專利名稱：鋰離子電池殼用鋁合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰離子電池殼用鋁合金板材，更具體地說，涉及適合制作手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)等 3C (Communication、Computer、Consumer Electronics)產(chǎn)品用鋰離子電池殼的鋁合金。
背景技術(shù)：
鋰離子電池具有體積小、重量輕、比能量高、放電電壓穩(wěn)定、循環(huán)壽命長、安全性能好、工作范圍寬、無公害、無記憶效應(yīng)、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，在手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、 游戲機(jī)等3C產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，目前是不可替代的最佳電源供應(yīng)來源。
根據(jù)鋰離子電池的生產(chǎn)過程及服役條件，其對(duì)電池殼用材料有如下要求(1)具有一定的強(qiáng)度在電池殼制作及運(yùn)輸過程中不致出現(xiàn)不良變形，并且使電池殼具有良好的耐膨脹性，從而保證鋰離子電池在充放電及使用過程中的安全性；(2)具有良好的減薄-拉深成型性可順利地加工成無破裂且表面平整的電池殼；(3)具有良好的激光焊接性使電池殼與電池蓋良好地結(jié)合在一起，無焊接裂紋，從而保證鋰離子電池具有良好的密封性。
在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，Al-Mn系合金以其優(yōu)良的綜合性能而受到鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)的青睞，成為3C產(chǎn)品用鋰離子電池殼的主流材料。目前，國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是3003合金， 其H16態(tài)板材的抗拉強(qiáng)度為160MPa，并且具有良好的減薄_拉深成型性和良好的激光焊接性。
隨著3C類新一代產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)鋰離子電池提出了兩個(gè)方面的要求(O高容量化3C類新一代產(chǎn)品已經(jīng)呈現(xiàn)出融合的大趨勢，比如，手機(jī)對(duì)數(shù)碼相機(jī)、音樂播放、藍(lán)牙等功能的整合，手機(jī)電視、視訊電話、無線上網(wǎng)、電子商務(wù)等大量附加業(yè)務(wù)的日趨成熟，對(duì)電池電量的消耗越來越多，對(duì)電池的容量提出了更高的要求；(2)輕量化隨著3C產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品均朝著無線化、可攜帶化的方向發(fā)展，產(chǎn)品的各項(xiàng)高性能組件也往“輕、薄、短、小”的目標(biāo)邁進(jìn)，對(duì)電池提出了輕量化及小型化的要求。
為了滿足3C產(chǎn)品對(duì)鋰離子電池的高容量化和輕量化要求，鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)多采用更高強(qiáng)度的鋁材以減薄電池殼壁厚的方式來應(yīng)對(duì)。傳統(tǒng)的3003合金強(qiáng)度較低，其減薄后容易發(fā)生變形，并且使得電池殼的耐膨脹性不足，即使內(nèi)部壓力較小時(shí)也容易產(chǎn)生較大的膨脹量，該合金已經(jīng)難以滿足新產(chǎn)品的性能要求。在中、高檔產(chǎn)品領(lǐng)域，性能更優(yōu)異的 3005合金已經(jīng)在替代3003合金，3005-H16態(tài)板材的抗拉強(qiáng)度可達(dá)230MPa，同時(shí)具有良好的減薄_拉深成型性與良好的激光焊接性。
