CN100398312C - 铝/镍包覆件及其制造方法和电池用外部端子 - Google Patents

Abstract

本发明的铝/镍包覆件(1)是，由纯铝形成的铝层(3)和纯镍形成的镍层(2)扩散接合，所述镍层(2)的硬度在Hv130～170的范围内，在该包覆件(1)中，所述铝层(3)和镍层(2)通过厚度在0.4～10.0μm范围内、优选在1.0～6.0μm范围内的Al-Ni系金属间化合物层而扩散接合，获得优良的剥离强度，即使在所述包覆件采用超声波焊接的情况下，仍获得相对铝材的稳定焊接接合性，另外，即使在进行弯曲加工的情况下，仍难于产生形状不良。由此，可用作电池用外部端子的材料。

Description

铝/镍包覆件及其制造方法和电池用外部端子

技术领域

本发明涉及作为与电池外装筒接合的外部端子和其材料而适用的铝/镍包覆件。

背景技术

便携电话、笔记本个人计算机等的小型的电子电气设备中，装载有小型电池。在该小型电池中，具有由纯铝形成的外装筒。由电池产生的电通过附设于上述纯铝制的外装筒上的外部端子与和其接合的导电部件，供给各种电子部件。上述导电部件通常由耐腐蚀性、耐久性优良的纯镍形成。

上述外部端子呈宽度为3mm、长度为20mm的矩形。对于上述外部端子，比如，象JP特开2001-6746号公报所示的那样，考虑到纯铝制的外装筒和纯镍制的导电部件的接合性，其通过将由纯铝形成的铝层和由纯镍形成的镍层实现接合的铝/镍包覆件形成。

在过去，铝/镍包覆件通过下述的方式制作，该方式为：将由纯镍形成的镍片和由纯铝形成的铝片重合，通过一对辊，对该重合片进行冷压接，然后，对该压接片，进行扩散退火处理，铝层和镍层扩散接合。冷压接的压下率在60％左右以上，以便实现两个片于在后工序而不剥离的程度的接合。另外，人们认为：在高温的扩散退火中，在铝层和镍层的界面，产生脆弱的Al-Ni类金属间化合物，使铝层和镍层的剥离强度变差。由此，扩散退火通常通过下述方式进行，该方式为：按照不产生上述金属间化合物的方式，在400℃左右以下的较低的退火温度，在较短时间保持。电池用外部端子通常通过下述方式制造，该方式为：沿长度方向，将上述铝/镍包覆件切断为其宽度与所需的外部端子宽度相同的带，按照所需的长度，对已获得的带进行剪断加工。

在过去，上述外部端子通过点焊接(电阻焊接)与电池外装筒接合。由于在点焊接部中，包覆件的铝与镍熔融凝固，产生金属间化合物，故在熔接部中，电阻增加，电池的效率降低。由此，近年，外部端子通过超声波焊接而接合。在超声波熔接的场合，由于焊接部不熔化，铝层处于压接于电池外装筒上的状态，故不产生金属间化合物，可防止电池效率的降低。

但是，如果采用将通过现有的冷压接而接合的铝/镍包覆件作为材料而制作的电池用外部端子，进行超声波焊接，则具有接合强度的差异增加，接合性不稳定的问题。

另外，在最近，人们要求外部端子呈Z字形等的各种弯曲形状。在通过现有的包覆件，形成上述形式的外部端子的场合，具有在弯曲加工时，容易产生较大回弹，容易产生形状不良的问题。

本发明是针对上述问题而提出的，本发明的目的在于提供即使在采用超声波焊接的情况下，仍获得稳定的焊接接合性，另外，即使在进行弯曲加工的情况下，仍难于产生形状不良的电池用外部端子，适合用作其材料的铝/镍包覆件及其制造方法。

发明内容

本发明人研究时发现，如果采用通过现有的铝/镍包覆件制作的电池用外部端子，进行超声波焊接，则接合性不稳定，另外，用现有的铝/镍包覆件在加工时，容易产生形状不良，在对此进行深入分析时，发现铝/镍包覆件中的镍层过硬的情况是原因所在。另外，在过去，人们认为，在扩散退火时，如在铝层和镍层之间的界面上，产生Al-Ni类金属间化合物，则铝层与镍层之间的剥离强度变差，但是，已发现，在Al-Ni金属间化合物的厚度为特定的较薄区域，剥离强度却提高。本发明是基于上述的观点而提出的。

