Hintergrund der Erfindung
1. Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes
Material, das ein mit einer Metallfolie beschichtetes
Metallsubstrat mit mehreren perforierten Öffnungen (Löchern)
aufweist.
2. Beschreibung verwandter Fachgebiete
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Herkömmlicherweise erleiden Batterien, die an ihrer
negativen Elektrode ein Alkalimetall wie beispielsweise
Lithium, Natrium oder Kalium als aktives Material verwenden,
manchmal einen Bruch, wenn der Druck in den Batterien über die
Norm erhöht wird. Um das Auftreten eines solchen Bruchs zu
Verhindern, sind Sicherheitsventile sehr gefragt, welche für
den Fall, daß der Druck in der Batterie zu hoch wird, den Druck
nach außen ablassen können, und dementsprechend sind
verschiedene Sicherheitsventile mit unterschiedlichen
Mechanismen vorgeschlagen worden. Um die Sicherheit zu
gewährleisten, daß, selbst wenn die Batterie zufällig bricht,
die gebrochenen Stücke oder der Inhalt der Batterie nicht nach
außen verstreut werden und Menschen verletzen, müssen die
Batterien bei einem niedrigen Druck von nicht mehr als 30
kgf/cm² betrieben werden.
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Von der Trockenzellenbatterie, welche an ihrer negativen
Elektrode ein Alkalimetall als aktives Material verwendet, wird
ferner verlangt, daß sie eine hohe Dichtheit hat. Eine
japanische offengelegte Anmeldung SHO 63-285859 offenbart ein
Sicherheitsventil, welches den Innendruck einer solchen
Batterie nach außen ablassen kann. In dieser Batterie wird ein
Teil der Wand des Batteriebehälters mittels Kaltpressen unter
Verwendung einer Presse dünner gemacht, bis die Dicke des
gepreßten Teils halb so groß wie die ursprüngliche Dicke des
Teils ist. Wenn sich der Innendruck erhöht und einen
vorgegebenen Innendruckpegel erreicht, bricht dementsprechend
der dünner gemachte Wandteil und der Innendruck wird nach außen
abgelassen.
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Um den Innendruck bei einem niedrigen Druck von nicht mehr
als 30 kgf/cm² abzulassen, muß der dünne Wandteil beträchtlich
dünn gemacht werden. Dementsprechend können während der
Preßbearbeitung zur Herstellung eines solchen sehr dünnen
Wandteils feine oder winzige Risse auftreten, und sobald einmal
solche Risse aufgetreten sind, ist der Behälter nicht mehr
dicht. Obwohl der dünner gemachte Wandteil mit einer solchen
Preßbearbeitung gehärtet wird, tritt die Härtung nicht
gleichmäßig auf. Dementsprechend leidet das in der japanischen
offengelegten Anmeldung SHO 63-285859 offenbarte Ablaßventil
auch an dem Nachteil, daß der dünner gemachte Wandteil nicht
immer bei einem vorgegebenen gleichen Druck bricht, selbst wenn
der dünner gemachte Wandteil auf eine gleichmäßige Dicke
gepreßt ist.
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Obwohl ferner ein Ätzverfahren vorgeschlagen worden ist, um
einen Teil der Wand des Batteriebehälters dünn zu machen, ist
es äußerst schwierig, die Dicke des dünner gemachten Wandteils
nach dem Ätzen gleichmäßig zu steuern, und der dünner gemachte
Wandteil neigt dazu, an kleinen Löchern (Nadellöchern) zu
leiden. Dementsprechend müssen die dünner gemachten Wandteile
jedes Batteriebehälters einem Nadellochtest unterzogen werden,
um das Vorhandensein von Nadellöchern zu erfassen.
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Mit dem oben erwähnten Verfahren Äst es auf diese Weise
sehr schwierig, einen dünner gemachten Wandteil
bereitzustellen, der eine einheitliche Dicke hat, so daß insbesondere
unter der Bedingung, daß die Sicherheitsventile betrieben
werden sollen, um Druck bei einem niedrigen Druck von nicht
mehr als 30 kgf/cm² abzulassen, eine zuverlässige
Reproduzierbarkeit des Druckablaßvorgangs nicht erzielt werden
kann.
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Um die Nachteile der oben erwähnten Verfahren zu beheben,
offenbart die japanische offengelegte Anmeldung HEI 5-314959
ein Verfahren, in welchem ein Metallblech mit einer
perforierten Öffnung und ein dünnes Metallblech aneinander
haften, um einen dünnen Wandteil herzustellen, der eine
einheitliche Dicke hat, und ein solches Verfahren stellt einen
Ventilarbeitsdruck bereit, der nicht höher als 30 kgf/cm² ist,
und hat eine zuverlässige Reproduzierbarkeit eines
Druckablaßvorgangs.
