有足够的强度和硬度。第三，为了适应各种不同的使用环境，保证电池的使用寿命，铝合金电池壳用材料必须具有良好的抗蚀性和化学稳定性。本发明的目的就是通过试验研究确定铝合金电池外壳板的合理生产工艺，研制出性能优良的适用于电池外壳生产的铝合金板产品。

本发明采用先进的热连轧方式生产铝合金电池壳板流程短、能耗及成本低。为保证热轧铝合金电池壳板的机械性能、深冲拉伸加工工艺性能，制定整套的工艺控制方法，制定合适的化学成分标准、熔铸制度、铸锭均匀化制度、热轧终轧温度、冷轧中间退火制度、退火后加工率控制、厚度公差控制、表面质量控制等方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种铝合金电池外壳板及其生产方法，通过制定合适的化学成分标准、熔铸制度、铸锭均匀化制度、热轧终轧温度、冷轧中间退火制度、退火后加工率控制、厚度公差控制，保证铝板的力学性能、制耳率符合铝合金电池壳深冲拉伸成型的需求，生产出力学性能、深冲性能、厚度公差、表面质量均满足要求的铝合金电池壳板。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种铝合金电池外壳板，主要原材料为3003铝合金，具体化学组分以重量百分比计算，所述铝合金电池外壳板的化学成分如下：Si硅0.20～0.25%，Fe铁0.50～60%，Cu铜0.06～0.10%，Mn锰1.05～1.15%，Mg镁＜0.05%，Zn锌＜0.015%，Ti钛0.025～0.035%，单个杂质≤0.03%，杂质总量≤0.15%，余量为Al铝。

所述的铝合金电池外壳板的生产方法，其具体步骤如下：

A、熔铸：

将原材料采用天然气反射炉进行熔化，熔炼温度700～740℃，熔炼后熔体进行精炼、除气、除渣，然后转入保温炉中，按权利要求1要求对熔体成分进行精确调整，成分检验合格后进行铸造前静置；

B、铸锭：在线使用Al-5Ti-0.2B铝钛硼丝进行晶粒细化，铸造时采用管式过滤的方法进行熔体净化处理，从而提高熔体质量；

C、铣面：铸造后对铸锭进行铣面处理，铣面厚度25mm，消除铸造过程中产生的冷隔、偏析瘤缺陷，保证后续加工的表面质量；

D、均匀化加热：采用炉气温度升温600℃后均质10h，入炉总时间不超24h以保证产品的组织和性能；

E、热连轧：经过均匀化处理的铸锭进行热连轧，轧制到6mm的热轧板坯料，热轧加热温度在480～520℃，终轧温度在300～310℃；

F、冷轧：将热连轧后的坯料冷轧至1.0mm厚度的合金材料；

G、中间退火：冷轧后的合金材料通过中间退火温度来控制加工硬化程度，退火温度为320℃～360℃；

H、加工率：中间退火后采用23%的加工率，保证合金板材的力学性能和制耳率；

I、二次冷轧：二次冷轧成品厚度的公差保持在±0.01mm；

J、精整：二次冷轧后的铝合金板材经过精整，得到铝合金电池外壳板的原材料，待用。

在步骤A中，所述的精炼采用板式过滤+深床过滤的在线过滤系统对熔炼后的熔体进行过滤；所述的除气、除渣是利用除气箱、过滤箱进行在线除气除渣。

在本发明中，采用3003合金主为要原材料，3003是Al－Mn系防锈铝的典型合金，其突出特点是抗蚀性好，与纯铝相近。其强度比纯铝高，并且具有较高的塑性和良好的深冲成型性能，广泛适用于化工设备、民用五金等各种需要加工成型，同时要具备良好的耐蚀性和中等强度的场所。因此本发明选用3003合金研制适用于电池外壳板生产的铝合金板材。

3003合金成分变化对产品性能和组织影响机理为：Mn含量对于合金的组织和性能有显著的影响，Mn具有一定的固溶强化做用，可以阻止铝及铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并通过MnAl₆弥散质点阻碍再结晶晶粒长大，能显著细化再结晶晶粒。根据技术人员的研究，Mn含量在0.8％时的延伸率达到最大值，并且在1.82％（Mn的极限溶解度）范围内材料的强度随Mn含量的增加而增加。但是，Mn含量超过1.6%时，将会出现粗大脆硬的MnAl₆相，对合金局部的延展性带来灾难性的影响，因此本发明将Mn含量确定在合金的中下线1.05～1.15％之间。

