JP3840458B2 - 電池ケース用材料、電池ケース用めっき鋼板、電池ケースの製造方法、それらを用いた電池ケース、ならびにそれを用いた電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池ケース用材料、電池ケース用めっき鋼板、電池ケースの製造方法、それらを用いた電池ケース、ならびにそれを用いた電池に関わり、析出硬化性の鋼の圧延板からなる電池ケース用材料を電池ケースの形状に成形加工した後、加熱して析出硬化させてケースを強化する電池ケースの製造方法を採用している、電池ケース用材料、電池ケース用めっき鋼板、電池ケースの製造方法、それらを用いた電池ケース、ならびにそれを用いた電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯用の機器に用いる電源として用いられる電池は、機器の小型化に対応して小型化が求められているが、小型化することによって電池容量も小さくならざるを得ない。そのため、小型電池においては少しでも電池容量を確保するために、様々な試みが行われている。特に、単三型の電池や単四型の電池においては、絞り加工により成形した容器高さの大きい円筒状の電池ケースが用いられていたが、絞り加工した中間製品のカップ状体の側壁をしごき加工して側壁厚さを薄くした最終製品の容器に成形し、電池ケース容積の増大を図っている。絞りしごき加工によって電池ケースを成形する場合、容器壁部が薄くなり、絞り加工のみで容器壁部の厚さが減少することなく電池ケースを成形する場合に比べて容器の強度が低下するが、容器の強度を確保するために、以下に示す方法が行われている。
【0003】
例えば、電池缶の肉厚を薄くして電池缶容量を増大し、かつ電池缶の肉厚を薄くする加工工数の減少を図って、降伏点が250〜700N/mm2 、HR30T(硬度)が55〜80、板厚が0.6〜0.1mmである高耐力鋼板を絞りしごき加工して電池缶に成形することを開示している(例えば、特許文献1参照)。そして、この特許文献1に記載の高耐力鋼板を用いた場合、第1に従来の板厚の厚い軟質材を用いた場合よりも板厚を20%以上減少して、同様の強度及び耐力を有する電池缶を設けることができる、そして第2に側壁の板厚の減少率を従来と同様とすると、側壁をより薄くすることができる一方、側壁の厚さを従来と同一にすると、絞り回数を減少して、加工速度を進めることができる、としている。しかし、この特許文献1に記載の方法による場合、高耐力鋼板を用いているために工具摩耗が大きく、工具交換を頻繁に行わなくてはならず、生産性および生産コスト上の問題を抱えている。
【0004】
また、径に比較して総高(胴長の全長さ)が極めて大きい、総高/外径が3.5以上の電池缶を製造する際に、従来の方法においてはカップ状の中間製品を製作する過程で割れなどの不良品の発生率を抑制することを目的として、ニッケルめっき鋼板である電池缶素材として硬度がHv80〜90のものを用い、シゴキ工程によって電池缶の側周部の硬度がHv200以上となるようにシゴキ加工を施すことを特徴とする電池缶の製造方法を開示している(例えば、特許文献2参照)。そして、この方法によれば、カップ状の中間製品を製作する深絞り工程時の不良品の発生率を極力低下させることができると共に、電池缶の耐圧強度や封口強度を十分に確保することができるとしている。この特許文献2に記載の方法は、しごき加工による加工硬化により缶壁強度を高めるものであり、缶壁強度を高めることは可能であるが、缶底の強度を高めることはできない。
【0005】
このような、加工硬化によらない強度上昇を図るものとして、電池缶ではないが、絞りしごき加工で成形される飲料用のDI(Drawing and Ironing :絞りしごき加工)缶用鋼板の製造方法を開示している(例えば、特許文献3参照)。飲料缶用に用いるDI缶においては、缶体に成形加工した後、外面に塗装や印刷を施し、200℃前後の温度で数分〜数十分加熱して焼き付ける。この特許文献3の方法は、この焼き付けの加熱により時効硬化させて、強度を高めるものである。すなわち、C0.01〜0.10%、Mn0.50%以下、sol.Al0.003〜0.050%、N0.0040%以下(%は重量%)、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼を、熱間圧延、冷間圧延、連続焼鈍、調質圧延した鋼板にスズめっきしたスズめっき鋼板をDI加工した後、上記の塗装・印刷の焼き付け条件で加熱し、鋼中に固溶したC、Nを析出させて析出強化(歪時効硬化)している。しかし、この方法の鋼板を用いた場合、DI加工後に上記の析出強化処理を施しても調質度T4級(HR30Tで61±3)程度の強度のものしか得られない。
【0006】