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Da in diesem Verfahren jedoch das perforierte Metallblech
und das dünner gemachte Metallblech in einem Vakuumofen erhitzt
werden und unter Druck miteinander heißversiegelt werden,
müssen die Materialien für diese Metallbleche die Bedingung
erfüllen, daß sie unter Druck heißversiegelt werden können. Die
Materialien für diese Metallbleche sind nämlich auf gleiche
Metalle oder Metalle mit ähnlichen physikalischen
Eigenschaften, wie beispielsweise Schmelzpunkt, beschränkt. In
der japanischen offengelegten Anmeldung HEI 5-314959 werden
rostfreier Stahl, Eisen, Nickel und dergleichen als bevorzugte
Materialien für diese Metallbleche vorgeschlagen.
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Um ferner diese Metallbleche unter Druck heißzuversiegeln,
um eine gleichmäßige Haftstärke zu erzielen, muß eine an der
Oberfläche dieser Metallbleche gebildete Oxidschicht durch
Polieren oder dergleichen entfernt werden, und dann müssen die
Metallbleche bei einer hohen Temperatur von ungefähr 1000ºC
erhitzt werden, so daß das Verfahren einen ausgeklügelten
Prozeßablauf und Einrichtungen erfordert. Ferner werden diese
dünnen Metallbleche normalerweise durch Kaltwalzen hergestellt,
so daß sie einem Härten durch Bearbeitung unterzogen werden. Da
die oben erwähnten Metallbleche, die durch Bearbeitung gehärtet
sind, während des Heißversiegelns unter Druck bei einer hohen
Temperatur geglüht werden, ist die mechanische Festigkeit
dieser Metallbleche vor und nach dem Heißversiegelungsprozeß
unterschiedlich. Dementsprechend müssen die Eigenschaften der
Materialien vor der Heißversiegelung, die Heiztemperatur und
die Heizzeit genau gesteuert werden, um die mechanische
Festigkeit (die Grenzfestigkeit, die einen Bruch hervorruft,
wenn sich der Innendruck erhöht) der Metallbleche nach der
Heißversiegelung konstant zu machen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein beschichtetes Material bereitzustellen, welches
vorzugsweise zur Herstellung von Sicherheitsventilen verwendet
wird, die genau bei einem vorgegebenen Druck in einem
Niederdruckbereich brechen, und welches einfach hergestellt
werden kann.
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Das beschichtete Material gemäß der vorliegenden Erfindung
weist ein Metallsubstrat, das mit mehreren perforierten
Öffnungen, (Löchern) versehen ist, und eine Metallfolie auf, die
an das Metallsubstrat geschichtet ist, um die perforierten
Öffnungen zu schließen. Mindestens eine Oberfläche des
Metallsubstrats, das mehrere perforierte Öffnungen hat, und die
entsprechende Oberfläche der Metallfolie werden unter den
Bedingungen, wie in Ansprüchen 1 oder 2 definiert, einer
Trockenätzung unterzogen, und die geätzten Oberflächen liegen
sich als innere Oberfläche des Metallsubstrats und als innere
Oberfläche der Metallfolie gegenüber. Mehrere perforierte
Öffnungen werden in ein Metallblech geformt, um so das
Metallsubstrat herzustellen, und eine Oberfläche des
Metallsubstrats wird einer Trockenätzung unterzogen und die
Metallfolie wird auf die geätzte Oberfläche des Metallsubstrats
geschichtet. In dem beschichteten Material gemäß der
vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, daß das Metallsubstrat
oder die Metallfolie mit einem Nickelüberzug versehen ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines
beschichteten Materials gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die
die Art und Weise der Herstellung des beschichteten Materials
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die
die Vorrichtung zur Herstellung des beschichteten Materials
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Fig. 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines
Sicherheitsventilscheibchens, das aus dem beschichteten
Material gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
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Fig. 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines
Deckels eines Behälters, an welchem das
Sicherheitsventilscheibchen angebracht wird.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Das beschichtete Material gemäß der vorliegenden Erfindung
wird nachstehend detailliert in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen erklärt.
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In Fig. 1 hat ein beschichtetes Material 19 gemäß der
vorliegenden Erfindung eine laminare Schichtkonstruktion und
ist aus einem Metallsubstrat A und einer Metallfolie B, die auf
das Metallsubstrat A geschichtet ist, hergestellt. Das
Metallsubstrat A ist mit mehreren perforierten Öffnungen C
versehen. Mehrere Sicherheitsventilscheibchen D können ohne
weiteres aus dem beschichteten Material 19 hergestellt werden,
wie nachstehend beschrieben wird.
