JP2006051523A - 導電部品用クラッド材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 導電性、溶接性に優れ、しかも良好なプレス成形性を備えた導電部品用クラッド材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明のクラッド材は、Ｃを０．００６〜０．０４５mass％含み、残部実質的にＮｉからなるＮｉ−Ｃ合金で形成されたニッケル合金層２と、純ＡｌあるいはＡｌを主成分とするＡｌ基合金で形成されたアルミニウム層３とが接合されたものである。前記ニッケル合金層２は、平均硬さがＨｖ１２０以下とされ、前記アルミニウム層とニッケル合金層との間に形成される金属間化合物層は平均厚さが６．０μm 以下とされる。前記アルミニウム層３の厚さはクラッド材の全体厚さの１５〜９５％程度にすることが好ましい。前記クラッド材は、ニッケル合金層とアルミニウム層とを圧接した後、４５０〜５８０℃の比較的低温で焼鈍することによって容易に製造することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば小型電池の電池ケース（外装缶）や電気的接続部材などの導電部品の素材として好適に用いられる導電部品用クラッド材およびその製造方法に関する。

リチウムイオン電池等の小型電池のケースの素材として、ステンレス鋼で形成されたステンレス層の上にアルミニウムで形成されたアルミニウム層が接合されたアルミニウム・ステンレス鋼クラッド材が広く用いられている。

例えば、特開昭６３−５６３７２号公報（特許文献１）には、冷間あるいは温間にてステンレス鋼板にアルミニウム板を重ね合わせて圧接したものが記載され、特公平４−６４７９６号公報（特許文献２）には圧接後に接合強度を向上させるために拡散焼鈍を施してもよいことが記載されている。また、特開２０００−３１２９７９号公報（特許文献３）には、硬質アルミニウムによってアルミニウム層を形成する際にステンレス層との圧接性を向上させるためにアルミニウム層にニッケル層を介してステンレス層を接合することが記載されている。
特開昭６３−５６３７２号公報 特公平４−６４７９６号公報 特開２０００−３１２９７９号公報

また、小型電池は、所要の電圧、電力量を得るために必要数を直列あるいは並列に接続される場合がある。この際、母線（busbar）を電池ケースに直接溶接することによって電池同士が接続されていた。このため、特に機器の配置上の制約から複数の電池を一まとめに集合できないときは、電池の接続に手間がかかり、電池の取り替えごとに大変な作業を強いられていた。

しかし、従来使用されていた電池ケース用のクラッド材は、アルミニウム層とステンレス層とが共に薄いものである。電池容量の増大に伴い、許容電流量を高くするには必然的にアルミニウム層の層厚をクラッド材の全厚さの１５％以上とする必要がある。このように軟質のアルミニウム層と硬質のステンレス層との層厚がアンバランスな状態では、素材シートの圧接の際に、ステンレスシートがアルミニウムシートの展延に追随することが出来ず、クラックが生じる。

また、小型電池同士の電気的な接続について、母線を電池ケースに溶接することなく、電池ケースに装着可能な接続用キャップを準備し、この接続用キャップ同士を予めリード線で接続しておくことにより、電池の接続作業性が向上し、また電池の取り替えの際の再接続も容易に行うことができる。このような接続用キャップの素材として、導電性の良好なアルミニウム層を有し、リード線との溶接も容易なステンレス層を備えた前記クラッド材を利用することが考えられる。しかし、従来使用されていた電池ケース用のクラッド材は、アルミニウム層とステンレス層とが共に薄いものであり、接続用キャップのように、許容電流量を高くするには必然的にアルミニウム層の層厚をクラッド材の全厚さの１５％以上とする必要がある。この場合においても、上記と同様、ステンレスシートのクラックが問題になる。