本出願に関する先行技術文献情報として次のものがある。
【0007】
【特許文献1】
特開平9−306441号公報
【特許文献2】
特開平8−255598号公報
【特許文献3】
特公平6−29465号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、軟質の材料を用いて容器に成形加工し、成形加工後の析出強化により容器の強度を高めることが可能で、そのため成形加工時の加工工具の摩耗を減少させることが可能で、かつ容器の側壁部のみならず缶底部の強度も高めた電池ケース用材料および電池ケースの製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の電池ケース用材料は、Cuが0.5〜2.5重量%、Cが0.06重量%以下、Mnが0.5重量%以下、Siが0.03%以下、Sが0.04重量%以下、Niが0.1〜1.7重量%、Pが0.05〜0.3重量%、またはNbが0.05〜0.5重量%、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼の圧延板からなることを特徴とする電池ケース用材料である。
【0010】
また、本発明の電池ケース用材料の製造方法は、上記の鋼を、熱間圧延し、酸洗した後、冷間圧延し、次いで焼鈍することを特徴とする電池ケース用材料の製造方法、または
上記の鋼を、熱間圧延し、酸洗した後、一次冷間圧延し中間焼鈍を施した後二次冷間圧延し、次いで最終焼鈍することを特徴とする電池ケース用材料の製造方法である。
【0011】
さらに、本発明の電池ケース用めっき鋼板は、上記の鋼の圧延板にNiめっきを施してなることを特徴とする電池ケース用めっき鋼板である。
【0012】
またさらに、本発明の電池ケースの製造方法は、上記の電池ケース用めっき鋼板に絞り加工を施して電池ケースの形状に成形した後、300〜750℃に加熱して鋼中にCuを析出させることを特徴とする電池ケースの製造方法、または
上記の電池ケース用めっき鋼板に絞りしごき加工を施して電池ケースの形状に成形した後、300〜750℃に加熱して鋼中にCuを析出させることを特徴とする電池ケースの製造方法である。
【0013】
そして本発明の電池ケースは、上記のいずれかの電池ケースの製造方法を用いてなることを特徴とする電池ケースであり、また電池ケース底面の硬度がHv140〜265であることを特徴とする。
【0014】
そしてさらに本発明の電池は、上記のいずれかの電池ケースを用いたことを特徴とする電池である。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【0016】
上記のように、本発明においては絞り加工や絞りしごき加工によって成形される電池用ケースなどの容器において、加工硬化を期待できないや容器底部の強度を加工後の加熱による析出強化によって高め、また軟質な状態で加工することにより加工工具の摩耗を減少させ、加工後の加熱による析出強化によって容器の強度を高めようとするものである。そのため、本発明の電池ケース用材料はCuを析出させる鋼板を用いることを特徴とするものである。
【0017】
以下、Cuなど、本発明の電池ケース用材料に用いる鋼に含有させる元素とその好適な含有量について説明する。
【0018】
[Cu]
Cuは本発明の電池ケース用材料に用いる鋼に不可欠の元素であり、鋼の圧延板にめっきを施しためっき鋼板を容器に成形加工した後、時効処理を施して微細析出させて鋼を強化するために含有させる。含有量が0.5重量%未満では析出強化の効果が認められない。一方、2.5重量%を超えて含有させても強度上昇の効果が飽和し、それ以上の強度上昇が期待できない。
【0019】
[C]
Cは鋼を硬化させて強度を上昇させる元素であり、Nbとともに鋼中に含有させると炭化物NbCの形成による強度上昇ももたらされる。しかし、多量に含有させると加工性および耐食性が低下するので、含有量は0.06重量%以下とすることが好ましい。
【0020】
[Mn]
Mnは鋼中に不純物として存在するSと結合して硫化物MnSとしてSを固定することにより、熱間脆性を防止させるとともに、強度を上昇させる元素であるが、多量に含有させると加工性が低下するので、含有量は0.5重量%以下とすることが好ましい。
【0021】
[S]
Sは不純物として鋼中に存在し、熱間脆性の原因として含有量を極力少なく抑制することが好ましいが、含有量が0.04重量%以下とすることにより、熱間脆性を回避することができる。
【0022】
[Si]
Siも鋼を硬化させて強度を上昇させる元素であるが、多量に含有させると耐食性が低下するので、含有量は0.03重量%以下とすることが好ましい。
【0023】
[Ni]