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Die in Fig. 4 gezeigten Sicherheitsventilscheibchen D, die
aus dem beschichteten Material 19 hergestellt werden, sollen
bei einem niedrigen Druck von nicht mehr als 30 kgf/cm² oder
vorzugsweise nicht mehr als 20 kgf/cm² funktionieren. Um dieses
Ziel zu erreichen, sollte die Metallfolie B, die für die
vorliegende Erfindung verwendet werden kann, je nach Art des
Metalls der Metallfolie B eine Dicke von 5 bis 50 um haben. In
dem Fall, daß die Dicke der Metallfolie B weniger als 5 um
beträgt, falls das Sicherheitsventilscheibchen D als
Sicherheitsventil an der Batterie angebracht ist, reißt die
Metallfolie B leicht, wenn sie auf einen Arbeitstisch oder
dergleichen fällt. In dem Fall, daß die Dicke der Metallfolie B
mehr als 50 um beträgt, falls das Sicherheitsventilscheibchen D
als Sicherheitsventil an der Batterie angebracht ist, reißt die
Metallfolie B bei einem Druck unterhalb von 30 kgf/cm² nicht,
selbst wenn die Metallfolie aus einem Metall mit geringer
Bruchfestigkeit hergestellt ist, und reißt, wenn ein hoher
Druck weit über 30 kgf/cm² an der Metallfolie B anliegt. Da in
einem solchen Fall der Behälter selbst bricht, wenn sein
Innendruck erhöht ist, werden gebrochene Teile der Behälter
umher gestreut und auch der Inhalt des Behälters wird nach
außen geschleudert, wodurch Menschen verletzt werden. Ferner
ist die Verwendung solcher Sicherheitsventilscheibchen D mit
einer dicken Metallfolie B ungünstig, was die
Herstellungskosten der Batterien betrifft.
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In dem Fall, daß die Metallfolie B als
Sicherheitsventilscheibchen D der Batterie verwendet wird, sollte die Art der
Metallfolie B vorzugsweise Stahlfolie, Folie aus rostfreiem
Stahl, Kupferfolie, Aluminiumfolie, Nickelfolie und Folie aus
Nickel-Eisen-Legierung sein, da verlangt wird, daß die
Metallfolie B eine gute Korrosionsbeständigkeit gegen die
basische wäßrige Elektrolytlösung hat.
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In dem Fall, daß die Metallfolie B für andere Zwecke als
für Batterien verwendet wird, kann jede Art von Metallfolie B
verwendet werden, unter der Bedingung, daß die Metallfolie B
eine Beständigkeit gegen einen in einen Behälter gefüllten
Inhalt zeigt, nicht korrodiert und keine wesentliche Menge an
Reaktionsgas erzeugt. Die Metallfolie B kann außer aus den
vorstehend erwähnten Materialien nämlich aus Zink, Blei,
Kupferlegierungen wie Messing, Bronze, Phosphorbronze, Rotguß
oder Monelmetall, und Aluminiumlegierung wie beispielsweise
Duralmin hergestellt werden.
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Obwohl die Metallfolie B mit allen bekannten Verfahren
hergestellt werden kann, wird die Metallfolie B im allgemeinen
durch Strecken eines Streifens mittels Kaltwalzen oder weiter
durch Glühen des auf diese Weise gewalzten Streifens
hergestellt.
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Obwohl die Dicke des zur Herstellung des Metallsubstrats A
verwendeten Metallblechs nicht speziell eingeschränkt ist,
sollte sie 0,03 bis 0,50 mm normalerweise und vorzugsweise 0,05
bis 0,10 mm sein, in Hinblick auf die Festigkeit des
Metallsubstrats A, einer wirtschaftlichen Produktion und zur
Erleichterung des Anschweißens oder Abdichtens des
Sicherheitsventilscheibchens D an dem Behälter.
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In dem Sicherheitsventilscheibchen D, das aus zwei
Metallstücken, nämlich der Metallfolie B und dem Metallsubstrat
A hergestellt ist, sollte, falls das Metallsubstrat A direkt in
Kontakt mit der basischen wäßrigen Elektrolytlösung kommt, die
Art des Metallsubstrats A vorzugsweise Stahlblech, rostfreies
Stahlblech, Kupferblech, Nickelblech,
Nickel-Eisen-Legierungsblech sein, da das Metallsubstrat A eine gute
Korrosionsbeständigkeit gegen die basische wäßrige Elektrolytlösung haben
muß.
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In dem Fall, daß das Metallsubstrat A nicht direkt in
Kontakt mit der basischen wäßrigen Lösung kommt, kann, da das
Metallsubstrat A keine gute Beständigkeit gegen eine basische
wäßrige Lösung haben muß, jedes Metallblech verwendet werden,
unter der Bedingung, daß das Metallblech gegen einen in einen
Behälter gefüllten Inhalt beständig ist, die Leistung der
Batterie nicht beeinträchtigt ist und kein Reaktionsgas in
einer wesentlichen Menge erzeugt wird.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung kann erreicht werden,
selbst wenn sich die Art der Metallfolie B von der Art der
Metallsubstrate A unterscheidet.