即，本发明的铝/镍包覆件，是由铝的纯度在98质量％以上的纯铝所形成的铝层和镍的纯度在98质量％以上的纯镍所形成的镍层扩散接合而得，上述镍层的硬度在Hv130～170的范围内。优选，上述铝层厚度在25～100μm的范围内，另外，优选，上述镍层的厚度在50～200μm的范围内。

如果采用上述铝/镍包覆件，由于上述镍层的硬度在Hv130～170的范围内，镍层不过硬，故在超声波焊接时，超声波振动从超声波振动输出端部(号角前端部)，通过镍层快速地传递到铝层，由此，获得稳定的焊接接合性。另外，由于也不产生过度的回弹，故获得良好的成形加工性。另一方面，由于镍层不过软，故在对包覆件进行剪断加工而获得电池用外部端子或其材料等的加工片时，难于在加工片的剪断边缘产生突起(毛刺)。如果具有毛刺，则加工片无法与焊接对方件紧密贴合，难于传递超声波振动。在上述包覆件中，由于加工片难于产生毛刺，故超声波振动快速地传递，获得良好的超声波焊接性。

优选，上述铝/镍包覆件是，上述铝层和镍层通过厚度在0.4～10.0μm范围内、优选1.0～6.0μm范围内的Al-Ni系金属间化合物而扩散接合而得。Al-Ni系金属间化合物本身是脆弱的，但是，在镍层、或铝层与上述金属间化合物之间的边界的附近区域，不呈现脆弱性，镍层或铝层与金属间化合物良好地接合。在上述金属间化合物层的厚度在0.4～10.0μm范围内的场合，由于难于呈现上述金属间化合物层本身的脆弱性，故铝层和镍层的接合性较好。另外，通过使上述金属间化合物层的厚度在1.0～6.0μm的范围内，获得特别优良的接合性。由此，即使在对包覆件或其加工片进行严格的成形加工的情况下，铝层和镍层仍难于剥离，获得优良的成形加工性。

上述铝/镍包覆件适合用作电池用外部端子的材料，通过对上述铝/镍包覆件进行切断机的切断、冲压加工等的剪断加工，可容易制造电池用外部端子。

上述铝/镍包覆件可容易通过下述方式制造：将由镍的纯度在98质量％以上的纯镍所形成的镍片加热到100～300℃，将该加热后的镍片与由铝的纯度在98质量％以上的纯铝形成的铝片重合，以10～17％的压下率，对它们进行压接，然后将获得的压接片进行扩散退火，上述扩散退火在500～600℃的范围进行。

如上述，采用本发明的铝/镍包覆件，由于将镍层调整到Hv130～170的硬度，故获得在超声波熔接时稳定的熔接接合性，另外，抑制过度的回弹，弯曲加工性也优良。由此，适合用作电池用外部端子等的材料。另外，按照本发明的制造方法，不需要特殊的设备，可容易制造具有规定硬度的镍层的铝/镍包覆件。

附图说明

图1为本发明的铝/镍包覆件的截面示意图。

图2为压接片的接合强度、散退火后的包覆片的剥离强度的测定要点的说明图。

图3为铝/镍包覆件试验片的弯曲试验要点的说明图。

图4为铝/镍包覆件试验片的180°弯曲试验要点的说明图。

具体实施方式

在本发明的实施方式的铝/镍包覆件(clad material)1中，象图1所示的那样，铝层3和镍层2压接，以扩散方式接合，扩散退火后的上述镍层2的硬度在Hv130～170的范围内。

上述铝层3、上述镍层2分别由纯铝，纯镍形成。铝、镍的纯度越高越好，但是按照本发明，优选，允许杂质量达到2质量％，铝、镍的纯度在98质量％以上，优选在99质量％以上，更优选在99.9质量％以上。

