CN100500901C - 电池壳体用铝合金板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电池壳体用铝合金板，其成形性和激光焊接性优良，同时，即使由于充放电的反复进行而引起壳体内部的温度以及压力上升，壳体的膨胀变形量也很小，其特征是含有Mn：1.0%以上1.5%以下、Mg：0.3%以上0.8%以下、Cu：0.3%以上0.6%以下、Si：0.05～0.25%、Fe：0.2～0.5%，并包括残余部Al及杂质而构成，是由具有满足3Cu(%)＜Mn(%)+Mg(%)的组成的铝合金板的板材构成。该板材是通过将上述铝合金中间退火后，进行成形率为20～60%的最终冷轧而制成。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池壳体用铝合金板、更详细地说是使用于移动电话或笔记本电脑等的锂离子电池等的电池壳体用铝合金板及其制造方法。
背景技术
近年来，移动电话和笔记本电脑的普及非常显著，为了便于携带，对组装部件的轻量化要求也越来越强。尤其是在重量方面，电池所占的重量非常大，所以进行着对电池内容纳物和电池壳体的轻量化，对于电池内容纳物，开发出了高容量且重量轻的锂离子电池，而对于电池壳体，也由钢板或者不锈钢钢板向转变为铝合金板的方向发展。
当用铝合金板制作电池壳体时，由于电池壳体为方形，因此产生这样的成形性能方面的问题，即必须要通过多个工序的断面收缩及减薄拉深的组合来成形，为此尝试了成形性良好、成形加工后能够得到具有光泽的表面状态的A3003合金板的适用性。
但是，对于电池壳体不仅要求成形性能，为了通过激光焊接对盖材(纯铝A1050等)进行封口，还要求激光焊接性能，而且还要求能够承受由充放电循环时的温度上升或者置于汽车内时的温度上升(40～90℃)所引起的电池内容纳物的膨胀而产生的内部压力的增大的优良的蠕变特性。
这种情况下，由A3003合金板形成的电池壳体具有这样的难点，即仅仅使其厚度减薄，则无法承受由电池内容纳物的膨胀引起的内部压力，而引起电池壳体膨胀，这种情况并不少，从而有可能产生故障或损坏等致命的状况。作为对策而增加电池壳体材料厚度，则使得壳体的重量增加，所以结果并不好。
作为难以蠕变变形、在断面收缩及减薄拉深成形成方形形状方面优良的铝合金板，有建议使用方形电池用铝合金制壳体材料(特开2000-336448号公报，即Japan Publicly Disclosed No.2000-336448)，其是由含有Mn0.3～1.5％、Si0.1～0.5％、Fe 0.3～1.0％、Cu 0.5％以下、Mg 0.1～1.2％、并包括残余部Al以及不可避免的杂质而形成的铝合金构成，也有建议使用电池框体用铝合金材料(特开2001-3131号公报，即Japan Publicly Disclosed No.2001-3131)，其含有Si 0.1～0.5％、Mg 0.1～1.5％、Cu 0.02～1.5％，还含有Mn 1.5％以下、Fe 1.0％以下，并包括残余部A1及不可避免的杂质而形成，但是这些材料只考虑了蠕变特性和激光焊接性两个方面，而没有具备作为电池壳体必须具有的充分的特性。
发明内容
本发明是为了解决上述公知电池壳体用铝合金板的问题点，以3000系列铝合金板为基础，对成分组成的组合以及制造条件与成形性、激光焊接性、蠕变特性之间的关系进一步反复进行试验、研究而成，其目的在于提供一种电池壳体用铝合金板及其制造方法，其成形性及激光焊接性优良，同时，即使由于反复的充放电而引起壳体内温度及压力的上升，壳体的膨胀变形量也非常小。
