JP2009097029A - 二次電池ケース用アルミニウム合金材、二次電池ケース用アルミニウム合金板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高強度でプレス成形性、レーザ溶接性、耐膨れ性に優れた二次電池ケース用アルミニウム合金板を提供する。
【解決手段】アルミニウム材組成をＣｕ：１．２超〜１．８％、Ｍｎ：１．１５超〜１．７％、Ｍｇ：０．３０〜０．６％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物なるものとする。昇温速度３０〜９０℃／時間、４２０〜５２０℃、４〜１２時間の条件または、一段目を２００〜３００℃、１〜２時間、二段目を４２０〜５２０℃、４〜１２時間とする条件で均質化処理を施す。さらに、冷間加工に際し、４６０〜５３０℃、時間２０〜１８０秒、冷却速度２０〜２００／秒の中間焼鈍を施す。引張強度２６０〜３５０ＭＰａ、導電率ＩＡＣＳ３９％以上、円相当直径０．５μｍ〜１０μｍの金属間化合物粒子が平均で１１０００〜３００００個／ｍｍ２分散した二次電池ケース用アルミニウム合金板が得られる。
【選択図】なし
【解決手段】アルミニウム材組成をＣｕ：１．２超〜１．８％、Ｍｎ：１．１５超〜１．７％、Ｍｇ：０．３０〜０．６％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物なるものとする。昇温速度３０〜９０℃／時間、４２０〜５２０℃、４〜１２時間の条件または、一段目を２００〜３００℃、１〜２時間、二段目を４２０〜５２０℃、４〜１２時間とする条件で均質化処理を施す。さらに、冷間加工に際し、４６０〜５３０℃、時間２０〜１８０秒、冷却速度２０〜２００／秒の中間焼鈍を施す。引張強度２６０〜３５０ＭＰａ、導電率ＩＡＣＳ３９％以上、円相当直径０．５μｍ〜１０μｍの金属間化合物粒子が平均で１１０００〜３００００個／ｍｍ２分散した二次電池ケース用アルミニウム合金板が得られる。
【選択図】なし
Description
本発明は、ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話などの動力源となる二次電池ケース用アルミニウム合金材および合金板ならびにその製造方法に関し、特に好適にはリチウムイオン二次電池ケース用に関する。
二次電池は、ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話などの携帯機器の電源として使用されるため、小型且つ軽量であることが要求される。こうした要求に対するものの一つとして、二次電池ケースの薄肉化が検討されている。
二次電池ケース成形は、通常多段プレスによって成形されるために、ケース材料には良好な成形性が求められる。このために、従来では純アルミニウム系（ＪＩＳ−１０００系）またはＡｌ−Ｍｎ系のＪＩＳ−３００３合金などのような比較的軟質のものが用いられることが多い。二次電池は、上述材料からなるケースに電極体を入れた後に、レーザ溶接により蓋を付けて密封することで製造される。こうして製造された二次電池を携帯電話などに使用するが、放電後に充電する際、ケース内部の温度が上昇して、ケース内部の圧力が上昇する。また、携帯電話などの携帯電子機器を乗用車中に放置する場合がある。夏のとき、車内の温度７０℃以上にも高くなり、電池ケース内部の圧力が大幅に上昇する。このような場合、上述した比較的軟質のケース材料で製造されたケースに大きな膨れが生じるという問題がある。この膨れの生成を抑制するために、高強度のケース材料が要求される。最近、ＪＩＳ−３００３合金に少量のＣｕとＭｇを添加し、強度の向上を図れた材料が用いられるようになっている。
二次電池ケース成形は、通常多段プレスによって成形されるために、ケース材料には良好な成形性が求められる。このために、従来では純アルミニウム系（ＪＩＳ−１０００系）またはＡｌ−Ｍｎ系のＪＩＳ−３００３合金などのような比較的軟質のものが用いられることが多い。二次電池は、上述材料からなるケースに電極体を入れた後に、レーザ溶接により蓋を付けて密封することで製造される。こうして製造された二次電池を携帯電話などに使用するが、放電後に充電する際、ケース内部の温度が上昇して、ケース内部の圧力が上昇する。また、携帯電話などの携帯電子機器を乗用車中に放置する場合がある。夏のとき、車内の温度７０℃以上にも高くなり、電池ケース内部の圧力が大幅に上昇する。このような場合、上述した比較的軟質のケース材料で製造されたケースに大きな膨れが生じるという問題がある。この膨れの生成を抑制するために、高強度のケース材料が要求される。最近、ＪＩＳ−３００３合金に少量のＣｕとＭｇを添加し、強度の向上を図れた材料が用いられるようになっている。
ところで、最近携帯電子機器の多機能化と液晶表示ウィンドの大型化により、大容量且つ長時間で使用可能の二次電池が求められている。ケース底の肉厚を減らして、より多くの電解液を充填するような努力がなされてきている。その結果、電池の内圧が上昇する一途のために、強度の更なる高いケース用材料が求められるようになっている。二次電池ケース用の材料としては既にいくつかのものが提案されている（特許文献１〜６）。
上記特許文献１〜５では、適量のＭｎ、Ｃｕの含有、一部でさらに適量のＭｇを含有することで、２２１ＭＰａ〜２５８ＭＰａという強度を得ている。また、特許文献６では、さらに成分の適量化によって３８１ＭＰａという高強度を得ている。
特許文献７では合金元素の固溶量を増加させることにより、成形後の電池ケースの強度向上を図り、導電率を４５ＩＡＣＳ％以下としたアルミニウム合金板を得ている。
