高成形性Al-Fe-Mn合金板材組織性能研究

近年來(lái)，新能源汽車(chē)開(kāi)始得到迅速發(fā)展和普及，作為新能源汽車(chē)重要組成部分動(dòng)力鋰電池產(chǎn)能也得到快速擴(kuò)張。據(jù)統(tǒng)計(jì)2021年國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰電池裝機(jī)容量超過(guò)160GWh，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年仍將爆發(fā)式增長(zhǎng)。

鋰電池結(jié)構(gòu)件一般由殼體和蓋板組成，廣泛采用鋁合金材料沖壓成形制備。其中蓋板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其中間防爆片刻痕處厚度僅0.04mm，在電池內(nèi)部壓力過(guò)高時(shí)可以自動(dòng)破裂泄壓。

3003鋁合金板材具有良好的抗腐蝕性、散熱性、焊接性及深沖性能，大量用于制造動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)件

。電池蓋板采用沖壓+激光焊接的工藝，將蓋板和防爆片分別沖制后再焊接在一起，制備工藝比較復(fù)雜，需要的設(shè)備較多且生產(chǎn)效率低，因此造成產(chǎn)品的成本較高。采用整體式加工工藝，直接沖制出含防爆片的蓋板結(jié)構(gòu)件，可以簡(jiǎn)化制備流程，降低產(chǎn)品的成本。然而3003鋁合金板材由于性能方面的限制，無(wú)法滿足這種工藝要求。本文分析研究了一種高成形Al-Fe-Mn鋁合金板材，該合金板材和3003板材強(qiáng)度等性能相近，但具有更好的延伸率和杯突值，可以較好的滿足一體式?jīng)_壓工藝要求。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用2組Al-Fe-Mn合金板材(H14態(tài))采用如下工藝制備：熔鑄→均勻化→熱軋→冷軋→中間退火→冷軋，板材最終道次冷軋加工率為20%、板材厚度為1.2mm。用于性能對(duì)比的3003合金采用同樣的加工工藝，具有和Al-Fe-Mn合金板材相同的狀態(tài)和厚度。合金化學(xué)成分采用光譜儀進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)Al-Fe-Mn合金板材分別沿軋制方向的0°、45°和90°方向進(jìn)行切割制備拉伸試樣，采用Zick/roell-Z100型萬(wàn)能拉伸設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，用攝影機(jī)采集拉伸過(guò)程中的應(yīng)變形貌數(shù)據(jù)，拉伸速率為0.5mm/min，通過(guò)自動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以獲得材料塑性應(yīng)變比(r值)及制耳參數(shù)(△r值)。另外在板材上切割90mm×90mm的方形試樣，通過(guò)GBS-60B型杯突試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行杯突測(cè)量。板材晶粒度和織構(gòu)采用電子背散射(EBSD)方法進(jìn)行分析，沿軋制方向切割10mm×10mm的矩形試樣，采用機(jī)械拋光+電解拋光的方法對(duì)試樣進(jìn)行處理，將電解拋光后的試樣快速用水及無(wú)水酒精清洗，再放入丙酮或乙醇中避免樣品表面腐蝕和氧化污染。采用配備EBSD探頭的FEI Nova 400場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行試驗(yàn)分析，工作電壓20kV，工作距離15mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 板材力學(xué)性能

巴西位于拉丁美洲，其發(fā)展農(nóng)業(yè)的自然條件比較優(yōu)越，境內(nèi)有許多尚未開(kāi)發(fā)利用的平原和草場(chǎng)，常年濕潤(rùn)且降雨量豐富。巴西在早期就確立了“以農(nóng)立國(guó)”的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，根據(jù)OECD數(shù)據(jù)庫(kù)提供的數(shù)據(jù)顯示，巴西2013年GDP約2.47萬(wàn)億美元，農(nóng)業(yè)增加值占GDP的6%，農(nóng)產(chǎn)品出口總額為999.68億美元，同比增長(zhǎng)4.3%，占巴西出口總額的41.28%。其中牛肉和玉米的出口額為世界第四，糖和咖啡的出口額為世界第一，說(shuō)明巴西的農(nóng)業(yè)在其國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位，且對(duì)整個(gè)世界發(fā)展有著重要的影響。