上述镍层2的硬度对于本发明来说是重要的，威氏(Vickers)硬度在Hv130～170的范围内。该镍层2的硬度对超声波焊接、成形加工性等方面产生较大的影响，在超过Hv170的场合，在成形加工时，回弹造成的形状不良容易过大，另外，在超声波焊接时，超声波难于从镍层2传递给铝层3，铝层3与电池的外装筒的焊接不稳定，不能够获得稳定的焊接接合性。另一方面，在小于Hv130的场合，强度降低，并且在切断等的剪断加工时，会在截面端部产生较大的毛刺。如果在外部端子的外周缘部产生毛刺，由于在与电池外装筒或超声波焊接装置的超声波振动输出端部之间，产生间隙，难于紧密贴合，故超声波振动难于传递，造成焊接不良。由此，按照本发明，镍层2的硬度在Hv130～170的范围内，优选该硬度在Hv140～160的范围内。

上述铝层和镍层通过扩散退火而以扩散方式接合。具有伴随该扩散接合，在接合界面产生Al-Ni金属间化合物的情况。人们认为，由于Al-Ni金属间化合物本身是脆弱的，故使铝层和镍层之间的剥离强度降低。但是，可知道，在铝层和镍层的界面产生的Al-Ni金属间化合物层的厚度极小的区域，接合强度不降低，根据情况，该强度却提高。在上述金属间化合物层的厚度在0.4～10.0μm的范围内的场合，在实用方面，具有没有问题的程度的剥离强度。特别是，通过使上述金属间化合物层的厚度在1.0～6.0μm的范围内，根据后述的实施方式可知道，剥离强度非常高，可充分地用于严格的成形加工。

优选，上述铝层3的厚度在25～100μm的范围内。如果铝层3过小，则在制造过程中，与镍层2的压接困难，如果厚度过大，则难于实现与电池外装筒的超声波焊接。由此，优选在25～100μm的范围内，特别是优选在30～70μm的范围内。优选，上述镍层2的厚度在50μm以上，以便确保超声波焊接性、耐久性，但是，由于厚度过大仅导致成本上升，故该厚度可在200μm以下，优选在150μm以下。

下面对上述实施方式的铝/镍包覆件的制造方法进行描述。

上述铝/镍包覆件通过下述的方式制造：制备由纯铝形成的铝片和由纯镍形成的镍片，将上述镍片加热到100～300℃的温度范围内，将经加热的镍片与上述铝片重合，使其通过一对辊的间隙，按照10～17％的压下率进行辊压接，将由此获得的铝层与镍层接合的压接片进行扩散退火。另外，压下率(％)按照(因压下而减少的厚度)/(原始的整体厚度)×100的方式而计算。

通过将上述镍片加热到100～300℃的范围内，即使通过10～17％的低压，仍可获得具有2N/mm左右以上的足够的接合强度的压接片。在镍片的加热温度不到100℃的场合，即使在按照17％的压下率进行辊压接的情况下，仍具有与铝片的接合力不足，在压接后的工序剥离的危险。另一方面，在超过300℃的场合，压接时的辊的润滑苛刻，产生润滑不良，难于压接。由此，镍片的加热温度在100～300℃的范围内，优选在150～250℃的范围内。此外，建议在将镍片加热到规定温度后，优选，尽可能快速地对其进行辊压接，推荐在加热后5秒以内，优选在3秒以内，将其与铝片压接。

另一方面，从原则上说，铝片可无需加热处于室温的状态即可。优选，即使在加热的情况下也在200℃以下。由于辊压接的压下率采用低压下率，故压下前的铝片的厚度也必然变薄。比如，在包覆件的铝层的厚度在25～100μm的范围内的场合，铝片的厚度在28～111μm的范围内。在采用25～120μm的厚度的铝片进行辊压接的场合，如果将铝片加热而使其超过200℃，则因加热，片的强度降低，在辊压接时，无法承受为了使伸展而作用于片上的张力，局部地产生拉伸，显著时会发生断裂等问题。

上述辊压接的压下率必须象上述那样，在10～17％的非常窄的范围内。如果未超过5％，则具有下述的危险，即，即使在将镍加热到300℃的状态的情况下，铝片与镍片的接合强度仍在2N/mm以下，无法获得充分的接合强度，发生剥离。另外，在于5％以上而不到10％的场合，毛刺增加，超声波焊接性会降低。另一方面，如果超过17％而压下，则即使在将镍片加热到300℃的状态的情况下，压下后的硬度会超过Hv170，成形加工性、超声波焊接性会发生问题。于是，压下率在10～17％的范围内，优选在11～15％的范围内。

