中間退火溫度對(duì)新能源汽車(chē)用4004/3003/4004鋁合金復(fù)合板組織和性能的影響

賓月景， 劉 瑩，2， 曹 宇， 曾勇謀， 胡夢(mèng)晗， 莫灼強(qiáng)， 王哲英

(1. 梧州學(xué)院 機(jī)械與資源工程學(xué)院， 廣西 梧州 543002；2. 昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 云南 昆明 650093；3. 廣西南南鋁加工有限公司， 廣西 南寧 530031 )

隨著科技的不斷進(jìn)步和人民生活水平日漸提高，我國(guó)汽車(chē)保有量逐年升高，汽車(chē)尾氣污染成為人類(lèi)所面臨的巨大問(wèn)題，因此節(jié)能減排是國(guó)家發(fā)展的趨勢(shì)[1]。為了更好地保護(hù)環(huán)境和減少能源的消耗，新能源汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的規(guī)模正在擴(kuò)大。預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量將達(dá)到300萬(wàn)輛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)自重每減輕50 kg，百公里油耗將減少0.2～0.3 L，碳排放量能減少5～7 g，可見(jiàn)汽車(chē)輕量化是節(jié)能減排的有效途徑[1]，不管是傳統(tǒng)汽車(chē)還是新能源汽車(chē)都需要輕量化。對(duì)于新能源汽車(chē)，比較有效的方法是減輕電池殼的質(zhì)量，同時(shí)要求材料的強(qiáng)度保持不變甚至更好。

目前汽車(chē)輕量化的首選材料是鋁合金，因其具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好，散熱性能優(yōu)良和釬焊后性能優(yōu)異等特點(diǎn)，被廣泛用作新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池材料。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，對(duì)鋁合金材料的性能要求越來(lái)越高，但目前使用的鋁質(zhì)電池殼大多數(shù)是國(guó)外進(jìn)口[3-5]。為了改變這一現(xiàn)狀，減少對(duì)進(jìn)口材料的依賴(lài)，本文以4004/3003/4004鋁合金復(fù)合板為研究對(duì)象，通過(guò)研究不同的中間退火工藝，提高材料的性能，開(kāi)發(fā)高性能的國(guó)產(chǎn)鋁質(zhì)動(dòng)力電池用材料，本研究可為鋁合金復(fù)合板的生產(chǎn)工藝提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中采用的鑄錠是用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)的，3003鋁合金作芯材，4004鋁合金作皮材，組成4004/3003/4004三層鋁合金復(fù)合板，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 4004/3003/4004三層鋁合金復(fù)合板芯材和皮材合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

圖1是4004/3003/4004鋁合金復(fù)合板的制備過(guò)程示意圖。首先將半連續(xù)鑄造出的3003鋁合金和4004鋁合金鑄錠分別在600 ℃均熱24 h和在400 ℃去應(yīng)力10 h，冷卻后分別鋸切成400 mm×1260 mm×5000 mm和50 mm×1200 mm×4800 mm的板材，然后用酒精清洗復(fù)合面的油污、鋁屑，防止復(fù)合面產(chǎn)生氣泡。接下來(lái)對(duì)組合好的4004皮材/中間3003芯材/4004皮材進(jìn)行復(fù)合焊接，包覆率10%。然后將該復(fù)合坯料板在500 ℃進(jìn)行預(yù)熱，在460 ℃進(jìn)行熱軋13個(gè)道次至5 mm，冷軋3個(gè)道次后中間退火，再軋制，得到4004/3003/4004層狀復(fù)合板成品。

圖1 復(fù)合板的制備過(guò)程示意圖Fig.1 Diagram of preparation process of the composite sheet