2.2 合金微觀組織

“呼哧”，卡爾松的兩只鼻涕蟲(chóng)縮回了黑洞洞的大鼻孔里，現(xiàn)在他完全忘了足球，腦中只有軍事任務(wù)。他雙目炯炯地說(shuō)：

研究顯示，當(dāng)Fe+Mn的含量小于1.85時(shí)，可以有效的細(xì)化板材的晶粒組織。但是當(dāng)其超過(guò)這一含量時(shí)，容易形成粗大片狀的(FeMn)Al

相，顯著降低板材的力學(xué)性能和加工性能。該Al-Fe-Mn合金板材中Fe+Mn的含量約在1.8左右，且含有較多的Fe元素，加速M(fèi)n從固溶體中析出，生成更大體積百分比的彌散相，如圖2所示。從圖中可以看出，析出相的尺寸大多在1～5μm，具有明顯的細(xì)化晶粒的作用，使板材在加工過(guò)程中獲得了細(xì)小的晶粒度，如圖3(a)所示。同時(shí)細(xì)小的析出相使板材在再結(jié)晶退火過(guò)程中出現(xiàn)明顯的促進(jìn)晶粒形核作用。彌散分布的富Fe相在隨后的晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中又起到釘扎晶界，如圖3(b)所示。板材晶粒組織細(xì)小，再加上合金中作為雜質(zhì)元素的Si、Cu、Cr、Zn等含量極低，使得其具有相比3003常規(guī)合金更高的杯突值和成形性能

。

Al-Fe-Mn合金是熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，Mn元素在鋁合金中形成MnAl

，因而鋁合金的強(qiáng)度隨Mn含量增加而增加。Fe能與Al形成Al

Fe相，也能溶于MnAl

中形成(FeMn)Al

，降低Mn在鋁基體中的溶解度。

表3所示為兩個(gè)樣品板材所具有主要織構(gòu)組分及體積量數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)兩個(gè)批次試樣的織構(gòu)組分還是存在一定差別。1#試樣具有較多高斯(Goss)織構(gòu)、Cube-ND織構(gòu)、R織構(gòu)和P織構(gòu)，而2#試樣則有較多數(shù)量的立方織構(gòu)、黃銅和銅織構(gòu)，兩者含有的S織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)相近。研究顯示，鋁板材在進(jìn)行深拉伸時(shí)，立方織構(gòu)和高斯織構(gòu)主要產(chǎn)生沿軋制方向0°和90°的制耳，而銅織構(gòu)、黃銅織構(gòu)及S織構(gòu)則主要產(chǎn)生45°方向制耳

。當(dāng)鋁板帶中不含有織構(gòu)組織，晶粒取向是完全隨機(jī)分布的，那么這種情況就是最完美的各向同性材料，在深拉伸過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)任何制耳。但是實(shí)際上，經(jīng)過(guò)熱/冷加工的鋁板帶必然存在織構(gòu)，但是當(dāng)這些織構(gòu)體積比合適時(shí)，則出現(xiàn)8個(gè)小制耳或不出現(xiàn)制耳，即出現(xiàn)“偽各向同性”，這是深拉伸加工鋁板帶比較理想的織構(gòu)組成。