在通过辊压接而实现接合的压接片中，通过扩散退火，以扩散方式将铝层和镍层接合，形成包覆件。根据扩散退火条件，包覆件的铝层与镍层之间的剥离强度发生各种变化，但是，从实用方面来说，包覆件的剥离强度在4.0N/mm以上即可。特别是，在对包覆件进行严格的加工的场合，优选具有8.0N/mm左右以上，特别是优选具有10.0N/mm左右以上的足够的剥离强度。为了在较短的时间，获得足够的剥离强度，优选在500～600℃的温度进行扩散退火。同样可在400～450℃的温度范围内进行扩散退火，但为了获得充分的剥离强度，退火时间必须要求在1小时以上，生产性显著降低。另一方面，在500℃退火3～20分钟左右，可获得充分的剥离强度，在600℃退火1～5分钟左右的较短时间，可获得充分的剥离强度。另外，具有伴随扩散退火，镍层的硬度稍稍降低的倾向，退火温度越高，退火时间越长，该硬度的降低程度越大。

上述压接片的接合强度和扩散退火后的相同片(包覆片)的剥离强度根据以下的要点而测定。象图2所示的那样，在从压接片而获得的试验片11的端部，将一部分的铝层13、镍层12撕裂，将撕裂的部分垂直地弯曲，通过拉伸试验机，对其末端进行拉伸，求出撕裂所需要的撕裂力。将该值与试验片的宽度相除，求出单位宽度的撕裂力作为接合强度。对于通过扩散退火，以扩散方式将铝层和镍层接合的包覆片，难于在试验片的端部，将各层撕裂，故在扩散退火之前，预先将压接片的端部撕裂，在扩散退火后，将预先撕裂的撕裂部分垂直地弯曲，与上述情况相同，求出单位宽度的撕裂力，将其作为剥离强度。

将象上述那样制造的铝/镍包覆件切断成具有适当宽度比如与外部端子的宽度相同的宽度的带。外部端子通过下述方式而制作：按照必要的外部端子长度，对以端子宽度而切断的带进行剪断加工，或对按照大于端子宽度的宽度而切断的带进行冲压加工。另外，根据需要，对象这样加工的平板状的加工片进行弯曲加工等的成形加工，按照所需的形状，进行加工。

下面以实施例为例，对本发明进行更加具体的描述，但是，本发明并不是通过上述实施例进行限定性地解释。

实施例

按照下述的要点，制造各种包覆件的试样。

制备宽度为60mm、厚度为50μm的纯镍(镍的纯度在99.9％以上)的镍片和相同宽度、厚度为50μm的纯铝(铝的纯度在99.9％以上)的铝片。在通过隧道式退火炉，对上述镍片进行加热后，从隧道式退火炉中将其取出，然后，在约2秒以内，将其与上述铝片重合，通过一对压下辊，将它们压接，在表1中，给出各试样的镍片的加热温度、辊压接时的压下率。

采用从通过辊压接将铝层和镍层压接的压接片获得宽度为10mm、长度为100mm的试验片，通过在先已描述的测定要点，测定铝层和镍层的接合强度。接合强度必须在2N/mm以上，以便无问题地在以后的工序进行处理。

接着，对压接片按照该表中给出的退火条件，进行扩散退火处理，获得以扩散方式将铝层和镍层接合的包覆件。测定该包覆件的剥离强度、镍层的硬度。该剥离强度按照采用宽度为10mm、长度100mm的试验片，根据在先描述的测定要点加以测定，另外，通过威氏(Vickers)硬度计，施加0.2kgf(1.96N)的荷载的方式测定硬度。

另外，从上述包覆件获得截面观察试验片，按照下述的要点，测定形成于包覆件的铝层和镍层之间的Al-Ni金属间化合物层的平均厚度。按照沿板厚方向的截面为观察面的方式，将上述截面观察试验片埋入合成树脂中，按照上述板厚截面露出的方式，对埋入试验片进行研磨，通过SEM(扫描型电子显微镜)在4000倍进行截面观察。在表1中同时给出测定结果。另外，在通过EPMA，进行元素分析时，确认观察到的金属间化合物层由Al-Ni类金属间化合物形成。

