專利名稱：鋰離子電池殼用鋁合金的制作方法
技術領域：
本發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、筆記本電腦、數碼相機、游戲機等 3C (Communication、Computer、Consumer Electronics)產品用鋰離子電池殼的鋁合金。
背景技術：
鋰離子電池具有體積小、重量輕、比能量高、放電電壓穩定、循環壽命長、安全性能好、工作范圍寬、無公害、無記憶效應、自放電率低等優點，在手機、筆記本電腦、數碼相機、 游戲機等3C產品中有著廣泛的應用，目前是不可替代的最佳電源供應來源。
根據鋰離子電池的生產過程及服役條件，其對電池殼用材料有如下要求(1)具有一定的強度在電池殼制作及運輸過程中不致出現不良變形，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。
在生產實踐過程中，Al-Mn系合金以其優良的綜合性能而受到鋰離子電池生產企業的青睞，成為3C產品用鋰離子電池殼的主流材料。目前，國內應用最廣泛的是3003合金， 其H16態板材的抗拉強度為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類新一代產品的發展，對鋰離子電池提出了兩個方面的要求(O高容量化3C類新一代產品已經呈現出融合的大趨勢，比如，手機對數碼相機、音樂播放、藍牙等功能的整合，手機電視、視訊電話、無線上網、電子商務等大量附加業務的日趨成熟，對電池電量的消耗越來越多，對電池的容量提出了更高的要求；(2)輕量化隨著3C產業的飛速發展，產品均朝著無線化、可攜帶化的方向發展，產品的各項高性能組件也往“輕、薄、短、小”的目標邁進，對電池提出了輕量化及小型化的要求。
為了滿足3C產品對鋰離子電池的高容量化和輕量化要求，鋰離子電池生產企業多采用更高強度的鋁材以減薄電池殼壁厚的方式來應對。傳統的3003合金強度較低，其減薄后容易發生變形，并且使得電池殼的耐膨脹性不足，即使內部壓力較小時也容易產生較大的膨脹量，該合金已經難以滿足新產品的性能要求。在中、高檔產品領域，性能更優異的 3005合金已經在替代3003合金，3005-H16態板材的抗拉強度可達230MPa，同時具有良好的減薄_拉深成型性與良好的激光焊接性。
隨著3C產品的更進一步發展，必然需要更高強度的鋁合金來取代3005合金。本發明即著眼于鋰離子電池殼材料的發展趨勢，目的在于提供一種鋰離子電池殼用鋁合金板材，其抗拉強度大于等于250MPa，同時具有良好的減薄_拉深成型性與良好的激光焊接性。發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種鋰離子電池殼用鋁合金板材，其抗拉強度大于等于250MPa，同時具有良好的減薄_拉深成型性與良好的激光焊接性。
本發明的目的通過以下技術方案來實現鋰離子電池殼用鋁合金，其成分的質量百分含量為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元素。
3. 0wt%
O. 3wt%
進一步地，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%。
本發明技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在①本發明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，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度；②本發明涉及的鋰離子電池殼用鋁合金進行Zr與V的復合添加，并把Zr與V的總含量控制在最佳范圍內，使所制備的板材在低速激光焊接和高速激光焊接時，均不出現焊接裂紋，具有良好的激光焊接性能；③本發明提供的鋰離子電池殼用鋁合金，其抗拉強度大于等于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%，Fe :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元素構成。