隨著3C產(chǎn)品的更進(jìn)一步發(fā)展，必然需要更高強(qiáng)度的鋁合金來取代3005合金。本發(fā)明即著眼于鋰離子電池殼材料的發(fā)展趨勢，目的在于提供一種鋰離子電池殼用鋁合金板材，其抗拉強(qiáng)度大于等于250MPa，同時(shí)具有良好的減薄_拉深成型性與良好的激光焊接性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種鋰離子電池殼用鋁合金板材，其抗拉強(qiáng)度大于等于250MPa，同時(shí)具有良好的減薄_拉深成型性與良好的激光焊接性。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)鋰離子電池殼用鋁合金，其成分的質(zhì)量百分含量為Mn :0· 8 I. 5wt%Mg :0· 5 I. 0wt%Cu :0· 4 I. 0wt%Si 0. I 0. 6wt%Fe :0· 2 0. 6wt%Ti 0. 01 0. 2wt% ；B :0· 001 O. 02wt% ；Zr :0· I O. 18wt% ；V :0· 05 O. 15wt% ；其余由Al以及難以避免的雜質(zhì)元素。
3. 0wt%
O. 3wt%
進(jìn)一步地，上述的鋰離子電池殼用鋁合金，所述Mn、Mg與Cu的總含量在2. O 更進(jìn)一步地，上述的鋰離子電池殼用鋁合金，所述Zr與V的總含量在O. 16再進(jìn)一步地，上述的鋰離子電池殼用鋁合金，所述Mn的含量0. 8 % < Mn ^ I. 5wt%。
本發(fā)明技術(shù)方案突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)在①本發(fā)明Al-Mn系合金含有較多的Mg、Cu，并把Mn、Mg與Cu的總含量控制在最佳范圍內(nèi)，既使該合金能夠順利鑄造，又使所制備的板材具有高的抗拉強(qiáng)度；②本發(fā)明涉及的鋰離子電池殼用鋁合金進(jìn)行Zr與V的復(fù)合添加，并把Zr與V的總含量控制在最佳范圍內(nèi)，使所制備的板材在低速激光焊接和高速激光焊接時(shí)，均不出現(xiàn)焊接裂紋，具有良好的激光焊接性能；③本發(fā)明提供的鋰離子電池殼用鋁合金，其抗拉強(qiáng)度大于等于250MPa，并具有良好的減薄_拉深成型性與良好的激光焊接性能，是制造鋰離子電池殼的理想材料。
具體實(shí)施方式
鋰離子電池殼用招合金，其成分Μη :0· 8 I. 5wt%(不含下限),Mg :0· 5 I. 0wt%, Cu :0· 4 I. 0wt%，Mn+Mg+Cu :2· 0 3. 0wt%，Si :0· I 0. 6wt%，F(xiàn)e :0· 2 0. 6wt%，Ti 0. 01 0. 2wt%，B :0. 001 0. 02wt%, Zr :0. I 0. 18wt%，V :0. 05 0. 15wt%, Zr+V :0. 16 0. 3wt%，其余由Al以及不可避免的雜質(zhì)元素構(gòu)成。
Al-Mn系合金含有較多的Mg、Cu，以固溶強(qiáng)化的方式來使其具有較高的強(qiáng)度；以晶粒細(xì)化的方式來使其具有良好的減薄_拉深成型性；復(fù)合添加適量的Ti、B、Zr、V等元素， 以細(xì)化焊縫晶粒的方式來使其具有良好的激光焊接性能。
Mn Mn固溶于Al基體中，可有效地提聞?wù)泻辖鸢宓膹?qiáng)度；Mn與Al、Fe、Si等兀素可形成細(xì)小彌散的Al-Mn相、Al-Fe-Mn-Si相,使再結(jié)晶晶粒細(xì)化,進(jìn)一步使招合金板在減薄_拉深成型時(shí)具有良好的表面。優(yōu)選Mn含量在O. 8 I. 5wt% (不含下限)的范圍內(nèi)，未達(dá)到下限時(shí)，其效果不明顯，鋁合金板的耐膨脹性尚顯不足；超過上限時(shí)，會(huì)形成粗大的金屬間化合物，使鋁合金板的成形性降低。
