摘要：為研究退火工藝對(duì)新能源汽車(chē)鋰電池用3003鋁合金性能與組織的影響，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、硬度計(jì)、杯突試驗(yàn)機(jī)、成形試驗(yàn)機(jī)與光學(xué)顯微鏡等，研究了新能源汽車(chē)鋰電池用3003鋁合金在不同溫度（150～500 ℃）下保溫3 h試驗(yàn)爐退火后的室溫力學(xué)性能、硬度值、杯突值、制耳率與顯微組織的演變特性，確定了3003鋁合金較優(yōu)的試驗(yàn)退火工藝。結(jié)果表明，3003鋁合金在退火溫度為400 ℃、保溫時(shí)間為3 h時(shí)，獲得了力學(xué)性能、成形性能與顯微組織的最佳組合，將該退火工藝應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的箱式退火爐，結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

關(guān)鍵詞：鋰電池 鋁合金 退火工藝 顯微組織

中圖分類(lèi)號(hào)：TG146.2；U465.2" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240152

Research on Annealing Process of 3003 Aluminum Alloy for Lithium Battery of New Energy Vehicle

Li Yongxin

（Tianjin Zhongwang Aluminum Co.， Ltd.， Tianjin 301700）

Abstract： In order to explore the effect of annealing process on the properties and microstructure of 3003 aluminum alloy for lithium battery of new energy vehicle， the evolution characteristics of room temperature mechanical properties， hardness， cupping value， earing rate and microstructure of 3003 aluminum alloy for lithium battery of new energy vehicle after annealing at different temperatures （150 ～ 500 ℃） and holding for 3 h are studied by means of electronic universal testing machine， hardness tester， cupping test machine， forming test machine and optical microscope. The preferred experimental annealing process of 3003 aluminum alloy is determined. The results show that the best combination of mechanical properties， formability and microstructure of 3003 aluminum alloy is obtained when the annealing temperature is 400 ℃ and the holding time is 3 h. This annealing process is applied to the box-type annealing furnace on the production site for verification， which is in good agreement with the test results.

Key words： Lithium battery， Aluminum alloy， Annealing process， Microstructure

1 前言

研究表明，新能源汽車(chē)自身質(zhì)量降低10%，其續(xù)駛里程可增加7.5%，并可提高車(chē)輛的操控性[1-2]。鋁合金因其質(zhì)量輕、耐腐蝕、成形性?xún)?yōu)良，在新能源汽車(chē)輕量化技術(shù)中廣泛應(yīng)用。新能源汽車(chē)鋰電池殼體應(yīng)用的鋁及其合金主要有1050、3003和3005，其中，由于1050強(qiáng)度低、3005焊接性能不良，現(xiàn)已很少使用。3003具有良好的綜合性能，成為新能源汽車(chē)鋰電池殼體材質(zhì)的主要選擇，國(guó)內(nèi)方形鋰電池外殼大多采用3003鋁合金。曾勇謀等[3]通過(guò)向3003鋁合金中添加Mg和Zr元素，研究了改變化學(xué)成分后的3003鋁合金板的組織和性能，熊志方等[4]研究了均勻化處理對(duì)3003鋁合金析出行為的影響。因鑄軋生產(chǎn)成本較低，近年來(lái)不少研究者對(duì)3003鑄軋材料進(jìn)行了研究，但尚未解決晶粒粗大的問(wèn)題[5-7]?，F(xiàn)有研究者大都對(duì)3003鋁合金的單個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行研究[8-10]，而對(duì)全部性能指標(biāo)研究較少。因此，本文對(duì)3003鋁合金退火后的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率）、硬度、成形性能（杯突值、制耳率）與顯微組織（晶粒尺寸）進(jìn)行研究與評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)材料與方法

本文試驗(yàn)材料采用3003鋁合金帶材，其化學(xué)成分符合GB∕T 3190—2020《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》中的要求，如表1所示。

3003鋁合金帶材的生產(chǎn)流程為：采用半連續(xù)直冷鑄造鋁合金鑄錠，鋸切機(jī)切頭去尾，銑面機(jī)銑削加工成610 mm×1 600 mm×8 000 mm的坯料，經(jīng)均勻化加熱工藝（600 ℃×12 h+500 ℃×2 h）處理，使用1+4熱連軋機(jī)軋成7.0 mm的熱軋帶材，精軋卷取溫度為（300±10） ℃，熱軋帶材冷卻至室溫后，經(jīng)過(guò)單機(jī)架連續(xù)可變凸度（Continuously Variable Crown，CVC）六輥冷軋機(jī)3道次冷軋至1.65 mm后取樣，在實(shí)驗(yàn)室的Naberthem NA120/65型空氣循環(huán)爐中進(jìn)行不同溫度的試驗(yàn)退火，溫度范圍為150～500 ℃，溫度間隔為50 ℃，保溫時(shí)間為3 h。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)爐退火后的材料樣板分別進(jìn)行室溫力學(xué)性能、硬度值、杯突值、制耳率與顯微組織的檢測(cè)。根鋸實(shí)驗(yàn)室退火試樣的檢測(cè)結(jié)果，確定3003鋁合金較優(yōu)的試驗(yàn)退火工藝，將該退火工藝用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的箱式退火爐，再次進(jìn)行以上各項(xiàng)性能指標(biāo)的檢測(cè)。

