中間退火溫度對新能源汽車用4004/3003/4004鋁合金復合板組織和性能的影響

賓月景， 劉 瑩，2， 曹 宇， 曾勇謀， 胡夢晗， 莫灼強， 王哲英

(1. 梧州學院 機械與資源工程學院， 廣西 梧州 543002；2. 昆明理工大學 材料科學與工程學院， 云南 昆明 650093；3. 廣西南南鋁加工有限公司， 廣西 南寧 530031 )

隨著科技的不斷進步和人民生活水平日漸提高，我國汽車保有量逐年升高，汽車尾氣污染成為人類所面臨的巨大問題，因此節能減排是國家發展的趨勢[1]。為了更好地保護環境和減少能源的消耗，新能源汽車和電動汽車的規模正在擴大。預計到2025年，中國新能源汽車產銷量將達到300萬輛。據統計，汽車自重每減輕50 kg，百公里油耗將減少0.2～0.3 L，碳排放量能減少5～7 g，可見汽車輕量化是節能減排的有效途徑[1]，不管是傳統汽車還是新能源汽車都需要輕量化。對于新能源汽車，比較有效的方法是減輕電池殼的質量，同時要求材料的強度保持不變甚至更好。

目前汽車輕量化的首選材料是鋁合金，因其具有質量輕、強度高、導電性好，散熱性能優良和釬焊后性能優異等特點，被廣泛用作新能源汽車的動力電池材料。隨著市場的發展，對鋁合金材料的性能要求越來越高，但目前使用的鋁質電池殼大多數是國外進口[3-5]。為了改變這一現狀，減少對進口材料的依賴，本文以4004/3003/4004鋁合金復合板為研究對象，通過研究不同的中間退火工藝，提高材料的性能，開發高性能的國產鋁質動力電池用材料，本研究可為鋁合金復合板的生產工藝提供理論指導。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗中采用的鑄錠是用半連續鑄造法生產的，3003鋁合金作芯材，4004鋁合金作皮材，組成4004/3003/4004三層鋁合金復合板，其化學成分見表1。

表1 4004/3003/4004三層鋁合金復合板芯材和皮材合金的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

圖1是4004/3003/4004鋁合金復合板的制備過程示意圖。首先將半連續鑄造出的3003鋁合金和4004鋁合金鑄錠分別在600 ℃均熱24 h和在400 ℃去應力10 h，冷卻后分別鋸切成400 mm×1260 mm×5000 mm和50 mm×1200 mm×4800 mm的板材，然后用酒精清洗復合面的油污、鋁屑，防止復合面產生氣泡。接下來對組合好的4004皮材/中間3003芯材/4004皮材進行復合焊接，包覆率10%。然后將該復合坯料板在500 ℃進行預熱，在460 ℃進行熱軋13個道次至5 mm，冷軋3個道次后中間退火，再軋制，得到4004/3003/4004層狀復合板成品。

圖1 復合板的制備過程示意圖Fig.1 Diagram of preparation process of the composite sheet

取樣品15個，將樣品共分為5組，每組3個，分別在270、320、370、420和480 ℃下進行中間退火，并保溫2 h。

對以上樣品進行打磨、拋光、腐蝕后在YVARMET型光學顯微鏡下觀察樣品的組織形貌及包覆率，在ZEISS EVO18掃描電鏡下觀察4004皮材中Si顆粒的分布情況。用Zwick BT1-FB100拉伸試驗機檢測成品的力學性能。

2 試驗結果與分析

2.1 不同退火工藝對包覆率的影響

4004/3003/4004復合板的包覆率隨不同中間退火溫度的變化情況如圖2所示。由圖2可知，隨著中間退火溫度的變化，4004/3003/4004復合板的包覆率無明顯變化，包覆率在設定的10%左右浮動，包覆率偏差為±0.8%，符合要求(一般包覆率允許偏差為±1.5%)。包覆率是指單層皮材厚度占復合帶材總厚度的百分比。包覆率較小，釬焊過程中會因釬料少而發生脫焊或者假焊現象。包覆率較大，在總厚度不變的情況下，致使芯材的厚度減少，而復合板的力學性能主要由芯材決定，因此其性能降低，進一步會導致散熱器在600 ℃釬焊時極易發生塌陷[6-7]。另外從圖2觀察到復合板的上包覆率大于下包覆率，這是由于在熱軋過程中上包覆板降溫快，材料的變形抗力增加，從而在熱軋過程中難以發生變形，最終導致復合板的上包覆率比下包覆率稍大。

圖2 復合板包覆率隨不同中間退火溫度的變化Fig.2 Change of cladding rate of the composite sheet with different intermediate annealing temperature