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Obwohl ferner das oben erwähnte Metallsubstrat A im
allgemeinen mit jedem Verfahren hergestellt werden kann, wird
das Metallblech, das durch Kaltwalzen gestreckt wird, direkt
als das Metallsubstrat A verwendet, oder das Metallblech, das
weiter durch Glühen des gestreckten Metallblechs nach dem
Kaltwalzen hergestellt wird.
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Das Metallsubstrat A ist mit mindestens einer perforierten
Öffnung C versehen. Die Größe und Form der perforierten Öffnung
C sind je nach Größe und Form des Behälters, an welchem das
Sicherheitsventilscheibchen D angebracht wird, unterschiedlich.
Dementsprechend gibt es keine Einschränkung der Größe und Form
der perforierten Öffnung C. Im allgemeinen sollte die
perforierte Öffnung C eine Kreisform mit einem Durchmesser von
1 bis 10 mm haben. Die perforierte Öffnung C kann eine
elliptische Form mit einer Längsachse von 1 bis 10 mm Länge
oder eine polygone Form mit einer diagonalen Länge haben, die
dem Durchmesser der oben erwähnten Kreisform entspricht.
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Die Form der perforierten Öffnung C kann durch einen
Linienabschnitt definiert sein, wie einen geraden oder
gekrümmten Schlitz mit einer gewünschten Breite.
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Die Form der perforierten Öffnung C kann durch ein
geometrisches Muster definiert sein, das eine Kombination aus
mehreren Arten der oben erwähnten Figuren ist.
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Diese perforierten Öffnungen C werden mittels einer
Stanzpresse in einer gewünschten Form in das Metallsubstrat A
geformt, wobei das Metallsubstrat A durch Strecken der Bleche
mittels Kaltwalzen, wie vorstehend beschrieben, hergestellt
ist. Diese perforierten Öffnungen C sind vorzugsweise auf eine
geometrischen Weise angeordnet, wie beispielsweise gitterförmig
oder zickzackförmig. Der Zwischenraum oder Abstand zwischen den
perforierten Öffnungen C wird auf gewünschte Weise in Hinblick
auf die Größe des Sicherheitsventilscheibchen D festgelegt.
Obwohl die Art und Weise der Herstellung solcher perforierten
Öffnungen C nicht speziell eingeschränkt ist, können die
perforierten Öffnungen C auf herkömmliche Weisen hergestellt
werden, wie beispielsweise durch Ausstanzen des Metallsubstrats
A mit einer Stanzpresse oder durch Ätzverfahren.
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Ferner kann das beschichtete Material durch Kleben der
Metallfolien B auf beide Seiten des Metallsubstrats A
hergestellt werden. In diesem Fall kann, selbst wenn die eine
an die eine Oberfläche des Metallsubstrats A geklebte
Metallfolie B gerissen ist, die normale Funktion des
Sicherheitsventils gewährleistet sein, solange die andere an
die andere Oberfläche des Metallsubstrats A geklebte
Metallfolie B nicht gerissen ist.
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Das Sicherheitsventilscheibchen D wird im allgemeinen so
durch Schweißen an dem Batteriebehälter angebracht, daß das
Sicherheitsventilscheibchen D eine Öffnung schließt, die in
einem Teil des Batteriebehälters gebildet ist. Wie in Fig. 5
gezeigt, wird zum Beispiel eine in einem Deckel E des
Batteriebehälters gebildete Öffnung F durch das
Sicherheitsventilscheibchen D geschlossen.
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Die perforierte Öffnung C wird in das Metallblech geformt,
um das Metallsubstrat A herzustellen, und die Metallfolie B
wird an das Metallsubstrat A geklebt, um das
Sicherheitsventilscheibchen D herzustellen, und ein solches
Sicherheitsventilscheibchen D kann direkt in einen Deckel des Batteriebehälters
gegossen werden.
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Die Metallfolie B und das mit perforierten Öffnungen C
versehene Metallsubstrat A werden einer Druckschweißung in
einem Vakuum unterzogen, beispielsweise mittels eines in der
japanischen offengelegten Patentanmeldung HEI 1-224184
offenbarten Verfahrens.