Mg =Mg固溶于Al基體中，可有效地提高鋁合金板的強(qiáng)度；同時(shí)使鋁合金板的加工硬化變大，提高其耐膨脹性。優(yōu)選Mg含量在0.5 I. 0被％的范圍內(nèi)，未達(dá)到下限時(shí)，其效果不大；超過上限時(shí)，鋁合金板的激光焊接性能會(huì)降低。
Cu =Cu固溶于Al基體中，可有效地提高鋁合金板的強(qiáng)度；同時(shí)使鋁合金板的加工硬化變大，提高其耐膨脹性。優(yōu)選Cu含量在0.4 I. 0被％的范圍內(nèi)，未達(dá)到下限時(shí)，其效果不大；超過上限時(shí)，鋁合金板的激光焊接性能會(huì)降低。
另外，優(yōu)選Mn、Mg、Cu的總含量在2. O 3. 0wt%的范圍內(nèi)，未達(dá)到下限時(shí)，鋁合金板的抗拉強(qiáng)度難以達(dá)到250MPa，耐膨脹性也較差；超過上限時(shí)，鑄造過程中鑄錠易發(fā)生開m ο
Si、Fe :Si固溶于Al基體中，可有效地提高鋁合金板的強(qiáng)度；Si、Fe與Al、Mn等元素可形成細(xì)小彌散的Al-Fe-Mn-Si相、Al-Fe相，使再結(jié)晶晶粒細(xì)化，另外還有助于電池殼成形加工時(shí)對(duì)模具的清潔作用，進(jìn)一步使鋁合金板在減薄-拉深成型時(shí)具有良好的表面。 優(yōu)選Si含量在O. I O. 6wt%的范圍內(nèi)、Fe含量在O. 2 O. 6wt%的范圍內(nèi)，未達(dá)到下限時(shí)， 其效果不明顯；超過上限時(shí)，會(huì)形成粗大的金屬間化合物，使成形性降低。
Ti、B :Ti與B可有效地使晶粒細(xì)化，防止成型加工時(shí)的破裂和表面粗糙；與Zr、V 等元素共存時(shí)，激光焊接過程中，熔池內(nèi)可形成多種有效的形核質(zhì)點(diǎn)，使焊縫晶粒細(xì)化，防止焊接裂紋的出現(xiàn)。Ti與B通常以Al-Ti-B絲、Al-Ti中間合金、Al-B中間合金的形式加入。優(yōu)選Ti含量在O. 01 O. 2wt%的范圍內(nèi)、B含量在O. 001 O. 02wt%的范圍內(nèi)，未達(dá)到下限時(shí)，其效果較??；超過上限時(shí)，鑄造時(shí)會(huì)生成粗大的金屬間化合物，降低鋁合金板的成形性。
Zr Zr與Ti、B、V等元素共存時(shí)，激光焊接過程中，熔池內(nèi)可形成多種有效的形核質(zhì)點(diǎn)，使焊縫晶粒細(xì)化，防止焊接裂紋的出現(xiàn)。優(yōu)選Zr含量在O. I O. 18 七％的范圍內(nèi)，未達(dá)到下限時(shí)，其效果較?。怀^上限時(shí)，會(huì)生成粗大的金屬間化合物從而降低鋁合金板的成形性，同時(shí)使鑄造溫度提高、鑄造難度增大，鑄造時(shí)易開裂。
V :V與Ti、B、Zr等元素共存時(shí)，激光焊接過程中，熔池內(nèi)可形成多種有效的形核質(zhì)點(diǎn)，使焊縫晶粒細(xì)化，防止焊接裂紋的出現(xiàn)。優(yōu)選V含量在O. 05 O. 15被％的范圍內(nèi)，未達(dá)到下限時(shí)，其效果較??；超過上限時(shí)，會(huì)生成粗大的金屬間化合物從而降低鋁合金板的成形性。
另外，Zr與V的復(fù)合添加，較Zr或V的單獨(dú)添加效果更優(yōu)，優(yōu)選Zr、V的總含量在 O. 16 O. 3被％的范圍內(nèi)，未達(dá)到下限時(shí)，其效果較小；超過上限時(shí)，生成粗大的金屬間化合物從而降低鋁合金板的成形性。
采用半連續(xù)鑄造法將鋁合金熔體制備成鑄錠，而后進(jìn)行均勻化、熱軋、冷軋、中間退火以及最終冷軋，得到抗拉強(qiáng)度大于等于250MPa、且具有良好減薄-拉深成型性和優(yōu)良的激光焊接性的鋁合金板材。
