CN105695803A

CN105695803A - 矩形电池壳体用铝合金板

Info

Publication number: CN105695803A
Application number: CN201510888094.5A
Authority: CN
Inventors: 小林德; 小林一德; 小西晴之
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-07
Also published as: KR101761026B1; JP2016113627A; CN105695803B; JP6189823B2; KR20160070707A

Abstract

一种铝合金板，其含有Cu为0.05质量％以上、0.5质量％以下，Mg为0.2质量％以上、0.7质量％以下，Mn为0.8质量％以上、1.5质量％以下，Si为高于0.2质量％、并在0.5质量％以下，Fe为0.2质量％以上、0.8质量％以下，余量由Al和不可避免的杂质构成。使铝合金板所含有的Al－Fe系金属间化合物之中Al－Fe－Mn－Si金属间化合物(α相)的个数的比例为50％以上，将抗拉强度调整至180MPa以上、200MPa以下。因此，对于Al－Mn系铝合金板进行冲压加工(多级深拉－减薄加工)而制造矩形电池壳体时，可防止矩形电池壳体发生裂纹，或由于与矩形电池壳体的侧壁咬合而引起的竖条纹花样。

Description

矩形电池壳体用铝合金板

技术领域

本发明涉及用于锂离子二次电池壳体等的矩形电池壳体用铝合金板。

背景技术

作为移动电话和笔记本型个人电脑等的电源，锂离子二次电池被广泛使用，而由于其优异的特性，近年来，也开始作为电动汽车和混合动力汽车的电源被采用。作为该二次电池的外壳的矩形壳体(以下，称为矩形电池壳体)的材料，为了满足电池的小型化和轻量化，而且为了满足用于成形为矩形电池壳体(主要是矩形电池壳体主体)的成形性等，而使用铝合金板。

矩形电池壳体是对铝合金板施加冲压加工(深拉-减薄加工)而制造，装入电极剂(电极和电解液)后，与盖构件进行激光焊接。因此，电池壳体用铝合金板需要有优异的冲压加工性和激光焊接性。另外，矩形电池壳体还需要有对抗电池膨胀的强度或保护电极剂免受外部冲击的强度。

具备这样的冲压加工性、激光焊接性及强度(对矩形电池壳体进行冲压加工后的强度)的铝合金板，大量开发的是以JIS3005为基础的Al－Mn系铝合金板(参照专利文献1～4)。

【先行技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2001－181766号公报

【专利文献2】日本特开2002－294379号公报

【专利文献3】日本特开2003－242937号公报

【专利文献4】日本特开2003－3226号公报

矩形电池壳体，例如是使用多工位压力机，对于作为原材的铝合金板施加冲压加工(多级深拉－减薄加工)而被成形。但是存在的问题是，矩形电池壳体越大型化，以及底面的长边宽度/短边宽度比越大，由于严苛的冲压加工，矩形电池壳体越容易发生裂纹和竖条纹状的表面缺陷。

矩形电池壳体的裂纹，在矩形电池壳体的靠近底面的角部和靠近侧壁的底面的部位发生。作为该裂纹发生的原因，例如可列举底面的角部的R严苛时，材料侧的变形不能追随，以及多级深拉－减薄加工的上一道工序中作为底面的角部的地方，在下道工序中移动到侧面被拉伸而薄壁化等。竖条纹状的表面缺陷，是形成于矩形电池壳体的侧壁的细小的伤痕，其形成是由于受到深拉－减薄加工的铝合金板与金属模具刮擦而附着上材料，在深拉－减薄加工的过程中，矩形电池壳体的侧壁一边刮擦该附着物一边往返而导致。还有，该竖条纹状的表面缺陷不会影响矩形电池壳体的强度，但有损害矩形电池壳体的外观这样的问题。

发明内容

本发明是为了解决对于以JIS3005为基础的Al－Mn系铝合金板进行冲压加工(多级深拉－减薄加工)而制造矩形壳体时所产生的上述的问题点而形成，其目的在于，提供一种冲压加工性优异的矩形壳体用铝合金板。

