鋰電池用3系鋁合金殼體生產(chǎn)控制淺析

杜新偉，周根榮，陳博文

（乳源東陽光優(yōu)艾希杰精箔有限公司，廣東 韶關(guān) 512700）

鋰電池用鋁合金殼體是鋰電池的關(guān)鍵部件，主要用于電池材料的長期存儲(chǔ)，其產(chǎn)品質(zhì)量直接關(guān)系到鋰電池的使用壽命以及安全性。殼體一般采用3系鋁合金生產(chǎn)，規(guī)格種類較多，常規(guī)狀態(tài)為H14半硬狀態(tài)，材料經(jīng)過沖壓成型之后裝入電池材料封裝后出貨。鋁材在沖壓過程中容易產(chǎn)生開裂，或者萌生不易發(fā)現(xiàn)的微裂紋，這都是造成電池產(chǎn)品報(bào)廢的重要因素。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)的3系鋁材的內(nèi)部組織機(jī)理和影響因素進(jìn)行了一些研究，大多數(shù)局限于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理論上的分析，鮮有關(guān)于實(shí)際生產(chǎn)中提高沖壓性能情況的報(bào)道[1]。本文介紹了在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)條件下，闡明了工藝參數(shù)和細(xì)化劑品質(zhì)對(duì)3系鋁材沖壓的影響，指出了改善材料延伸率的方法。

1 沖壓開裂問題

公司初期生產(chǎn)一種型號(hào)的3系合金帶材（具體合金成分參見表1）時(shí)，在客戶沖壓過程中，材料成型性能差，表面出現(xiàn)橘皮紋路甚至產(chǎn)生開裂，取不良樣品進(jìn)行金相顯微組織分析。如下圖1為樣品金相組織，其中圖1a為正常樣品晶粒組織，圖1b為開裂樣品晶粒組織情況。開裂樣品晶粒組織明顯偏大并且不均勻。

表1 合金成分表（wt%）

圖1 鋁材金相組織圖片

材料加工工藝為：熔煉-鑄造-銑面-均熱-熱軋-冷軋-中退-冷軋-發(fā)貨，熔煉采用Al-Ti-B絲進(jìn)行晶粒細(xì)化，熱軋坯料厚度5.0mm，熱軋開軋溫度450℃，終軋溫度330℃，冷軋3-5道次，中間退火工藝：350℃*3h。

3系鋁材開裂的形成機(jī)理為：

（1）Al-Ti-B絲晶粒細(xì)化劑質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致其在鋁液凝固過程中無法產(chǎn)生足夠的TiB2晶粒細(xì)化粒子，使得鑄錠組織晶粒粗大，從而導(dǎo)致成品晶粒粗大產(chǎn)生開裂。

（2）3系合金在半連續(xù)鑄造過程中，由于冷卻速度很快，加上Mn原子的擴(kuò)散系數(shù)較小，部分Mn原子以MnAl6化合物的形式與α(Al)在晶界形成連續(xù)網(wǎng)狀的共晶體,另有少量的MnAl6以粗大硬脆的初晶存在。高溫長時(shí)均勻化過程中容易發(fā)生從非平衡結(jié)晶向平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,逐步溶入基體。均勻化溫度不適宜時(shí),晶界處MnAl6相只能發(fā)生部分溶解,有尖銳棱角部分晶界部分殘留會(huì)導(dǎo)致整體鑄錠不均勻，從而導(dǎo)致后續(xù)退火過程中產(chǎn)生晶粒不均勻與異常長大[2]。

2 生產(chǎn)控制措施以及效果試驗(yàn)

生產(chǎn)測(cè)試中，分別采取細(xì)化劑不同等級(jí)對(duì)比、均熱工藝對(duì)比等控制措施，其效果與原因分析如下所述。

2.1 Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑

晶粒細(xì)化劑的運(yùn)用已然比較成熟與廣泛，但是晶粒細(xì)化機(jī)理卻一直處于爭(zhēng)論當(dāng)中。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于Al3Ti與TiB2/TiC相哪種才是a-Al的形核基底，以及若Al3Ti為形核基底，Al3Ti的來源問題。目前來說，主要的理論有：相圖/包晶理論、碳化物/硼化物理論，以及復(fù)相形核理論等。從實(shí)際使用效果來說，晶粒細(xì)化劑中Al3Ti、TiB2/TiC相的尺寸、形貌以及分布均是影響晶粒細(xì)化劑細(xì)化性能的主要因素。以下是兩個(gè)廠家的Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的金相組織圖（圖2），從圖中可見，國內(nèi)某廠產(chǎn)品的細(xì)化粒子小且數(shù)量偏少。對(duì)兩種晶粒細(xì)化劑生產(chǎn)的鑄錠進(jìn)行低倍組織觀察，使用a-進(jìn)口產(chǎn)品生產(chǎn)的鑄錠晶粒度為一級(jí)，使用b-國內(nèi)某廠產(chǎn)品生產(chǎn)的鑄錠晶粒度為二級(jí)，此晶粒不良因素也將導(dǎo)致成品晶粒度粗大。

圖2 Al-Ti-B金相組織圖片

2.2 均熱工藝

鑄錠銑面后，進(jìn)均熱爐均熱，均熱溫度采用585℃，590℃，605℃三種工藝，均熱時(shí)間統(tǒng)一采用10小時(shí)，均熱完成后轉(zhuǎn)450℃保溫3小時(shí)開始軋制，熱軋坯料厚度5.0mm,冷軋軋制至0.8mm中退，中退工藝350℃*3h，軋制至成品0.6mm，然后進(jìn)行延伸率測(cè)試其沖壓性能。不同工藝均熱后鑄錠組織如圖3，從圖中可以看出，580℃與590攝氏度均熱后，晶界處的MnAl6并未完全固溶入基體，殘留比例仍較高。605℃均熱后，晶界處的MnAl6基本完全固溶入基體。

圖3 均熱后鑄錠組織情況

材料進(jìn)行延伸率測(cè)試的結(jié)果如表2，從表中可見，580℃與590℃進(jìn)行均熱后，材料的延伸率僅有5%，沖壓測(cè)試出現(xiàn)裂紋比例高，均熱溫度升高到605℃之后，則延伸率可以達(dá)到6.2%，沖壓測(cè)試未出現(xiàn)裂紋。

表2 不同均熱工藝機(jī)械性能

3 結(jié)論

通過選擇良好晶粒組織的Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑以及選擇合理的熱軋均熱工藝可以控制鋰電池用3系鋁材的晶粒組織，結(jié)果如下：組織良好的晶粒細(xì)化劑與600℃以上的均熱溫度，是影響材料沖壓性能的兩個(gè)主要因素，通過采用優(yōu)等級(jí)晶粒細(xì)化劑與600℃的均熱工藝，0.6mm 3系合金H14狀態(tài)延伸率可以達(dá)到6%。