依據(jù)GB/T 16865—2023《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣及方法》，采用Zwick Z100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫力學(xué)性能檢測(cè)；依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用KB30S-FA維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度值檢測(cè)；依據(jù)GB/T 4156—2020《金屬材料 薄板和薄帶 埃里克森杯突試驗(yàn)》，采用BUP600板材成形試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行杯突檢測(cè)；依據(jù)GB∕T 24183—2021《金屬材料 薄板和薄帶 制耳試驗(yàn)方法》，采用GBS-60數(shù)顯自動(dòng)杯突試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行制耳率測(cè)試；依據(jù)GB/T 3246.1—2024《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法 第1部分：顯微組織檢驗(yàn)方法》，采用Axio-Vert-A1型光學(xué)顯微鏡（Optical Microscope，OM）進(jìn)行顯微組織觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)室退火試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

3.1.1 力學(xué)性能

3003鋁合金冷軋板試樣在不同溫度下（第1組試樣未退火，即圖1左側(cè)第1點(diǎn)）退火，保溫3 h后，材料的力學(xué)性能變化如圖1所示。由檢測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)退火溫度由150 ℃升高至500 ℃時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度逐漸降低，而伸長(zhǎng)率逐漸增大。材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別由221 MPa和201 MPa降低至117 MPa和47 MPa，而伸長(zhǎng)率從4.7%上升至40.5%后小幅下降。當(dāng)退火溫度為400 ℃時(shí)，強(qiáng)度與延伸率達(dá)到平衡狀態(tài)，不再發(fā)生變化。

3.1.2 硬度

3003鋁合金冷軋板試樣在不同溫度下（第1組試樣未退火，即圖2左側(cè)第一點(diǎn)）退火，保溫3 h后，材料的硬度變化如圖2所示。由檢測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)退火溫度由150 ℃升高至500 ℃時(shí)，硬度由64.2 HV0.5下降至30.5 HV0.5，其變化規(guī)律與抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致。

3.1.3 杯突值

3003鋁合金冷軋板試樣在不同溫度下（第1組試樣未退火，即圖3左側(cè)第1點(diǎn)）退火，保溫3 h后，材料的杯突值變化如圖3所示。由檢測(cè)結(jié)果可知，除第1組試樣未進(jìn)行退火處理外，當(dāng)退火溫度由150 ℃升高至500 ℃時(shí)，杯突值由10.89 mm增加至14.71 mm后小幅下降，在400 ℃時(shí)達(dá)到最大。

3.1.4 制耳率

3003鋁合金冷軋板試樣在不同溫度下（第1組試樣未退火，即圖4左側(cè)第1點(diǎn)）退火，保溫3 h后，材料的制耳率（Earing）變化如圖4所示。由檢測(cè)結(jié)果可知，除第1組試樣未進(jìn)行退火處理，當(dāng)退火溫度由150 ℃升高到500 ℃時(shí)，制耳率由7.87%下降至1.37%后小幅上升，當(dāng)退火溫度為400 ℃時(shí)達(dá)到最小值，與杯突值的變化趨勢(shì)相反。

3.1.5 顯微組織

3003鋁合金冷軋板試樣在不同溫度下退火，保溫3 h后，材料的顯微組織變化如圖5所示。由檢測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)退火溫度由150 ℃升高至300 ℃時(shí)，材料由纖維組織變成部分再結(jié)晶組織，到退火溫度為400 ℃時(shí)，再結(jié)晶完成，晶粒尺寸未出現(xiàn)長(zhǎng)大現(xiàn)象，退火溫度超過(guò)400 ℃后，材料的晶粒尺寸有長(zhǎng)大的趨勢(shì)。

由上述力學(xué)性能、硬度、杯突值、制耳率與顯微組織的檢測(cè)檢測(cè)結(jié)果可知，3003鋁合金冷軋板試樣在不同溫度下退火，較佳的退火溫度為400 ℃，保溫時(shí)間為3 h。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)箱式爐退火檢測(cè)結(jié)果

將實(shí)驗(yàn)室退火爐較優(yōu)的工藝用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的箱式退火爐進(jìn)行驗(yàn)證，將經(jīng)過(guò)清洗的3003鋁合金帶材打孔后用熱電偶測(cè)量金屬溫度，采用帶材懸掛在套筒支撐的方式退火。為提高生產(chǎn)效率，采用差溫加熱方法，爐氣溫度設(shè)置為500 ℃，當(dāng)金屬溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，爐氣溫度降低至400 ℃，保溫3 h后，溫度冷卻至150 ℃出爐，冷卻至室溫后取樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2與圖6所示。各項(xiàng)性能指標(biāo)與3.1節(jié)中的試驗(yàn)結(jié)果相符，均滿足GB/T 33824—2017《新能源動(dòng)力電池殼及蓋用鋁及鋁合金板、帶材》的規(guī)定。