<均勻化>在熱軋之前，對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化處理，消除微觀偏析，并使鑄造時(shí)形成的非平衡組織轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饨M織，以有利于后續(xù)的熱軋。加熱溫度為550 620°C，保溫2h以上較好，可有效地消除微觀偏析。若加熱溫度過低，或者保溫時(shí)間過短，無法有效地消除微觀偏析，后續(xù)熱軋時(shí)加工性能較差；若加熱溫度過高，則容易發(fā)生過燒。
< 熱軋 >熱軋分為熱粗軋和熱精軋。
熱粗軋時(shí)初軋溫度為500 600°C，若低于500°C，材料的變形抗力較大，所需軋制道次增多，使生產(chǎn)率降低；若高于600°C，軋制過程中會(huì)形成粗大的再結(jié)晶晶粒，容易造成組織的不均勻。熱粗軋的終軋溫度控制在450°C以上，若終軋溫度低于450°C，在熱粗軋之后、熱精軋之前進(jìn)行放置時(shí)，再結(jié)晶不徹底，且組織不均勻。
熱粗軋完成后，需放置60 300s，若放置時(shí)間低于60s，則再結(jié)晶不充分，組織不均勻；若放置時(shí)間高于300s，部分再結(jié)晶晶粒會(huì)異常長大，難以得到均勻、細(xì)小的再結(jié)晶組織。
熱精軋的終軋溫度控制在300 370°C，若終軋溫度低于300°C，再結(jié)晶不完全，后續(xù)冷軋時(shí)成形性不良；若終軋溫度高于370°C，再結(jié)晶晶粒會(huì)粗大化，不利于后續(xù)冷軋。
〈冷軋與中間退火〉冷軋過程中需對(duì)板材進(jìn)行中間退火，以得到具有目標(biāo)厚度與目標(biāo)力學(xué)性能的最終冷軋板。
中間退火可采用連續(xù)退火，也可采用箱式爐退火。
(采用連續(xù)退火時(shí))升溫速度在5°C /s以上較好，若升溫速度低于5°C /s，再結(jié)晶晶粒較大，使板材的成形性變差。
加熱溫度控制在420 540°C較好，若低于420°C，板材內(nèi)Mn、Mg、Cu等元素的固溶量有限，造成板材的強(qiáng)度不足；若高于540°C，會(huì)造成Al-Cu相的重熔，不利于后續(xù)的加工。
保溫時(shí)間控制在5 120s較好，若低于5s，再結(jié)晶不充分，造成組織不均勻，使板材的成形性降低；若高于120s，再結(jié)晶晶粒較大，降低板材的成形性。
冷卻速度在10°C /s以上較好，若低于10°C /S，再結(jié)晶晶粒較大，使板材的成形性變差。
(采用箱式爐中間退火時(shí))加熱溫度控制在330 400°C較好，若低于330°C，板材難以發(fā)生再結(jié)晶；若高于 400 V，會(huì)使得再結(jié)晶晶粒較大，降低板材的成形性。
保溫時(shí)間控制在I 3h較好，若低于lh，再結(jié)晶不充分，造成組織不均勻，使板材的成形性降低；若高于3h，再結(jié)晶晶粒較大，降低板材的成形性。
最終冷軋時(shí)，優(yōu)選最終冷軋率在20 70%的范圍內(nèi)，低于20%時(shí)，鋁合金板的抗拉強(qiáng)度較低；高于70%時(shí)，鋁合金板的成形性能降低，進(jìn)行電池殼減薄-拉深成型加工時(shí)，殼體易破裂。
按照上述工藝制造的鋁合金板材，具有較高的強(qiáng)度和良好減薄_拉深成型性，采用激光焊接進(jìn)行電池殼密封時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋。
下面就具體的實(shí)施例進(jìn)行說明。實(shí)施例
按照表I中各合金的成分，采用半連續(xù)鑄造法，進(jìn)行鑄錠的制備，鑄錠厚度為 500mm、寬度為 110Omnin
