动力电池壳用3003铝合金带材工艺研究

1动力电池壳的要求及难点

随着新能源汽车的发展,大规格动力电池壳需求增量明显,3003铝合金以其易成型､优良的综合机械加工性能､良好的抗蚀性､比重轻强度适中,抗爆破能力强而广泛应用｡

1.1对原材料的要求

动力电池壳对材料综合性能要求极高:

(1)动力电池壳是通过冲压加工成形的,其变形量大､冲制工序多､冲制工艺复杂､模具设计精密且属于非对称盒型冲压｡材料的性能是冲压是否成功的最为重要基础条件之一,必须具有良好深冲性能,且各项力学性能必须稳定在一个严格的范围内｡

(2)为了对内部电池结构起到有效的保护作用,动力电池壳在保证必要的塑性的前提下,还必须有足够的强度和硬度｡

(3)为了适应各种不同的使用环境,保证电池的使用寿命,动力电池壳用材料必须具有良好的抗蚀性和化学稳定性｡

1.2主要技术质量指标

动力电池壳用3003铝合金带材的力学性能指标见表1,带材厚度公差见表2｡带材表面粗糙度控制在0.20-0.35um,且要求表面光洁,无周期性粘伤､印痕等缺陷,不允许有明显的亮､暗带,不允许有腐蚀､贯穿气孔､压划､金属及非金属压入物｡

1.3 3003铝合金带材技术

1.3.1技术难点

1.3.1.1力学性能的控制

动力电池壳是通过冲制加工成形的,冲制工序多､冲制工艺复杂､模具设计精密并且属于非对称盒型冲压｡因此,所用3003铝合金带材必须具有足够的塑性,同时其力学性能尤其是强度指标要有非常高的稳定性,否则将影响冲制加工的顺利进行,波动过大时甚至可能导致模具损坏｡如何科学和有效地控制材料的力学性能是本次研究的难点之一｡

1.3.1.2材料异向性控制

动力电池壳在冲制成型过程中变形量大,要求材料的力学性能在每一方向上都要尽可能的均衡,这样才能保证材料在冲压中不同方向产生均衡地塑性变形｡本次研究将针对3003铝合金带材的异向性进行深入探讨,因此如何得到优良地异向性是本次研究地另一难点｡

1.3.1.3表面质量的控制

良好的表面质量是保证最终动力电池壳成品外观质量的前提,因此如何做好各生产工序的3003铝合金带材表面质量控制,尤其是热轧工序的表面质量控制是本次研制难点之一｡

1.3.1.4材料厚度公差的控制

山于动力电池壳的冲制设备模具复杂精密,间隙固定,因此对3003铝合金带材的厚度公差要求极为严格｡如厚度过厚,将无法进行正常冲制,冲制过程中对模具的损害很较大,严重缩短模具的使用期限,而材料过薄则会使材料在冲制时无法提供足够的流动补偿,或者使材料在冲制过程中发生不对称变形甚至产生皱褶｡

1.3.1.5材料冲压成型后表面要求

材料冲压成型后表面要光亮,不能有橘皮,材料的组织需要均匀一致､材料的晶粒尺寸小且均匀｡

1.3.1.6材料冲压成型后变形要求

强度大,冲制过程中变形热大,材料必须具有自润滑性能,减少材料冲压过程中的变形热,防止粘模｡

1.3.2技术关键

1.3.2.1合金的选定和化学成分设计

本次研究选用具有优良综合性能的3003合金并对其主要合金成分进行优化控制,以得到预期的性能｡

1.3.2.2均匀化退火

3003合金中的Mn元素在铝中的溶解速度较慢,在快速冷却的铸造条件下来不及沉淀,易产生晶内偏析,在随后的热处理过程中易造成晶粒粗大现象,对材料性能产生不良影响｡因此必须对铸锭进行充分的均匀化退火,消除成分偏析对成品性能的不利影响｡

1.3.2.3厚度公差

材料的厚度公差和同板差过大是生产深冲制品的一大致命缺陷,因此本次研究将把厚度公差作为一个关键控制参数,进行严格控制｡

1.3.2.4力学性能

材料的抗拉强度､屈服极限､延伸率､制耳率等力学性能指标确保深冲过程顺利进行的重要参数,但产品最终性能受化学成分､熔炼､铸造､均匀化､热轧､冷轧､产品热处理工艺等诸多因素综合影响｡本次研究将对以上影响因素进行综合研究｡

1.3.2.5表面质量

该产品生产工序较多,铸造､铣面､热轧､冷轧､退火和精整等每一工序控制不当都可能对产品的表面质量产生不利影响｡本次试验将重点针对热轧和冷轧两个关键工序,研究表面质量的控制方法｡

2试验方案

2.1合金选择和成分设计

3003是Al-Mn系防锈铝的典型合金,其突出特点是抗蚀性好,与纯铝相近｡其强度比纯铝高,并且具有较高的塑性和良好的深冲成型性性能,广泛适用于化工设备､民用五金等各种需要加工成型,同时要具备良好的耐蚀性和中等强度的场所｡因此本次试验选用3003合金研制适用于动力电池壳生产的铝合金板､带材｡