本发明的矩形电池壳体用铝合金板，其特征在于，含有Cu为0.05质量％以上、0.5质量％以下，Mg为0.2质量％以上、0.7质量％以下，Mn为0.8质量％以上、1.5质量％以下，Si高于0.2质量％、0.5质量％以下，Fe为0.2质量％以上、0.8质量％以下，余量由Al和不可避免的杂质构成，板中所含有的Al－Fe系金属间化合物之中，Al－Fe－Mn－Si金属间化合物(α相)占据50％以上的个数，并且抗拉强度为180MPa以上、200MPa以下。

在由上述铝合金板构成的矩形电池壳体中，侧壁宽幅度面的硬度在65MHv以上，80MHv以下为宜。

本发明的铝合金板冲压加工性优异，通过冲压加工(多级深拉－减薄加工)制造矩形电池壳体时，能够防止矩形电池壳体发生裂纹和竖条纹状的表面缺陷。竖条纹状的表面缺陷，虽然不会影响矩形电池壳体的强度，但目视矩形电池壳体时，以侧壁为主在宽幅面上可辨认出竖条纹纹样，其醒目时，存在损害矩形电池壳体外观这样的问题。矩形电池壳体越大型，底面的长宽－短宽比越大，该裂纹和竖条纹状的表面缺陷越容易发生，但改善了这一点的本发明的铝合金板，即使是在大型或/和底面的长边宽度/短边宽度比大的矩形电池壳体的制造中也能够适合应用。

另外，本发明的铝合金板激光焊接性优异。此外，冲压加工后的矩形电池壳体，具有作为锂离子二次电池用壳体适当的强度。

具体实施方式

以下，对于本发明的矩形电池壳体用铝合金板，更具体地加以说明。(铝合金板的组成)

Cu：0.05质量％以上，0.5质量％以下

Cu通过固溶强化提高铝合金板的强度，具有使矩形电池壳体在冲压加工后的强度提高的作用效果。但是，Cu的含量低于0.05质量％时，这一作用效果小，另一方面，若Cu的含量高于0.5质量％，则强度高且加工硬化性变得过大，在冲压加工中发生裂纹。另外，若Cu的含量高于0.5质量％，则即使采用CW(连续波式)激光焊接中也容易发生焊接裂纹。因此，Cu含量为0.05质量％以上，0.5质量％以下。

Mg：0.2质量％以上，0.7质量％以下

Mg通过固溶强化提高铝合金板的强度，具有使方矩形电池壳体在冲压加工后的强度提高的作用效果。但是，Mg的含量低于0.2质量％时，这一作用效果小，另一方面，若Mg的含量高于0.7质量％，则强度高且加工硬化性变得过大，冲压加工中发生裂纹。另外，若Mg的含量高于0.7质量％，则即使采用CW(连续波式)激光焊接也容易发生焊接裂纹。因此，Mg含量为0.2质量％以上，0.7质量％以下。

Mn：0.8质量％以上，1.5质量％以下

Mn在母相内固溶，提高铝合金板的强度，具有使矩形电池壳体在冲压加工后的强度提高的作用效果。但是，若Mn的含量低于0.8质量％，则这一作用效果小，另一方面，若Mn的含量高于1.5质量％，则粗大的金属间化合物(Al－Fe－Mn系金属间化合物)生成，容易成为冲压加工时的裂纹的起点，铝合金板的冲压加工性降低。因此，Mn含量为0.8质量％以上，1.5质量％以下的范围。

Si：高于0.2质量％并在0.5质量％以下

Si与其他的元素(Al、Fe、Mn)结合，形成Al－Fe－Mn－Si金属间化合物(α相)。在本发明的铝合金中，除此之外，还会形成Al－Fe－Mn金属间化合物和Al－Fe－Si金属间化合物等的Al－Fe系金属间化合物，这些化合物比母相硬。这些金属间化合物具有的作用是，在深拉－减薄加工时，使铝母相与金属模具的摩擦力降低，并且刮掉附着在金属模具上的铝，防止壳体表面发生竖条纹状的表面缺陷。在这些金属间化合物之中，因为Al－Fe－Mn－Si金属间化合物(α相)比其他的金属间化合物硬，所以防止铝材料对金属模具附着的作用也大，其结果是，防止矩形电池壳体的侧壁发生竖条纹状的表面缺陷的作用大。但是，Si含量在0.2质量％以下时，该作用小。另一方面，若Si含量高于0.5质量％，则上述作用饱和，金属间化合物粗大化，其容易成为冲压加工时的裂纹的起点，此外即使采用CW(连续波式)激光焊接，也容易发生焊接裂纹。因此，Si含量高于0.2质量％，并在0.5质量％以下。优选Si含量为0.21质量％以上。Fe：0.2质量％以上，低于0.8质量％