特開２００５−３３６５４０号公報
特開２００６−１８８７４４号公報
特開２００６−１０４５８０号公報
特開２００５−２００７２９号公報
特開２００４−１９７１７２号公報
特開２００６−１６９５７４号公報
特開平１１−１７６３９２号公報
特許文献７では合金元素の固溶量を増加させることにより、成形後の電池ケースの強度向上を図り、導電率を４５ＩＡＣＳ％以下としたアルミニウム合金板を得ている。
しかし、前記特許文献１〜５に示されたアルミニウム合金板は、強度が十分ではなく、前記した課題を解決することは困難である。この中で、前記特許文献５に示されたアルミニウム合金板は、さらにレーザ溶接性が顕著に劣り、溶接時の不良率がかなり高くなる問題がある。
一方、前記特許文献６に示された高強度アルミニウム合金板は十分に高い強度が得られているが、ケース成形性が劣り、成形時の不良率が高い問題がある。また、前記特許文献７に示されたアルミニウム合金板は合金元素の固溶量が増加すると、レーザ溶接性が劣り、溶接不良率が増加するという問題がある。
一方、前記特許文献６に示された高強度アルミニウム合金板は十分に高い強度が得られているが、ケース成形性が劣り、成形時の不良率が高い問題がある。また、前記特許文献７に示されたアルミニウム合金板は合金元素の固溶量が増加すると、レーザ溶接性が劣り、溶接不良率が増加するという問題がある。
本発明は、上記の問題点に鑑みて成し遂げられたものであり、その目的は、高強度且つプレス成形性、溶接性および耐膨れ性に優れた二次電池ケース用のアルミニウム合金板を提供することにある。
すなわち、本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金材のうち、第１の本発明は、質量％で、Ｃｕ：１．２超〜１．８％、Ｍｎ：１．１５超〜１．７％、Ｍｇ：０．３〜０．６％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする。
第２の本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金材は、前記第１の本発明において、前記組成における前記不可避不純物中のＦｅ、Ｓｉ含有量と前記Ｍｎ含有量の総量が、質量％で１．５〜２．０％であることを特徴とする。
第３の本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金材は、前記第１または第２の本発明において、質量％で、前記組成における前記不可避不純物中のＦｅ含有量が０．６％以下、Ｓｉ含有量が０．３％以下であることを特徴とする。
第４の本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金材は、前記第１〜第３の本発明において、前記組成に、さらに、ＺｒとＣｒの一種または二種を、質量％の総量で、０．０５〜０．２％含有することを特徴とする。
第５の本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板は、前記第１〜第４のいずれかの本発明に記載の組成を有し、引張強度が２６０〜３５０ＭＰａの範囲にあって、導電率がＩＡＣＳ３９％以上、且つ円相当直径０．５μｍ以上、１０μｍ以下の金属間化合物粒子が面方向平均で１１０００〜３００００個／ｍｍ２分散していることを特徴とする。
第６の本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法は、前記第１〜第４のいずれかの本発明に記載の組成を有するアルミニウム合金材に、昇温速度３０〜９０℃／時間、保持温度４２０〜５２０℃、保持時間４〜１２時間の条件で均質化処理を施すことを特徴とする。
第７の本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法は、前記第１〜第４のいずれかの本発明に記載の組成を有するアルミニウム合金材に、保持温度２００〜３００℃、保持時間１〜３時間の条件で一段目の均質化処理を行い、保持温度４２０〜５２０℃、保持時間４〜１２時間の条件で二段目の均質化処理を施すことを特徴とする。
第８の本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法は、前記第１〜第４のいずれかの本発明に記載の組成を有するアルミニウム合金材を冷間加工する際に、加熱温度４６０〜５３０℃、保持時間２０〜１８０秒、冷却速度２０〜２００／秒の焼鈍を施すことを特徴とする。
第９の本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法は、前記第８の本発明において、前記焼鈍後に、圧下率６５％以下の最終冷間圧延を行うことを特徴とする。
第１０の本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法は、前記第８または第９の本発明において、１４０〜２５０℃で２〜１２時間の時効処理を施すことを特徴とする。
以下に、本発明で規定する組成等の条件について説明する。
まず、二次電池ケース用アルミニウム合金板の構成部分について説明する。なお、以下で説明する各成分の含有量はいずれも質量％で示される。
まず、二次電池ケース用アルミニウム合金板の構成部分について説明する。なお、以下で説明する各成分の含有量はいずれも質量％で示される。
Ｃｕ：１．２超〜１．８％
Ｃｕは、固溶硬化と析出硬化に寄与する元素であり、強度とクリープ性を高めて、耐膨れ性の向上に寄与する効果があるので含有させる。ただし、Ｃｕ含有量が１．２％以下では、その効果は不十分となる。逆にＣｕ含有量が１．８％を超えると、多段絞り成形時に割れが発生してケース成形ができなくなる。このために、Ｃｕ含有量を１．２％超〜１．８％に制限する。なお、同様の理由で下限を１．２％超、上限を１．７０％とするのが望ましい。
