退火溫度和冷變形量對(duì)動(dòng)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(mèng)晗, 曹 宇

(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)

在“碳達(dá)峰”、“碳中和”和全球能源危機(jī)的雙重背景下,為了減少環(huán)境污染和能源的損耗,新能源汽車(chē)成為節(jié)能減排的有效途徑[1]。近幾年新能源汽車(chē)呈爆發(fā)式增長(zhǎng),2022年我國(guó)新能源汽車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量分別為705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛。新能源汽車(chē)的續(xù)航能力是非常重要的指標(biāo),在安全性為首要條件下,車(chē)越輕越省電。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量每降低10 kg,續(xù)航里程可增加2.5 km,可見(jiàn),新能源汽車(chē)更迫切需要輕量化[2]。

鋁合金因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、成型性好被作為新能源汽車(chē)輕量化的首選材料,也是動(dòng)力電池殼的優(yōu)秀材料[3]。目前常用的動(dòng)力電池殼材料為3003鋁合金,由于其綜合性能相對(duì)較差,但主要依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口。本文通過(guò)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(jìn)一步軟化材料,便于后續(xù)加工,提高材料的綜合性能,減少材料進(jìn)口,獲得較優(yōu)的中間退火溫度和冷變形量,參數(shù)改善材料的性能,此研究可為新能源汽車(chē)動(dòng)力電池殼用鋁合金的生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用4塊3003鋁合金卷,規(guī)格均為5 mm×1200 mm×C mm,其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用3003鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 試驗(yàn)方法

將4塊3003鋁合金卷均進(jìn)行冷軋,冷變形量分別為60%、75%、85%和95%。然后對(duì)不同變形后的冷軋板進(jìn)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(shí)間為2 h。

對(duì)退火后的冷軋板進(jìn)行取樣,并在WDW-100E型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸試樣參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,標(biāo)距為50 mm,測(cè)定試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。然后在HBS-62.5型布氏硬度計(jì)上測(cè)量中間退火后的硬度,每個(gè)試樣測(cè)5個(gè)點(diǎn)取平均值。最后在DDB-303A型便攜式導(dǎo)電率儀上測(cè)量中間退火后的導(dǎo)電率,每個(gè)試樣測(cè)5個(gè)點(diǎn)取平均值。對(duì)中間退火后的樣品進(jìn)行粗磨、拋光、腐蝕一段時(shí)間后在Axio Vert A1型光學(xué)顯微鏡下觀察樣品的顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 退火溫度對(duì)3003鋁合金板硬度的影響

3003鋁合金板經(jīng)過(guò)不同的冷變形后進(jìn)行不同溫度的中間退火,然后檢測(cè)每組樣品的布氏硬度值,結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可以看出,即使冷變形量相同時(shí),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(wěn)定。當(dāng)退火溫度在0～200 ℃時(shí),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(shí),其加工硬化程度難以得到改善,因此材料的硬度較高。當(dāng)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(kāi)始進(jìn)一步得到軟化,其硬度下降較為明顯。當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高至300 ℃時(shí),材料的硬度再次快速下降,這時(shí)材料開(kāi)始發(fā)生了再結(jié)晶,殘余應(yīng)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(dāng)冷變形量在60%～85%時(shí),隨著冷變形量的增加,3003鋁合金板的硬度逐漸升高。當(dāng)冷變形量達(dá)到95%時(shí)材料的硬度反而下降,這是由于變形量過(guò)大,變形后的儲(chǔ)存能越多,部分再結(jié)晶晶粒又重新粗化,導(dǎo)致硬度降低。當(dāng)中間退火溫度超過(guò)380 ℃時(shí),材料的硬度變的較為穩(wěn)定,說(shuō)明再結(jié)晶已經(jīng)完成,材料得到充分軟化[5]。冷變形量為95%時(shí),材料的硬度反而超過(guò)冷變形量為60%～85%的硬度,說(shuō)明再結(jié)晶對(duì)材料硬度的影響大于中間退火溫度對(duì)材料硬度的影響。

圖1 不同冷變形后中間退火溫度對(duì)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(duì)3003鋁合金板力學(xué)性能的影響

圖2為3003鋁合金經(jīng)不同冷變形后力學(xué)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(jīng)不同冷變形后其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先下降后逐步趨于穩(wěn)定,抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定在138 MPa左右,屈服強(qiáng)度穩(wěn)定在100 MPa左右,而伸長(zhǎng)率則呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。當(dāng)冷變形量為95%時(shí),隨著中間退火溫度的升高,材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降的速度更快。冷變形量從60%至95%變化時(shí),材料的強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致,變化的程度隨著冷變形量的增加而增大,而伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)顯著不同,200 ℃以?xún)?nèi)退火時(shí),材料的伸長(zhǎng)率變化較小,退火溫度超過(guò)200 ℃,材料的伸長(zhǎng)率變化較大且不穩(wěn)定。當(dāng)冷變形量一定時(shí),中間退火溫度在200 ℃以?xún)?nèi),材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度急劇降低,而伸長(zhǎng)率變化較小,這是由于中間退火溫度較低時(shí),材料處于回復(fù)階段,材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降較明顯。當(dāng)退火溫度升高至300 ℃時(shí),材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度再次急劇降低,伸長(zhǎng)率顯著增加。這是由于中間退火溫度較高,材料再結(jié)晶開(kāi)始,冷軋板中儲(chǔ)存的大量?jī)?nèi)應(yīng)力逐步釋放,致使材料軟化,其強(qiáng)度下降明顯,而伸長(zhǎng)率增加較快[6]。當(dāng)中間退火溫度升高至380 ℃時(shí),材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率開(kāi)始穩(wěn)定。這是由于當(dāng)中間退火溫度為380 ℃時(shí),3003鋁合金板已全部完成了再結(jié)晶,材料已完全軟化,其力學(xué)性能趨于穩(wěn)定。繼續(xù)增加退火溫度,材料的力學(xué)性能幾乎不發(fā)生變化,因此動(dòng)力電池殼用3003鋁合金板的最佳中間退火溫度為380 ℃,此時(shí)其抗拉強(qiáng)度約為138 MPa,屈服強(qiáng)度約為100 MPa,伸長(zhǎng)率為22.5%～38%。