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In Fig. 2 und Fig. 3 ist teilweise im Querschnitt eine
Vorrichtung zur Herstellung des beschichteten Materials 19
durch Druckschweißen einer Metallfolie 20B und eines
Metallsubstrats 20A in einem Vakuum gezeigt. Wie in diesen
Zeichnungen gezeigt, werden das Metallsubstrat 20A und die
Metallfolie 20B, die jeweils von Abwickelspulen 3A, 3B
abgewickelt werden, um ein Paar von Elektrodenrollen 6A, 6B
gewickelt, die in eine Ätzkammer 22 ragende Abschnitte haben,
und dann werden sie einer Sputterbehandlung unterzogen, um
aktiviert, zu werden. Anschließend werden das Metallsubstrat 20A
und die Metallfolie 20B einem Kaltwalzen mit einer in der
Vakuumkammer 1 angebrachten Walzeinheit 2 unterzogen, wobei das
beschichtete Material 19 erzeugt wird, und dann wird das
beschichtete Material 19 um eine Spule 5 gewickelt. Die
Walzeinheit 2 ist mit einer Walzreduktionsvorrichtung 18 zum
Herablassen der Walze versehen. Der Vakuumdruck in der
Vakuumkammer 1 wird mittels einer großen Vakuumpumpe
(Saugpumpe) 9 in einem Bereich von 10&supmin;³ bis 10&supmin;&sup6; Torr gehalten.
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Bei der Herstellung des beschichteten Materials 19 wird zum
Aktivieren der Metallfolie 20B und des Metallsubstrats 20A ein
Magnetron-Sputterverfahren verwendet und eine Hochfrequenz-
Spannungsquelle mit einem Frequenzbereich von 1 bis 50 MHz wird
als Spannungsquelle für das Sputtern verwendet. In dem Fall,
daß die Frequenz weniger als 1 MHz ist, ist es schwierig, daß
die Hochfrequenz-Spannungsquelle eine stabile Glimmentladung
gewährleistet, so daß ein kontinuierliches Ätzen nicht erzielt
wird, während in dem Fall, daß die Frequenz mehr als 50 MHz
ist, die Hochfrequenz-Spannungsquelle zum Oszillieren neigt, so
daß das Spannungsversorgungssystem unerwünscht kompliziert
wird.
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Zum Starten des Ätzprozesses muß vorbereitend der
Vakuumdrucin der Ätzkammer 22 bei einem Druck von nicht mehr
als 1 · 10&supmin;&sup4; Torr gehalten werden und Argongas wird in die
Ätzkammer 22 hinein gelassen, um so eine Argongasatmosphäre mit
einem Vakuumdruck von 10&supmin;¹ bis 10&supmin;&sup4; Torr zu erzeugen. Dann wird
zwischen der Ätzkammer 22 und der Vakuumkammer 1 ein
Hochfrequenzstrom angelegt, ein Plasma wird erzeugt und die
Oberfläche der Metallfolie 20B und die Oberfläche des
Metallsubstrats 20A werden beide einem Ätzen unterzogen.
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In dem Fall, daß der Druck des Argongases unterhalb von
1 · 10&supmin;&sup4; Torr ist, ist es schwierig, eine stabile Glimmentladung
sicherzustellen, und ein hoher Ionenstrom wird nicht erzielt,
so daß ein Hochgeschwindigkeitsätzen schwierig wird.
Andererseits in dem Fall, daß der Druck des Argongases 1 · 10&supmin;¹
Torr übersteigt, wird die mittlere freie Weglänge der
gesputterten Atome kurz, so daß die Häufigkeit, daß die
gesputterten Atome wieder auf das Target geschossen werden,
erhöht ist. Sauerstoffatome, die durch Ätzen von dem an der
Oberfläche der Metallfolie und an der Oberfläche des
Metallsubstrats gebildeten Oxid abgetrennt werden, werden
nämlich wieder zum Target geschossen, so daß die Leistung der
Oberflächenaktivierungsbehandlung verschlechtert ist. \
Dementsprechend sollte der Druck der Argongasatmosphäre in der
Ätzkammer 22 in einem Bereich von 10&supmin;¹ bis 10&supmin;&sup4; Torr gehalten
werden.
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Mit der Verwendung des Magnetron-Sputterverfahrens bei der
Herstellung des beschichteten Materials 19 der vorliegenden
Erfindung kann eine Ätzgeschwindigkeit von mehr als 100 nm/min
(1000 Angström/min) erzielt werden, so daß, selbst wenn eine
stabile und dicke Oxidschicht an dem Aluminium und dem Titan
gebildet ist, eine solche Oxidschicht in wenigen Minuten
vollständig entfernt werden kann. Die an der Oberfläche von
Kupfer, Stahl, rostfreiem Stahl und amorphem Metall gebildete
Oxidschicht kann durch wenige Sekunden langes Ätzen eine
saubere Oberfläche zeigen.
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Obwohl das Verringern des Vakuumdrucks in der Vakuumkammer
1 dazu führt, daß die Schweißfestigkeit der Metallfolie 20B an
dem Metallsubstrat 20A entsprechend verringert ist, sollte eine
zulässige untere Grenze des Vakuumdrucks in der Vakuumkammer 1
in Hinblick auf eine wirtschaftliche Fertigung 1 · 10&supmin;&sup6; Torr
sein, während die obere Grenze 1 · 10&supmin;³ Torr sein sollte, da
dieser Vakuumdruck noch eine ausreichende Schweißfestigkeit
sicherstellt.