將該鑄錠銑面后，進(jìn)行均勻化處理，加熱溫度為600°C，保溫時(shí)間為8h。
均勻化結(jié)束后，即開始進(jìn)行熱粗軋，熱粗軋的終軋溫度控制在450°C，熱粗軋板放置180s后進(jìn)行熱精軋，終軋溫度控制在350°C，得到厚度為6_的熱軋板。
熱軋板冷卻至室溫后，進(jìn)行冷軋，得到不同厚度的中間冷軋板。而后進(jìn)行中間退火，分別采用兩種方式進(jìn)行①鹽浴中間退火(模擬連續(xù)退火)，加熱溫度為500°C，保溫時(shí)間為30s，而后水冷；②箱式爐中間退火，加熱溫度為350°C，保溫時(shí)間為2h，而后空冷。
中間退火后進(jìn)行最終冷軋，得到厚度為O. 45mm的冷軋板。
采用上述冷軋板進(jìn)行了如下的性能檢測，結(jié)果如表2所示。
<力學(xué)性能檢測>根據(jù)GB/T 228. 1-2010的要求，采用數(shù)控銑床制備拉伸試樣，拉伸方向與軋制方向平行，于室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，將抗拉強(qiáng)度大于250MPa、斷后伸長率大于2%者定為合格；將抗拉強(qiáng)度低于250MPa或斷后伸長率低于2%者定為不合格。
<激光焊接性檢測>按下述脈沖激光焊接工藝進(jìn)行上述冷軋板的焊接試驗(yàn)，在50倍光學(xué)顯微鏡下確認(rèn)有無裂紋。將不出現(xiàn)焊接裂紋者定為合格，標(biāo)記為〇；將出現(xiàn)焊接裂紋者定為不合格，標(biāo)記為X。
峰值功率4KW ；脈沖寬度1. 2ms ；脈沖能量2. 5J ;脈沖頻率100Hz ；焊接速度低速為10mm/s,高速為20mm/s。
權(quán)利要求
1.鋰離子電池殼用鋁合金，其特征在于其成分的質(zhì)量百分含量為Mn :0· 8 I. 5wt% ；Mg 0. 5 I. 0wt% ；Cu 0. 4 I. 0wt% ；Si 0. I O. 6wt% ；Fe :0. 2 O. 6wt% ；Ti 0. 01 O. 2wt% ；B :0. 001 O. 02wt% ；Zr :0. I O. 18wt% ；V :0. 05 O. 15wt% ； 其余由Al以及難以避免的雜質(zhì)元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋰離子電池殼用鋁合金，其特征在于所述Mn、Mg與Cu的總含量在2. O 3. 0wt%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋰離子電池殼用鋁合金，其特征在于所述Zr與V的總含量在 O. 16 O. 3wt%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋰離子電池殼用鋁合金，其特征在于所述Mn的含量0.8 %< Mn ^ I. 5wt%。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鋰離子電池殼用鋁合金，其成分Mn0.8～1.5wt%(不含下限)，Mg0.5～1.0wt%，Cu0.4～1.0wt%，Mn+Mg+Cu2.0～3.0wt%，Si0.1～0.6wt%，F(xiàn)e0.2～0.6wt%，Ti0.01～0.2wt%，B0.001～0.02wt%，Zr0.1～0.18wt%，V0.05～0.15wt%，Zr+V0.16～0.3wt%，其余由Al以及不可避免的雜質(zhì)元素構(gòu)成。具有上述合金成分的鋁合金板材，其抗拉強(qiáng)度大于等于250MPa，并且具有良好的減薄-拉深成型性與優(yōu)良的激光焊接性能，適合制作鋰離子電池殼。
文檔編號(hào)C22C21/08GK102925758SQ20121041198
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者遲之東, 趙丕植, 劉婧 申請(qǐng)人:蘇州有色金屬研究院有限公司