Fe以铝合金中所形成的Al－Fe系金属间化合物为基点，使再结晶组织微细化，具有提高冲压加工性的作用效果。但是，若Fe含量低于0.2质量％，则这一作用效果小，另一方面，若Fe含量高于0.8质量％，则Al－Fe系金属间化合物粗大化，其容易成为冲压加工时的裂纹的起点。因此，Fe含量为0.2质量％以上，0.5质量％以下。

(Al－Fe－Mn－Si金属间化合物的比例)

如先前所述，Al－Fe－Mn－Si金属间化合物(α相)，与其他的Al－Fe系金属间化合物相比，防止冲压加工时在壳体表面发生竖条纹状的表面缺陷的作用大。铝合金板中所含的Al－Fe系金属间化合物之中，Al－Fe－Mn－Si金属间化合物占据的个数的比例低于50％时，如后述的实施例所示，防止铝材料附着在金属模具上，从而防止壳体表面发生竖条纹状的表面缺陷的作用小。因此，铝合金板中所含的Al－Fe系金属间化合物之中，Al－Fe－Mn－Si金属间化合物占据的个数的比例为50％以上，为此，Si含量需要高于0.2质量％，优选为0.21质量％以上。

还有，Al－Fe系金属间化合物中，除了Al－Fe－Mn－Si金属间化合物以外，也包括Al－Fe－Mn金属间化合物和Al－Fe－Si金属间化合物。

(铝合金板的抗拉强度)

上述铝合金板的抗拉强度低于180MPa时，在冲压加工后的矩形电池壳体中，得不到实用上需要的强度(以维氏硬度计为65MHv以上)。另一方面，铝合金板的抗拉强度高于200MPa时，在冲压加工中矩形电池壳体的强度过度上升，容易发生裂纹。因此，本发明的铝合金板的抗拉强度，为180MPa以上，200MPa以下。

(矩形电池壳体的维氏硬度)

经冲压加工而得到的矩形电池壳体实用上所需要的强度(侧壁宽幅面的强度)，以维氏硬度计为65MHv以上。为了得到该维氏硬度，优选冲压加工前的铝合金板的抗拉强度为180Pa以上。另一方面，冲压加工前的铝合金板的抗拉强度高于200Pa时，加工后的矩形电池壳体的硬度以维氏硬度计高于85MHv，冲压加工中容易发生裂纹。因此，对于上述铝合金进行冲压加工所得到的矩形电池壳体的维氏硬度的适当值为65MHv以上，85MHv以下。

(铝合金板的制造)

本发明的铝合金板，能够由以下的工序制造。

熔炼、铸造既定成分的铝合金而制作铸锭，对于该铸锭实施面切削后，以570℃以上且低于铝合金的熔点的温度，实施优选为2小时以上的均质化热处理。接下来对于经过均质化热处理后的铸锭进行热轧，接着进行冷轧，以中间退火使之再结晶后，进行最终冷轧。最终冷轧是用于使铝合金板达到既定的板厚，并且进行强度的调整的工序，为了使铝合金板的抗拉强度为200MPa以下，加工率优选抑制在低于30％。

(激光焊接)

CW(连续波式)激光焊接，利用连续线能量使焊接部的熔融铝保温，呈容易流动的状态，以使熔融铝追随的方式填充焊接部的凝固收缩的间隙。因此，与脉冲激光焊接相比，焊接部不会残余应力，即使在铝合金板的Si、Mg、Cu的含量比较多时，焊接裂纹也难以发生。另外，CW激光焊接为高输出功率，因此能够提高焊接速度，使焊接密封操作的生产率提高，能够确保充分的熔深深度，因此也可以进行厚度高的大型的矩形电池壳体的焊接。

还有，本发明的铝合金板的激光焊接，除了CW激光以外，也能够应用脉冲激光，和脉冲激光与CW激光的并用方式。

(矩形电池壳体的形状、尺寸)