3003合金的主要合金元素是Mn,Mn与Al形成MnAl6弥散质点在合金退火时阻碍晶粒的长大从而得到细小的晶粒,而细小的晶粒是优化材料性能的重要指标｡另一方面,MnAl6的电极电位与纯铝的电极电位实际相等(均为0.86伏),MnAl6可溶解合金中的Fe元素形成(FeMn)Al6使合金中的FeAl3减少,从而使合金与Al的电位差减到最小,增加合金的抗腐蚀性能｡但Mn含量过高会产生严重偏析,在随后的热处理过程中易造成粗晶现象,对材料性能产生不良影响｡

合金中其它元素如Fe,Si,Cu,Mg,Zn等含量的波动都将对成品的最终性能和其稳定性产生一定影响,因此为了保证成品性能稳定,本次试验我们对合金中的各项成分都进行了严格控制,详见表30

2.2工艺路线的制定

半连续铸造扁锭--铣面--扁锭均匀化--热轧--冷轧(胚料厚度7.0mm)--中间退火--冷轧--精整--包装｡热轧终轧温度要求大于300°C｡

冷轧成品道次轧辊粗糙度控制在成品道次采用0.15-0.20u,工作辊进行轧制,确保带材表面的光洁度,并做好各工序的清洁化生产和成品道次和中退道次必须对测厚仪进行校核,确保厚度均匀一致｡

3试验结果

3.1性能试验结果

3.1.1退火软化试验分析

对于冷轧至1.2mm的3003合金带材,取样先在实验室进行退火试验,退火温度:170°C-500°C,保温时间1小时｡根据不同退火温度得出试样0度､45度､90度时的抗拉强度和延伸率值,并绘制退火软化曲线,见图1｡

根据图2､图3以及3003铝合金性能指标,可以确定3003合金带材O态退火温度为400°C-420°C左右｡

3.1.2材料硬化试验研究

对经过完全再结晶退火的厚度为7mm的3003合金带材进行二次冷加工,研究不同二次总加工率对产品最终性能的影响,绘制硬化曲线(见图3,4,5)｡

通过上图可以看出,加工率在30%左右时的能满足动力电池壳机械性能｡

3.1.3成分变化对产品性能和组织影响分析

Mn含量对于合金的组织和性能有显著的影响,Mn具有一定的固溶强化作用,可以阻止铝及铝合金的再结晶过程,提高再结晶温度,并通过MnAl₆弥散质点阻碍再结晶晶粒长大,能显著细化再结晶晶粒｡根据研究,Mn含量在0.8%时的延伸率都达到最大值,并且在1.82%(Mn的极限溶解度)范围内材料的强度随Mn含量的增加而增加｡但Mn含量超过1.6%时,将会出现粗大脆硬的MnAl₆相,对合金局部的延展性带来灾难性的影响,因此将Mn含量确定在合金的中线1.1-1.3%之间｡

合金中的Fe是一种有益的杂质元素,因为Mn极易产生晶内偏析,又能显著提高再结晶温度,冷变形后的3003板､带材,在退火过程中,低锰部分先再结晶和晶粒长大,而高锰部分还未再结晶,结果使板材晶粒大小极不均匀,而铁能溶入MnAl₆中,形成(FeMn)Al₆,减少Mn的偏析,使退火板材得到细晶粒｡但(FeMn)Al₆过多时,会降低合金的力学性能,因此我们将Fe控制在0.4-0.6%｡

Mg能提高Al-Mn合金的强度,细化再结晶组织,但会降低退火半成品的表面光泽,因此为了保证动力电池壳表面的光亮度,试验对Mg含量进行了严格控制,要求小于0.05%｡

本次试验Cu含量控制在0.07~0.15%,Cu含量增加将显著降低材料的抗蚀性,但是少量的Cu可以使材料的点腐蚀变成均匀腐蚀,是有利的｡

Si会增加3003合金的热裂倾向,并可形成(Fe,Mn)₃SiAl₁₂相,减少铁的有利影响,Zn会降低合金的抗蚀性,因此本次试验对Si和Zn都进行了严格控制｡

因此,本次试验通过对原料化学成分的优化设计和严格控制,退火后的产品获得了理想的均匀细小的再结晶组织,成品性能(见表4)｡

3.2均匀化退火对产品组织和性能的影响

3003合金中的主要元素是Mn,在半连续铸造过程中,山于冷却速度很快,而Mn的扩散系数较小,大部分Mn以过饱和固溶体的形式存在于基体中;一部分以MnAl₆化合物的形式与基体在晶界形成连续网状的共晶体,另有少量的以粗大硬脆的初晶存在｡未经热处理的块状初晶在热轧加工阶段山于受很大轧制压力的作用能够被充分破碎,沿变形方向呈条状分布｡虽然在尺寸上有所减小,但少量MnAl₆化合物质点其棱角部位变得更加尖锐,冷加工与成品退火几乎不能改变这种形貌,使之永远保留在材料的内部组织中｡在制品深冲变形过程中,材料受外应力的作用容易在尖锐部位萌生微细裂纹,而且3003合金在非平衡结晶条件下极易发生晶内偏析,使Mn含量外高内低,使退火后的再结晶晶粒大小不一致,大大降低了晶界结合强度｡经高倍显微检测发现,当均匀化温度达到550°C时,MnAl6相发生了部分溶解,尖锐的棱角变得圆滑,当温度超过630°C时,伴随着第二项的复熔以及初晶的聚集长大,基体中的Mn元素的分布重新变得不均匀,故将3003合金的均匀化温度定为560°C-620°C｡

