新能源汽車鋰電池用3003鋁合金退火工藝研究

摘要：為研究退火工藝對新能源汽車鋰電池用3003鋁合金性能與組織的影響，利用電子萬能試驗機、硬度計、杯突試驗機、成形試驗機與光學顯微鏡等，研究了新能源汽車鋰電池用3003鋁合金在不同溫度（150～500 ℃）下保溫3 h試驗爐退火后的室溫力學性能、硬度值、杯突值、制耳率與顯微組織的演變特性，確定了3003鋁合金較優的試驗退火工藝。結果表明，3003鋁合金在退火溫度為400 ℃、保溫時間為3 h時，獲得了力學性能、成形性能與顯微組織的最佳組合，將該退火工藝應用于生產現場的箱式退火爐，結果與試驗結果相吻合。

關鍵詞：鋰電池 鋁合金 退火工藝 顯微組織

中圖分類號：TG146.2；U465.2" "文獻標志碼：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，新能源汽車自身質量降低10%，其續駛里程可增加7.5%，并可提高車輛的操控性[1-2]。鋁合金因其質量輕、耐腐蝕、成形性優良，在新能源汽車輕量化技術中廣泛應用。新能源汽車鋰電池殼體應用的鋁及其合金主要有1050、3003和3005，其中，由于1050強度低、3005焊接性能不良，現已很少使用。3003具有良好的綜合性能，成為新能源汽車鋰電池殼體材質的主要選擇，國內方形鋰電池外殼大多采用3003鋁合金。曾勇謀等[3]通過向3003鋁合金中添加Mg和Zr元素，研究了改變化學成分后的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3003鋁合金析出行為的影響。因鑄軋生產成本較低，近年來不少研究者對3003鑄軋材料進行了研究，但尚未解決晶粒粗大的問題[5-7]。現有研究者大都對3003鋁合金的單個性能指標進行研究[8-10]，而對全部性能指標研究較少。因此，本文對3003鋁合金退火后的力學性能（抗拉強度、屈服強度、延伸率）、硬度、成形性能（杯突值、制耳率）與顯微組織（晶粒尺寸）進行研究與評價。

2 試驗材料與方法

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

3003鋁合金帶材的生產流程為：采用半連續直冷鑄造鋁合金鑄錠，鋸切機切頭去尾，銑面機銑削加工成610 mm×1 600 mm×8 000 mm的坯料，經均勻化加熱工藝（600 ℃×12 h+500 ℃×2 h）處理，使用1+4熱連軋機軋成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，經過單機架連續可變凸度（Continuously Variable Crown，CVC）六輥冷軋機3道次冷軋至1.65 mm后取樣，在實驗室的Naberthem NA120/65型空氣循環爐中進行不同溫度的試驗退火，溫度范圍為150～500 ℃，溫度間隔為50 ℃，保溫時間為3 h。經過試驗爐退火后的材料樣板分別進行室溫力學性能、硬度值、杯突值、制耳率與顯微組織的檢測。根鋸實驗室退火試樣的檢測結果，確定3003鋁合金較優的試驗退火工藝，將該退火工藝用于生產現場的箱式退火爐，再次進行以上各項性能指標的檢測。

依據GB/T 16865—2023《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗用試樣及方法》，采用Zwick Z100型電子萬能試驗機進行室溫力學性能檢測；依據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用KB30S-FA維氏硬度計進行硬度值檢測；依據GB/T 4156—2020《金屬材料 薄板和薄帶 埃里克森杯突試驗》，采用BUP600板材成形試驗機進行杯突檢測；依據GB∕T 24183—2021《金屬材料 薄板和薄帶 制耳試驗方法》，采用GBS-60數顯自動杯突試驗機進行制耳率測試；依據GB/T 3246.1—2024《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法 第1部分：顯微組織檢驗方法》，采用Axio-Vert-A1型光學顯微鏡（Optical Microscope，OM）進行顯微組織觀察。

3 試驗結果

3.1 實驗室退火試驗檢測結果

3.1.1 力學性能

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左側第1點）退火，保溫3 h后，材料的力學性能變化如圖1所示。由檢測結果可知，當退火溫度由150 ℃升高至500 ℃時，試樣的抗拉強度與屈服強度逐漸降低，而伸長率逐漸增大。材料的抗拉強度、屈服強度分別由221 MPa和201 MPa降低至117 MPa和47 MPa，而伸長率從4.7%上升至40.5%后小幅下降。當退火溫度為400 ℃時，強度與延伸率達到平衡狀態，不再發生變化。

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左側第一點）退火，保溫3 h后，材料的硬度變化如圖2所示。由檢測結果可知，當退火溫度由150 ℃升高至500 ℃時，硬度由64.2 HV0.5下降至30.5 HV0.5，其變化規律與抗拉強度、屈服強度變化趨勢一致。