Ｃｕは、固溶硬化と析出硬化に寄与する元素であり、強度とクリープ性を高めて、耐膨れ性の向上に寄与する効果があるので含有させる。ただし、Ｃｕ含有量が１．２％以下では、その効果は不十分となる。逆にＣｕ含有量が１．８％を超えると、多段絞り成形時に割れが発生してケース成形ができなくなる。このために、Ｃｕ含有量を１．２％超〜１．８％に制限する。なお、同様の理由で下限を１．２％超、上限を１．７０％とするのが望ましい。
なお、Ｃｕは、上記のように合金の強度とクリープ強度を高める元素であるため、従来から二次電池ケース用の材料にも合金元素として添加されている。しかし、二次電池ケース用材料においてＣｕを多く含有すると、ケースと蓋などを溶接する際のレーザ溶接性や成形性を低下させるため、従来は一定レベル以下に含有量を制御している。しかし、本発明者の研究において、Ｃｕは母相中に固溶した場合、レーザ溶接性を低下させるが、時効処理を施して析出させておけば、合金の強度が向上し、その一方でレーザ溶接性はそれほど低下しないことが判明した。本発明ではこの知見を基にして、従来よりもＣｕを増量して１．２％超含有させている。
Ｍｎ：１．１５超〜１．７％
Ｍｎは、Ａｌ−Ｍｎ系の金属間化合物粒子を形成する元素である。適切なサイズのこの金属間化合物粒子が第２相粒子として形成されていることにより、ケース成形時に金型とアルミニウム合金板との摩擦が低下し、プレス成形性が向上し、Ｃｕ増量による成形性の低下は回避できる。これにより、２６０ＭＰａ以上の高強度と良好な成形性との両立ができるアルミニウム合金板の製造が可能となる。Ｍｎ量が１．１５％以下では、十分なＡｌ−Ｍｎ系の金属間化合物粒子の形成ができないために、前記の効果が不十分となり、プレス成形性が低下する。
Ｍｎは、Ａｌ−Ｍｎ系の金属間化合物粒子を形成する元素である。適切なサイズのこの金属間化合物粒子が第２相粒子として形成されていることにより、ケース成形時に金型とアルミニウム合金板との摩擦が低下し、プレス成形性が向上し、Ｃｕ増量による成形性の低下は回避できる。これにより、２６０ＭＰａ以上の高強度と良好な成形性との両立ができるアルミニウム合金板の製造が可能となる。Ｍｎ量が１．１５％以下では、十分なＡｌ−Ｍｎ系の金属間化合物粒子の形成ができないために、前記の効果が不十分となり、プレス成形性が低下する。
Ｍｇ：０．３０超〜０．６％
Ｍｇは、固溶硬化に寄与する元素であり、強度とクリープ性を高めて、耐膨れ性を向上させる効果がある。Ｍｇ含有量が０．３０％以下では、その効果は不十分となり、Ｍｇ含有量が０．６％を超えると、強度は更に向上するが、レーザ溶接性とプレス成形性が低下する。
Ｍｇは、固溶硬化に寄与する元素であり、強度とクリープ性を高めて、耐膨れ性を向上させる効果がある。Ｍｇ含有量が０．３０％以下では、その効果は不十分となり、Ｍｇ含有量が０．６％を超えると、強度は更に向上するが、レーザ溶接性とプレス成形性が低下する。
Ｍｎ＋Ｆｅ＋Ｓｉ：１．５〜２．０％
ＦｅとＳｉは、不可避不純物として存在し、強度を若干高める効果がある。また、Ａｌ−Ｍｎ系金属間化合物粒子中に固溶して、この金属間化合物粒子の数を増やす効果がある。したがって、ＦｅとＳｉの添加量も金属間化合物粒子の数とサイズに影響を及ぼす。上記の金属間化合物粒子の制限を維持するために、Ｍｎ＋Ｆｅ＋Ｓｉの量を１．５〜２．０％範囲に制限することが好ましい。
ＦｅとＳｉは、不可避不純物として存在し、強度を若干高める効果がある。また、Ａｌ−Ｍｎ系金属間化合物粒子中に固溶して、この金属間化合物粒子の数を増やす効果がある。したがって、ＦｅとＳｉの添加量も金属間化合物粒子の数とサイズに影響を及ぼす。上記の金属間化合物粒子の制限を維持するために、Ｍｎ＋Ｆｅ＋Ｓｉの量を１．５〜２．０％範囲に制限することが好ましい。
Ｓｉ：０．３％以下
Ｓｉはレーザ溶接性を若干劣化させる。レーザ溶接性を満足できる場合、Ｓｉ含有量を制限する必要はないが、高いレーザ溶接性を要求される場合、Ｓｉ含有量を０．３％以下に制限する必要がある。さらに、０．１％以下に制限することが好ましい。
Ｓｉはレーザ溶接性を若干劣化させる。レーザ溶接性を満足できる場合、Ｓｉ含有量を制限する必要はないが、高いレーザ溶接性を要求される場合、Ｓｉ含有量を０．３％以下に制限する必要がある。さらに、０．１％以下に制限することが好ましい。
Ｆｅ：０．６％以下
Ｆｅ含有量は、上記のＭｎ＋Ｆｅ＋Ｓｉの合計制限条件を満足したとしても、その単体添加量が高くなると、鋳造時に１０μｍ以上の粗大な晶出物が生成しやすくなり、プレス成形時の不良率が上昇する。このために、高いプレス成形性が要求される場合、Ｆｅ含有量を０．６％以下に制限することが好ましい。
Ｆｅ含有量は、上記のＭｎ＋Ｆｅ＋Ｓｉの合計制限条件を満足したとしても、その単体添加量が高くなると、鋳造時に１０μｍ以上の粗大な晶出物が生成しやすくなり、プレス成形時の不良率が上昇する。このために、高いプレス成形性が要求される場合、Ｆｅ含有量を０．６％以下に制限することが好ましい。
Ｚｒ、Ｃｒの一種又は２種：０．０５〜０．２％
アルミニウム合金の場合、結晶粒微細化のために、ＺｒとＣｒを添加することが多い。本発明は、ＺｒとＣｒを必須としていないが、結晶粒微細化の効果を高め、プレス成形性を向上させるために、Ｚｒ、Ｃｒの単独添加または複合添加をすることも可能である。これらの総量は、０．０５〜０．２％が好ましい。０．０５％未満では、結晶粒微細化の効果が不十分となり、含有量が０．２％を超えると、鋳造時に粗大な晶出物が生成しやすくなって、プレス成形性を低下する。