取樣品15個(gè)，將樣品共分為5組，每組3個(gè)，分別在270、320、370、420和480 ℃下進(jìn)行中間退火，并保溫2 h。

對(duì)以上樣品進(jìn)行打磨、拋光、腐蝕后在YVARMET型光學(xué)顯微鏡下觀察樣品的組織形貌及包覆率，在ZEISS EVO18掃描電鏡下觀察4004皮材中Si顆粒的分布情況。用Zwick BT1-FB100拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)成品的力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同退火工藝對(duì)包覆率的影響

4004/3003/4004復(fù)合板的包覆率隨不同中間退火溫度的變化情況如圖2所示。由圖2可知，隨著中間退火溫度的變化，4004/3003/4004復(fù)合板的包覆率無(wú)明顯變化，包覆率在設(shè)定的10%左右浮動(dòng)，包覆率偏差為±0.8%，符合要求(一般包覆率允許偏差為±1.5%)。包覆率是指單層皮材厚度占復(fù)合帶材總厚度的百分比。包覆率較小，釬焊過(guò)程中會(huì)因釬料少而發(fā)生脫焊或者假焊現(xiàn)象。包覆率較大，在總厚度不變的情況下，致使芯材的厚度減少，而復(fù)合板的力學(xué)性能主要由芯材決定，因此其性能降低，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致散熱器在600 ℃釬焊時(shí)極易發(fā)生塌陷[6-7]。另外從圖2觀察到復(fù)合板的上包覆率大于下包覆率，這是由于在熱軋過(guò)程中上包覆板降溫快，材料的變形抗力增加，從而在熱軋過(guò)程中難以發(fā)生變形，最終導(dǎo)致復(fù)合板的上包覆率比下包覆率稍大。

圖2 復(fù)合板包覆率隨不同中間退火溫度的變化Fig.2 Change of cladding rate of the composite sheet with different intermediate annealing temperature

由圖2可知，中間退火溫度對(duì)4004/3003/4004復(fù)合板的包覆率無(wú)明顯影響，選取370 ℃和420 ℃中間退火復(fù)合板觀察截面顯微組織，見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，復(fù)合板形成緊固的界面粘合，復(fù)合界面實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，并且復(fù)合界面處分界線明顯且平直，進(jìn)一步說(shuō)明包覆率偏差較小。通過(guò)光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察到4004鋁合金中的Si顆粒細(xì)小，呈纖維狀，分布彌散、均勻，且平均晶粒尺寸為2～4 μm，如圖4所示。這一現(xiàn)象說(shuō)明4004鋁合金的變質(zhì)效果非常好，有利于提高復(fù)合板的性能[8]。生產(chǎn)中要避免出現(xiàn)粗大塊狀或針狀形態(tài)的硅，因其非常硬脆，會(huì)嚴(yán)重地割裂基體，顯著降低復(fù)合板的力學(xué)性能。

圖3 4004/3003/4004合金復(fù)合板在不同中間退火溫度下的顯微組織Fig.3 Microstructure of the 4004/3003/4004 alloy composite sheet at different intermediate annealing temperatures(a) 370 ℃; (b) 420 ℃

圖4 4004鋁合金中Si顆粒的顯微組織(a)和SEM圖片(b)Fig.4 Microstructure(a) and SEM image(b) of Si particles in the 4004 aluminum alloy

2.2 中間退火溫度對(duì)復(fù)合板組織的影響

圖5是不同中間退火溫度下3003芯材的晶粒組織。由圖5(a)可以看出，當(dāng)中間退火溫度為270 ℃時(shí)，芯材組織仍為冷軋時(shí)的細(xì)長(zhǎng)纖維狀組織，說(shuō)明未發(fā)生再結(jié)晶。隨著中間退火溫度升高至320 ℃時(shí)，纖維狀組織中小晶粒開(kāi)始再結(jié)晶，此時(shí)再結(jié)晶組織與纖維狀組織共存，晶粒大部分為較長(zhǎng)的條狀，發(fā)生局部再結(jié)晶，如圖5(b)所示。當(dāng)中間退火溫度繼續(xù)升高至370 ℃時(shí)，晶粒為細(xì)小的等軸晶粒，說(shuō)明材料被充分軟化，全部完成再結(jié)晶[9-10]，如圖5(c)所示。當(dāng)中間退火溫度繼續(xù)升高至420 ℃時(shí)，再結(jié)晶晶粒已經(jīng)開(kāi)始長(zhǎng)大，當(dāng)中間退火溫度繼續(xù)升高至480 ℃時(shí)，再結(jié)晶晶粒發(fā)生粗化，如圖5(d,e)所示。

