CN117463818A

CN117463818A - 一种新能源汽车用非热处理铝合金导电扁带材及其生产方法

Info

Publication number: CN117463818A
Application number: CN202311313605.1A
Authority: CN
Inventors: 陈闻天; 陈勇刚; 文勇; 胡澍; 徐涛鸣; 赵国栋
Original assignee: Hunan Qianlong New Material Co ltd
Current assignee: Hunan Qianlong New Material Co ltd
Priority date: 2023-10-11
Filing date: 2023-10-11
Publication date: 2024-01-30

Abstract

本发明涉及一种新能源汽车用非热处理铝合金导电扁带材的生产方法，合金成分为0.8‑1.8％Fe，0.1‑0.3％Cu，0.05‑0.2％Zr，＜0.15％Si和Cr+V+Ti+Mn总含量＜0.08％，更优选添加0.01‑0.05％B或0.1‑0.25％Re；工艺采用快冷连续铸造与两道次连续宽向扩展挤压成型厚度2‑6mm的导电扁带材产品，其组织中晶粒尺寸≤10μm，Fe相粒子≤0.1μm；产品抗拉强度为142‑202MPa，屈服强度为120‑180MPa，伸长率为20‑28％，导电率为57‑60％IACS。本发明简化了铝合金导电扁带材的生产工艺，产品能满足新能源汽车供电用铝合金带材的技术要求。

Description

一种新能源汽车用非热处理铝合金导电扁带材及其生产方法

技术领域

本发明属于金属塑性加工技术领域，具体涉及一种新能源汽车用非热处理铝合金导电扁带材及其生产方法。

背景技术

随着新能源汽车的快速发展，轻量化与降低制造成本将成为行业必然的选择，这也给与之配套的铝合金导电排带来了新机遇，铝合金导电排市场有望呈爆炸式的增长。例如，铝-镁-硅系6101合金是一种可热处理合金，具有中等强度和良好的弯曲成形性能及导电性能，被广泛用作高性能的铝合金导体材料。现代汽车零部件制造越来越朝着规模化、高智能化和流水线标准化方向发展，新能源汽车供电导体材料需具备更好的力学与导电性能，也亟需提供大卷重(单卷重不得小于300Kg)的高品质供电用铝合金导体材料及生产工艺方法，以满足高智能化和流水线作业需求。然而目前常规挤压法生产的6101导电排的工艺已无法满足前述技术要求。为了解决该问题，中国专利申请公开号CN115740057A提出了一种新能源汽车供电用高品质6101铝合金卷带材生产工艺方法，包括：铝合金盘圆杆坯水平连铸、扒皮拉拔、低温直冷连续挤压、收排成卷和低温长时间退火处理等工序。但6101铝合金必须进行低温长时间退火(220-260℃退火10-16h)或人工时效处理，以确保力学和导电性能协同提高和均匀一致，但该工艺相对复杂且控制难度和生产成本增加，生长周期也较长。

已有的研究发现，合金元素对铝及铝合金力学强度和导电率有不同程度的影响。铝合金中加入Fe会使合金强度升高，提高合金的强度和硬度。但通过对一系列含不同Fe量铝合金导电率的测试结果表明，随着铸造铝合金中Fe含量的增加，合金的导电率下降，当Fe含量超过0.9％时，导电率明显下降。有日本学者研究亦指出，向纯铝中添加0.6％的Fe元素和0.05％的Zr元素，其抗拉强度从100MPa增加至140MPa，延伸率从21.5％增加至30％，导电率没有明显变化。基于前述理论，已有一系列不同的Al-Fe-X合金应运而生，其中Al-Fe-Cu系合金(已注册合金有：8017、8030、8076、8130、8176和8177)即为加拿大铝业集团研发的高性能铝合金。与纯铝(AA1350)电缆相比，这些合金中增加了铁、铜、镁、硼等，可有效提高材料的抗蠕变性与压紧性，使铝合金导电材料具有和铜导体相同的稳定性。但是，这些合金中Fe的最高含量只能为1％，若再提高Fe的含量，很容易在材料中形成粗大的Al₃Fe中间相，进而严重影响到合金的力学与导电性能以及加工性能。