圧接時のステンレス層のクラックを防止するために、前記ステンレス層の代わりに展延性の良好なニッケル層を用いることが考えられる。しかし、ニッケル層は他材との溶接性、アルミニウム層との圧接性は良好であるものの、クラッド材のプレス成形性を向上させるために、６００℃程度未満（アルミニウムの融点未満）の比較的低い温度で軟化焼鈍しても、アルミニウム層とニッケル層との界面に脆弱なＡｌ−Ｎｉ系金属間化合物が形成され、このため接合強度が低下し、成形過程でアルミニウム層とニッケル層とが剥離し、著しい場合は剥離部に亀裂が生じ、プレス成形性を確保することができないという問題がある。

このような問題は、前記電池ケースや接続用キャップの場合に限らず、端子部材などの導電部品を成形する際にも問題となる。

本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、導電性、溶接性に優れ、しかも良好なプレス成形を備えた導電部品用クラッド材、および比較的低温での焼鈍によって良好なプレス成形性を付与することができる導電部品用クラッド材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、６００℃未満の比較的低温での焼鈍により容易に軟化して良好なプレス成形性が得られ、しかも導電性に優れたアルミニウムとの間で金属間化合物を形成し難く、十分な接合強度を確保することができる合金を種々調べたところ、ごく少量のＣを含有したＮｉ−Ｃ合金が上記特性を満足することを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のクラッド材は、純ＡｌあるいはＡｌを主成分とするＡｌ基合金で形成されたアルミニウム層と、前記アルミニウム層に接合されたニッケル合金層とを備え、前記ニッケル合金層はＣ（炭素）を０．００６〜０．０４５mass％を含み、残部Ｎｉおよび不純物からなるＮｉ−Ｃ合金で形成され、平均硬さがＨｖ１２０以下とされ、かつ前記アルミニウム層とニッケル合金層との間に形成される金属間化合物層はその平均厚さが６．０μm 以下とされたものである。

前記クラッド材において、十分な導電性を確保するには、前記アルミニウム層の層厚をクラッド材の全厚さの１５％以上とすることが好ましく、またクラッド材として取り扱いに適した適度な強度を付与するにはニッケル合金層の厚さを全厚さの５％以上（アルミニウム層の厚さを９５％以下）にすることが好ましい。より好ましくは、前記圧接材におけるアルミニウム層の層厚を全厚さの４０〜９０％とするのがよい。

また、本発明のクラッド材の製造方法は、純ＡｌあるいはＡｌを主成分とするＡｌ基合金からなるアルミニウムシートと、前記アルミニウムシートと前記Ｎｉ−Ｃ合金で形成されたニッケル合金シートとを圧接してアルミニウム層とニッケル合金層とが圧接された圧接材を得、この圧接材に４５０〜５８０℃で焼鈍を施し、必要に応じてさらに冷間加工を施した後、４５０〜５８０℃で焼鈍を施すものである。優れた導電性と適度な強度を確保するには、前記圧接材におけるアルミニウム層の層厚を全厚さの１５〜９５％とすることが好ましく、より好ましくは４０〜９０％とするのがよい。

本発明の導電部品用クラッド材は、導電性、溶接性、成形性に優れる。特に、ニッケル合金層を形成するＮｉ−Ｃ合金は、４５０〜５８０℃程度の低温焼鈍でもニッケル合金層が容易に軟化し、かつアルミニウム層との接合界面に脆弱な金属間化合物が生成し難く、接合性が劣化しないため、良好なプレス成形性が得られる。このため、電池接続用キャップや電池ケース、端子部材など溶接性、成形性、導電性が要求される各種導電部品の素材として好適である。また、本発明の製造方法によれば、前記クラッド材を容易に製造することができる。

以下、図面を参照して実施形態にかかる導電部品用クラッド材について説明する。導電部品用クラッド材１は、図１に示すように、アルミニウム層３と、ニッケル合金層２とがロール圧接され、拡散接合されたものである。また、前記ニッケル合金層２はその平均硬さがＨｖ１２０以下とされ、前記アルミニウム層とニッケル合金層との間に形成されるＡｌ−Ｎｉ系の金属間化合物層はその平均厚さが６．０μm 以下とされている。