アルミニウム合金の場合、結晶粒微細化のために、ＺｒとＣｒを添加することが多い。本発明は、ＺｒとＣｒを必須としていないが、結晶粒微細化の効果を高め、プレス成形性を向上させるために、Ｚｒ、Ｃｒの単独添加または複合添加をすることも可能である。これらの総量は、０．０５〜０．２％が好ましい。０．０５％未満では、結晶粒微細化の効果が不十分となり、含有量が０．２％を超えると、鋳造時に粗大な晶出物が生成しやすくなって、プレス成形性を低下する。
円相当直径０．５μｍ以上、１０μｍ以下の金属間化合物粒子：１１０００〜３００００個／ｍｍ２（面方向平均）
Ａｌ−Ｍｎ系の金属間化合物粒子のサイズと数によっても、摩擦低減の効果と成形時の割れ感受性が変化する。したがって、二次電池ケース用として製造された高強度アルミニウム合金板では、金属間化合物粒子のサイズと数が適切な範囲にあるのが望ましい。
円相当直径０．５μｍ以上の金属間化合物粒子はケース成形時の金型との間の摩擦を下げる作用がある。一方、１０μｍより大きい金属間化合物粒子は、成形時の亀裂の起点となりやすく、プレス成形時の不良率が上昇する。このために、円相当直径を０．５〜１０μｍに着目する。また、１０μｍ以下の粒子でもその数が多いとやはりプレス成形時の不良率が高くなる。したがって、５μｍ以上、１０μｍ以下の金属間化合物の数を平均で２５００個／ｍｍ２以下に制限することが好ましい。さらに、円相当直径０．５〜１０μｍの金属間化合物粒子の数は１１０００個／ｍｍ２未満の場合、成形時の摩擦を下げる前記の作用は不十分となる。逆に３００００個／ｍｍ２を超えた場合、１０μｍを超える大きな金属間化合物粒子の発生確率が高くなり、５μｍ以上、１０μｍ以下の金属間化合物の数を２５００個／ｍｍ２以下に制限することが難しくなる。また、Ｍｎ含有量が１．７％を越えると、１０μｍを超える粗大な金属間化合物粒子が生成しやすくなり、プレス成形性が低下する。上記金属間化合物は、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系またはこれらを主として構成されている。
Ａｌ−Ｍｎ系の金属間化合物粒子のサイズと数によっても、摩擦低減の効果と成形時の割れ感受性が変化する。したがって、二次電池ケース用として製造された高強度アルミニウム合金板では、金属間化合物粒子のサイズと数が適切な範囲にあるのが望ましい。
円相当直径０．５μｍ以上の金属間化合物粒子はケース成形時の金型との間の摩擦を下げる作用がある。一方、１０μｍより大きい金属間化合物粒子は、成形時の亀裂の起点となりやすく、プレス成形時の不良率が上昇する。このために、円相当直径を０．５〜１０μｍに着目する。また、１０μｍ以下の粒子でもその数が多いとやはりプレス成形時の不良率が高くなる。したがって、５μｍ以上、１０μｍ以下の金属間化合物の数を平均で２５００個／ｍｍ２以下に制限することが好ましい。さらに、円相当直径０．５〜１０μｍの金属間化合物粒子の数は１１０００個／ｍｍ２未満の場合、成形時の摩擦を下げる前記の作用は不十分となる。逆に３００００個／ｍｍ２を超えた場合、１０μｍを超える大きな金属間化合物粒子の発生確率が高くなり、５μｍ以上、１０μｍ以下の金属間化合物の数を２５００個／ｍｍ２以下に制限することが難しくなる。また、Ｍｎ含有量が１．７％を越えると、１０μｍを超える粗大な金属間化合物粒子が生成しやすくなり、プレス成形性が低下する。上記金属間化合物は、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系またはこれらを主として構成されている。
引張強度：２６０〜３５０ＭＰａ
また、上記の組成からなるアルミニウム合金板は、引張試験で求めた引張強度が２６０ＭＰａ以上であることが好ましい。引張強度がこの範囲内であれば、本発明のアルミニウム合金板を成形した二次電池ケースに、充放電サイクル時への十分な耐膨れ性を与えることができる。しかし、引張強度は３５０ＭＰａを超えると、ケース成形時に亀裂が発生しやすくなる。同様の理由で引張強度を２８０〜３４０ＭＰａに制限することが好ましい。
また、上記の組成からなるアルミニウム合金板は、引張試験で求めた引張強度が２６０ＭＰａ以上であることが好ましい。引張強度がこの範囲内であれば、本発明のアルミニウム合金板を成形した二次電池ケースに、充放電サイクル時への十分な耐膨れ性を与えることができる。しかし、引張強度は３５０ＭＰａを超えると、ケース成形時に亀裂が発生しやすくなる。同様の理由で引張強度を２８０〜３４０ＭＰａに制限することが好ましい。
導電率：ＩＡＣＳ３９％以上
また、上記の組成からなるアルミニウム合金板の導電率はＩＡＣＳ３９％以上であることが好ましい。この範囲であれば、Ｃｕなど固溶合金元素量が十分低いために、良好なレーザ溶接性が得られる。さらに、合金元素の添加量が多い場合、最終圧延後に時効処理を行うことにより、固溶合金元素が一層析出して、更なる良好なレーザ溶接性を得ることができる。この場合、ＩＡＣＳ４３％以上の導電率が好ましい。本発明は、導電率の上限を特に規制しないが、時効処理などを十分実施してもＩＡＣＳ５０％以上のものが得られにくい。
以上の組成からなる本発明のアルミニウム合金板は強度が高く、耐膨れ性、プレス成形性、及び溶接性（特にレーザ溶接性）に優れたものである。