鉴于上述问题，本领域亟需开发铝合金导电扁带材的新工艺方法，以解决现有技术存在的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种新能源汽车用非热处理铝合金导电扁带材及其生产方法，其解决了现有技术生产铝合金导电扁带材必须进行低温长时间退火或人工时效处理，和现有工艺无法生产Fe含量大于1％的铝合金导电扁带材的技术问题。

(二)技术方案

本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种新能源汽车用非热处理铝合金导电扁带材的生产方法，其包括如下步骤：

S1、铝合金盘圆杆坯快冷连续铸造，其包括：

将经熔炼、精炼、过滤处理的铝合金熔体进行快冷连续铸造，得到铝合金盘圆杆坯；浇注温度740-760℃，铸造速度1000-1100mm/min；

所述铝合金熔体的化学组成，按质量百分比计为：

Fe:0.8-1.8％、Cu:0.1-0.3％、Zr:0.05-0.2％、Si：<0.15％、Cr+V+Ti+Mn总含量<0.08％，余量为Al；或为：

Fe:0.8-1.8％、Cu:0.1-0.3％、Zr:0.05-0.2％、Si：<0.15％、Cr+V+Ti+Mn总含量<0.08％、B：0.01-0.05％，余量为Al；或为：

Fe:0.8-1.8％、Cu:0.1-0.3％、Zr:0.05-0.2％、Si<0.15％、Cr+V+Ti+Mn总含量<0.08％、Re：0.1-0.25％，余量为Al；

S2、第一道次连续宽向扩展挤压，其包括：

将S1制备的铝合金盘圆杆坯喂入连续挤压机的轮槽中，通过连续宽向扩展挤压使铝合金盘圆杆坯成型为盘圆棒材，冷却后收卷成卷材；连续挤压采用宽向扩展模具；其中，挤压温度为300-380℃；

S3、第二道次连续宽向扩展挤压，其包括：

将S2制备的盘圆棒材的卷材喂入连续挤压机，通过宽向扩展模具连续挤压成导电扁带材产品；挤压温度为420-480℃；

S4、使用双收排线机成卷。

根据本发明的较佳实施例，S2的工艺步骤为：连续挤压采用宽向扩展模具，模具端部宽向上开设有两个模孔供挤压出料；通过第一道次连续宽向扩展挤压使铝合金盘圆杆坯成型为两根盘圆棒材(两根盘圆棒材的直径可相等或不等)，冷却后分别收卷成卷材。

根据本发明的较佳实施例，S1中，铝合金盘圆杆坯的直径为20mm；S2中，盘圆棒材的直径为10mm、12mm或16mm。

根据本发明的较佳实施例，S1中，快冷连续铸造的浇注温度740-760℃，铸造速度1000-1100mm/min。在该铸造条件下可使铸造冷却速度达到400℃/s以上，以产生细化的Al₃Fe中间相。冷却速度太低会形成粗大的Al₃Fe中间相，对于高Fe铝合金必须采用快速冷却的铸造方式，以控制Al₃Fe中间相的粗化。

根据本发明的较佳实施例，S2中，挤压温度为300-380℃，更优选为320-350℃。过低温度不利于挤压变形，过高不利于细化Al₃Fe中间相并产生晶粒粗大。

根据本发明的较佳实施例，S3中，挤压温度为420-480℃，更优选为430-450℃。通过前面的快冷铸造和第一道次挤压较低温度挤压，控制细化Al₃Fe中间相和晶粒大小，与第一道次挤压不同，第二道是是成品挤压，提高挤压温度范围是为了控制产品最终具有良好的力学与电性能，以及表面质量。

优选地，第一道次连续宽向扩展挤压采用400型铝材连续挤压机，挤压转速为7-9rpm；第二道次连续宽向扩展挤压采用315型铝材连续挤压机，挤压转速为10-12rpm。