前記アルミニウム層３は、導電性、加工性の良好な純ＡｌやＡｌを主成分として含有するＡｌ合金によって形成される。純Ａｌとしては、純度が高いほど好ましく、純度が９８％以上、好ましくは９９％以上、より好ましくは９９．９％以上のものがよい。また、Ａｌ合金としては、例えば、ＪＩＳＡ１０６０，１０８０等の純Ａｌ（合金系統１０００系）のほか、Ａｌを８５％以上、好ましくは９０％以上含有する各種のＡｌ合金を使用することができる。かかるＡｌ合金としては、例えばＪＩＳＡ３００３，３００４等のＡｌ−Ｍｎ合金（合金系統３０００系）、ＪＩＳＡ５００５，５０５２等のＡｌ−Ｍｇ合金（合金系統５０００系）を挙げることがきる。

前記アルミニウム層３の厚さは、十分な導電性を確保するにはクラッド材１の全厚さの１５％以上、好ましくは４０％以上とすることが望ましい。一方、ニッケル合金層２の厚さは、クラッド材１に対して適度な強度を付与するために全厚さの５％以上（アルミニウム層３の厚さをクラッド材１の全厚さの９５％以下）、好ましくは１０％以上とすることが望ましい。なお、クラッド材の全厚さは、例えば電池接続用キャップ用の素材として用いる場合、２００〜１０００μm 程度とすることが好ましい。

前記ニッケル合金層２は、mass％でＣを０．００６〜０．０４５％、好ましくは０．０１０〜０．０３０％含有し、残部Ｎｉおよび不純物からなるＮｉ−Ｃ合金で形成されている。後述の実施例から明らかなように、アルミニウム層とニッケル合金層とを圧接した圧接材を焼鈍する際、Ｃ量は４５０〜５８０℃程度の低温の焼鈍温度におけるニッケル合金層の軟化に密接な関係があり、Ｃ量が０．００６％未満でも、０．０４５％を超えてもニッケル合金層が十分に軟化せず、プレス成形の際にニッケル合金層にクラックが発生し易くなるなど、良好なプレス成形性が得られないようになる。このため、本発明ではＣ量の下限を０．００６％、好ましくは０．０１０％とし、その上限を０．０４５％、好ましくは０．０３０％とする。
深絞り成形のような厳しいプレス成形に対しても良好な成形性を確保するには、加工性を害する不純物元素は少ないほど好ましい。不純物元素の内、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｂは脱酸元素としてある程度不可避的に混入するが、これらの脱酸元素は合計で０．５mass％未満、好ましくは０．２mass％以下に止めることが望ましい。また、不純物元素の内、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｐ、Ｓは特にプレス成形性を害する傾向が強いので、これらの元素は合計で０．１mass％未満、好ましくは０．０５mass％以下に抑えることが望ましい。

前記ニッケル合金層２は、低温焼鈍によって容易に軟化されるが、焼鈍後の平均硬さをＨｖ１２０以下、好ましくはＨｖ１００以下、より好ましくはＨｖ９０以下になるように軟化される。ニッケル合金層の硬度がＨｖ１２０を超えると、冷間鍛造等のプレス成形を施した場合、成形品の角部でニッケル合金層が剥離したり、クラックが発生し易くなる。また、前記前記アルミニウム層とニッケル合金層との間に形成される金属間化合物層の平均厚さが６．０μm 以下、好ましくは５．６μm 以下とされる。６．０μm を超えるとアルミニウム層とニッケル合金層との接合力が低下し、成形性の劣化が著しくなる。

次に、本発明のクラッド材の製造方法について説明する。
純ＡｌあるいはＡｌ合金によって形成されたアルミニウムシートおよび前記Ｎｉ−Ｃ合金によって形成されたニッケル合金シートを準備し、両シートを重ね合わせて、冷間あるいは１００〜３００℃程度の温間で、一対のロールの隙間を通して３０〜７０％程度の圧下率でロール圧接し、これによってアルミニウム層とニッケル合金層とが接合された圧接材を得る。次に、この圧接材に拡散焼鈍を施し、さらに必要に応じて仕上圧延を施した後、軟化焼鈍を施すことによって本発明のクラッド材が製造される。前記拡散焼鈍、軟化焼鈍は水素ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気などの非酸化性雰囲気中で行うことが好ましい。
前記拡散焼鈍と軟化焼鈍との焼鈍条件は実質的に同様であり、拡散焼鈍によって圧接シートのアルミニウム層とニッケル合金層とが拡散接合されるほか、ニッケル合金層の軟化が行われる。軟化焼鈍の場合は、両層の拡散接合は完成しているので、専らＮｉ−Ｃ合金の軟化が行われる。以下、拡散焼鈍と軟化焼鈍とを特に区別する必要がない場合、両者を単に「焼鈍」と呼ぶ。