合金中的Fe是一种有益的杂质元素，因为Mn极易产生晶内偏析，又能显著提高再结晶温度，冷变形后的3003板材，在退火过程中，低锰部分先再结晶和晶粒长大，而高锰部分还未再结晶，结果使板材晶粒大小极不均匀，而铁能溶入MnAl₆中，形成(FeMn)Al₆ ，减少Mn的偏析，使退火板材得到细晶粒。但(FeMn)Al₆过多时，会降低合金的力学性能，因此本发明将Fe控制在0.50～0.60％。

Mg能提高Al－Mn合金的强度，细化再结晶组织，但会降低退火半成品的表面光泽，因此为了保证铝合金电池壳表面的光亮度，本发明对Mg含量进行了严格控制，要求小于0.05%。

本发明Cu含量控制在0.06～0.10% ，Cu含量增加将显著降低材料的抗蚀性,但是少量的Cu可以使材料的点腐蚀变成均匀腐蚀，因而是有利的。

Si会增加3003合金的热裂倾向，并可形成(FeMn)₃SiAl₁₂相，减少铁的有利影响，Zn会降低合金的抗蚀性，因此本发明对Si和Zn都进行了严格控制，将Si含量控制在0.20～0.25% ，Zn含量要求小于0.015% 。

综上所述，为了得到良好的组织和稳定的力学性能，综合考虑各元素对合金组织和性能的影响，对合金成分进行科学设计和严格控制，得到了本发明铝合金电池外壳板的化学组成成分，见表1。

表1 本发明铝合金电池外壳板的化学成分/%

本发明正是通过成分的优化设计和严格控制，使退火后的产品获得了理想的均匀细小的再结晶组织，同时成品性能稳定性也大幅提高，见表2。

表2 成品性能对比

合金	状态	σ<sub>b（MPa）</sub>	σ<sub>s（MPa）</sub>	δ<sub>50</sub>（％）
					普通3003合金	H14	153～176	142～158	5.4～7.8
本发明合金	H14	140～160	130～150	8.2～10.3

熔铸工序通过对熔炼温度以及精炼、除气、除渣、过滤等过程的严格控制，铸锭质量达到了预期的指标，有效减少了疏松、气孔、金属或非金属夹渣等铸锭质量缺陷，满足了深冲制品对材料的严格要求。

均匀化退火对产品组织和性能的影响是：3003合金中的主要元素是Mn，在半连续铸造过程中，由于冷却速度很快，而锰原子的扩散系数较小，大部分锰以过饱和固溶体的形式存在于基体中，一部分以MnAl₆化合物的形式与基体在晶界形成连续网状的共晶体，另有少量的以粗大硬脆的初晶存在。未经热处理的块状初晶在热轧加工阶段由于受很大轧制压力的作用能够被充分破碎，沿变形方向呈条状分布。虽然在尺寸上有所减小，但少量MnAl₆化合物质点其棱角部位变得更加尖锐，冷加工与成品退火几乎不能改变这种形貌，使之永远保留在材料的内部组织中。在制品深冲变形过程中，材料受外应力的作用容易在尖锐部位萌生微细裂纹，而且3003合金在非平衡结晶条件下极易发生晶内偏析，使Mn含量外高内低，使退火后的再结晶晶粒大小不一致，大大降低了晶界结合强度。经高倍显微检测发现，当均匀化温度达到550 ℃时，MnAl₆相发生了部分溶解，尖锐的棱角变得圆滑，当温度超过600℃时，伴随着第二相的复熔以及初晶的聚集长大，基体中的Mn元素的分布重新变得不均匀，故将3003合金的均匀化温度定为580℃～600℃，均匀化制度定为600℃/10h。

热轧加热温度和终轧温度对热轧组织的影响是：通过偏光组织观察，热轧加热温度在480～520℃，终轧温度在300～310℃时，组织形态稳定（热轧坯料与轧辊接触的表面组织大部分为细小的再结晶组织，芯部由于变形量小，为少量的再结晶组织，晶粒比较粗大），且热轧坯料边部裂边倾向小，对后续的加工无不良影响。当热轧终轧温度低于300℃，热轧表面组织含有变形组织，且随着温度的降低，变形组织含量增加，同时热轧后的裂边缺陷加重，因此热轧终轧温度应控制在300～310℃。