また、上記の組成からなるアルミニウム合金板の導電率はＩＡＣＳ３９％以上であることが好ましい。この範囲であれば、Ｃｕなど固溶合金元素量が十分低いために、良好なレーザ溶接性が得られる。さらに、合金元素の添加量が多い場合、最終圧延後に時効処理を行うことにより、固溶合金元素が一層析出して、更なる良好なレーザ溶接性を得ることができる。この場合、ＩＡＣＳ４３％以上の導電率が好ましい。本発明は、導電率の上限を特に規制しないが、時効処理などを十分実施してもＩＡＣＳ５０％以上のものが得られにくい。
以上の組成からなる本発明のアルミニウム合金板は強度が高く、耐膨れ性、プレス成形性、及び溶接性（特にレーザ溶接性）に優れたものである。
ここで、強度とは、引張試験によって得られる引張強さという。耐膨れ性とは、二次電池の充放電サイクルを実施する際に、または二次電池を７０〜１００℃の高温環境中（例えば、夏のパーキングエリヤにある自動車内）に放置する際に、二次電池ケースの内部で圧力が増加したときのケースの膨れを防止できるかどうかをいう。強度が十分高くなると、充放電サイクルときのケースの膨れを防止できる。高温環境中での二次電池ケースの膨れを防止するには、高温と圧力が同時に作用するために、７０〜１００℃での良好なクリープ特性が要求される。本発明のアルミニウム合金板は、高強度と高クリープ特性を備え、従来のケースの膨れを解決したものである。
また、プレス成形性とは、形付けをプレスによって行う場合の形付けができるかどうかである。本発明のアルミニウム合金板は、プレス成形性に優れているため、二次電池ケースを良好に成形することができる。
また、溶接性とは、二次電池ケース胴体に蓋を接合する際の溶接ができるかどうかをいい、レーザ溶接性とは、溶接をレーザによって行う場合の溶接ができるかどうかをいう。本発明のアルミニウム合金板は、溶接性に優れているため、二次電池ケースを良好に作製することができる。
また、上記本発明のアルミニウム合金板は、負荷荷重１８０ＭＰａ、温度１００℃のクリープ試験で求めた定常クリープ速度が０．０００００３（１／ｈｒ）以下であること、および減速クリープ段階の歪み量が０．０１５以下であることが好ましい。定常クリープ速度と減速クリープ段階の歪み量が前記の範囲内であれば、本発明のアルミニウム合金板を成形した二次電池ケースには、７０〜１００℃の高温環境中に放置したときの十分な耐膨れ性を与えることができる。定常クリープ速度と減速クリープ段階の歪み量の下限値は、特に規定しないが、アルミニウム合金板の成分、製造方法に依存するために、本発明の成分範囲の規定値、製造条件を満足するなら、それぞれ０．０００００００１（１／ｈｒ）と０．００１を示すことができる。
本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金材は、Ｃｕ：１．２超〜１．８％、Ｍｎ：１．１５超〜１．７％、Ｍｇ：０．３〜０．６％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる組成を有するので、高強度且つプレス成形性、溶接性および耐膨れ性に優れたアルミニウム合金板を得ることが可能になる。
本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板は、上記本発明のアルミニウム合金組成を有し、引張強度が２６０〜３５０ＭＰａの範囲にあって、導電率がＩＡＣＳ３９％以上、且つ円相当直径０．５μｍ以上、１０μｍ以下の金属間化合物粒子が平均で１１０００〜３００００個／ｍｍ２分散しているので、高強度且つプレス成形性、溶接性（特にレーザ溶接性）および耐膨れ性に優れた特性を示すことができる。
さらに、本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法は、上記本発明の組成を有するアルミニウム合金材に、昇温速度３０〜９０℃／時間、保持温度４２０〜５２０℃、保持時間４〜１２時間の条件、または、一段目を保持温度２００〜３００℃、保持時間１〜３時間、二段目を保持温度４２０〜５２０℃、保持時間４〜１２時間とする条件で均質化処理を施すので、前記金属間化合物粒子が、上記の分布密度とサイズで析出をして、成形性を向上させる。
さらに、本発明の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法の他の形態では、上記本発明の組成を有するアルミニウム合金材を冷間加工する際に、加熱温度４６０〜５３０℃、保持時間２０〜１８０秒、冷却速度２０〜２００／秒の焼鈍を施すので、前記成分による時効硬化性を確実にもたらし、その後の時効によって優れた強度特性を得ることができる。
本発明のアルミニウム合金板は以下の方法により製造することができる。
上記本発明の組成からなるアルミニウム合金は、通常は、溶解、鋳造、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍、最終冷間圧延の各工程を経て板材とする。なお、冷間圧延の際には、中間焼鈍を行うことなく冷間圧延後に最終焼鈍を行うこともでき、また、中間焼鈍と最終焼鈍とをそれぞれ行うものであってもよい。また、強度をさらに高めるために、最終冷延後または最終焼鈍後に時効処理を施すことも可能である。
上記本発明の組成からなるアルミニウム合金は、通常は、溶解、鋳造、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍、最終冷間圧延の各工程を経て板材とする。なお、冷間圧延の際には、中間焼鈍を行うことなく冷間圧延後に最終焼鈍を行うこともでき、また、中間焼鈍と最終焼鈍とをそれぞれ行うものであってもよい。また、強度をさらに高めるために、最終冷延後または最終焼鈍後に時効処理を施すことも可能である。