3.3材料成型中橘皮和粘模控制

3003合金在冲制动力电池壳中易出现以下两种情况:电池壳表面橘皮和冲制时模具发热量大,模具表面粘铝明显俗称粘模｡

3.3.1橘皮控制

3003铝合金料在深冲过程中易出现橘皮现象,表现为粗糙的､橘皮样的形貌(见图5),此现象是晶粒间不均匀变形的外观表象｡橘皮是晶粒和晶界大小变形不同形成的凹凸不平的粗糙表面,其宏观形貌和橘子皮十分类似｡它的存在将影响冲压件表面的光鲜性和油漆的效果｡

文献表明,扫描电镜下(见图6),拉伸后有橘皮样品表面滑移带较宽,不同位向的滑移带的交汇处有小的微裂纹,而无橘皮样品的滑移带窄,滑移带交汇处没有微裂纹,表面平滑｡

有橘皮样品的拉伸断口中(见图7),剪切唇宽度较窄,韧窝区宽,韧窝浅,并有明显的拉伸变形｡无橘皮样品的拉伸断口中剪切唇宽度较大,韧窝区较窄,韧窝深,且无明显拉伸变形｡

对拉伸变形后有无橘皮样品的EBSD和X射线晶粒取向测定的研究结果表明(见图8),有橘皮样品有明显的晶粒取向倾向,在拉伸变形过程中晶粒明显发生转动,形成明显的[001]取向｡结合力学性能和晶粒大小的研究结果,有橘皮样品晶粒较粗或者晶粒大小不均匀,在拉伸变形过程中粗晶粒沿变形方向发生的转动受周围晶粒的拘束较小,导致晶粒向着有利于变形的方向转动,从而导致在拉伸变形中继续发生变形并使变形在晶界累积,造成样品的不均匀变形,形成表面橘皮｡而细晶粒山于在拉伸变形过程中发生的转动受周围晶粒的限制,所以每个晶粒的变形易传递到相邻晶粒,使变形难以在晶界发生累积,即不易发生表面的不均匀变形,不易产生橘皮｡因此,晶粒粗大或晶粒不均是造成橘皮现象的主要原因｡

对3003铝合金带材产生的橘皮现象,通过以下两方面进行控制:要确保成品带材的晶粒度1级,同时大小要均匀,通过铸锭组织的晶粒细化,铸锭均热和控制加工变形量来解决｡

3.3.2粘模控制

粘膜为材料深冲时凸凹模发热､铝粉粘附在磨具表面,材料变薄拉深时表面出现犁沟状缺陷｡该问题制约及困惑我司多年,过多的把问题归结于用户的模具和模具润滑｡本次试验把3003合金成分中Si含量进行调整｡

从表5可看出,通过下游用户在同等模具间隙和润滑的情况下,Si含量高在冲制过程中发生粘模的频率较小｡

据资料显示,恰当尺寸和含量的｡相的存在可以控制拉深材料表面质量,既能提高材料的自润滑性｡

3系合金中主要存在以下相:

(1)Al₆(Fe,Mn)相:块状､硬度高,难以破碎,针尖状､易造成材料表面犁沟状缺陷,不具备自润滑性｡

(2)Al(Fe,Mn)₃Sia相:松散的针状､蜂窝状,硬度高,易破碎｡在成品带材中呈细小颗粒状,变薄拉伸过程中起润滑､排除铝屑的作用,金相图形貌见图9｡由图9可以看出,a相形貌光滑并有凹窝､多孔､呈疏松状,能够吸附铝粉起到自润滑作用｡

提高a相含量的手段:

(1)均匀化工艺,重点是合金中的a粒子转变规律,因为a粒子不仅能起到深冲时的润滑作用,同时会促进凝固组织中粗大化合物在轧制过程中破碎,对粗大化合物尺寸的细化及对最终材料成形质量有积极作用｡

(2)合金中Si含量提高能增加Al₆(Fe,Mn)转变为Al(Fe,Mn)Si的比率｡

4结论

(1)退火温度为400°C一420°C(左右和加工率在30%左右时的机械性能满足的动力电池壳的机械性能｡

(2)晶粒度保证1级且大小均匀是保证冲制表面光滑,不产生橘皮的关键｡

(3)合金中Si含量提高能增加Al₆(Fe,Mn)转变为Al(Fe,Mn)Si的比率提高材料的自润滑性能,减少冲压粘模的几率｡

文章来源：中铝河南洛阳铝加工有限公司