退火溫度和冷變形量對動力電池殼用3003鋁合金板組織和性能的影響

曾勇謀, 劉 瑩,, 劉梓源, 胡夢晗, 曹 宇

(1. 梧州學院 機械與資源工程學院, 廣西 梧州 543002;2. 昆明理工大學 材料科學與工程學院, 云南 昆明 650093)

在“碳達峰”、“碳中和”和全球能源危機的雙重背景下,為了減少環境污染和能源的損耗,新能源汽車成為節能減排的有效途徑[1]。近幾年新能源汽車呈爆發式增長,2022年我國新能源汽車的產銷量分別為705.8萬輛和688.7萬輛。新能源汽車的續航能力是非常重要的指標,在安全性為首要條件下,車越輕越省電。據相關統計,汽車整車質量每降低10 kg,續航里程可增加2.5 km,可見,新能源汽車更迫切需要輕量化[2]。

鋁合金因其質量輕、強度高、成型性好被作為新能源汽車輕量化的首選材料,也是動力電池殼的優秀材料[3]。目前常用的動力電池殼材料為3003鋁合金,由于其綜合性能相對較差,但主要依賴國外進口。本文通過研究3003鋁合金板(添加微量的Mg、Zr等元素)的中間退火溫度和冷變形量,進一步軟化材料,便于后續加工,提高材料的綜合性能,減少材料進口,獲得較優的中間退火溫度和冷變形量,參數改善材料的性能,此研究可為新能源汽車動力電池殼用鋁合金的生產提供技術參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用4塊3003鋁合金卷,規格均為5 mm×1200 mm×C mm,其化學成分如表1所示。

表1 試驗用3003鋁合金的化學成分(質量分數,%)

1.2 試驗方法

將4塊3003鋁合金卷均進行冷軋,冷變形量分別為60%、75%、85%和95%。然后對不同變形后的冷軋板進行中間退火,退火溫度分別為0、100、200、250、275、300、320、350、380、400、420、450、480和500 ℃,保溫時間為2 h。

對退火后的冷軋板進行取樣,并在WDW-100E型萬能試驗機上進行拉伸試驗,拉伸試樣參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,標距為50 mm,測定試樣的抗拉強度、屈服強度和伸長率。然后在HBS-62.5型布氏硬度計上測量中間退火后的硬度,每個試樣測5個點取平均值。最后在DDB-303A型便攜式導電率儀上測量中間退火后的導電率,每個試樣測5個點取平均值。對中間退火后的樣品進行粗磨、拋光、腐蝕一段時間后在Axio Vert A1型光學顯微鏡下觀察樣品的顯微組織。

2 試驗結果與分析

2.1 退火溫度對3003鋁合金板硬度的影響

3003鋁合金板經過不同的冷變形后進行不同溫度的中間退火,然后檢測每組樣品的布氏硬度值,結果見圖1。由圖1可以看出,即使冷變形量相同時,隨著中間退火溫度的升高,3003鋁合金板的硬度先下降后趨于穩定。當退火溫度在0～200 ℃時,材料的硬度下降較為緩慢,這是由于3003鋁合金冷變形后的加工硬化程度較大,中間退火溫度較低時,其加工硬化程度難以得到改善,因此材料的硬度較高。當中間退火溫度在200～250 ℃和300～380 ℃材料的硬度下降較為急劇,這是由于隨著中間退火溫度的不斷升高,材料開始進一步得到軟化,其硬度下降較為明顯。當退火溫度繼續升高至300 ℃時,材料的硬度再次快速下降,這時材料開始發生了再結晶,殘余應力逐步得到釋放,材料變得較軟,硬度急劇下降[4]。中間退火溫度在300 ℃之前,當冷變形量在60%～85%時,隨著冷變形量的增加,3003鋁合金板的硬度逐漸升高。當冷變形量達到95%時材料的硬度反而下降,這是由于變形量過大,變形后的儲存能越多,部分再結晶晶粒又重新粗化,導致硬度降低。當中間退火溫度超過380 ℃時,材料的硬度變的較為穩定,說明再結晶已經完成,材料得到充分軟化[5]。冷變形量為95%時,材料的硬度反而超過冷變形量為60%～85%的硬度,說明再結晶對材料硬度的影響大于中間退火溫度對材料硬度的影響。

圖1 不同冷變形后中間退火溫度對3003鋁合金板硬度的影響Fig.1 Effect of intermediate annealing temperature on hardness of the 3003 aluminum alloy plate after different cold deformation

2.2 退火溫度對3003鋁合金板力學性能的影響

圖2為3003鋁合金經不同冷變形后力學性能隨中間退火溫度的變化曲線。由圖2可知,隨著中間退火溫度的不斷升高,3003鋁合金經不同冷變形后其抗拉強度和屈服強度先下降后逐步趨于穩定,抗拉強度穩定在138 MPa左右,屈服強度穩定在100 MPa左右,而伸長率則呈現相反的變化趨勢。當冷變形量為95%時,隨著中間退火溫度的升高,材料的抗拉強度和屈服強度下降的速度更快。冷變形量從60%至95%變化時,材料的強度變化趨勢基本一致,變化的程度隨著冷變形量的增加而增大,而伸長率的變化趨勢顯著不同,200 ℃以內退火時,材料的伸長率變化較小,退火溫度超過200 ℃,材料的伸長率變化較大且不穩定。當冷變形量一定時,中間退火溫度在200 ℃以內,材料的抗拉強度和屈服強度急劇降低,而伸長率變化較小,這是由于中間退火溫度較低時,材料處于回復階段,材料的抗拉強度和屈服強度下降較明顯。當退火溫度升高至300 ℃時,材料的抗拉強度和屈服強度再次急劇降低,伸長率顯著增加。這是由于中間退火溫度較高,材料再結晶開始,冷軋板中儲存的大量內應力逐步釋放,致使材料軟化,其強度下降明顯,而伸長率增加較快[6]。當中間退火溫度升高至380 ℃時,材料的抗拉強度、屈服強度和伸長率開始穩定。這是由于當中間退火溫度為380 ℃時,3003鋁合金板已全部完成了再結晶,材料已完全軟化,其力學性能趨于穩定。繼續增加退火溫度,材料的力學性能幾乎不發生變化,因此動力電池殼用3003鋁合金板的最佳中間退火溫度為380 ℃,此時其抗拉強度約為138 MPa,屈服強度約為100 MPa,伸長率為22.5%～38%。