此外，按照镍层为底侧的方式，将上述包覆件供给到切断器，将其切断，获得宽度为3mm的带。上述切断器具有由上下一对旋转刃形成的多个切断部，上述旋转刃在旋转的同时，按照交叉方式接近，由此，将包覆件切断。由此，在已切断的带的其中一个切断面中，在镍层的底端部，形成毛刺，在另一切断面上，在铝层的顶端部，形成毛刺。通过表面粗糙度计，测定形成于上述镍层和铝层的端部的毛刺的高度(μm)。如果毛刺高度超过10μm，对超声波焊接性造成不利影响，故对于毛刺高度来说，在10μm以下的场合是合格的。

按照20mm的长度，对象这样获得的铝/镍包覆件的带进行剪断加工，获得焊接试验片。使该焊接试验片的铝层侧表面与0.5mm的纯铝板(宽度5mm×长度30mm)接触，对宽度方向的中间部进行超声波焊接，焊接条件如下面所述。

超声波焊接机：超声波工业株式会社制，类型USW-2410Z15S

施加压力：200N

施加时间：0.3秒

最大功率：250W

能量；63J

在超声波焊接后，测定焊接部的接合力。测定要点是这样的，象图3所示的那样，在焊接部W的端部，垂直地将焊接后的焊接试验片21与纯铝板22分别弯曲成L形，，将其端部拉伸，测定接合部剥离所需要的拉伸力作为接合力。针对各试样，在5个点进行这样的测定，求出接合力的最大值和最小值的差ΔF。对于接合部，获得稳定的焊接接合是重要的，在上述ΔF超过0.5kgf(4.9N)的场合，由于超声波焊接的接合稳定性成为问题，故对于超声波焊接性，ΔF≤4.9N的场合是合格的。

另外，从上述带获取长度为50mm的弯曲试验片，采用刚度试验机(P.C.A公司生产，类型为719型)，按照容易观察到回弹的方式，呈张开角为60°(弯曲部的弯曲半径为0.38mm)的V形进行弯曲加工，测定加工后的试验片的V形部的张开角度θ°，求出回弹量Δθ＝θ-60。如果上述Δθ超过20°，由于在进行按照邻接的2条边之间的夹角为90°的方式加以弯曲的弯曲加工时，加工精度显著地变差，故对于弯曲加工性来说，Δθ≤20°的场合是合格的。在表1中同时给出这些测定结果。

此外，采用上述抗弯试验片S，按照下述的要点，对其进行180°弯曲试验。象图4所示的那样，按照铝层为内侧的方式，以试验片S的长度方向的中间部为中心，进行180°弯曲，将其重合，然后，返回到原始的状态，通过目视观察中间部的铝层和镍层之间的局部的剥离的发生状态。完全没有局部剥离的部分由AA表示，产生轻微的局部剥离的部分由A表示，产生明确的局部剥离的部分由B表示，在表1中同时给出观察结果。

根据表1知道，在镍层的硬度在Hv130～170的实施例(试样No.4～6、10～13、15～19、21、22)中，超声波焊接性、弯曲加工性良好。另一方面，在镍层的硬度超过Hv170的试样No.1、7、8、23中，超声波焊接性、弯曲加工性均发生问题。另外，由于压下率较低，故在镍层的硬度为Hv120的试样No.3中，铝层侧的毛刺高度超过10μm，焊接性降低。在试样No.2，9中，由于压下率或镍片的加热温度不适合，故压接片的剥离强度过小，镍层和铝层在处理中剥离，故无法进行扩散退火处理。另外，在试样No.14中，由于镍片的加热温度过大，润滑不良，无法进行压接。