对于冷轧至1.0mm厚度的材料，取样先在实验室进行小样退火试验，退火温度：170℃～500℃，保温时间2小时。根据小样退火试样检验结果绘制退火软化曲线，参见图1。

根据退火软化曲线，截取性能要求的中间值，可以确定O状态板材退火温度为320℃～360℃左右，中间退火工艺定为500℃/340℃+0.5h/345℃/2h。不同制度下的制耳率，见表3。

表3 不同温度退火的制耳率

6.0mm热轧坯料不同加工率对纵向方向性能的影响，见图2。

6.0mm热轧坯料不同加工率对45度方向性能的影响，见图3。

6.0mm热轧坯料不同加工率对横向方向性能的影响，见图4

通过图2、图3、图4可以看出，冷轧中间退火后加工率在23%左右时的力学性能满足H14产品的使用性能。

按照本发明的生产方法生产3003H14状态铝合金电池外壳板材，能够生产出冲压性能优异、表面质量好，而且板材的各种性能和厚度精度等都相当稳定的电池壳用铝板产品，满足用户的使用要求。

附图说明

图1为板材冷轧至1.0mm厚度时的退火软化曲线；

图2为6.0mm热轧坯料不同加工率对纵向方向性能的影响；

图3为6.0mm热轧坯料不同加工率对45度方向性能的影响；

图4为6.0mm热轧坯料不同加工率对横向方向性能的影响。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的解释和说明：

实施例：一种铝合金电池外壳板，以重量百分比计算，所述铝合金电池外壳板的化学成分如下：Si硅0.20～0.25%，Fe铁0.50～60%，Cu铜0.06～0.10%，Mn锰1.05～1.15%，Mg镁＜0.05%，Zn锌＜0.015%，Ti钛0.025～0.035%，单个杂质≤0.03%，杂质总量≤0.15%，余量为Al铝。

所述的铝合金电池外壳板的生产方法，其具体步骤如下：

A、熔铸：

将原材料采用天然气反射炉进行熔化，熔炼温度700～740℃，熔炼后熔体进行精炼、除气、除渣，然后转入保温炉中，按权利要求1要求对熔体成分进行精确调整，成分检验合格后进行铸造前静置；

B、铸锭：在线使用Al-5Ti-0.2B铝钛硼丝进行晶粒细化，铸造时采用管式过滤的方法进行熔体净化处理，从而提高熔体质量；

C、铣面：铸造后对铸锭进行铣面处理，铣面厚度25mm，消除铸造过程中产生的冷隔、偏析瘤缺陷，保证后续加工的表面质量；

D、均匀化加热：采用炉气温度升温600℃后均质10h，入炉总时间不超24h以保证产品的组织和性能；

E、热连轧：经过均匀化处理的铸锭进行热连轧，轧制到6mm的热轧板坯料，热轧加热温度在480～520℃，终轧温度在300～310℃；

F、冷轧：将热连轧后的坯料冷轧至1.0mm厚度的合金材料；

G、中间退火：冷轧后的合金材料通过中间退火温度来控制加工硬化程度，退火温度为320℃～360℃；

H、加工率：中间退火后采用23%的加工率，保证合金板材的力学性能和制耳率；

I、二次冷轧：二次冷轧成品厚度的公差保持在±0.01mm；

J、精整：二次冷轧后的铝合金板材经过精整，得到铝合金电池外壳板的原材料，待用。

在步骤A中，所述的精炼采用板式过滤+深床过滤的在线过滤系统对熔炼后的熔体进行过滤；所述的除气、除渣是利用除气箱、过滤箱进行在线除气除渣。

3003合金的主要合金元素是Mn， Mn 与Al形成MnAl₆弥散质点在合金退火时阻碍晶粒的长大从而得到细小的晶粒，而细小的晶粒是优化材料性能的重要指标。另一方面，MnAl₆的电极电位与纯铝的电极电位实际相等（均为-0.86伏），MnAl₆可溶解合金中的Fe元素形成(FeMn)Al₆使合金中的FeAl₃减少，从而使合金与Al的电位差减到最小，增加合金的抗腐蚀性能。但Mn含量过高会产生严重偏析，在随后的热处理过程中易造成粗晶现象，对材料性能产生不良影响。

3003合金中其它元素如Fe、Si、Cu、Mg、Zn等含量的波动都将对成品的最终性能和其稳定性产生一定影响，因此为了保证成品性能稳定，本发明对合金中的各项成分都进行了严格控制。