由圖2可知，中間退火溫度對4004/3003/4004復合板的包覆率無明顯影響，選取370 ℃和420 ℃中間退火復合板觀察截面顯微組織，見圖3。由圖3可以看出，復合板形成緊固的界面粘合，復合界面實現冶金結合，并且復合界面處分界線明顯且平直，進一步說明包覆率偏差較小。通過光學顯微鏡和掃描電鏡觀察到4004鋁合金中的Si顆粒細小，呈纖維狀，分布彌散、均勻，且平均晶粒尺寸為2～4 μm，如圖4所示。這一現象說明4004鋁合金的變質效果非常好，有利于提高復合板的性能[8]。生產中要避免出現粗大塊狀或針狀形態的硅，因其非常硬脆，會嚴重地割裂基體，顯著降低復合板的力學性能。

圖3 4004/3003/4004合金復合板在不同中間退火溫度下的顯微組織Fig.3 Microstructure of the 4004/3003/4004 alloy composite sheet at different intermediate annealing temperatures(a) 370 ℃; (b) 420 ℃

圖4 4004鋁合金中Si顆粒的顯微組織(a)和SEM圖片(b)Fig.4 Microstructure(a) and SEM image(b) of Si particles in the 4004 aluminum alloy

2.2 中間退火溫度對復合板組織的影響

圖5是不同中間退火溫度下3003芯材的晶粒組織。由圖5(a)可以看出，當中間退火溫度為270 ℃時，芯材組織仍為冷軋時的細長纖維狀組織，說明未發生再結晶。隨著中間退火溫度升高至320 ℃時，纖維狀組織中小晶粒開始再結晶，此時再結晶組織與纖維狀組織共存，晶粒大部分為較長的條狀，發生局部再結晶，如圖5(b)所示。當中間退火溫度繼續升高至370 ℃時，晶粒為細小的等軸晶粒，說明材料被充分軟化，全部完成再結晶[9-10]，如圖5(c)所示。當中間退火溫度繼續升高至420 ℃時，再結晶晶粒已經開始長大，當中間退火溫度繼續升高至480 ℃時，再結晶晶粒發生粗化，如圖5(d,e)所示。

圖5 3003鋁合金芯材在不同中間退火溫度下的顯微組織Fig.5 Microstructure of the core material 3003 aluminiam alloy at different intermediate annealing temperatures(a) 270 ℃; (b) 320 ℃; (c) 370 ℃; (d) 420 ℃; (e) 480 ℃

2.3 中間退火溫度對力學性能的影響

圖6是4004/3003/4004鋁合金復合板在不同中間退火溫度下的力學性能變化曲線。由圖6可見，隨著中間退火溫度的不斷上升，復合板的抗拉強度和屈服強度先降低后趨于穩定，而伸長率呈相反的變化趨勢。當中間退火溫度在270～370 ℃之間時，復合板的強度和伸長率急劇變化，抗拉強度由193 MPa降至137 MPa，屈服強度由148 MPa降至80 MPa，伸長率由12%提高到31%。這是由于軋制后復合板中儲存有大量的內應力，隨著退火溫度的升高，復合板內應力逐步釋放而使材料變軟，使其抗拉強度和屈服強度顯著降低，伸長率快速增加[11-12]。當中間退火溫度升至370 ℃時，復合板的強度和伸長率的變化開始趨于穩定。這是由于退火溫度在370 ℃時，復合板已全部完成了再結晶，材料的力學性能變得較為穩定。隨著退火溫度繼續升高，復合板的力學性能幾乎無太大變化。因此復合板的最佳中間退火溫度為370 ℃，此時復合板的抗拉強度為137 MPa，屈服強度為80 MPa，伸長率為31%。

圖6 4004/3003/4004合金復合板在不同中間退火溫度下的力學性能變化曲線Fig.6 Change curves of mechanical properties of the 4004/3003/4004 alloy composite sheet at different intermediate annealing temperatures

3 結論

1) 隨著中間退火溫度的升高，復合板包覆率未發生明顯變化，包覆率均勻穩定、偏差較小，復合界面清晰、平直。皮材4004鋁合金中Si顆粒細小，彌散。

2) 3003鋁合金復合板芯材晶粒隨著中間退火溫度的升高而發生變化，當退火溫度為370 ℃時，全部完成再結晶。退火溫度為480 ℃時，晶粒明顯粗化。

3) 隨著中間退火溫度的升高，4004/3003/4004合金復合板抗拉強度和屈服強度先降低后趨于穩定，伸長率呈相反的變化趨勢。中間退火溫度低于370 ℃時，復合板的強度和伸長率變化較明顯。中間退火溫度為370 ℃時，復合板的強度和伸長率開始趨于穩定，高于370 ℃時，復合板的強度和伸長率未發生明顯變化。故復合板最佳中間退火溫度為370 ℃，此時復合板的抗拉強度為137 MPa，屈服強度為80 MPa，伸長率為31%，綜合力學性能最好。