拉深新能源動力電池殼表面頸縮紋的研究

李 超,宋 杰，薛克敏

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

電池殼是新能源動力汽車高效儲能的核心結(jié)構(gòu)件之一，通過7道次拉深成形獲得. 3003鋁錳系合金屬于熱處理不可強化的變形鋁合金，因其具有密度小、強度適中、塑性高、焊接性能好、抗腐蝕性強、延展性好、表面光潔等優(yōu)良的綜合性能[1]，被廣泛用于新能源動力電池殼的原材料. 但是在實際生產(chǎn)中，每一批板料的性能存在差異，其中某個性能的差異將會導(dǎo)致拉深成形缺陷. 經(jīng)常出現(xiàn)的問題之一是多道次拉深電池殼時，電池殼表面出現(xiàn)頸縮紋，表面粗糙，增加產(chǎn)品報廢率. 相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)3003鋁合金退火時粗晶或者晶粒大小不均勻都將導(dǎo)致橘皮缺陷產(chǎn)生[2]，還有研究表明組織中夾雜物會引起斷后伸長率不合格[3]. 本文通過對3003鋁合金板料及其退火實驗分析電池殼表面頸縮紋缺陷成因，提高新能源動力電池殼一次生產(chǎn)合格率，降低制程成本.

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

待研究的矩形電池殼規(guī)格為長100 mm、寬20.5 mm、高141 mm，其原材料為3003-O態(tài)鋁錳系合金，厚度為1.0 mm. 對于3003鋁合金板料一般生產(chǎn)工藝為:熔煉→連續(xù)鑄軋(8.0 mm)→冷軋(3.8 mm)→中間退火→冷軋(1.0 mm)→拉矯分切剖條→再結(jié)晶退火.

1.2 試驗方法

1.2.1 動力電池殼形貌觀察及化學(xué)成分測定

首先，使用基恩士3D顯微系統(tǒng)對電池殼頸縮紋缺陷區(qū)域進行表面掃描，然后分別測量電池殼頸縮紋缺陷區(qū)域及正常電池殼表面的厚度. 帶有頸縮紋缺陷的電池殼及正常電池殼的表面形貌如圖1所示. 使用掃描電子顯微鏡(SEM)分別對電池殼正常的光亮部位以及頸縮紋缺陷區(qū)域放大100倍和300倍數(shù)下觀察，分析頸縮紋區(qū)域能譜.

(a)頸縮紋電池殼表面 (b)正常電池殼表面圖1 電池殼表面的形貌對比

為了進一步了解3003鋁合金板材，分別用Foundry-Master Pro直讀光譜儀對3個批次原材料按照GB/T7999-2015進行化學(xué)成分測定，其中，批次A與批次B原材料在實際生產(chǎn)中，產(chǎn)品良好，無尺寸外觀不良；批次C原材料在實際生產(chǎn)中，電池殼表面出現(xiàn)頸縮紋缺陷.

1.2.2 3003鋁合金顯微組織觀察

對3個批次的3003鋁合金板料，利用線切割在3003鋁合金板料上割取10 mm×10 mm×1 mm試樣，按照GB/T3246.1-2012進行金相試驗. 經(jīng)過砂紙打磨、電解拋光(10 mL HClO4+90 mL無水乙醇，拋光時間10 s左右，電壓22 V左右)、陽極覆膜(配比4～5 mL HBF4和200 mL H2O，覆膜時間3～5 min，電壓16 V左右)后在偏光顯微鏡下觀察[4].

為了進一步了解退火溫度以及退火時間對3003鋁合金板料晶粒組織的影響，設(shè)計實驗：分別對3003鋁合金板料進行不同溫度下(420,460,500 ℃)保溫1 h及460 ℃保溫不同時間(0.5,1,2 h)的退火處理，再按照GB/T3246.1-2012進行金相試驗并觀察其顯微組織.

1.2.3 力學(xué)性能試驗

由于板料的各向異性，力學(xué)性能指標對該電池殼多道次拉深有很大影響.