NiはCuを含有させることによる熱間脆性を防止するために含有させる。Niの含有量はCuの含有量の2/3以下、好ましくは1/2程度であることが好ましく、Cuの含有量に合わせて0.1〜1.7重量%とすることが好ましい。
【0024】
[P]
Pは鋼中に固溶することにより強度を上昇させるが、多量に含有させると脆化して成形性が低下するので、含有量は0.05重量%以上でかつ0.3重量%以下とすることが好ましい。
【0025】
[Nb]
NbはCとともに鋼中に含有させることにより、炭化物NbCを形成し鋼中に微細に析出して結晶粒を微細化するとともに強化する。また、Nb自体の固溶強化により強度を上昇させることもできるが、多量に含有させると脆化して成形性が低下するので、含有量は0.05重量%以上でかつ0.5重量%以下とすることが好ましい。
【0026】
次に、本発明の電池ケース用材料の製造方法について説明する。
【0027】
真空溶解法または真空脱ガス法を用いて溶製した上記の化学成分を有する鋼を熱間圧延した後、酸洗して熱間圧延工程で生成した酸化皮膜を除去する。引き続き、冷間圧延して所望の板厚とした後、Cuの析出を抑制して軟化させるために750〜900℃の温度範囲で焼鈍する。または、上記の工程において、酸洗後に一次冷間圧延し中間焼鈍した後に二次冷間圧延して所望の板厚とした後、上記の温度範囲で最終焼鈍してもよい。このようにして、鋼中にCuが固溶した軟質の本発明の電池ケース用材料を得ることができる。
【0028】
以上のようにして得られる本発明の電池ケース用材料の圧延板にNiめっきを施して電池ケース用めっき鋼板とする。Niめっきとしては、光沢材が無添加のめっき浴を用いた無光沢Niめっき、めっき浴に光沢材を添加して得られる光沢Niめっきや半光沢Niめっき、Ni−P合金、Ni−Co、Ni−Sn合金などのNi合金めっき、また下層が無光沢Niめっきまたは半光沢Niめっき、上層が光沢Niめっきである2層めっき、またはこの2層めっきを施した後、拡散熱処理を施し、基板の鋼とNiめっき層、およびめっき層同士を拡散させたもの、あるいは下層にNiめっきを施し、上層にCoめっきまたはSnめっきを施した後、拡散熱処理を施してNi−Co合金層またはNi−Sn合金層を形成させたものなどを上げることができる。また、これらのNiめっき以外に、Niめっきし次いでSnめっきを施した後、拡散熱処理を施してNi−Sn合金層を形成させ、その上にCoめっきを施したものも、本発明の電池ケース用めっき鋼板として好適に適用することができる。これらの拡散熱処理はめっき基板の鋼板中のCuの析出を抑制するため、750℃以上の温度範囲で行うことが好ましい。
【0029】
このようにして得られた本発明の電池ケース用めっき鋼板を、絞りしごき加工、または絞り加工を施して筒状の容器に成形加工し、本発明の電池ケースとする。本発明の電池ケース用めっき鋼板は、容器に成形加工する前はCuが析出していないので軟質であるため、成形加工において成形工具に強大な力が作用することがなく、工具の摩耗を抑制することができる。そし、て加工後に得られた容器を加熱して鋼中のCuを析出させて強化し、本発明の電池ケースとする。
【0030】
容器に成形加工した後の加熱は300〜750℃、好ましくは400〜700℃の温度範囲で行う。300℃未満の温度で加熱した場合はCuの析出が不十分で十分な強度上昇効果が得られない。一方、750℃を超える温度で加熱した場合はCuが粗大化したり、Cuが鋼中に再固溶し、析出するCu量が減少するので、やはり十分な強度上昇効果が得られない。
【0031】
このようにして得られる本発明の電池ケースは、加工硬化による強化を実施することが不可能である底面の硬度を、Hv140〜265程度まで高めることが可能である。
【0032】
以上で述べたように、本発明の電池ケースは容器の強度が優れているので、電池に好適に適用できる。
【0033】
【実施例】
以下、実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
【0034】
表1に示す化学組成を有する鋼を真空脱ガス法を用いて溶製したスラブを熱間圧延し、2.5mmの厚さの熱延板を作成した。これらの熱延板を硫酸酸洗した後、冷間圧延し、絞りしごき加工用に0.4mmの板厚の冷延板、および絞り加工用に0.25mmの板厚の冷延板とした後、800℃で焼鈍して軟質化(工程A)し、または一次冷間圧延して700℃で中間焼鈍し、次いで二次冷間圧延し、絞りしごき加工用に0.4mmの板厚の冷延板、および絞り加工用に0.25mmの板厚の冷延板とした後、800℃で焼鈍して軟質化(工程B)するいずれかの方法を用いて電池ケース用材料であるめっき原板とした。このめっき原板にワット浴を用いて、Niを25g/m2 の皮膜量でめっきし、表1に板番号1〜16で示す電池ケース用めっき鋼板とした。