Al-Mn系合金含有較多的Mg、Cu，以固溶強化的方式來使其具有較高的強度；以晶粒細化的方式來使其具有良好的減薄_拉深成型性；復合添加適量的Ti、B、Zr、V等元素， 以細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，可有效地提聞招合金板的強度；Mn與Al、Fe、Si等兀素可形成細小彌散的Al-Mn相、Al-Fe-Mn-Si相,使再結晶晶粒細化,進一步使招合金板在減薄_拉深成型時具有良好的表面。優選Mn含量在O. 8 I. 5wt% (不含下限)的范圍內，未達到下限時，其效果不明顯，鋁合金板的耐膨脹性尚顯不足；超過上限時，會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度；同時使鋁合金板的加工硬化變大，提高其耐膨脹性。優選Mg含量在0.5 I. 0被％的范圍內，未達到下限時，其效果不大；超過上限時，鋁合金板的激光焊接性能會降低。
Cu =Cu固溶于Al基體中，可有效地提高鋁合金板的強度；同時使鋁合金板的加工硬化變大，提高其耐膨脹性。優選Cu含量在0.4 I. 0被％的范圍內，未達到下限時，其效果不大；超過上限時，鋁合金板的激光焊接性能會降低。
另外，優選Mn、Mg、Cu的總含量在2. O 3. 0wt%的范圍內，未達到下限時，鋁合金板的抗拉強度難以達到250MPa，耐膨脹性也較差；超過上限時，鑄造過程中鑄錠易發生開m ο
Si、Fe :Si固溶于Al基體中，可有效地提高鋁合金板的強度；Si、Fe與Al、Mn等元素可形成細小彌散的Al-Fe-Mn-Si相、Al-Fe相，使再結晶晶粒細化，另外還有助于電池殼成形加工時對模具的清潔作用，進一步使鋁合金板在減薄-拉深成型時具有良好的表面。 優選Si含量在O. I O. 6wt%的范圍內、Fe含量在O. 2 O. 6wt%的范圍內，未達到下限時， 其效果不明顯；超過上限時，會形成粗大的金屬間化合物，使成形性降低。
Ti、B :Ti與B可有效地使晶粒細化，防止成型加工時的破裂和表面粗糙；與Zr、V 等元素共存時，激光焊接過程中，熔池內可形成多種有效的形核質點，使焊縫晶粒細化，防止焊接裂紋的出現。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。優選Ti含量在O. 01 O. 2wt%的范圍內、B含量在O. 001 O. 02wt%的范圍內，未達到下限時，其效果較?。怀^上限時，鑄造時會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，激光焊接過程中，熔池內可形成多種有效的形核質點，使焊縫晶粒細化，防止焊接裂紋的出現。優選Zr含量在O. I O. 18 七％的范圍內，未達到下限時，其效果較??；超過上限時，會生成粗大的金屬間化合物從而降低鋁合金板的成形性，同時使鑄造溫度提高、鑄造難度增大，鑄造時易開裂。
V :V與Ti、B、Zr等元素共存時，激光焊接過程中，熔池內可形成多種有效的形核質點，使焊縫晶粒細化，防止焊接裂紋的出現。優選V含量在O. 05 O. 15被％的范圍內，未達到下限時，其效果較小；超過上限時，會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的復合添加，較Zr或V的單獨添加效果更優，優選Zr、V的總含量在 O. 16 O. 3被％的范圍內，未達到下限時，其效果較??；超過上限時，生成粗大的金屬間化合物從而降低鋁合金板的成形性。
采用半連續鑄造法將鋁合金熔體制備成鑄錠，而后進行均勻化、熱軋、冷軋、中間退火以及最終冷軋，得到抗拉強度大于等于250MPa、且具有良好減薄-拉深成型性和優良的激光焊接性的鋁合金板材。
<均勻化>在熱軋之前，對鑄錠進行均勻化處理，消除微觀偏析，并使鑄造時形成的非平衡組織轉變為平衡組織，以有利于后續的熱軋。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，或者保溫時間過短，無法有效地消除微觀偏析，后續熱軋時加工性能較差；若加熱溫度過高，則容易發生過燒。
< 熱軋 >熱軋分為熱粗軋和熱精軋。
熱粗軋時初軋溫度為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，使生產率降低；若高于600°C，軋制過程中會形成粗大的再結晶晶粒，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、熱精軋之前進行放置時，再結晶不徹底，且組織不均勻。