本发明的铝合金，除了主要作为移动电话和笔记本型个人电脑的电源使用的小型的矩形电池壳体(参照专利文献1～4)的以外，也能够用于车载用的大型的电池壳体的制造。车载用的大型矩形电池壳体，为底面的短宽10mm以上，长宽70mm以上，高度60mm以上(均为壳体外侧的尺寸)，底面的长宽/短宽比为4～12左右。

【实施例】

(铝合金板的制作方法)

熔炼、铸造表1所示的组成的铝合金而作为铸锭，对于该铸锭实施面切削后，以590℃、570℃或550℃实施均质化热处理。对于该经过均质化的铸锭实施热轧，再实施冷轧而作为铝合金板后，进行中间退火。在中间退火中，将冷轧后的轧制板加热到480℃，并在该温度下保持30秒后，进行冷却。最后，以压下率25％、18％或40％进行最终冷轧而作为板厚1.0mm的铝合金板(H材：加工硬化状态材)。表1中显示均质化处理的温度及最终冷轧的轧制率。

【表1】

*本发明的规定范围外之处

使用制作的铝合金板，按下述要领测量和评价铝合金板的力学特性、金属间化合物的分布状态、冲压加工性、冲压加工后的壳体的维氏硬度、激光焊接性。其结果显示在表2中。

(板材的力学特性)

从铝合金板上，使拉伸方向与轧制方向平行而切下JIS5号拉伸试验片，实施基于JISZ2241的规定的拉伸试验，测量抗拉强度、屈服强度(0.2％屈服强度)和伸长率。强度的合格标准为，抗拉强度在180MPa以上，200MPa以下。

(金属间化合物的分布状态)

从铝合金板上切下试验片进行树脂包埋，使轧制面为观察面而进行研磨成为镜面，用扫描型电子显微镜(SEM)，以加速电压20KV，倍率500倍的合成(COMPO)像，观察该经过镜面化的面。比母相显得白的部分视为Al－Fe系金属间化合物，随意选择40个Al－Fe系金属间化合物。对于选择的Al－Fe系金属间化合物，进行EDS(EnergyDispersiveX-raySpectroscopy)测量，将含有Si、Fe、Mn的化合物判断为Al－Fe－Mn－Si金属间化合物(α相)，统计其个数(n)。接着，计算Al－Fe系金属间化合物中所占的Al－Fe－Mn－Si金属间化合物(α相)的个数的比例((n/40)×100％)。以下，有将该比例简称为α相比率的情况。

还有，板表面的Al－Fe系金属间化合物整体的面积率无论什么情况均为2～3％，没有明显差异。

(冲压加工性)

使用多工位压力机，使侧壁的减薄加工率为40％，对于铝合金板实施多级深拉－减薄加工，成形底面为短边15mm×长边120mm，侧壁的高度90mm(均为外侧轮廓尺寸)的矩形电池壳体主体。这时，可以无裂纹进行冲压加的判定为冲压加工性优异“○”，冲压加工时发生了裂纹的判定为冲压加工性差“×”。

另外，在矩形电池壳体的侧壁的宽幅面发生的竖条纹纹的深度，用WYKO装置(白光干涉型显微镜：VeecoInstrumentsInc.社制的NT3300)进行测量。竖条纹的最大深度为2μm以下的判定为冲压加工性优异“○”，最大深度高于2μm的判定为冲压加工性差“×”。还有，该竖条纹是附着在冲压模具上的铝在冲压加工中损坏壳体表面而形成的。竖条纹的最大深度为2μm以下时，未发生目视评价时特别醒目的竖条纹花样，最大深度高于2μm时，发生目视评价时醒目的竖条纹花样。

(壳体加工品的硬度(强度))

使用显微维氏硬度计评价所得到的矩形电池壳体主体的硬度。硬度的测量，是从所得到的矩形电池壳体主体的侧壁的宽幅面的宽度方向中央的底部起，在总高度(90mm)的1/4、2/4、3/4高度的部位进行，求得3处的平均值。其中，在No.16、18、20、23～29、32中，因为壳体发生了裂纹，所以避开裂纹发生的部分而从侧壁的宽幅面的宽度方向中央，选定3处与所述测量部位尽可能近的部位，进行硬度的测量，求得3处的平均值。