按照GB/T228.1-2010金屬材料拉伸實驗(第一部分：室溫試驗方法)設(shè)計拉伸實驗. 首先，按照比例試樣設(shè)計方法，由GB/T6397-1986知，對于鋁鎂合金板材，一般取較小寬度，即名義寬度b0=12.5 mm，原始標距L0=50 mm，帶頭平行長度Lc=75 mm，夾持部分至少為拉伸機楔形夾具長度的3/4(為便于樣條總長度保持整數(shù)，取32.49 mm)，過渡圓弧半徑取25 mm，夾持頭部寬度不低于1.2b0，即取20 mm，如圖2所示.

圖2 拉伸試樣設(shè)計圖

按上述條件從3個批次3003鋁合金板料上用Q11-3X1200剪板機裁剪200 mm×200 mm×1 mm的板料. 按圖2尺寸分別取0°(平行于軋制方向),45°(與軋制方向成45°),90°(與軋制方向垂直)方向各3個試樣，如圖3所示.

圖3 拉伸樣條

在SANS拉伸試驗機上進行實驗. 按照GB/T228.1-2010采用引伸計法，在室溫下第1段拉伸實驗速度為2 mm/min，屈服測完后取下引伸計，設(shè)置第2段拉伸實驗速度為30 mm/min.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 動力電池殼形貌及化學(xué)成分分析

基恩士3D顯微系統(tǒng)掃描結(jié)果顯示頸縮紋電池殼缺陷處高度存在明顯差異，如圖4所示，高度差達200 μm以上，表面粗糙. 材料表面粗糙度與晶粒大小呈正相關(guān),即晶粒越粗大,材料表面越粗糙[5-7]. 經(jīng)過多道次拉深變形，各晶粒的變形差異大. 變形取向有利的晶粒受周圍晶粒拘束較小，發(fā)生變形則相對容易，易隨變形而發(fā)生轉(zhuǎn)動，只是在晶界處發(fā)生變形以及內(nèi)應(yīng)力累積，造成表面粗糙，即宏觀上的頸縮紋[8].

圖4 3D顯微系統(tǒng)掃描電池殼表面的頸縮紋

在掃描電子顯微鏡(SEM)100倍下，明顯看出頸縮紋電池殼樣品表面形成滑移帶，相對于正常電池殼光亮部位，帶有頸縮紋缺陷的電池殼表面滑移帶的數(shù)量少且寬度大[圖5(a)和(b)]. 在300倍下，可以看出正常的電池殼光亮部位整個表面顯得平整[圖5(c)]，有頸縮紋缺陷的電池殼表面有明顯的表面微裂紋[圖5(d)]，且這些微裂紋是在滑移帶的相交處形成.

(a)正常部位(100×)

(b)頸縮紋缺陷部位(100×)

(c)正常部位(300×)

(d)頸縮紋缺陷部位(300×)圖5 掃描電子顯微鏡觀察電池殼表面

對微裂紋的部位做能譜分析，如圖6所示，沒有發(fā)現(xiàn)異常的雜質(zhì)元素.

圖6 能譜分析

通過基恩士3D顯微系統(tǒng)分別測量電池殼頸縮紋缺陷區(qū)域和正常電池殼表面的厚度，發(fā)現(xiàn)正常區(qū)域的壁厚為443.1 μm,頸縮紋缺陷區(qū)域只有388.9 μm，明顯低于正常區(qū)域，如圖7所示. 變形后的頸縮紋缺陷電池殼不僅影響外觀，其厚度變薄還存在充電解液后負壓破裂風(fēng)險.

(a) 頸縮紋缺陷部位(300×)

(b)正常電池殼部位(300×)圖7 電池殼的厚度測量

表1為3003鋁合金的化學(xué)成分，從表1可以看出，3個批次原材料的化學(xué)成分無明顯差異，且符合標準值范圍要求，故結(jié)合對頸縮紋區(qū)域能譜分析結(jié)果，說明非冶金原因?qū)е麓巳毕?

表1 3003鋁合金的化學(xué)成分

2.2 3003鋁合金的顯微組織

圖8(a)和(b)為合格的原材料的顯微組織，其平均晶粒尺寸未超過40 μm. 圖8(c)為頸縮紋缺陷的原材料的顯微組織，其晶粒粗大，平均晶粒尺寸超過50 μm. 從顯微組織可以看出，批次C與批次A和B的顯微組織的主要區(qū)別是晶粒的大小不同. 拉深過程，粗大晶粒的晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變量相差較大，晶界處產(chǎn)生的變形累積嚴重，晶粒之間的變形相互協(xié)調(diào)困難，出現(xiàn)變形不均勻，表現(xiàn)出宏觀可見的頸縮紋. 因此，粗晶粒的顯微組織是導(dǎo)致3003鋁合金板材經(jīng)過多道次拉深變形后產(chǎn)生頸縮紋缺陷的主要原因.