圖2 經不同冷變形后3003鋁合金板力學性能隨中間退火溫度的變化曲線(a)抗拉強度;(b)屈服強度;(c)伸長率Fig.2 Variation curves of mechanical properties of the 3003 aluminum alloy plate with intermediate annealing temperature after different cold deformation(a) tensile strength; (b) yield strength; (c) elongation

2.3 退火溫度對3003鋁合金板導電率的影響

圖3為3003鋁合金經不同冷變形后導電率隨退火溫度的變化曲線。由圖3可以看出,隨著退火溫度的升高,材料的導電率均是先緩慢增加并在380 ℃開始趨于穩定,然后快速下降。3003鋁合金在95%冷變形時,其導電率明顯比60%～85%冷變形時小很多,其值在21.73%IACS～28.72%IACS,可能是由于材料的位錯密度較大而造成的[7]。但是它的導電率從100 ℃開始明顯增加,而60%～85%冷變形時,材料在200 ℃時才有明顯增加。當中間溫度升高到450 ℃時,不同變形量材料的導電率均開始快速下降。這是由于中間退火溫度較高,材料發生回溶,再結晶的細小相將會重新固溶[8]。圖3中還觀察到冷變形量為60%和75%的材料導電率曲線幾乎重疊,說明二者的材料中合金元素析出基本一樣[9]。當材料的冷變形量為85%時,導電率整體最高,其值在47.83%IACS～51.53%IACS之間,說明此時材料中的合金元素析出較多。

2.4 退火溫度對3003鋁合金板組織的影響

綜合考慮前述中間退火溫度對3003鋁合金板的力學性能和導電率的影響規律,觀察特定中間退火溫度對3003鋁合金板顯微組織的影響。圖4分別為冷變形量60%和95%的3003鋁合金板經不同溫度退火后的顯微組織。由圖4可知,3003鋁合金經過60%和95%的冷變形量后,隨著中間退火溫度的升高,組織發生明顯變化。對于經過60%冷變形量的3003鋁合金,在320 ℃退火時,合金組織已開始再結晶,冷軋后的細長纖維狀組織中結晶出部分小晶粒,但大部分仍是細長纖維狀組織,說明發生局部再結晶,如圖4(a)所示。中間退火溫度繼續升高至380 ℃時,細長纖維狀組織消失,全部變為細小的等軸晶粒,說明材料已被完全軟化,再結晶全部完成[10],如圖4(b)所示。對于經過95%冷變形量的3003鋁合金,當中間退火溫度在300 ℃時,合金再結晶已經開始,仍以細長纖維狀組織為主,局部再結晶的程度與經60%的冷變形量后在320 ℃退火時相當,見圖4(c)。當中間退火溫度升高至380 ℃時,全部完成再結晶,晶粒比經60%的冷變形量后在380 ℃退火時細小,如圖4(d)所示。這說明隨著冷變形量的增加,3003鋁合金板再結晶開始的溫度降低,再結晶晶粒更細小。

圖4 冷變形量60%(a,b)和95%(c,d)的3003鋁合金板經不同中間退火溫度后的顯微組織Fig.4 Microstructure of the 3003 aluminum alloy plate with cold deformation of 60%(a,b) and 95%(c,d) after intermediate annealing at different temperatures(a) 320 ℃; (c) 300 ℃; (b, d) 380 ℃

3 結論

1) 隨著中間退火溫度的升高,不同冷變形量3003鋁合金板的硬度、抗拉強度和屈服強度先下降后趨于穩定,而伸長率剛好相反。退火溫度在200 ℃以內,材料的冷變形量越大,材料的強度越大。退火溫度在380 ℃時,材料的硬度、強度和伸長率基本穩定,材料完全被軟化,3003鋁合金板中間退火溫度優選380 ℃。

2) 隨著中間退火溫度的升高,3003鋁合金板的導電率均是先緩慢增加后穩定再快速下降,當退火溫度為380 ℃時,材料的導電率較穩定。材料的冷變形量為95%時,其導電率明顯比60%～85%冷變形時小很多,當冷變形量為85%時,材料的導電率最高,其值在47.83%IACS～51.53%IACS之間。

3) 隨著中間退火溫度的升高,3003鋁合金板的組織發生明顯變化,由軋制后細長的纖維狀逐步變為等軸細小的再結晶晶粒。冷變形量由60%增加至95%,材料開始再結晶的溫度由320 ℃降至300 ℃,而再結晶完成的溫度均為380 ℃,冷變形量越大再結晶晶粒越細小。綜合材料的力學性能和導電率考慮,動力電池殼用3003鋁合金板中間退火溫度優選380 ℃,冷變形量為85%。