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Ferner ist es bei der Herstellung des beschichteten
Materials 19 nicht nötig, die Metallfolie 20B und das
Metallsubstrat 20A während eines Kaltwalzens zu erhitzen. Es
gibt nämlich kein Problem beim Kaltwalzen, selbst wenn die
Temperatur T dieser Metalle 20A, 20B zum Zeitpunkt ihres
Eingriffs zwischen den Walzen auf Raumtemperatur gehalten wird.
Wenn es jedoch notwendig wird, die Metallfolie 20B und das
Metallsubstrat 20A während des Kaltwalzens zu erhitzen, im
Hinblick darauf, den Unterschied der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten dieser Metalle A, B, die durch eine
zum Zeitpunkt des Walzens erzeugte Wärme hervorgerufen wird,
sowie eine begleitende Verformung dieser Metalle A, B nach dem
Kühlen zu verringern, sollte die obere Grenze des Erhitzens
nicht mehr als 300ºC sein, um das Auftreten eines
Rekristallisationsglühens, einer Legierungsschicht oder von
Karbid zu verhindern, was die Schweißfestigkeit zwischen diesen
Metallen A und B verschlechtert.
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Die Walzreduktionsrate beim Kaltwalzen der Metallfolie 20B
und des Metallsubstrats 20A liegt zwischen 0,1 und 30%. Das
Kaltwalzen sollte nämlich mit der Walzreduktionsrate ausgeführt
werden, die in einen Bereich fällt, der sich wie folgt
ausdrücken läßt:
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0,1 < = R < = 30
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wobei R = (T1 + T2 - TA) · 100/(T1 + T2) (%)
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T1: Dicke der Metallfolie vor dem Druckschweißen
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T2: Dicke des Metallsubstrats vor dem Druckschweißen
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TA. Dicke des beschichteten Materials nach dem Kaltwalzen
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R: Walzreduktionsrate (%)
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Die untere Grenze der Walzreduktionsrate wird durch
folgende Faktoren bestimmt. Obwohl die Oberfläche des Blechs
auf flüchtigen Blick hin eben erscheint, gibt es nämlich feine
oder winzige Unregelmäßigkeiten oder Vertiefungen auf
mikroskopischem Niveau und die Metalle kommen mit einer sehr
unzureichenden Kontaktfläche miteinander in Kontakt, falls kein
Druck an sie angelegt wird, und unter einem herkömmlichen
Kaltwalzschweißverfahren kann keine feste Verschweißung erzielt
werden, selbst wenn die Oberflächen dieser Metalle genügend
aktiviert sind. Dementsprechend wird bei dem herkömmlichen
Kaltwalzschweißverfahren die Oxidschicht an den Oberflächen
dieser Metalle mittels Kaltwalzen mit einer hohen
Walzreduktionsrate plastisch fließend gemacht, so daß die
Oberflächen der Metalle teilweise aktiviert werden und die
Kontaktfläche vergrößert wird, und dann werden die Metalle
miteinander verschweißt. In einem solchen Verfahren sind die
Oberflächen der Metalle nicht notwendigerweise eben. Das
Metallsubstrat wird nämlich mit einer annehmbaren Rauheit
vorgefertigt und dann dem Kaltwalzen mit einer hohen
Walzreduktionsrate unterzogen, um die Oberflächen eben und
glatt zu machen.
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Andererseits werden beim Reinigen der Oberflächen der
Metallfolie 20B und des Metallsubstrats 20A mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines beschichteten
Materials keine neuen Unregelmäßigkeiten oder Vertiefungen an
den Oberflächen der Metallfolie 20B und des Metallsubstrats 20A
gebildet. Dann können die Metallfolie 20B und das
Metallsubstrat 20A druckverschweißt werden, unter Beibehaltung
der Oberflächenebenheit zum Zeitpunkt des vor dem
Druckschweißen ausgeführten Fertigwalzens. Selbst mit einem
kleinen Druck wird dementsprechend eine ausreichende
Kontaktfläche erzielt und an den Kontaktabschnitten tritt
gleichmäßig eine Metallbindung auf, so daß eine starke
Haftfestigkeit erzielt wird, selbst mit der kleinen
Walzreduktionsrate.
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Wenn man den Fall betrachtet, daß das Blech einem
Kaltwalzen und einem Fertigwalzen oder einem Feinwalzen in
einem Walzschritt unterzogen wird, ist die obere Grenze der
Walzreduktionsrate auf 30% festgelegt. Es ist nicht
wünschenswert, daß die Walzreduktionsrate 30% übersteigt, da
eine solche Walzrate eine sehr hohe Werkstückhärte hervorruft.