熱粗軋完成后，需放置60 300s，若放置時間低于60s，則再結晶不充分，組織不均勻；若放置時間高于300s，部分再結晶晶粒會異常長大，難以得到均勻、細小的再結晶組織。
熱精軋的終軋溫度控制在300 370°C，若終軋溫度低于300°C，再結晶不完全，后續冷軋時成形性不良；若終軋溫度高于370°C，再結晶晶粒會粗大化，不利于后續冷軋。
〈冷軋與中間退火〉冷軋過程中需對板材進行中間退火，以得到具有目標厚度與目標力學性能的最終冷軋板。
中間退火可采用連續退火，也可采用箱式爐退火。
(采用連續退火時)升溫速度在5°C /s以上較好，若升溫速度低于5°C /s，再結晶晶粒較大，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Mn、Mg、Cu等元素的固溶量有限，造成板材的強度不足；若高于540°C，會造成Al-Cu相的重熔，不利于后續的加工。
保溫時間控制在5 120s較好，若低于5s，再結晶不充分，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，再結晶晶粒較大，使板材的成形性變差。
(采用箱式爐中間退火時)加熱溫度控制在330 400°C較好，若低于330°C，板材難以發生再結晶；若高于 400 V，會使得再結晶晶粒較大，降低板材的成形性。
保溫時間控制在I 3h較好，若低于lh，再結晶不充分，造成組織不均勻，使板材的成形性降低；若高于3h，再結晶晶粒較大，降低板材的成形性。
最終冷軋時，優選最終冷軋率在20 70%的范圍內，低于20%時，鋁合金板的抗拉強度較低；高于70%時，鋁合金板的成形性能降低，進行電池殼減薄-拉深成型加工時，殼體易破裂。
按照上述工藝制造的鋁合金板材，具有較高的強度和良好減薄_拉深成型性，采用激光焊接進行電池殼密封時，也不會產生焊接裂紋。
下面就具體的實施例進行說明。實施例
按照表I中各合金的成分，采用半連續鑄造法，進行鑄錠的制備，鑄錠厚度為 500mm、寬度為 110Omnin
將該鑄錠銑面后，進行均勻化處理，加熱溫度為600°C，保溫時間為8h。
均勻化結束后，即開始進行熱粗軋，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，進行冷軋，得到不同厚度的中間冷軋板。而后進行中間退火，分別采用兩種方式進行①鹽浴中間退火(模擬連續退火)，加熱溫度為500°C，保溫時間為30s，而后水冷；②箱式爐中間退火，加熱溫度為350°C，保溫時間為2h，而后空冷。
中間退火后進行最終冷軋，得到厚度為O. 45mm的冷軋板。
采用上述冷軋板進行了如下的性能檢測，結果如表2所示。
<力學性能檢測>根據GB/T 228. 1-2010的要求，采用數控銑床制備拉伸試樣，拉伸方向與軋制方向平行，于室溫下進行拉伸試驗，將抗拉強度大于250MPa、斷后伸長率大于2%者定為合格；將抗拉強度低于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行上述冷軋板的焊接試驗，在50倍光學顯微鏡下確認有無裂紋。將不出現焊接裂紋者定為合格，標記為〇；將出現焊接裂紋者定為不合格，標記為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。
權利要求
1.鋰離子電池殼用鋁合金，其特征在于其成分的質量百分含量為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元素。
2.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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%，Fe0.2～0.6wt%，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元素構成。具有上述合金成分的鋁合金板材，其抗拉強度大于等于250MPa，并且具有良好的減薄-拉深成型性與優良的激光焊接性能，適合制作鋰離子電池殼。
文檔編號C22C21/08GK102925758SQ20121041198
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月25日 優先權日2012年10月25日
發明者遲之東, 趙丕植, 劉婧 申請人:蘇州有色金屬研究院有限公司