根据本发明的较佳实施例，S3中，通过第二道次连续宽向扩展挤压，将盘圆棒材连续挤压成厚度为2-6mm，宽度为12-50mm的导电扁带材产品。

根据本发明的较佳实施例，本发明的整个生产工艺流程中不包含挤压在线淬火和/或带卷人工时效热处理的步骤。

第二方面，本发明提供一种新能源汽车用非热处理铝合金导电扁带材，其采用上述任一实施例的生产方法制得。

在铝中添加少量的Fe、Cu、Zr、B、Re等可以提高铝合金的强度，且对电导率的负面影响不大，通过调控合理含量和工艺，可以得到高强度的电导率高于60％IACS的铝合金导电材料。

铝合金中加入Fe可产生Al₃Fe相，Al₃Fe相极大地阻碍位错的运动，使合金强度升高，同时位于晶界、相界处的Al₃Fe能够钉扎界面，阻碍界面运动，提高合金的强度和硬度。此外，在再结晶过程中，Al₃Fe相阻碍晶界运动，因此Al₃Fe具有细化再结晶晶粒的作用。在发明中利用效应，在快冷连续铸造过程中，Fe与Al主要以中间相Al₃Fe的形式存在，当Fe含量增加时，合金中的Al₃Fe粒子数量明显增加，晶粒细化的效果更加明显，使得合金组织细化。

铝合金中添加少量的Cu元素可以起到一定的固溶强化作用，提高合金的强度，这是由于Cu以固溶态的方式存在于α(Al)基体中，形成难溶相Al₂Cu，导致Al的晶格点阵产生畸变，产生硬化效果，提高合金强度。但Cu的添加会同时产生晶格畸变，使得电子波受到散射，降低合金的电导率。Cu元素对导电铝合金的电学性能和力学性能存在综合影响，随着Cu含量的增加，铝合金的抗拉强度不断增大，当Cu含量从0增加至1％时，合金强度增大；随着Cu元素的不断添加，工业纯铝的导电率不断下降；且在Cu含量在0-2％的范围内增加时，导电率下降较快。由此可见Cu元素含量对导电铝合金的强度和导电性的影响是相互矛盾的。因此Cu元素的添加量必须严格限制在一定的低含量范围。

铝合金中添加少量的Zr：Zr在铝中以Al₃Zr形式弥散析出，微量锆有助于提高铝台金的强度和耐热性，同时导电率下降甚微。

铝合金中添加少量的B或Re：B改善铝导电性的作用在于B可以与铝中的有害杂质元素Ti、V、Cr、Mn等发生反应，生成硼化物或者它们的复杂化合物，使它们由固溶态转变为析出态并沉积于熔体底部，减少铝导体内部晶格的畸变。此外，加入B还能增加铝液中的结晶核心数量，细化晶粒。因此，B的加入对圆铝杆的强度与导电率都有益处。硼作为固化的晶粒细化剂，添加量为0.005-0.1％。

混合稀土Re与铝液中的氢等气体和一些杂质元素有较强的亲和力，能生成熔点高的化合物，故它有一定的除氢、精炼、净化和变质的作用。添加一定量的Re使其与固溶在铝基体中的Fe、Si等杂质结合，生成稳定的金属间化合物，降低基体中杂质元素的固溶量，能够有效地抑制工业纯铝中Fe、Si元素对导电性的有害作用。同时，稀土元素增大合金结晶过程中的成分过冷和提供大量异质形核核心，大量新晶核限制柱状晶的成长，因而获得发达的等轴晶，起到晶粒细化的作用，显著改善铝合金的金相组织，减少铝合金的裂纹源，并使合金断裂过程中裂纹萌生位置与扩展途径发生改变，有利于合金的韧化，使电工圆铝杆强度和塑性均有所提高。

铝合金中Si、Cr、V、Ti、Mn的存在对导电性能有非常大的影响，必须严格控制。Si是铝中的杂质元素，它对导电率有不利影响，含量应不超过0.15wt.％。而Cr、V、Ti、Mn也是合金元素不可避免地引入的一些杂质，总含量应不超过0.08wt.％。