【0035】
【表1】
【0036】
これらの電池ケース用めっき鋼板の硬度(ビッカース硬度(Hv)、荷重:100g)を測定した後、下記に示す条件による絞りしごき加工、および絞り加工を施して表2に容器番号1〜16で示す円筒状の容器に成形加工した。
【0037】
[絞りしごき加工]
電池ケース用めっき鋼板をブランク径:40mmに打ち抜き、絞り比:2.0でカップに絞り加工し、次いでカップ絞り比:1.4で再絞りして小径化した後、総しごき率50%の3段のしごき加工により、径:14mm、高さ:55mmの絞りしごき容器に成形加工した。
【0038】
[絞り加工]
通常の絞り加工により、下記の条件で下記の絞り容器に成形加工した。
【0039】
電池ケース用めっき鋼板をブランク径:60mmに打ち抜き、1段絞り比:1.9、2段絞り比:1.5、3段絞り比:1.3、4段絞り比:1.2の4段絞り加工により、径:14mm、高さ:50mm、側壁厚さ:0.25mmの絞り容器に成形加工した。
【0040】
[DTR加工]
絞り加工の1種であるDTR加工法(側壁部を薄肉化する絞り加工法)により、ダイスの肩部の曲率半径を小さくした絞りダイスを用いた以外は絞り加工と同一の条件で、径:14mm、高さ:55mm、側壁厚さ:0.20mmの絞り容器に成形加工した。
【0041】
このようにして成形加工した絞りしごき容器および絞り容器の側壁部(底部よりの高さ:40mm)および底部の硬度(Hv)を測定した。次いで、これらの絞りしごき容器および絞り容器を表2に示す加熱条件で加熱して析出強化させた後、容器の側壁部(底部よりの高さ:40mm)および底部の硬度(Hv)を測定した。加工前の板の状態における硬度、成形加工後の容器の側壁部および底部の硬度、加熱による析出強化後の容器の側壁部および底部の硬度を表2に示す。
【0042】
【表2】
【0043】
表2に示すように、Cuを含有させて析出強化を図った本発明の電池ケース用材料を用いて絞りしごき加工および絞り加工してなる本発明の電池ケースに用いる容器の底部は、加熱して析出強化させることにより硬度が上昇し、加工硬化の影響が小さい絞り加工してなる容器の側壁においても硬度が上昇し、容器の強度が増加していることが解る。
【0044】
【発明の効果】
本発明においては、Cuを含有させた鋼を電池ケース用材料として用い、これにNiめっきを施した電池ケース用めっき鋼板を絞り加工や絞りしごき加工で容器に成形した後、加熱してCuを析出させることにより、容器の強度を高めた電池用ケースとしたものであり、成形加工による加工硬化を期待できない電池用ケースの底部の強度を、加工後の加熱による析出強化によって高めることが可能となり、また加工前の板が軟質であるので加工工具の摩耗を減少させることが可能となり、工具交換を頻繁に行う必要が無くなり、生産性を高めることが可能となった。そのため、本発明の電池ケース用めっき鋼板は、電池ケースとして好適に適用することができ、本発明の電池ケースは好適に電池に適用することができる。
Claims (9)
- Cuが0.5〜2.5重量%、Cが0.06重量%以下、Mnが0.5重量%以下、Siが0.03%以下、Sが0.04重量%以下、Niが0.1〜1.7重量%、Pが0.05〜0.3重量%、またはNbが0.05〜0.5重量%、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼の圧延板からなることを特徴とする電池ケース用材料。
- 請求項1に記載の鋼を、熱間圧延し、酸洗した後、冷間圧延し、次いで焼鈍することを特徴とすることを特徴とする電池ケース用材料の製造方法。
- 請求項1に記載の鋼を、熱間圧延し、酸洗した後、一次冷間圧延し中間焼鈍を施した後二次冷間圧延し、次いで最終焼鈍することを特徴とする電池ケース用材料の製造方法。
- 請求項1に記載の鋼の圧延板にNiめっきを施してなることを特徴とする電池ケース用めっき鋼板。
- 請求項4に記載の電池ケース用めっき鋼板に絞り加工を施して電池ケースの形状に成形した後、300〜750℃に加熱して鋼中にCuを析出させることを特徴とする電池ケースの製造方法。
- 請求項4に記載の電池ケース用めっき鋼板に絞りしごき加工を施して電池ケースの形状に成形した後、300〜750℃に加熱して鋼中にCuを析出させることを特徴とする電池ケースの製造方法。
- 請求項5または請求項6に記載の電池ケースの製造方法を用いてなることを特徴とする電池ケース。
- 電池ケース底面の硬度がHv140〜265であることを特徴とする請求項7に記載の電池ケース。
- 請求項7または請求項8に記載の電池ケースを用いたことを特徴とする電池。
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