前記焼鈍における焼鈍温度は、後述の実施例から明らかなように、４５０〜５８０℃とする。４５０℃未満では、再結晶がほとんど進行せず、ニッケル合金層の軟化が困難である。一方、５８０℃超では、アルミニウム層とニッケル合金層との接合界面にＡｌ−Ｎｉ系の脆弱な金属間化合物が多量に生成し、アルミニウム層とニッケル合金層との接合強度が低下し、プレス成形性が低下する。このため、本発明では焼鈍温度の下限を４５０℃、好ましくは５００℃とし、その上限を５８０℃、好ましくは５５０℃とする。焼鈍時間は、４５０℃では２０分程度、５００〜５５０℃程度では数分程度、５８０℃では１分程度でよい。

以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。

純Ａｌで形成したアルミニウムシート（厚さ１３００μm ）に、表１に示す種々のＣ量のＮｉ−Ｃ合金で形成したニッケル合金シート（厚さ５５０μm ）を重ね合わせて６０％程度の圧下率で冷間圧接し、アルミニウム層（厚さ５０５μm ）／ニッケル合金層（厚さ２１５μm ）の圧接材を得た。この圧接材を５５０℃にて２分間、水素中で保持して拡散焼鈍を施した。その後、圧下率１７％程度で仕上圧延を施した後、表１に示す種々の条件で軟化焼鈍を施し、最終板厚が６００μm のクラッド材（試料No. １〜１３）を得た。実施例で用いたＮｉ−Ｃ合金の不純物については、脱酸元素系のＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｂの合計量は０．１〜０．２mass％程度であり、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｐ、Ｓの合計量は０．０５mass％未満であった。

また、試料No. １４として、前記クラッド材の製造において、仕上圧延後の軟化焼鈍を省略したクラッド材を製作した。また、試料No. １５として、前記アルミニウムシートに純Ｎｉで形成されたニッケルシートを準備し、前記No. ４と同様にしてクラッド材を製作した。また、他の試料として、１３００μm のアルミニウムシートにステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で形成された５５０μm のシートを圧下率６０％で圧接したが、圧接時にアルミニウム層の展延にステンレス層が追随することができず、クラックが入り、圧接材を得るに至らなかった。

各試料のクラッド材を用いてニッケル合金層あるいはニッケル層のビッカース硬さを以下の要領にて測定した。クラッド材から断面観察試験片を採取して、圧延方向に沿った板厚断面を観察面とするように試験片を樹脂に埋め込み、前記断面が露出するように埋め込み試験片を研磨し、ニッケル合金層あるいはニッケル層の厚さ方向に沿ってビッカース硬さを５点測定し、平均硬さを求めた。

また、各試料のクラッド材を用いて引張試験を行った。クラッド材から引張試験片を採取し、その両端をクランプして、反対方向に１０mm／min で引張り、ニッケル合金層が破断した際の伸びを測定した。測定結果を表１に併せて示す。

また、各試料のクラッド材から幅１０mmの曲げ試験片Ｓを採取し、これを用いて９０°曲げ試験を下記の要領で行った。図２に示すように、成形面が９０°の角度をなすＶ字状成形部を有するダイ２１と、前記ダイ２１のＶ字状成形部に係合する凸状成形面を有し、先端部の半径が０．１mmのパンチ２２を準備し、アルミニウム層３が内側となるように試験片Ｓをダイ２１に載置し、パンチ２２の上部をハンマーにて打撃し、パンチ２２の凸状成形面が試験片Ｓを介してダイ２１の成形面に係合させるようにパンチ２２をダイ２１側に一気に押し下げて、試験片Ｓの長さ方向の中央部を９０°折り曲げた。この９０°に折り曲げた試験片の屈曲部を観察し、ニッケル合金層２のクラックの発生状態を観察した。その結果を表１に併せて示す。