Zum Druckverschweißen der Metallfolie 20B und des
Metallsubstrats 20A in einer Kaltwalzewanstelle einer Walzwalze
kann eine Preßvorrichtung wie beispielsweise eine Presse
verwendet werden, die mit einem ebenen Block auf einer Seite
oder mit ebenen Blöcken auf beiden Seiten versehen ist.
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Die vorliegende Erfindung wird zusammen mit den folgenden
bevorzugten Beispielen weiter erklärt.
Beispiel 1
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Mehrere kreisförmige perforierte Öffnungen mit einem
Durchmesser von 3 mm wurden mittels einer Stanzpresse in einem
Gittermuster in das kaltgewalzte 90 um dicke Stahlblech
(Metallblech) geformt, wobei der Abstand zwischen den Öffnungen
auf 10 mm festgelegt war. Ein Nickelüberzug mit einer Dicke von
2 um wurde mittels eines Wattbades auf beide Oberflächen des
perforierten Stahlblechs aufgetragen, um ein Metallsubstrat
herzustellen.
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Dieses Metallsubstrat und eine Aluminiumfolie mit einer
Dicke von 30 um wurden in eine Vakuumkammer mit einer
Argongasatmosphäre mit einem Vakuumdruck von 5 · 10&supmin;³ Torr
hineingebracht, um so mittels Magnetron-Sputterverfahren eine
Oberfläche des Metallsubstrats um ungefähr 10 nm (100 Angström)
zu ätzen und die entsprechende Oberfläche der Aluminiumfolie um
ungefähr 200 nm (2000 Angström) zu ätzen. Anschließend wurden
das Metallsubstrat und die Aluminiumfolie auf eine solche Weise
aneinander geschichtet, daß ihre geätzten Oberflächen einander
Kontakt haben, und wurden mittels Kaltwalzen bei einer
Temperatur von 120ºC und mit einer Walzreduktionsrate von 3%
druckverschweißt, um ein beschichtetes Material herzustellen.
Mehrere Batterie-Sicherheitsventilscheibchen wurden aus dem
beschichteten Material gestanzt, wobei jedes
Sicherheitsventilscheibchen eine rechteckige Form mit einer Länge von 10,5 mm
und einer Breite von 7,5 mm hatte und in seiner Mitte mit einer
kreisförmigen Öffnung versehen war.
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Jedes Batterie-Sicherheitsventilscheibchen wurde auf solche
Weise an einen aus Stahlblech hergestellten Druckbehälter
geschweißt, daß das Sicherheitsventilscheibchen eine in dem
Druckbehälter geformte perforierte Öffnung hermetisch abschloß,
wobei der Druckbehälter mit einem Ende versehen war, durch
welches Druckluft in den Druckbehälter geführt wird, um so das
Innere des Druckbehälters unter inneren Überdruck zu setzen.
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Dann wurde ein Kantenabschnitt des aus Stahlblech
hergestellten Druckbehälters über einen Druckmesser mit einem
Luftkompressor verbunden und das Innere des Druckbehälters
wurde unter inneren Überdruck gesetzt. Wenn der Innendruck des
Druckbehälters 14 kgf/cm² erreicht hat, zerriß die
Aluminiumfolie des Batterie-Sicherheitsventilscheibchens.
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Danach wurden mehrere Batterie-Sicherheitsventilscheibchen
hermetisch an die aus Stahlblech hergestellten Druckbehälter
geschweißt und der Innendruck der Druckbehälter wurde erhöht.
Die Aluminiumfolien aller Batterie-Sicherheitsventilscheibchen
zerrissen bei Drücken, die in einen stabilen Druckbereich von
12 bis 18 kgf/cm² fallen.
Beispiel 2
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Mehrere kreisförmige perforierte Öffnungen mit einem
Durchmesser von 3 mm wurden mittels einer Stanzpresse in einem
Gittermuster in ein kaltgewalztes 60 um dickes rostfreies
Stahlblech geformt, wobei der Abstand zwischen den Öffnungen
auf 10,5 mm festgelegt war. Dieses perforierte kaltgewalzte
rostfreie Stahlblech und eine Nickelfolie mit einer Dicke von
10 um wurden in eine Vakuumkammer mit einer Argongasatmosphäre
mit einem Vakuumdruck von 1 · 10&supmin;² Torr hineingebracht, um
mittels Magnetron-Sputterverfahren eine Oberfläche des
kaltgewalzten perforierten rostfreien Stahlblechs um ungefähr
50 nm (500 Angström) zu ätzen und die entsprechende Oberfläche
der Nickelfolie um ungefähr 50 nm (500 Angström) zu ätzen.