为了实现上述目的，本发明所述的电池壳体用铝合金板的特征是，含有Mn：1.0％以上1.5％以下、Mg：0.32％以上0.75％以下、Cu：0.32％以上0.52％以下、Si：0.05～0.25％、Fe：0.2～0.5％，并包括残余部A1及杂质而构成，具有满足3Cu(％)<Mn(％)+Mg(％)的组成。
本发明所述的电池壳体用铝合金板，其特征是，含有Mn：1.0％以上1.5％以下、Mg：0.32％以上0.75％以下、Cu：0.32％以上0.52％以下、Si：0.05％以上0.20％以下、Fe：0.2～0.5％，并包括残余部A1及杂质而形成，具有满足3Cu(％)<Mn(％)+Mg(％)的组成。
本发明所述的电池壳体用铝合金板，其特征是在90℃的温度条件下，负载200个小时的100MPa的应力的状态下的蠕变应变为0.4％以下。
另外，本发明所述的电池壳体用铝合金板的制造方法，其特征是将具有上述组成的铝合金板熔化、铸造、均质化处理及热轧后，无需冷轧而进行中间退火或者冷轧后进行中间退火，之后进行成形率为20～60％的最终冷轧。
附图说明
图1是表示蠕变试验片以及蠕变应变测定装置的概略图；
图2是蠕变试验的概略图。
具体实施方式
若对本发明的电池壳体用铝合金板中的合金成分的意义以及限定理由进行说明，则重要的一点是Mn是对提高蠕变特性具有有效功效，且为固熔状态。固熔Mn原子即使在40～90℃的温度下也具有抑制转位的移动的效果，难以蠕变变形，因此为了提高蠕变特性而使固熔Mn的含量高是非常重要的。
另外，Mn在铸造合金时、均质化处理时形成Al-Mn-Fe化合物。虽然由于Al-Mn-Fe化合物的形成而使Mn固熔量减少，但是Al-Mn-Fe化合物是使减薄拉深加工时的板表面性质良好的不可缺少的物质，由于Al-Mn-Fe化合物的存在，防止烧结于原料的工具(铸模)上，而能够得到具有金属光泽的减薄拉深面。Mn的含量最好是在1.0％以上1.5％以下的范围内，若在1.0％以下则无法得到防止电池壳体膨胀的充分的蠕变特性，超过1.5％时，铸造时容易形成粗大的Al-Mn-Fe化合物，在断面收缩成形、减薄拉深中容易产生裂纹。
Mg是对提高蠕变特性具有有效功效的元素，与Mn相同，固熔Mg原子在40～90℃的温度下具有抑制转位的移动的效果，难以蠕变变形。Mg的含量最好是在0.3％以上0.8％以下的范围内，若在0.3％以下则提高蠕变特性的效果较小，若在0.8％以上时，在激光焊接时容易产生空隙，甚至有可能出现气孔或裂纹。
Cu与Mn、Mg相同，在固熔状态下发挥抑制转位移动的作用，难以发生蠕变变形。在激光焊接中，当熔融了的基体凝固时，Cu部分固熔，形成Al-Cu、Al-Mg-Cu以及Al-Mn-Cu化合物，其中Al-Cu共晶化合物的熔点低，成为凝固时产生龟裂的原因。为了防止形成Al-Cu共晶化合物的形成，需要使Cu和Mg或Mn结合，形成Al-Mg-Cu化合物或者Al-Mn-Cu化合物，因此严格管理好Cu的含量是非常重要的。Cu的含量最好是在0.3％以上0.6％以下的范围内，若在0.3％以下时提高蠕变特性的效果很小，若在0.6％以上时容易产生Al-Cu共晶化合物，在激光焊接时容易发生产生龟裂。
需要具有Mn、Mg以及Cu的含量满足3Cu(％)<Mn(％)+Mg(％)关系的量的关系。当右边的(Mn(％)+Mg(％))变大时，Al-Cu共晶化合物的形成被抑制，通过激光焊接能够进行彻底的封口处理，但是当左边(3Cu(％))变大时，在激光焊接凝固时生成低熔点的Al-Cu共晶化合物而产生裂纹，而难以确保电池壳体的密闭性。