さらに、各試料を用いてアルミニウム層とニッケル合金層あるいはニッケル層との界面に生成した金属間化合物層の平均厚さを以下の要領にて測定した。上記硬度測定と同様にして埋め込み試験片を作製し、光学顕微鏡観察（１０００倍）により、金属間化合物層の厚さを測定し、その平均値を求めた。

また、各試料を用いてアルミニウム層とニッケル合金層あるいはニッケル層との接合強度を調べた。接合強度は、図３に示すように、クラッド材のアルミニウム層３とニッケル合金層２あるいはニッケル層とを反対方向に１０mm／min で引き剥がす際に要する荷重Ｐ（Ｎ）を板幅Ｗ（mm）で除した、板幅１mm当たりの引き剥がし力を意味する。なお、アルミニウム層とニッケル合金層あるいはニッケル層とが拡散接合されたクラッド材は、試験片の端部で各層を引き剥がすことは困難であるので、拡散焼鈍前に、圧接材の端部を予め引き剥がしておき、拡散焼鈍後、予め引き剥がしておいた引き剥がし部分を引張試験機のクランプに固定して引き剥がし力を求めた。接合強度の測定結果を表１に併せて示す。接合性の評価は、取り扱いあるいはプレス成形上、問題のない５．０Ｎ／mm以上を合格（○）とし、５．０Ｎ／mm未満を不合格（×）とした。

表１より、Ｃ量が０．００６〜０．０４５％で、焼鈍温度を４５０〜５８０℃で軟化焼鈍を行った発明例では、低温焼鈍であるにもかかわらず、ニッケル合金層が十分軟化され、表面硬度がＨｖ１２０以下、伸びが１５％以上となり、Ｖ形金型による曲げ試験においてもニッケル合金層におけるクラックの発生は皆無であった。また、発明例では、上記焼鈍温度で、金属間化合物層の厚さが６．０μm 以下に止まっており、このため接合強度も５Ｎ／mm以上が確保されていた。

本発明にかかるクラッド材の断面模式図である。 Ｖ形金型によるクラッド材の９０°曲げ試験要領説明図である。 クラッド材の接合強度の測定要領説明図である。

符号の説明

１ クラッド材
２ ニッケル合金層
３ アルミニウム層

Claims (5)

1. 純ＡｌあるいはＡｌを主成分とするＡｌ基合金で形成されたアルミニウム層と、前記アルミニウム層に接合されたニッケル合金層とを備え、
   前記ニッケル合金層はＣを０．００６〜０．０４５mass％を含み、残部Ｎｉおよび不純物からなるＮｉ−Ｃ合金で形成され、平均硬さがＨｖ１２０以下であり、かつ前記アルミニウム層とニッケル合金層との間に形成される金属間化合物層の平均厚さが６．０μm 以下である導電部品用クラッド材。
2. 前記アルミニウム層の層厚は、クラッド材の全厚さの１５〜９５％である、請求項１に記載したクラッド材。
3. 純ＡｌあるいはＡｌを主成分とするＡｌ基合金からなるアルミニウムシートと、請求項１に記載したＮｉ−Ｃ合金で形成されたニッケル合金シートとを圧接してアルミニウム層とニッケル合金層とが圧接された圧接材を得、この圧接材に４５０〜５８０℃で焼鈍を施す導電部品用クラッド材の製造方法。
4. 焼鈍された圧接材に冷間加工を施した後、さらに４５０〜５８０℃で焼鈍を施す請求項３に記載したクラッド材の製造方法。
5. 前記圧接材におけるアルミニウム層の層厚を全厚さの１５〜９５％とする請求項４又は５に記載したクラッド材の製造方法。
   
   
   

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