合金元素对电池包支架用Al-Mg-Si合金性能的影响

2020-10-23谢方亮卢晓磊

有色金属加工 2020年5期

吴楠，孙巍，杨旭，谢方亮，卢晓磊

(辽宁忠旺铝合金精深加工有限公司，辽宁辽阳 111003)

近几年，环保问题和能源问题逐渐引起人们的关注，汽车产业由传统汽车向新能源、轻量化的电动汽车方向发展。电池包支架作为新能源电动汽车上的关键部件，其材料的性能直接影响着电动车的安全性和可靠性。电池包支架在服役过程中受到各方面的力和腐蚀作用，容易发生断裂和腐蚀开裂[1-3]，因此在设计电池包支架材料时强度和耐蚀性是需要考虑的因素。

Al-Mg-Si合金具有中等强度、耐蚀性高、无应力腐蚀开裂倾向、挤压性和焊接性优良等优点，被广泛应用于新能源汽车。6005A合金Mg、Si含量中等，含有一定量的Mn、Cr元素，可抑制合金再结晶发生，对合金的耐蚀性有一定影响。本文以6005A合金为研究对象，调整Mg/Si比值、Mn、Cr含量，研究Mg/Si比值、Mn和Cr元素对微观晶粒、腐蚀和电导率等性能的影响。

1 试验材料与方法

本试验以6005A合金为基础合金，共设计了4种合金成分，分别记为A、B、C、D，具体化学成分见表1。其中合金A在6005A化学成分范围内，B、C、D在合金A化学成分基础上调整元素Si、Mn、Mg、Cr含量。

表1 Al-Mg-Si合金的化学成分(质量分数，%)

试验采用99.7%工业铝锭、工业纯镁、工业纯硅、Al-60%Cu、Al-10%Mn、Al-10%Cr中间合金，按照一定顺序投入到熔炼炉中熔化，精炼静置20min，采用直接水冷半连续铸造方式制备合金铸锭。铸锭经550℃×7h均匀化处理后，在2000T挤压机上进行挤压，挤压温度510℃～530℃，挤压速度6m/min～7m/min，在线风冷淬火；在箱式电阻炉内进行时效处理，时效温度180℃，保温时间8h。

试样经打磨、抛光，阳极氧化制膜，采用光学金相显微镜在偏光下观察4种合金挤压变形后的显微组织。沿挤压方向取200mm作为拉伸试样，在室温下进行拉伸试验。晶间腐蚀试验溶液为NaCl-HCl混合溶液，腐蚀液温度30℃，腐蚀时间24h，试样从腐蚀液中取出后，立即用去离子水冲洗，在光学金相显微镜下观察4种合金挤压制品的腐蚀坑深度。

2 试验结果与分析

2.1 微观晶粒

图1为4种合金挤压变形后微观晶粒图片。从图中可看出，A、B合金挤压制品横截面边部晶粒尺寸较大，心部为纤维状组织；C、D合金挤压制品整个横截面为再结晶组织。A合金和B合金在挤压变形过程中，外层合金受模具的约束，变形程度大于内层合金，合金的外层晶粒受到的剪切变形大，晶格畸变程度大，晶粒畸变能增大，再结晶温度降低，外层合金与模具产生摩擦，边部温度高于心部，心部晶粒易发生再结晶长大[4]。心部在挤压过程中呈稳定流动状态，变形比较均匀，另外合金中添加了Mn、Cr元素，起到了一定钉扎晶界、抑制再结晶作用，因而A合金和B合金制品心部为纤维状的变形组织，边部为粗大的再结晶组织。而C合金和D合金无Mn、Cr元素，合金制品的整个横截面为完全再结晶组织。

2.2 晶间腐蚀

图2为4种合金的晶间腐蚀断面深度图。从图中可看出，4种合金制品均发生了晶间腐蚀，腐蚀沿晶界向内部发展，制品表面有点蚀坑，B和C合金表面有轻微的合金脱落，A合金内部有腐蚀裂纹，其中A合金的最大晶间腐蚀深度为370.22μm，B合金最大晶间腐蚀深度为225.06μm，C合金的为128.45μm，D合金的为219.67μm。

铝合金的晶间腐蚀是由于晶界上的析出相与其周围的基体存在电势差，形成微电解池造成的[5]。A、B、C、D 4种合金的Mg/Si均小于1.73，Si粒子过剩。腐蚀初期主要发生在电位较负的Mg2Si相表面，由于Si粒子的电位较正，其边缘无沉淀带发生了阳极溶解，同时也加速Mg2Si活性元素Mg的溶解及不活泼元素Si的富集，促进了Mg2Si周围无沉淀带的阳极溶解，合金的晶间腐蚀萌生于Mg2Si相表面，并沿晶界的无沉淀带发展[6]。因而Si过剩较多的A合金晶间腐蚀深度大于B合金。

Mn元素容易在晶界上发生偏聚，腐蚀电位相对较高，在构成的腐蚀原电池中可作为阴极，晶界上析出相连续分布，形成了一个连续的阴极，与晶界附近的无沉淀析出带(PFZ)构成了微电池，沿着晶界腐蚀[7]。含有Mn元素的A合金和B合金制品晶间腐蚀程度高于不含Mn元素的C合金和D合金。

2.3 力学性能

图3为4种合金挤压制品T6状态的屈服强度和抗拉强度。可以看出，T6态下合金制品强度：C合金>B合金>D合金>A合金。B合金和C合金的Mg/Si比值相近，含有Mn、Cr元素的B合金强度低于不含Mn、Cr的C合金，Mn、Cr元素对该合金时效强度未起到明显的增强作用。

制品在生产转运过程中，会发生自然时效。自然时效过程中，Mg和Si原子形成团簇。相比Si原子团簇，Mg原子团簇在随后的人工时效过程中更难以溶解，抑制具有强化作用β"相析出。相关研究表明过剩Si能够促进β"析出，产生密度较高、尺寸较小并且分布均匀的β"[8]。C合金和D合金相比较，D合金中Mg含量高于C合金，在自然时效过程中D合金中Mg原子团簇数量高于C合金，抑制β"相析出。另外，C合金中过剩Si数量高于D合金，在随后的人工时效处理中，C合金产生的β"相数量较多，密度高，尺寸小，分布较均匀，C合金的强度高于D合金。

2.4 电导率

图4为4种合金挤压制品的电导率。可以看出，C合金挤压制品的电导率最高，D合金次之，A合金和B合金最低。A合金和B合金制品边部为粗大的再结晶晶粒，心部为纤维状的组织。申澎洋等人[9]在研究6005A挤压型材组织过程中发现挤压型材内部细晶区的纤维组织是由大量几乎呈等轴状的细小晶粒组成，这些细小晶粒是被小角度晶界分割的未完全再结晶晶粒，存在大量的位错缠绕，对电子有散射作用，导致合金的电阻率增大，电导率减小；C合金和D合金制品为大角度的完全再结晶组织，晶粒尺寸较大，电子穿过晶界数量较少，电子的散射小，电阻率低，电导率高。