本发明采用熔炼→铸锭→铣面→均匀化加热→热连轧→冷轧→中间退火→二次冷轧→精整等工艺步骤。采用天然气反射炉熔化，熔炼温度700℃～740℃，并进行精炼、除气、除渣后，转入保温炉中对成分精确调整，成分合格后进行铸造前静置工作，在线使用Al-5Ti-0.2B铝钛硼丝进行晶粒细化，铸造时采用管式过滤的方法进行熔体净化处理，从而提高熔体质量。铸造后对铸锭进行铣面处理，铣面厚度25mm，消除铸造过程中产生的冷隔、偏析瘤等缺陷，保证后续加工的表面质量。采用炉气温度600℃升温后均质10h，入炉总时间不超24h以保证产品的组织和性能。

经过均匀化处理的铸锭在热连轧轧制到6mm的热轧板坯料，通过热轧终轧温度、轧制速度、冷却润滑方式达到再结晶目标；冷轧通过中间退火温度、加工率来控制加工硬化程度、织构分布、各项异性，达到所需的3003H14状态机械性能：抗拉强度140-160MPa，规定非比例延伸强度130-150MPa，断后伸长率大于8%。各项异性表征值制耳率为1-2%。

冷轧中间退火后采用23%的加工率保证铝板的力学性能、制耳率。由于铝合金电池壳的冲制设备模具设计复杂精密，间隙固定，因此对铝合金板材的厚度公差要求极为严格，冷轧成品厚度的公差必须保持在±0.01mm，远高于国家标准3880-2012对一般板材的厚度要求±0.04mm。如厚度过厚，将无法进行正常冲制，冲制过程中对模具的损害会较大，严重缩短模具的使用期限，而材料过薄则会使材料在冲制时无法提供足够的流动补偿，或者使材料在冲制过程中发生不对称变形甚至产生皱褶。

按照本发明的生产方法生产3003H14状态铝合金电池外壳板材，能够生产出冲压性能优异、表面质量好，而且板材的各种性能和厚度精度等都相当稳定的电池壳用铝板产品，满足用户的使用要求。

上述实施例仅为本发明的示意性实施例，用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，且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构思加以替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种铝合金电池外壳板，主要原材料为3003铝合金，其特征在于：以重量百分比计算，所述铝合金电池外壳板的化学成分如下：Si硅0.20～0.25%，Fe铁0.50～60%，Cu铜0.06～0.10%，Mn锰1.05～1.15%，Mg镁＜0.05%，Zn锌＜0.015%，Ti钛0.025～0.035%，单个杂质≤0.03%，杂质总量≤0.15%，余量为Al铝。

2.权利要求1所述的铝合金电池外壳板的生产方法，其具体步骤如下：

A、熔铸：

将原材料采用天然气反射炉进行熔化，熔炼温度700～740℃，熔炼后熔体进行精炼、除气、除渣，然后转入保温炉中，按权利要求1要求对熔体成分进行精确调整，成分检验合格后进行铸造前静置；

B、铸锭：在线使用Al-5Ti-0.2B铝钛硼丝进行晶粒细化，铸造时采用管式过滤的方法进行熔体净化处理，从而提高熔体质量；

C、铣面：铸造后对铸锭进行铣面处理，铣面厚度25mm，消除铸造过程中产生的冷隔、偏析瘤缺陷，保证后续加工的表面质量；

D、均匀化加热：采用炉气温度升温600℃后均质10h，入炉总时间不超24h以保证产品的组织和性能；

E、热连轧：经过均匀化处理的铸锭进行热连轧，轧制到6mm的热轧板坯料，热轧加热温度在480～520℃，终轧温度在300～310℃；

F、冷轧：将热连轧后的坯料冷轧至1.0mm厚度的合金材料；

G、中间退火：冷轧后的合金材料通过中间退火温度来控制加工硬化程度，退火温度为320℃～360℃；

H、加工率：中间退火后采用23%的加工率，保证合金板材的力学性能和制耳率；

I、二次冷轧：二次冷轧成品厚度的公差保持在±0.01mm；

J、精整：二次冷轧后的铝合金板材经过精整，得到铝合金电池外壳板的原材料，待用。

3.根据权利要求2所述的铝合金电池外壳板的生产方法，其特征在于：在步骤A中，所述的精炼采用板式过滤+深床过滤的在线过滤系统对熔炼后的熔体进行过滤；所述的除气、除渣是利用除气箱、过滤箱进行在线除气除渣。

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