(焊接性评价试验)

从铝合金板上切下30mm×100mm尺寸的试验片，使用以CW(连续波式)纤维激光器(IPGフォトニクスジャパン株式会社制，型号：YLR－10000)作为热源的焊接机，以90mm焊接长度进行平板堆焊。焊接条件为，激光输出功率2.5～3.0kW，焊接速度6.0m/分，前进角5deg.，使焊接部的熔深深度为0.4～0.5mm而调整激光输出功率。焊缝未发生裂纹的判定为激光焊接性良好“○”，发生了裂纹的判定为激光焊接性不良“×”。

【表2】

*本发明的规定范围外之处

**Al-Fe系金属间化合物的Al-Fe-Mn-Si金属间化合物的个数的比例

如表1、2所示，No.1～14的铝合金板，合金组成满足本发明的规定，抗拉强度和Al－Fe系金属间化合物中所占的Al－Fe－Mn－Si金属间化合物的个数的比例(以下，称为α相比率)在本发明的规定范围内。No.1～14冲压加工性优异，在深拉－减薄加工中未发生裂纹，最大深度高于2μm的竖条纹花样的发生受到抑制。另外，No.1～14其矩形电池壳体的强度(硬度)在作为适当值的MHv65～85的范围内，激光焊接性也优异。

另一方面，No.15～32的铝合金板是本发明的比较例，合金组成、抗拉强度、α相比率的某一项在本发明的规定范围外。

No.15因为Cu含量不足，No.17因为Mg含量不足，No.19因为Mn含量不足，所以铝合金板的抗拉强度均小，冲压加工后的矩形电池壳体的强度(硬度)低。

No.16因为Cu含量过剩，No.18因为Mg含量过剩，No.20因为Mn含量过剩，所以铝合金板的抗拉强度均过大，在冲压加工中发生裂纹，冲压加工后的矩形电池壳体强度(硬度)过度上升。另外，No.16、18激光焊接性也差。

No.21、22因为Si含量不足，所以α相比率均小，冲压加工后的矩形电池壳体的侧壁面发生最大深度超过2μm的竖条纹花样。

No.23因为Si含量过剩，所以在冲压加工中发生裂纹，激光焊接性也差。

No.24因为Fe含量不足，No.25因为Fe含量过剩，所以冲压加工中均发生裂纹。

No.26因为Si和Fe含量不足，所以α相比率小，在冲压加工中发生裂纹，在冲压加工后的矩形电池壳体的侧壁面形成最大深度超过2μm的竖条纹花样。

No.27因为Si和Fe含量过剩，所以铝合金板的抗拉强度过大，在冲压加工中发生裂纹，激光焊接性也差。

No.28因为Cu和Mg的含量过剩，No.29因为Cu和Mn含量过剩，所以铝合金板的抗拉强度均过大，在冲压加工中发生裂纹，在冲压加工后的矩形电池壳体强度(硬度)过度上升。No.28、29激光焊接性也差。

No.30、31因为α相比率小，所以在冲压加工后的矩形电池壳体的侧壁面形成最大深度超过2μm的竖条纹花样。No.30、31中α相比率之所以小，认为是由于均质化处理的温度过低。

No.32因为铝合金板的抗拉强度高于200MPa，所以在冲压加工中发生裂纹。No.32中铝合金板的抗拉强度之所以高于200MPa，认为是由于最终冷轧的轧制率过大。

Claims

1.一种矩形电池壳体用铝合金板，其含有：

Cu为0.05质量％以上但在0.5质量％以下、

Mg为0.2质量％以上但在0.7质量％以下、

Mn为0.8质量％以上但在1.5质量％以下、

Si高于0.2质量％但在0.5质量％以下、

Fe为0.2质量％以上但0.8质量％以下、

余量由Al和不可避免的杂质构成，

其中所含有的Al－Fe系金属间化合物之中，Al－Fe－Mn－Si金属间化合物占据50％以上的个数，

并且，抗拉强度为180MPa以上但在200MPa以下。

2.一种矩形电池壳体，其特征在于，是由权利要求1所述铝合金板构成的矩形电池壳体，其中，其侧壁宽幅面的硬度为65MHv以上但在80MHv以下。