(三)有益效果

经发明人研究发现，Al-Fe-Cu系合金中当铁含量升高后容易形成粗大Al₃Fe中间相的原因在于工艺上的不足，其采用了连铸连轧工艺方法生产铝合金导电线杆，但连铸连轧工艺方法由于冷却速度较低的原因容易形成粗大的Al₃Fe中间相，进而影响到合金的力学与导电性能以及加工性能。为了解决该技术问题，本发明提供的生产工艺采用“快速冷却铸造和大塑性变形”的方式实现细化组织的功效。

在本发明的快冷连续铸造过程中，Fe与Al主要以中间相Al₃Fe的形式存在，当Fe含量增加时，合金中的Al₃Fe粒子数量明显增加，晶粒细化的效果更加明显，使得合金组织细化；再配合两道次宽向扩展连续挤压，实现大剪切变形，细化导电扁带材产品组织中的晶粒尺寸和破碎Al₃Fe相粒子，因此本发明将快冷连续铸造与两道次宽向扩展连续挤压工艺想相结合，实现了在提高Fe含量(≥1％)的情况下，使铝合金导电产品同时获得高力学强度和高导电率。

据测试发现，本发明制备的铝合金导电扁带材，产品组织中晶粒尺寸不大于10μm，Fe相粒子不大于0.1μm。产品性能指标是抗拉强度为142-202MPa，屈服强度为120-180MPa，伸长率为20-28％，导电率为57-60％IACS。

与现有技术相比，本发明制备铝合金导电扁带材的生产工艺，不仅对铝合金组成成分进行优化，同时采用快冷连续铸造与两道次连续宽向扩展挤压生产工艺，为非热处理铝合金制备工艺，整个工艺无需进行挤压在线淬火和带卷人工时效热处理，与现有技术制备6101铝合金导电扁带材的工艺相比，本发明的生产工艺可简化生产工艺，产品力学性能和导电性能均匀一致性更好，且生产的Fe含量≥1％的铝合金导电产品，可兼顾具有高力学强度和高导电率的综合性能。

附图说明

图1为本发明制备的铝合金导电扁带材产品的微观组织EBSD晶粒尺寸分析。

图2为本发明制备的铝合金导电扁带材产品的析出相透射电镜图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合说明书附图和具体实施方式，对本发明作详细描述。

根据合金标准化学成份，采用99.7铝锭和铜锭以及Al-10Fe和Al-5Zr中间合金，按设计重量比例和加料规律配制铝合金，在双1000Kg容量燃气熔炼炉内熔化，经除气除渣精炼处理后，采用光谱直读方法对溶体取样进行化学成分分析，其实测成分见表1。

其中，实施例A1、B1、C1、D1、E1的铝合金组成满足：

Fe:0.8-1.8％、Cu:0.1-0.3％、Zr:0.05-0.2％、Si：<0.15％、Cr+V+Ti+Mn总含量<0.08％，余量为Al。

其中，实施例A2、B2、C2、D2、E2的铝合金组成满足：

Fe:0.8-1.8％、Cu:0.1-0.3％、Zr:0.05-0.2％、Si：<0.15％、Cr+V+Ti+Mn总含量<0.08％、B：0.01-0.05％，余量为Al。

其中，实施例A3、B3、C3、D3、E3的铝合金组成满足：

Fe:0.8-1.8％、Cu:0.1-0.3％、Zr:0.05-0.2％、Si：<0.15％、Cr+V+Ti+Mn总含量<0.08％、Re：0.1-0.25％，余量为Al。

表1本发明铝合金的主要化学成份(重量百分比，％)

各实施例的铝合金导电扁带材的生产方法如下：

(1)将经保温过滤后采用快冷连续铸造工艺铸造成直径为20mm的盘圆杆坯，浇注温度740-760℃，铸造速度1050mm/min。

(2)将直径为20mm的盘圆杆坯在400型铝材连续挤压机上采用宽向扩展两孔模具挤压成直径为16mm的两根棒材，挤压轮转速为8rpm，实测挤压温度为340℃左右。棒材经冷却后收成卷。

(3)继续将直径为16mm成卷的棒材在315铝材连续挤压机上采用宽向扩展模具成分别挤压成不同规格的卷带材产品(为用户提供厚度2.5mm×宽度22mm和厚度5.3mm×宽度35mm两种规格产品)，挤压轮转速为10rpm，实测挤压温度为450℃左右。