圖5 3003鋁合金芯材在不同中間退火溫度下的顯微組織Fig.5 Microstructure of the core material 3003 aluminiam alloy at different intermediate annealing temperatures(a) 270 ℃; (b) 320 ℃; (c) 370 ℃; (d) 420 ℃; (e) 480 ℃

2.3 中間退火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

圖6是4004/3003/4004鋁合金復(fù)合板在不同中間退火溫度下的力學(xué)性能變化曲線。由圖6可見(jiàn)，隨著中間退火溫度的不斷上升，復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先降低后趨于穩(wěn)定，而伸長(zhǎng)率呈相反的變化趨勢(shì)。當(dāng)中間退火溫度在270～370 ℃之間時(shí)，復(fù)合板的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率急劇變化，抗拉強(qiáng)度由193 MPa降至137 MPa，屈服強(qiáng)度由148 MPa降至80 MPa，伸長(zhǎng)率由12%提高到31%。這是由于軋制后復(fù)合板中儲(chǔ)存有大量的內(nèi)應(yīng)力，隨著退火溫度的升高，復(fù)合板內(nèi)應(yīng)力逐步釋放而使材料變軟，使其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著降低，伸長(zhǎng)率快速增加[11-12]。當(dāng)中間退火溫度升至370 ℃時(shí)，復(fù)合板的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的變化開(kāi)始趨于穩(wěn)定。這是由于退火溫度在370 ℃時(shí)，復(fù)合板已全部完成了再結(jié)晶，材料的力學(xué)性能變得較為穩(wěn)定。隨著退火溫度繼續(xù)升高，復(fù)合板的力學(xué)性能幾乎無(wú)太大變化。因此復(fù)合板的最佳中間退火溫度為370 ℃，此時(shí)復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度為137 MPa，屈服強(qiáng)度為80 MPa，伸長(zhǎng)率為31%。

圖6 4004/3003/4004合金復(fù)合板在不同中間退火溫度下的力學(xué)性能變化曲線Fig.6 Change curves of mechanical properties of the 4004/3003/4004 alloy composite sheet at different intermediate annealing temperatures

3 結(jié)論

1) 隨著中間退火溫度的升高，復(fù)合板包覆率未發(fā)生明顯變化，包覆率均勻穩(wěn)定、偏差較小，復(fù)合界面清晰、平直。皮材4004鋁合金中Si顆粒細(xì)小，彌散。

2) 3003鋁合金復(fù)合板芯材晶粒隨著中間退火溫度的升高而發(fā)生變化，當(dāng)退火溫度為370 ℃時(shí)，全部完成再結(jié)晶。退火溫度為480 ℃時(shí)，晶粒明顯粗化。

3) 隨著中間退火溫度的升高，4004/3003/4004合金復(fù)合板抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先降低后趨于穩(wěn)定，伸長(zhǎng)率呈相反的變化趨勢(shì)。中間退火溫度低于370 ℃時(shí)，復(fù)合板的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率變化較明顯。中間退火溫度為370 ℃時(shí)，復(fù)合板的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率開(kāi)始趨于穩(wěn)定，高于370 ℃時(shí)，復(fù)合板的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率未發(fā)生明顯變化。故復(fù)合板最佳中間退火溫度為370 ℃，此時(shí)復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度為137 MPa，屈服強(qiáng)度為80 MPa，伸長(zhǎng)率為31%，綜合力學(xué)性能最好。