上記の均質化処理においては、昇温速度３０〜９０℃／時間以下、保持温度４２０〜５２０℃、保持時間４〜１２時間の条件で行うことが好ましい。昇温途中にＡｌ２Ｃｕ、Ａｌ２ＣｕＭｇ金属間化合物粒子を析出させる。続いての４２０〜５２０℃、４〜１２時間の加熱保持により、Ａｌ−Ｍｎ系の金属間化合物粒子がＡｌ２Ｃｕ、Ａｌ２ＣｕＭｇ金属間化合物粒子を核生成サイトとして微細に析出して、上記の分布密度とサイズの制限条件を満足することができる。昇温速度が３０℃／時間より遅いと、析出してきたＡｌ２Ｃｕ、Ａｌ２ＣｕＭｇ金属間化合物粒子は、Ａｌ−Ｍｎ系の金属間化合物粒子が析出しはじめる前に再固溶してしまう。逆に９０℃／時間より速いと、Ａｌ２Ｃｕ、Ａｌ２ＣｕＭｇ金属間化合物粒子が十分析出できなくなる。保持温度が４２０℃より低く、または保持時間が４時間より短いと、Ａｌ−Ｍｎ系の金属間化合物粒子の析出が不十分となって、分布密度は低すぎることになる。逆に保持温度が５２０℃より高く、または保持時間が１２時間より長いと、Ａｌ−Ｍｎ系の金属間化合物粒子が大きくなりすぎる恐れがある。
前記のような均質化処理以外に、二段均質化処理の実施も好ましい。まず、一段目の処理として、２００〜３００℃の範囲で１〜３時間に保持して、Ａｌ２Ｃｕ、Ａｌ２ＣｕＭｇ金属間化合物粒子を析出させる。次いで、二段目の処理として、４２０〜５２０℃の範囲に加熱して、一段目の処理で析出したＡｌ２Ｃｕ、Ａｌ２ＣｕＭｇ金属間化合物粒子を核生成サイトとして、Ａｌ−Ｍｎ系の金属化合物が微細に分散して析出する。こうした二段均質化処理によって、上記の分布密度とサイズの制限条件を満足することができるＡｌ−Ｍｎ系の金属化合物粒子が得られる。一段目の処理温度が２００℃より低く、または保持時間が１時間未満では、Ａｌ２Ｃｕ、Ａｌ２ＣｕＭｇ金属間化合物粒子が十分析出できなくなる。逆に３００℃より高く、または保持時間が３時間より長いと、Ａｌ２Ｃｕ、Ａｌ２ＣｕＭｇ金属間化合物粒子が大きく成長しすぎて、分布密度が低下してしまう。二段目の処理温度と時間の制限理由は前記の一段均質化処理と同じである。
上記した冷間圧延工程では中間焼鈍または最終焼鈍（以下、「焼鈍」という）を行うことができる。該焼鈍工程においては、焼鈍温度４６０〜５３０℃、保持時間２０〜１８０秒、冷却速度２０〜２００℃／秒とするのが好ましい。本発明のアルミニウム合金板は、時効硬化特性を有するものである。この時効硬化特性を生かせるようにするために、焼鈍時に時効硬化元素であるＣｕ、Ｍｇ等をマトリックス中に固溶させておかなければならない。焼鈍温度が４６０℃より低く、または保持時間が２０秒より短いと、Ｃｕ、Ｍｇ等の固溶が不十分となるために、時効硬化特性が得られにくくなって、強度が低下する。一方、焼鈍温度が５３０℃より高いと局部溶融が発生する恐れがあり、プレス成形性が顕著に劣る。同様の理由のために焼鈍温度を４８０〜５１０℃に制限することが一層好ましい。また、保持時間が１８０秒より長くなると、結晶粒の成長が生じるために結晶粒が大きくなって、プレス成形性が劣る。冷却速度が２０℃／秒より遅いと、冷却中にＣｕとＭｇが析出してしまい、強度の低下をもたらすために好ましくない。冷却速度が２００℃／秒を超えると、冷却用の設備投資が増し、生産コストが増加する。
本発明のアルミニウム合金板の最終強度は、２種類の手法によって達成することができる。その１つは、最終冷間圧延後または最終焼鈍後に時効処理を施すことによって所定の強度を達成することである。この場合、時効温度と保持時間の選択では、前記引張強度が２６０ＭＰａ以上、導電率がＩＡＣＳ３９％以上の要求を満足する必要がある。このために、時効処理を１４０〜２５０℃で２〜１２時間の条件で実施することが好ましい。時効温度が１４０℃より低く、または保持時間が２時間より短いと、強化相Ａｌ２Ｃｕ、Ａｌ２ＣｕＭｇ金属間化合物粒子の析出が不十分となって、所定の強度が得られずに、導電率がＩＡＣＳ３９％よりも低くなる恐れがある。逆に時効温度が２５０℃より高く、または保持時間が１２時間より長いと、Ａｌ２Ｃｕ、Ａｌ２ＣｕＭｇ金属間化合物粒子が粗大になって、分布密度が下がって強化相として働かなくなる。
もう１つの手法は、上記中間焼鈍後に最終冷間圧延を施すことによって所定の強度を達成することである。この場合、最終冷間圧延時の圧下率を６５％以下に制御することが好ましい。圧下率が６５％超えると、プレス成形性が劣化する。最終冷間圧延時の圧下率の下限値は特に規定しないが、但し、前記引張強度が２６０ＭＰａ以上の要求を満足する必要がある。また、この製造方法を採用するときも、導電率をＩＡＣＳ３９％以上に満足する必要がある。さらに、引張強度が２６０〜３５０ＭＰａ、導電率がＩＡＣＳ３９％以上の制限条件を満足するために、時効処理と最終冷間圧延の２つの手法とを複合使用することもできる。例えば、上記最終冷間圧延後に前記時効処理を行うこと、または室温で４日以上放置の自然時効後に上記最終圧延を行うことである。
本発明のアルミニウム合金板は、プレス成形、レーザ溶接などによって二次電池ケースに成形されて使用される。この際には、優れたプレス成形性およびレーザ溶接性を示す。得られた二次電池ケースは、高い強度を有し、耐膨れ性に優れた特性を示す。
以下に実施例および比較例によって本発明を説明する。
（実施例１）
表１は、製造された発明材１〜３のアルミニウム合金板の成分組成である（残部にはその他の不純物を含む）。なお、表１中の単位は質量％である。製造されたアルミニウム合金板が表１に示す組成成分となるように配合されたアルミニウム合金の鋳塊を半連続鋳造により鋳造し、得られた鋳塊を面削して表面の不均一層を除去した。その後、６０℃／ｈｒ．の昇温速度で５００℃まで加熱し、８時間保持する均質化処理を行い、４００℃まで冷却して、速やかに熱間圧延を施して、厚さ７ｍｍまたは２ｍｍの板材とした。続いて、厚さ０．８８ｍｍまで冷間圧延し、昇温速度１００℃／秒、保持温度５００℃、保持時間３０秒、冷却速度１５０℃／秒という条件で中間焼鈍を行った。その後、室温で１００時間放置の自然時効を施して、厚さ０．５２ｍｍまで最終冷間圧延した。最終冷間圧延の際の圧下率は４０．９％であった。