2.3 板材織構(gòu)分析

織構(gòu)是多晶體金屬材料中出現(xiàn)的擇優(yōu)取向現(xiàn)象，普遍存在于各種加工狀態(tài)的鋁合金材料中，通過(guò)織構(gòu)組織的調(diào)控與優(yōu)化，可以使金屬材料獲得某些優(yōu)異的性能表現(xiàn)。鋁合金是一種具有高層錯(cuò)能的面心立方結(jié)構(gòu)金屬，其板材織構(gòu)主要分布在α、β兩條取向線上，包括加工織構(gòu)如S織構(gòu)、銅(Copper)織構(gòu)、黃銅(Brass)織構(gòu)等和再結(jié)晶織構(gòu)如立方(Cube)織構(gòu)、R織構(gòu)等。這些表征了不同晶粒取向的織構(gòu)，對(duì)板材的深沖成形性能各自具有不同的影響。

自貿(mào)區(qū)的快速發(fā)展離不開(kāi)稅收優(yōu)惠政策。海關(guān)特殊監(jiān)管區(qū)域內(nèi)的企業(yè)生產(chǎn)所需的進(jìn)口機(jī)器、設(shè)備可享受免稅，“二線”內(nèi)銷(xiāo)產(chǎn)品可選擇性納稅。

Al-Fe-Mn合金板材的取向分布函數(shù)ODF圖如圖5所示，其中圖5(a)和5(b)分別為1#試樣和2#試樣在φ2=0°、45°、65°和90°的ODF圖。從φ2=0°的ODF截面上，可以看出兩個(gè)Al-Fe-Mn合金板材試樣中都存在比較明顯的立方織構(gòu)，立方織構(gòu)來(lái)自中間退火工序，屬于再結(jié)晶織構(gòu)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步冷軋后仍有大量殘余織構(gòu)流入到成品板材。從φ2=45°和65°的ODF截面上可以看到分別存在少量銅織構(gòu)和S織構(gòu)，是經(jīng)過(guò)最后一道次冷軋加工產(chǎn)生的。除此之外，兩個(gè)板材試樣中都出現(xiàn)了微量的高斯(Goss)織構(gòu)，是熱軋過(guò)程中產(chǎn)生的，并殘留到冷軋成品鋁板中。

通過(guò)金相及EBSD方法對(duì)板材的微觀組織進(jìn)行了分析，如圖2、圖3所示。

醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)是一個(gè)集醫(yī)院設(shè)備的申請(qǐng)、采購(gòu)〔10〕、出入庫(kù)、維修、維護(hù)、固定資產(chǎn)管理、計(jì)量檢測(cè)、設(shè)備運(yùn)行效益分析等全流程管理功能于一體的信息化管理系統(tǒng)。真正做到減輕醫(yī)學(xué)工程科工作人員繁瑣的設(shè)備管理工作，提高工作效率。

圖4所示為通過(guò)兩組H14狀態(tài)Al-Fe-Mn合金板材取向圖，從圖中可以看出，該合金冷軋板晶粒取向主要為001方向，但還有部分晶粒取向?yàn)?01方向，但1#試樣的取向?yàn)?01方向的晶粒數(shù)量不同于2#試樣。

制備的Al-Fe-Mn合金板材應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示，合金板材及作為對(duì)比的3003-H14合金板材的強(qiáng)度、延伸率及杯突值如表2所示。從測(cè)量結(jié)果可以看出，兩種合金的抗拉強(qiáng)度比較接近，均在150MPa上下。Al-Fe-Mn合金板材的斷后延伸率略好于3003合金，其在0

也就是沿著軋制方向具有最大值，90

方向的延伸率最小。在表征板材深沖極限的杯突值方面，Al-Fe-Mn合金板材的埃里克森值平均在8.1左右，而相同狀態(tài)的3003板材埃里克森值平均只有7.1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者。從延伸率和杯突值來(lái)看，該Al-Fe-Mn合金板材比3003板材應(yīng)更容易加工變形較大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。