Anschließend wurden die geätzte Oberfläche des kaltgewalzten
und perforierten rostfreien Stahlblechs und die geätzte
Oberfläche der Nickelfolie aneinander geschichtet und beide,
Blech und Folie, wurden mittels Kaltwalzen bei Raumtemperatur
und mit einer Walzreduktionsrate von 0,5% druckverschweißt, um
ein beschichtetes Material herzustellen. Sieben Batterie-
Sicherheitsventilscheibchen wurden aus dem beschichteten
Material gestanzt, wobei jedes Sicherheitsventilscheibchen eine
rechteckige Form mit einer Länge von 10,5 mm und einer Breite
von 7,5 mm hatte und in seiner Mitte mit einer kreisförmigen
Öffnung versehen war.
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Diese Batterie-Sicherheitsventilscheibchen wurden auf
gleiche Weise wie in Beispiel 1 an aus Stahlblech hergestellte
Druckbehälter geschweißt, und die Folge war, daß die
Nickelfolien der sieben Batterie-Sicherheitsventilscheibchen
bei Drücken zerrissen, die in einen stabilen Druckbereich von
13 bis 17 kgf/cm² fallen.
Beispiel 3
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Mehrere kreisförmige perforierte Öffnungen mit einem
Durchmesser von 3 mm wurden mittels einer Stanzpresse in einem
Zickzackmuster in ein kaltgewalztes 90 um dickes Stahlblech
(Metallblech) geformt, wobei der Abstand zwischen den Öffnungen
auf 10,5 mm festgelegt war. Ein Nickelüberzug mit einer Dicke
von 2 um wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 auf beide
Oberflächen des kaltgewalzten Stahlblechs aufgetragen.
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Dieses mit Nickel überzogene und perforierte Stahlblech und
eine Kupferfolie mit einer Dicke von 10 um wurden in eine
Vakuumkammer mit einer Argongasatmosphäre mit einem Vakuumdruck
von 2 · 10&supmin;¹ Torr hineingebracht, um so mittels Magnetron-
Sputterverfahren eine Oberfläche des mit Nickel überzogenen
Stahlblechs um ungefähr 50 nm (500 Angström) zu ätzen und die
entsprechende Oberfläche der Kupferfolie um ungefähr 50 nm (500
Angström) zu ätzen. Anschließend wurden die geätzte Oberfläche
des mit Nickel überzogenen Stahlblechs und die geätzte
Oberfläche der Kupferfolie aneinander geschichtet und mittels
Kaltwalzen bei Raumtemperatur und mit einer Walzreduktionsrate
von 0,3% druckverschweißt, um ein beschichtetes Material
herzustellen. Sieben Batterie-Sicherheitsventilscheibchen
wurden aus dem beschichteten Material gestanzt, wobei jedes
Ventilelement eine Kreisform mit einem Durchmesser von 10,5 mm
hatte und in seiner Mitte mit einer kreisförmigen Öffnung
versehen war.
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Diese Batterie-Sicherheitsventilscheibchen wurden auf
gleiche Weise wie in Beispiel 1 an aus Stahlblech gefertigte
Druckbehälter geschweißt. Dann wurde das Innere des
Druckbehälters auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 unter einen
inneren Überdruck gesetzt, die Folge war, daß die Kupferfolien
dieser Sicherheitsventilscheibchen in einem stabilen
Druckbereich von 10 bis 15 kgf/cm² zerrissen.
Überprüfung: Heißdruckverschweißen bei hoher Temperatur
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In ein mit Nickel überzogenes Stahlblech, das auf gleiche
Weise wie das von Beispiel 3 hergestellt wurde, wurden auf
gleiche Weise wie in Beispiel 3 mehrere kreisförmige Öffnungen
in einem Zickzackmuster geformt. Dieses mit Nickel überzogene
Stahlblech und eine ähnliche Kupferfolie wie die von Beispiel 3
wurden aneinander geschichtet und unter Druck in einem
Vakuumofen bei einer Temperatur von 1000ºC heißversiegelt,
sieben Sicherheitsventilscheibchen jeweils mit einer
kreisförmigen Vertiefung in der Mitte wurden aus diesem
geschichteten Blech hergestellt. Nach dem hermetischen
Anschweißen dieser Sicherheitsventilscheibchen an den
Druckbehälter wurde das Innere des aus Stahl hergestellten
Druckbehälters unter Überdruck gesetzt, und die Folge war, daß
die Kupferfolien dieser Sicherheitsventilscheibchen in einem
weiten Druckbereich von 4 bis 12 kgf/cm² zerrissen.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, kann das beschichtete
Material gemäß der vorliegenden Erfindung effektiv verwendet
werden, um Sicherheitsventilscheibchen, die genau bei niedrigen
Drücken brechen, die in einem stabilen Druckbereich fallen, auf
Massenproduktionsbasis herzustellen.