また、比較例のアルミニウム合金板が表１に示す成分組成となるようにした他は、上記実施例と同様の方法により製造した。
（実施例１）
表１は、製造された発明材１〜３のアルミニウム合金板の成分組成である（残部にはその他の不純物を含む）。なお、表１中の単位は質量％である。製造されたアルミニウム合金板が表１に示す組成成分となるように配合されたアルミニウム合金の鋳塊を半連続鋳造により鋳造し、得られた鋳塊を面削して表面の不均一層を除去した。その後、６０℃／ｈｒ．の昇温速度で５００℃まで加熱し、８時間保持する均質化処理を行い、４００℃まで冷却して、速やかに熱間圧延を施して、厚さ７ｍｍまたは２ｍｍの板材とした。続いて、厚さ０．８８ｍｍまで冷間圧延し、昇温速度１００℃／秒、保持温度５００℃、保持時間３０秒、冷却速度１５０℃／秒という条件で中間焼鈍を行った。その後、室温で１００時間放置の自然時効を施して、厚さ０．５２ｍｍまで最終冷間圧延した。最終冷間圧延の際の圧下率は４０．９％であった。
また、比較例のアルミニウム合金板が表１に示す成分組成となるようにした他は、上記実施例と同様の方法により製造した。
表２に発明材１〜３および比較材１〜７の引張強度（機械的性質）、０．５〜１０μｍ金属間化合物粒子の分布密度、プレス成形性、１００℃で１８０ＭＰａ初期荷重を負荷したときの定常クリープ速度と減速クリープ段階の歪み量、導電率およびレーザ溶接性の評価結果を示した。
なお、金属間化合物粒子の分布密度、プレス成形性、レーザ溶接性は、以下に示す方法により求めた（以下同様である）。
なお、金属間化合物粒子の分布密度、プレス成形性、レーザ溶接性は、以下に示す方法により求めた（以下同様である）。
（評価試験方法）
引張強度は、得られた板材からＪＩＳ５号試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に定めた方法による引張試験を行った。
引張強度は、得られた板材からＪＩＳ５号試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に定めた方法による引張試験を行った。
プレス成形性については、径６９．３ｍｍのブランク、径４０ｍｍ、３３ｍｍおよび２７ｍｍのポンチを用いて三段深絞りを行って、割れの発生がなく成形できたものを○、割れが発生したものを×とした。
クリープ試験は、平行部長さ３２ｍｍ、幅７ｍｍの試験片を用い、１００℃雰囲気中で１８０ＭＰａ初期荷重を負荷して行った。
レーザ溶接性については、ＹＡＧ、パルスレーザ溶接機を用いて、突合せ法によって本発明のアルミニウム合金板を溶接して、割れ、溶け込み不良などの溶接欠陥がないものを○、あるものを×とした。
金属間化合物粒子の円相当径および分布密度は、圧延後の各板材からサンプルを切出して、軽く電解研磨を施した後に、板面においてＫＥＹＥＮＣＥ社製ＶＫ−８５００レーザ顕微鏡によって１５０μｍ×１１７μｍのデジタル画像１０枚を１０００倍で撮影して、画像解析ソフトＩｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ４．５（商標名）で解析して求めた。
導電率は、所定の製造工程で製造された最終板を用いて、シグマテスターＳＩＧＭＡＴＥＳＴ２．０６７によって２３℃の環境で測定した。
導電率は、所定の製造工程で製造された最終板を用いて、シグマテスターＳＩＧＭＡＴＥＳＴ２．０６７によって２３℃の環境で測定した。
（実施例２）
表１に示した発明材３および比較材３と同成分の鋳塊を面削して表面の不均一層を除去し、表３に示すような条件で均質化処理を行い、４００℃まで冷却して、速やかに熱間圧延を施して、厚さ７ｍｍまたは２ｍｍの板材とした。その後の製造工程は実施例１と同じであった。即ち、厚さ０．８８ｍｍまで冷間圧延し、昇温速度１００℃／秒、保持温度５００℃、保持時間３０秒、冷却速度１５０℃／秒という条件で中間焼鈍を行った。その後、室温で１００時間放置の自然時効を施して、厚さ０．５２ｍｍまで最終冷間圧延した。最終冷間圧延の際の圧下率は４０．９％であった。
表１に示した発明材３および比較材３と同成分の鋳塊を面削して表面の不均一層を除去し、表３に示すような条件で均質化処理を行い、４００℃まで冷却して、速やかに熱間圧延を施して、厚さ７ｍｍまたは２ｍｍの板材とした。その後の製造工程は実施例１と同じであった。即ち、厚さ０．８８ｍｍまで冷間圧延し、昇温速度１００℃／秒、保持温度５００℃、保持時間３０秒、冷却速度１５０℃／秒という条件で中間焼鈍を行った。その後、室温で１００時間放置の自然時効を施して、厚さ０．５２ｍｍまで最終冷間圧延した。最終冷間圧延の際の圧下率は４０．９％であった。
表４に発明材４および比較材８〜１１の引張強度（機械的性質）、０．５〜１０μｍ金属間化合物粒子の分布密度、プレス成形性、１００℃で１８０ＭＰａ初期荷重を負荷したときの定常クリープ速度と減速クリープ段階の歪み量、導電率およびレーザ溶接性の評価結果を示した。
（実施例３）