(a)批次A

(b)批次B

(c)批次C

圖9為3003鋁合金在不同溫度退火1 h后的顯微組織，從圖9中可知，隨著退火溫度的升高，晶粒不斷長大. 460 ℃退火1 h后出現(xiàn)細小的等軸晶粒，而500 ℃退火1 h后其晶粒組織明顯比圖9(a)和(b)晶粒粗大.

圖10為3003鋁合金在460 ℃不同退火時間的顯微組織，易看出隨著保溫時間的延長，晶粒也在不斷長大. 圖10(c)所示的晶粒組織明顯比圖10(a)和(b)晶粒粗大且不均勻. 460 ℃退火0.5 h時開始出現(xiàn)小晶粒，再結(jié)晶開始，直到1 h后晶粒組織明顯細小均勻.

隨退火溫度升高,3003鋁合金板晶粒逐漸長大，完全再結(jié)晶溫度為460 ℃左右. 隨保溫時間的延長，晶粒有長大的趨勢[9-12]. 這是因為隨著退火的進行,形變金屬中畸變能的儲存逐步得到釋放，隨時間的推移其釋放速率不斷下降. 在退火初始階段,能量快速大量釋放，回復(fù)過程隨之加快，晶粒細小. 隨保溫時間的延長，畸變能減少，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，晶粒出現(xiàn)粗化現(xiàn)象.

對于3003鋁合金板料中間退火晶粒粗大問題，也有研究表明高溫快速退火的完全再結(jié)晶退火可以阻礙晶粒的長大趨勢[12]. 在冷軋之前先將鑄軋板進行高溫均勻化處理，形成尺寸較大的MnAl6粒子，冷軋后在退火過程中通過這些粒子誘發(fā)形核達到細化晶粒的目的[13].

(a)420 ℃

(b)460 ℃

(c)500 ℃圖9 3003鋁合金在不同溫度退火1 h后的顯微組織

(a)0.5 h

(b)1 h

(c)2 h圖10 3003鋁合金在460 ℃不同退火時間的顯微組織

2.3 室溫拉伸性能

拉伸試驗結(jié)果如表2所示，其中t為樣條厚度，Rm為抗拉強度，Rp0.2為塑性應(yīng)變?yōu)?.2%時的屈服強度，A50為延伸率. 從表2中可以看出，3個批次的3003鋁合金材料，抗拉強度與塑性應(yīng)變?yōu)?.2%時的屈服強度沒有明顯差異. 平行于軋制方向的數(shù)值大于其他2個方向，主要是因為3003鋁合金板材在軋制過程中形成基面織構(gòu)，使板材表現(xiàn)出各向異性所致. 但有頸縮紋缺陷的電池殼原材料3個方向的延伸率均比外觀正常的電池殼原材料低29%左右. 由此可知，批次C頸縮紋缺陷樣品的晶粒度較粗與延伸率較低是相關(guān)的，細晶粒的3003鋁合金具有較高的延伸率. 由文獻[14]可知，延伸率高低與鋁合金內(nèi)部晶粒度大小有關(guān). 這可能是影響頸縮紋形成和反映頸縮紋材料特征的參量之一.

表2 3003鋁合金的力學(xué)性能

3 結(jié) 論

多道次拉深過程，粗大晶粒的內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變量相差較大，晶界處產(chǎn)生的變形累積嚴重，晶粒之間的變形相互協(xié)調(diào)困難，出現(xiàn)變形不均勻，表現(xiàn)出宏觀可見的頸縮紋現(xiàn)象. 頸縮紋缺陷樣品的晶粒度較粗與延伸率較低是相關(guān)的. 頸縮紋缺陷的電池殼原材料3個方向的延伸率均比外觀正常的電池殼原材料都低. 這是影響頸縮紋形成和反映頸縮紋材料特征的參量之一.