(4)冷却后，收成单卷重量320Kg左右(用户要求每卷重量300-350Kg)。分别取卷带材头部和尾部各样品进行微观组织EBSD晶粒尺寸分析和透射电镜析出相分析，其典型的微观组织表征结果如图1(EBSD晶粒尺寸分析图)和图2(析出相TEM图)。图1的(A)图中不同色块代表不同尺寸的EBSD晶粒，(B)为晶粒粒径的统计图，其中最小粒径为0.53μm，最大为18.06μm，平均粒径为9.18μm(＜10μm)。由图2的析出相TEM图的标尺，确定Fe粒子的尺寸不大于0.1μm。

分别取卷带材头部和尾部各样品进行性能测试，实测铝合金卷带材的力学性能和电性能(涡流电导率仪)平均值如表2。

表2：

从实施效果来看：本发明铝合金及其快冷连续铸造与两道次连续宽向扩展挤压所生产的铝合金导电扁带材，产品性能指标是抗拉强度为142-201.2MPa，屈服强度为120-180MPa，伸长率为20-28％，导电率为57-60％IACS。从三组不同合金成分的铝合金带材性能来看，在铝合金组成中加入0.01-0.05％的硼B可提高铝合金带材的导电率，在铝合金组成中加入0.1-0.25％的Re可提高铝合金带材的抗拉强度和屈服强度，同时对导电率没有明显影响。

通过对B及E组(共6组实施例)的实施例与其他实施例比较来看，当铝合金中Fe含量大于1％时，铝合金带材的力学性能得到显著提升，其抗拉强度最低也达到186.2Mpa，屈服强度最低也达到160.9Mpa，伸长率下降(伸长率越低表示抗蠕变性与压紧性越高，避免了由于蠕变引起的松弛问题，导体稳定性好)，最大不超过26.1％；更重要的是，在力学性能如此优异的情况下，铝合金带材的导电率相较于其他实施例没有明显下降。由此可见，本发明生产的Fe含量≥1％的铝合金导电产品，可兼顾具有高力学强度和高导电率的综合性能。

与现有CN115740057A专利申请所记载的6101铝合金卷带材生产工艺方法相比，不仅产品性能指标相当，而且艺流程方面，本发明的工艺方法无需进行挤压在线淬火和带卷人工时效热处理，简化了生产工艺；且从卷带材头部和尾部各样品的测试结果来看，带材产品各处的力学性能和导电性能均匀一致性更好，完全能够满足新能源汽车供电用铝合金卷带材的技术要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种新能源汽车用非热处理铝合金导电扁带材的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、铝合金盘圆杆坯快冷连续铸造，其包括：

所述铝合金熔体的化学组成，按质量百分比计为：

Fe:0.8-1.8％、Cu:0.1-0.3％、Zr:0.05-0.2％、Si：<0.15％、Cr+V+Ti+Mn总含量<0.08％、Re：0.1-0.25％，余量为Al；

S2、第一道次连续宽向扩展挤压，其包括：

S3、第二道次连续宽向扩展挤压，其包括：

S4、使用双收排线机成卷。

2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，S2的工艺步骤为：连续挤压采用宽向扩展模具，模具端部宽向上开设有两个模孔供挤压出料；通过第一道次连续宽向扩展挤压使铝合金盘圆杆坯成型为两根盘圆棒材，冷却后分别收卷成卷材。

3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，S1中，铝合金盘圆杆坯的直径为20mm；S2中，盘圆棒材的直径为10mm、12mm或16mm。

4.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，S2中，挤压温度为320-350℃。

5.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，S3中，挤压温度为430-450℃。

6.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，S3中，通过第二道次连续宽向扩展挤压，将盘圆棒材连续挤压成厚度为2-6mm，宽度为12-50mm的导电扁带材产品。

7.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，生产方法全流程中不包含挤压在线淬火和/或带卷人工时效热处理的步骤。

8.一种新能源汽车用非热处理铝合金导电扁带材，其采用权利要求1-7任一项所述的生产方法制得。