表１に示した発明材２と同成分の鋳塊を面削して表面の不均一層を除去し、昇温速度８０℃／時間、一段保持温度２５０℃、保持時間２時間、二段保持温度４８０℃、保持時間６時間の条件で均質化処理を施して、４２０℃まで冷却して、速やかに熱間圧延を施して、厚さ７ｍｍまたは２ｍｍの板材とした。さらに表５に示す条件に従って中間焼鈍、最終冷延または時効処理を施した。いずれの材料も最終板厚は０．５２ｍｍである。これに合せるために、発明材５および比較材１２〜１４の中間焼鈍は０．８８ｍｍ厚さ、発明材６と比較材１５の中間焼鈍は０．５２ｍｍ最終厚さ、発明材７の中間焼鈍は０．６１ｍｍ厚さで行った。また、一部供試材（発明材６、比較材１５）では、上記中間焼鈍を行うことなく、最終冷間圧延後に表５に示す条件で最終焼鈍を行った。さらに、これら供試材では一部を除いて、最終冷間圧延後または最終焼鈍後に表５に示す条件で時効処理を行った。
表６に発明材５〜７および比較材１２〜１５の引張強度、０．５〜１０μｍ金属間化合物粒子の分布密度、プレス成形性、１００℃で１８０ＭＰａ初期荷重を負荷したときの定常クリープ速度と減速クリープ段階の歪み量、導電率およびレーザ溶接性の評価結果を示した。
表１に示した発明材２と同成分の鋳塊を面削して表面の不均一層を除去し、昇温速度８０℃／時間、一段保持温度２５０℃、保持時間２時間、二段保持温度４８０℃、保持時間６時間の条件で均質化処理を施して、４２０℃まで冷却して、速やかに熱間圧延を施して、厚さ７ｍｍまたは２ｍｍの板材とした。さらに表５に示す条件に従って中間焼鈍、最終冷延または時効処理を施した。いずれの材料も最終板厚は０．５２ｍｍである。これに合せるために、発明材５および比較材１２〜１４の中間焼鈍は０．８８ｍｍ厚さ、発明材６と比較材１５の中間焼鈍は０．５２ｍｍ最終厚さ、発明材７の中間焼鈍は０．６１ｍｍ厚さで行った。また、一部供試材（発明材６、比較材１５）では、上記中間焼鈍を行うことなく、最終冷間圧延後に表５に示す条件で最終焼鈍を行った。さらに、これら供試材では一部を除いて、最終冷間圧延後または最終焼鈍後に表５に示す条件で時効処理を行った。
表６に発明材５〜７および比較材１２〜１５の引張強度、０．５〜１０μｍ金属間化合物粒子の分布密度、プレス成形性、１００℃で１８０ＭＰａ初期荷重を負荷したときの定常クリープ速度と減速クリープ段階の歪み量、導電率およびレーザ溶接性の評価結果を示した。
Claims (10)
- 質量％で、Ｃｕ：１．２超〜１．８％、Ｍｎ：１．１５超〜１．７％、Ｍｇ：０．３〜０．６％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする二次電池ケース用高強度アルミニウム合金材。
- 前記組成において前記不可避不純物中のＦｅ、Ｓｉ含有量と前記Ｍｎ含有量の総量が、質量％で１．５〜２．０％であることを特徴とする請求項１記載の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金材。
- 前記組成において、質量％で、前記不可避不純物中のＦｅ含有量が０．６％以下、Ｓｉ含有量が０．３％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金材。
- 前記組成において、さらに、ＺｒとＣｒの一種または二種を、質量％の総量で、０．０５〜０．２％含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金材。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の組成を有し、引張強度が２６０〜３５０ＭＰａの範囲にあって、導電率がＩＡＣＳ３９％以上、且つ円相当直径０．５μｍ以上、１０μｍ以下の金属間化合物粒子が面方向平均で１１０００〜３００００個／ｍｍ２分散していることを特徴とする二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の組成を有するアルミニウム合金材に、昇温速度３０〜９０℃／時間、保持温度４２０〜５２０℃、保持時間４〜１２時間の条件で均質化処理を施すことを特徴とする二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の組成を有するアルミニウム合金材に、保持温度２００〜３００℃、保持時間１〜３時間の条件で一段目の均質化処理を行い、保持温度４２０〜５２０℃、保持時間４〜１２時間の条件で二段目の均質化処理を施すことを特徴とする二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の組成を有するアルミニウム合金材を冷間加工する際に、加熱温度４６０〜５３０℃、保持時間２０〜１８０秒、冷却速度２０〜２００／秒の焼鈍を施すことを特徴とする二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法。
- 前記焼鈍後に、圧下率６５％以下の最終冷間圧延を行うことを特徴とする請求項８記載の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法。
- １４０〜２５０℃で２〜１２時間の時効処理を施すことを特徴とする請求項８または９記載の二次電池ケース用高強度アルミニウム合金板の製造方法。
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| JP (1) | JP2009097029A (ja) |
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-
2007
- 2007-10-15 JP JP2007267392A patent/JP2009097029A/ja active Pending
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