4 分析討論

3003鋁合金屬于Al-Mn系，是不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，Mn是主要的合金元素，與Al可生成MnAl6相，F(xiàn)e能溶于MnA16中形成化合物（FeMn）Al6，從而降低Mn在鋁中的溶解度，通常Mn+Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1.85%，可有效細(xì)化3003材料退火后的晶粒度，Si也能降低Mn在Al中的溶解度，提高合金的力學(xué)性能，Cu元素能夠顯著提高合金強(qiáng)度，含量過(guò)高會(huì)降低合金的耐腐蝕性能，但少量的Cu能夠使材料的嚴(yán)重的點(diǎn)腐蝕變?yōu)檩p微的均勻腐蝕，提高耐腐蝕性能[8]，Zn元素會(huì)降低合金的焊接性能。

3003鋁合金經(jīng)過(guò)76.4%加工率冷軋，鋁合金晶粒沿長(zhǎng)度方向被壓扁、拉長(zhǎng)、變細(xì)，并出現(xiàn)纖維組織，提高了鋁合金強(qiáng)度，未經(jīng)退火的3003鋁合金力學(xué)性能已經(jīng)達(dá)到超硬狀態(tài)（H19）。在退火溫度為150～250 ℃時(shí)，3003鋁合金處于回復(fù)階段，材料的強(qiáng)度下降與溫度基本呈線性關(guān)系，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別由220 MPa、152 MPa降低至160 MPa、152 MPa，當(dāng)退火溫度為250～300 ℃時(shí)，合金強(qiáng)度陡然降低，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別降低至121 MPa、54 MPa，延伸率達(dá)到39%，塑性大幅度提升，合金的組織由纖維組織變成再結(jié)晶組織，直到退火溫度為400 ℃時(shí)完成再結(jié)晶，性能趨于穩(wěn)定。硬度與強(qiáng)度的變化規(guī)律一致，若沒(méi)有電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，可采用維氏硬度計(jì)快速初步判斷合金的力學(xué)性能。

杯突值與制耳率是衡量材料成形性能的重要指標(biāo)，杯突值反映材料的深沖拉伸性能，杯突值越大，材料的深沖拉伸性能越好，制耳率反映材料的各向異性，制耳率越小，材料的各項(xiàng)異性越小，材料在使用過(guò)程中的利用率越高。采用本文的退火工藝生產(chǎn)的3003鋁合金材料的杯突值與制耳率分別達(dá)到14.82 mm與1.65%，高于標(biāo)準(zhǔn)的要求。

顯微組織（晶粒尺寸）影響材料的力學(xué)性能成形性能。晶粒尺寸過(guò)大，鋁合金表面會(huì)產(chǎn)生橘皮紋，在電池殼沖壓過(guò)程中，殼體表面會(huì)形成不美觀“雪花紋”，且長(zhǎng)時(shí)間的沖壓會(huì)導(dǎo)致沖壓模具摩擦力增大，造成生產(chǎn)停機(jī)甚至損壞沖壓設(shè)備，因此，晶粒尺寸越小越好。但當(dāng)前沒(méi)有晶粒尺寸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通常默認(rèn)晶粒度≤1級(jí)為宜。

綜上所述，由試驗(yàn)爐確定新能源汽車(chē)鋰電池用3003鋁合金較優(yōu)的退火工藝后，經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的箱式退火爐生產(chǎn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該退火工藝不僅適用于3003-O產(chǎn)品的完全退火，也可用于3003-H1N（H12/H14/H16/H18/H19）產(chǎn)品的中間退火。

5 結(jié)論

a. 本文研究了新能源汽車(chē)鋰電池用3003鋁合金在不同溫度試驗(yàn)爐退火后的室溫力學(xué)性能、硬度、杯突值、制耳率與顯微組織的變化規(guī)律，隨退火工藝溫度的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、維氏硬度與制耳率先降低后趨于穩(wěn)定，延伸率、杯突值逐漸增大后趨于穩(wěn)定，以上所有指標(biāo)在退火溫度約為300 ℃時(shí)變化顯著。

b. 確定了3003鋁合金較優(yōu)的試驗(yàn)退火工藝：退火溫度為400 ℃，保溫時(shí)間為3 h，獲得了力學(xué)性能（高塑性）、成形性能（高杯突值、低制耳率）與顯微組織（晶粒尺寸細(xì)小均勻）的最佳組合。

c. 將較優(yōu)的試驗(yàn)退火工藝應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)箱式退火爐進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。該退火工藝不僅可用于3003-O產(chǎn)品的完全退火，也可用于3003-H1N（H12/H14/H16/H18/H19）產(chǎn)品的中間退火。

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