對(duì)于鋁合金板材，立方織構(gòu)與加工織構(gòu)的合理配比是織構(gòu)控制的主要方面，有研究表明，S織構(gòu)與立方織構(gòu)的最佳體積比為1.67：1時(shí)，制耳高度最小。但根據(jù)表3的測(cè)試結(jié)果，Al-Fe-Mn合金板材S織構(gòu)較少，并不滿足上述最佳比例，因此深拉伸過(guò)程預(yù)計(jì)會(huì)有較明顯制耳現(xiàn)象。

由圖4可得隨著激光能量的增加，噴濺速度一開(kāi)始增加，而后又趨于穩(wěn)定。噴濺速度變化范圍約在10m/s量級(jí)。激光能量增加，蒸發(fā)的材料增加，蒸氣引起的反沖壓力增加，則使得噴濺速度增加。有研究表明，大激光能量輻照下，氣化形式的質(zhì)量遷移增加，而熔融物質(zhì)減少，這可能是噴濺速率趨于飽和的原因。

表4為Al-Fe-Mn合金板材和3003板材的r值檢測(cè)結(jié)果，根據(jù)結(jié)果可知，高成形Al-Fe-Mn合金板材的r值較高，說(shuō)明該板材在深拉伸時(shí)，不易發(fā)生因底部厚度減薄而開(kāi)裂，但是其|△r|值較大，說(shuō)明板材的各向異性較3003更明顯，在深拉伸時(shí)容易產(chǎn)生制耳。

對(duì)于Al-Fe-Mn合金板材，2#試樣同時(shí)存在立方織構(gòu)和S織構(gòu)，也即預(yù)示著在兩種織構(gòu)之間存在過(guò)渡組織，對(duì)于平衡制耳、減少制耳高度起著重要作用，但立方織構(gòu)及其與S織構(gòu)之間的過(guò)渡織構(gòu)有較高的0°和90°方向r值，而S織構(gòu)在該0°方向的r值較低?？梢哉f(shuō)，0°方向r值的高低一定程度上取決于過(guò)渡織構(gòu)的強(qiáng)弱，其他織構(gòu)組分貢獻(xiàn)很小。從表3中可以看出，兩組試樣的立方織構(gòu)體積比接近，其中2#試樣的立方織構(gòu)稍高，因此二者的0°和90°方向r值非常接近。對(duì)應(yīng)的45°方向，則S織構(gòu)、黃銅(Brass)織構(gòu)和銅型織構(gòu)有較大的r值，織構(gòu)測(cè)試結(jié)果顯示2#試樣存在較多的銅織構(gòu)和黃銅織構(gòu)，同時(shí)由于兩者的S織構(gòu)體積比相同，因此2#試樣的45°方向r值大于1#試樣，拉伸加工時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更明顯的45°方向制耳。

由于2#有較大的45°方向r值，因此其綜合r值大于1#試樣。材料拉深成形性能與r值密切相關(guān)，板材r值越大，拉深成形時(shí)越有利于凸緣的切向收縮變形和減小底部減薄，提高拉深件底部的承載能力，這也解釋了2#試樣的杯突值高于1#試樣的原因。

3 結(jié)論

高成形Al-Fe-Mn合金板材具有細(xì)小的晶粒組織和優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在H14狀態(tài)下，該合金板材主要由立方(Cube)織構(gòu)、S織構(gòu)和銅(Copper)織構(gòu)組成。與通常使用的3003合金相比，該合金板材成形性能較好，可以用于制作復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，從板材織構(gòu)組成和r值來(lái)看，雖然其具有較好的深沖極限，但是各向異性較大，在拉伸時(shí)可能會(huì)有較明顯的制耳。

[1]闕石生,黃瑞銀,徐始祥,廖明順．生產(chǎn)工藝參數(shù)對(duì)動(dòng)力電池殼用3003-H14鋁合金帶材制耳率影響[J]．輕合金加工技術(shù),2017,45(9)：30-33．

[2]毛衛(wèi)民,金屬材料的晶體學(xué)織構(gòu)與各向異性[M]．科學(xué)出版社,2002．