Si在合金的均质化处理或者热轧时形成Al-Mn-Si化合物，使得Mn的固熔量下降。另外，在激光焊接过程中容易产生空隙，成为产生气孔或裂纹的原因。Si的含量优选是在0.05～0.25％的范围内，若超过0.25％，则产生上述的问题。若Si的含量小于0.05％，则必须要使用高纯度的基体金属，增加了制造成本。Si的进一步优选含量为0.05％以上0.20％以下，由于0.20％以下的含量，蠕变特性更优秀。Si的最优选含量范围是0.10～0.18％。
Fe在合金的铸造时，在均质化处理时，形成Al-Mn-Fe化合物。虽然由于Al-Mn-Fe化合物的形成而减少了Mn的固熔量，但Al-Mn-Fe化合物是使减薄拉深时的板表面性质良好所必须的。Fe的优选含量在0.2～0.5％的范围内，若在0.5％以上，则在铸造时容易产生粗大的Al-Mn-Fe化合物，成为减薄拉深过程中产生裂纹的原因。并且由固熔Mn引起的提高蠕变特性的效果低下。当Fe的含量在0.2％以下时，必须要使用高纯度的基体金属，增加了制造成本。Fe的进一步优选含量范围为0.3～0.45％。另外，本发明的铝合金板即使含有0.5％以下的Ti、0.1％以下的B、0.3％以下的Cr、0.3％以下的Zn也不会影响本发明的性能。
对本发明的铝合金板的制造进行说明，将具有上述组成的铝合金板通过如半连续铸造等进行造块，将得到的铸块通过常用的方法进行均质化处理、热轧，在热轧后直接进行中间退火，或者热轧后进行冷轧之后再进行中间退火，中间退火之后进行成形率为20～60％的最终冷轧。
在本发明的上述工序中，最终冷轧的成形率(压减率)对减薄拉深性以及蠕变特性有影响。最终冷轧的优选成形率为20～60％，若在20％以下时，作为电池壳体的壳体强度不足，40～90℃下的蠕变初期的瞬间应变量变得很大。若压减率超过60％时，材料强度变得很大，变形性很低，因此无法承受方形电池壳体成形中的多段减薄拉深，产生裂纹的情况比较多。进一步优选最终冷轧成形率是30～50％的范围。
实施例
下面，对比比较例说明本发明的实施例，以实际验证其效果。另外，这些实施例仅表示本发明的一个实施形式，本发明并不限定于此。
实施例1
利用通常的方法对具有表1所示组成的铝合金铸块进行均质化处理、热轧后，进行冷轧。接着，用盐浴在450℃下维持90秒后进行空气冷却的中间退火，然后以表2所示的压减率进行最终冷轧，形成厚度为0.6mm的铝合金板，作为试验材料。另外，中间退火前的冷轧的成形率是考虑了最终冷轧的成形率和最终厚度而进行了适当的调整。
用下述的方法，对所得的试验材料进行拉伸试验、成形试验、激光焊接试验以及蠕变试验。
拉伸试验：采用JIS5号试验片，根据JIS Z2241在常温下进行拉伸试验，取得拉伸性质。
成形试验：壁面的减薄拉深率为50％，形成长6mm、宽35mm、高50mm的方形壳体，观察是否有无裂纹或者粉斑，若裂纹、粉斑都没有发生则判定为良好(○)，若发生了其中任意一个则判断为不良(X)。
激光焊接试验：在由上述而形成的方形壳体上，用激光焊接对由A1100(O材料)构成的盖进行封口，使得从壳体底部传送压缩空气，在水中观察从激光焊接部有无气泡产生，由此评价激光焊接性，若没有产生气泡的则评价为良好(○)，产生气泡的则评价为不良(X)。另外，激光焊接是在脉冲数为40Hz、每次的照射能量为8J、焊接速度为400mm/分的条件下进行的。
蠕变试验：蠕变试验是将试验片保持于一定温度下，对其施加一定的重量，测定随时间变化的应变，由该结果得出蠕变曲线以及蠕变强度。作为试验片，进一步将试验材料冷轧到与壳体壁面相同的厚度，由得到的板材中选取如图1所示的平行部宽W为12mm、长L为30mm的试验片1。