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左側第1點）退火，保溫3 h后，材料的杯突值變化如圖3所示。由檢測結果可知，除第1組試樣未進行退火處理外，當退火溫度由150 ℃升高至500 ℃時，杯突值由10.89 mm增加至14.71 mm后小幅下降，在400 ℃時達到最大。

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左側第1點）退火，保溫3 h后，材料的制耳率（Earing）變化如圖4所示。由檢測結果可知，除第1組試樣未進行退火處理，當退火溫度由150 ℃升高到500 ℃時，制耳率由7.87%下降至1.37%后小幅上升，當退火溫度為400 ℃時達到最小值，與杯突值的變化趨勢相反。

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。由檢測結果可知，當退火溫度由150 ℃升高至300 ℃時，材料由纖維組織變成部分再結晶組織，到退火溫度為400 ℃時，再結晶完成，晶粒尺寸未出現長大現象，退火溫度超過400 ℃后，材料的晶粒尺寸有長大的趨勢。

由上述力學性能、硬度、杯突值、制耳率與顯微組織的檢測檢測結果可知，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 ℃，保溫時間為3 h。

3.2 現場箱式爐退火檢測結果

將實驗室退火爐較優的工藝用于生產現場的箱式退火爐進行驗證，將經過清洗的3003鋁合金帶材打孔后用熱電偶測量金屬溫度，采用帶材懸掛在套筒支撐的方式退火。為提高生產效率，采用差溫加熱方法，爐氣溫度設置為500 ℃，當金屬溫度達到400 ℃時，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，檢測結果如表2與圖6所示。各項性能指標與3.1節中的試驗結果相符，均滿足GB/T 33824—2017《新能源動力電池殼及蓋用鋁及鋁合金板、帶材》的規定。

4 分析討論

3003鋁合金屬于Al-Mn系，是不可熱處理強化鋁合金，Mn是主要的合金元素，與Al可生成MnAl6相，Fe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的質量分數≤1.85%，可有效細化3003材料退火后的晶粒度，Si也能降低Mn在Al中的溶解度，提高合金的力學性能，Cu元素能夠顯著提高合金強度，含量過高會降低合金的耐腐蝕性能，但少量的Cu能夠使材料的嚴重的點腐蝕變為輕微的均勻腐蝕，提高耐腐蝕性能[8]，Zn元素會降低合金的焊接性能。

3003鋁合金經過76.4%加工率冷軋，鋁合金晶粒沿長度方向被壓扁、拉長、變細，并出現纖維組織，提高了鋁合金強度，未經退火的3003鋁合金力學性能已經達到超硬狀態（H19）。在退火溫度為150～250 ℃時，3003鋁合金處于回復階段，材料的強度下降與溫度基本呈線性關系，抗拉強度、屈服強度分別由220 MPa、152 MPa降低至160 MPa、152 MPa，當退火溫度為250～300 ℃時，合金強度陡然降低，抗拉強度、屈服強度分別降低至121 MPa、54 MPa，延伸率達到39%，塑性大幅度提升，合金的組織由纖維組織變成再結晶組織，直到退火溫度為400 ℃時完成再結晶，性能趨于穩定。硬度與強度的變化規律一致，若沒有電子萬能試驗機，可采用維氏硬度計快速初步判斷合金的力學性能。

杯突值與制耳率是衡量材料成形性能的重要指標，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，材料的各項異性越小，材料在使用過程中的利用率越高。采用本文的退火工藝生產的3003鋁合金材料的杯突值與制耳率分別達到14.82 mm與1.65%，高于標準的要求。

顯微組織（晶粒尺寸）影響材料的力學性能成形性能。晶粒尺寸過大，鋁合金表面會產生橘皮紋，在電池殼沖壓過程中，殼體表面會形成不美觀“雪花紋”，且長時間的沖壓會導致沖壓模具摩擦力增大，造成生產停機甚至損壞沖壓設備，因此，晶粒尺寸越小越好。但當前沒有晶粒尺寸相關標準，通常默認晶粒度≤1級為宜。

綜上所述，由試驗爐確定新能源汽車鋰電池用3003鋁合金較優的退火工藝后，經生產現場的箱式退火爐生產驗證，結果表明，該退火工藝不僅適用于3003-O產品的完全退火，也可用于3003-H1N（H12/H14/H16/H18/H19）產品的中間退火。

5 結論

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

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

c. 將較優的試驗退火工藝應用于生產現場箱式退火爐進行生產驗證，其結果與試驗結果非常吻合。該退火工藝不僅可用于3003-O產品的完全退火，也可用于3003-H1N（H12/H14/H16/H18/H19）產品的中間退火。

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