圖2 經(jīng)不同冷變形后3003鋁合金板力學(xué)性能隨中間退火溫度的變化曲線(a)抗拉強(qiáng)度;(b)屈服強(qiáng)度;(c)伸長(zhǎng)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(duì)3003鋁合金板導(dǎo)電率的影響

圖3為3003鋁合金經(jīng)不同冷變形后導(dǎo)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(dǎo)電率均是先緩慢增加并在380 ℃開(kāi)始趨于穩(wěn)定,然后快速下降。3003鋁合金在95%冷變形時(shí),其導(dǎo)電率明顯比60%～85%冷變形時(shí)小很多,其值在21.73%IACS～28.72%IACS,可能是由于材料的位錯(cuò)密度較大而造成的[7]。但是它的導(dǎo)電率從100 ℃開(kāi)始明顯增加,而60%～85%冷變形時(shí),材料在200 ℃時(shí)才有明顯增加。當(dāng)中間溫度升高到450 ℃時(shí),不同變形量材料的導(dǎo)電率均開(kāi)始快速下降。這是由于中間退火溫度較高,材料發(fā)生回溶,再結(jié)晶的細(xì)小相將會(huì)重新固溶[8]。圖3中還觀察到冷變形量為60%和75%的材料導(dǎo)電率曲線幾乎重疊,說(shuō)明二者的材料中合金元素析出基本一樣[9]。當(dāng)材料的冷變形量為85%時(shí),導(dǎo)電率整體最高,其值在47.83%IACS～51.53%IACS之間,說(shuō)明此時(shí)材料中的合金元素析出較多。

2.4 退火溫度對(duì)3003鋁合金板組織的影響

綜合考慮前述中間退火溫度對(duì)3003鋁合金板的力學(xué)性能和導(dǎo)電率的影響規(guī)律,觀察特定中間退火溫度對(duì)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(jīng)不同溫度退火后的顯微組織。由圖4可知,3003鋁合金經(jīng)過(guò)60%和95%的冷變形量后,隨著中間退火溫度的升高,組織發(fā)生明顯變化。對(duì)于經(jīng)過(guò)60%冷變形量的3003鋁合金,在320 ℃退火時(shí),合金組織已開(kāi)始再結(jié)晶,冷軋后的細(xì)長(zhǎng)纖維狀組織中結(jié)晶出部分小晶粒,但大部分仍是細(xì)長(zhǎng)纖維狀組織,說(shuō)明發(fā)生局部再結(jié)晶,如圖4(a)所示。中間退火溫度繼續(xù)升高至380 ℃時(shí),細(xì)長(zhǎng)纖維狀組織消失,全部變?yōu)榧?xì)小的等軸晶粒,說(shuō)明材料已被完全軟化,再結(jié)晶全部完成[10],如圖4(b)所示。對(duì)于經(jīng)過(guò)95%冷變形量的3003鋁合金,當(dāng)中間退火溫度在300 ℃時(shí),合金再結(jié)晶已經(jīng)開(kāi)始,仍以細(xì)長(zhǎng)纖維狀組織為主,局部再結(jié)晶的程度與經(jīng)60%的冷變形量后在320 ℃退火時(shí)相當(dāng),見(jiàn)圖4(c)。當(dāng)中間退火溫度升高至380 ℃時(shí),全部完成再結(jié)晶,晶粒比經(jīng)60%的冷變形量后在380 ℃退火時(shí)細(xì)小,如圖4(d)所示。這說(shuō)明隨著冷變形量的增加,3003鋁合金板再結(jié)晶開(kāi)始的溫度降低,再結(jié)晶晶粒更細(xì)小。

圖4 冷變形量60%(a,b)和95%(c,d)的3003鋁合金板經(jīng)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(jié)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先下降后趨于穩(wěn)定,而伸長(zhǎng)率剛好相反。退火溫度在200 ℃以?xún)?nèi),材料的冷變形量越大,材料的強(qiáng)度越大。退火溫度在380 ℃時(shí),材料的硬度、強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率基本穩(wěn)定,材料完全被軟化,3003鋁合金板中間退火溫度優(yōu)選380 ℃。

2) 隨著中間退火溫度的升高,3003鋁合金板的導(dǎo)電率均是先緩慢增加后穩(wěn)定再快速下降,當(dāng)退火溫度為380 ℃時(shí),材料的導(dǎo)電率較穩(wěn)定。材料的冷變形量為95%時(shí),其導(dǎo)電率明顯比60%～85%冷變形時(shí)小很多,當(dāng)冷變形量為85%時(shí),材料的導(dǎo)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(fā)生明顯變化,由軋制后細(xì)長(zhǎng)的纖維狀逐步變?yōu)榈容S細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。冷變形量由60%增加至95%,材料開(kāi)始再結(jié)晶的溫度由320 ℃降至300 ℃,而再結(jié)晶完成的溫度均為380 ℃,冷變形量越大再結(jié)晶晶粒越細(xì)小。綜合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電率考慮,動(dòng)力電池殼用3003鋁合金板中間退火溫度優(yōu)選380 ℃,冷變形量為85%。