在试验片1的平行部上事先贴付薄片应变计量仪器，如图2所示，将试验片1置于电加热炉3的内部，维持90℃的温度的同时，用支撑物5支撑试验片1的一端，在另一端，以6为支点施加负重4，使得施加100Mpa的应力，如图1所示，通过计量仪器导线7、惠斯登电桥8、放大器9、XL记录器10记录施加了200个小时的负重4的状态下的应变计量仪器的阻力值变化，换算成应变变化进行读取，蠕变应变的值为0.4％以下的判断为蠕变特性良好，超过0.4％的判断为不良。另外，本发明的蠕变应变是由JIS G0202定义的蠕变应变。
试验结果示于表2中。如表2所示，根据本发明的任意一个试验材料，作为电池壳体都具有足够的强度，成形性以及激光焊接性优良，具有蠕变应变为0.4％以下的优良的蠕变特性。
表1
表2
比较例1
利用通常的方法对具有表3所示组成的铝合金铸块进行均质化处理、热轧后，进行冷轧。接着，用盐浴在450℃温度下维持90秒后进行空气冷却的中间退火，然后以表4所示的压减率进行最终冷轧，形成厚度为0.6mm的铝合金板，作为试验材料。另外，中间退火前的冷轧的成形率是考虑了最终冷轧的成形率和最终厚度而进行了适当的调整。
用与实施例1相同的方法，对所得的试验材料进行拉伸试验、成形试验、激光焊接试验以及蠕变试验。其结果示于表4。另外，在表3～表4中，对脱离本发明的条件的内容划了下划线。
表3
表注：合金R是3003合金。
表4
如表4所示，试验材料No.13由于最终冷轧量很大，所以在方形壳体成形时产生裂纹。试验材料No.14由于最终冷轧量很小，所以蠕变应变超过0.4％，蠕变特性差。试验材料No.15由于Mn量少，所以蠕变应变超过0.4％，蠕变特性差。试验材料No.16由于Mg量多，所以方形壳体成形时产生裂纹或者粉斑，激光焊接部产生裂纹。
试验材料No.17由于不满足Mn、Mg、Cu量的关系式，所以在激光焊接部产生裂纹。试验材料No.18由于Cu量少，所以蠕变应变超过0.4％，蠕变特性差。试验材料No.19由于Mn量、Fe量多，所以在铸造时生成粗大的结晶物，在方形壳体成形时产生裂纹。试验材料No.20由于Cu量多，且不满足Mn、Mg、Cu量的关系式，所以在激光焊接部产生裂纹。试验材料No.21由于使用了以往的A3003合金，所以其强度、蠕变特性差。
根据本发明，提供了一种电池壳体用铝合金板及其制造方法，其成形性和激光焊接性优良，同时，即使由于充放电的反复进行而引起壳体内部的温度以及压力上升，壳体的膨胀变形量很小。
Claims (3)
1.一种电池壳体用铝合金板，其特征在于，含有Mn：1.0质量％以上1.5质量％以下、Mg：0.32质量％以上0.75质量％以下、Cu：0.32质量％以上0.52质量％以下、Si：0.05～0.25质量％、Fe：0.2～0.5质量％、并包括残余部Al及杂质而构成，具有满足3Cu(质量％)<Mn(质量％)+Mg(质量％)的组成；并且在90℃的温度条件下，在负载200个小时的100MPa的应力的状态下的蠕变应变为0.4％以下。
2.一种电池壳体用铝合金板，其特征在于，含有Mn：1.0质量％以上1.5质量％以下、Mg：0.32质量％以上0.75质量％以下、Cu：0.32质量％以上0.52质量％以下、Si：0.05质量％以上0.20质量％以下、Fe：0.2～0.5质量％、并包括残余部Al及杂质而构成，具有满足3Cu(质量％)<Mn(质量％)+Mg(质量％)的组成；并且在90℃的温度条件下，在负载200个小时的100MPa的应力的状态下的蠕变应变为0.4％以下。
3.一种电池壳体用铝合金板的制造方法，制造权利要求1或2所述的铝合金板，其特征在于，将具有权利要求1或2所述组成的铝合金熔化、铸造、均质化处理及热轧后，无需冷轧而进行中间退火或者冷轧后进行中间退火，之后进行成形率为20～60％的最终冷轧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20090617 |