另一方面，在Al-Ni金属间化合物层的平均厚度在1.0～6.0μm的实施例(试样No.4～6、10～13、15、18、21)中，如果扩散退火后的剥离强度在8N/mm以上，则获得优良的扩散接合性。平均厚度为0.4μm的试样No.17或该厚度为9.8μm的试样No.19的剥离强度为5N/mm左右，虽然稍低，但在180°抗弯试验中，局部剥离轻微，具有实用上没有问题的成形加工性。与此相对，在未产生上述Al-Ni金属间化合物层的试样No.16或过大厚度的试样No.22中，超声波焊接性、弯曲加工性是良好的，但是，剥离强度低，局部剥离程度较大。由此，这些试样的包覆件不怎么适合于进行了严格的成形加工用途。在试样No.20中，由于对于50℃的退火温度，退火时间过长，故金属间化合物的生成量过多，不能测定剥离强度。由于试样No.23与现有的包覆件相对应，压接时的压下率较高，故即使在扩散退火温度为350℃的情况下，仍获得良好的剥离强度，但是，由于镍层的硬度较高，故超声波焊接性、弯曲加工性显著变差。

Claims (17)

1.一种铝/镍包覆件，其特征为，

将由铝的纯度在98质量％以上的纯铝所形成的铝层，与镍的纯度在98质量％以上的纯镍所形成的镍层扩散接合而得，

所述镍层的硬度在Hv130～170的范围内。

2.根据权利要求1所述的铝/镍包覆件，其特征在于，

所述铝层和镍层通过厚度在0.4～10.0μm范围内的Al-Ni系金属间化合物层而扩散接合。

3.根据权利要求1所述的铝/镍包覆件，其特征在于，

所述铝层和镍层通过厚度在1.0～6.0μm范围内的Al-Ni系金属间化合物层而扩散接合。

4.根据权利要求1所述的铝/镍包覆件，其特征在于，

所述铝层的厚度在25～100μm的范围内。

5.根据权利要求2所述的铝/镍包覆件，其特征在于，

所述铝层的厚度在25～100μm的范围内。

6.根据权利要求3所述的铝/镍包覆件，其特征在于，

所述铝层的厚度在25～100μm的范围内。

7.根据权利要求4所述的铝/镍包覆件，其特征在于，

所述镍层的厚度在50～200μm的范围内。

8.根据权利要求5所述的铝/镍包覆件，其特征在于，

所述镍层的厚度在50～200μm的范围内。

9.根据权利要求6所述的铝/镍包覆件，其特征在于，

所述镍层的厚度在50～200μm的范围内。

10.一种电池用外部端子，其特征在于，

由铝/镍包覆件形成，该铝/镍包覆件是将由铝的纯度在98质量％以上的纯铝所形成的铝层，与镍的纯度在98质量％以上的纯镍所形成的镍层扩散接合而得，

所述镍层的硬度在Hv130～170的范围内。

11.根据权利要求10所述的电池用外部端子，其特征在于，

所述铝层和镍层通过厚度在0.4～10.0μm范围内的Al-Ni系金属间化合物层而扩散接合。

12.根据权利要求10所述的电池用外部端子，其特征在于，

所述铝层和镍层通过厚度在1.0～6.0μm范围内的Al-Ni系金属间化合物层而扩散接合。

13.根据权利要求10所述的电池用外部端子，其特征在于，

所述铝层的厚度在25～100μm的范围内，所述镍层的厚度在50～200μm的范围内。

14.根据权利要求11所述的电池用外部端子，其特征在于，

所述铝层的厚度在25～100μm的范围内，所述镍层的厚度在50～200μm的范围内。

15.根据权利要求12所述的电池用外部端子，其特征在于，

所述铝层的厚度在25～100μm的范围内，所述镍层的厚度在50～200μm的范围内。

16.一种铝/镍包覆件的制造方法，其特征在于，包括：

将由镍的纯度在98质量％以上的纯镍所形成的镍片加热到100～300℃的加热工序；

将由加热后的镍片与由铝的纯度在98质量％以上的纯铝所形成的铝片重合，然后以10～17％的压下率，进行压接获得压接片的压接工序；和

对所述压接片进行扩散退火的扩散退火工序；

其中，由扩散退火的压接片的镍片形成的镍层的硬度在Hv130～170的范围内。

17.根据权利要求16所述的铝/镍包覆件的制造方法，其特征在于，

所述扩散退火在500～600℃的温度范围内进行。

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