JP5908895B2 - Niめっき金属板、溶接構造体、及び電池用材料の製造方法 - Google Patents
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Description
又、正極キャップは形状が複雑でめっき後の加工量が大きいため、予めニッケルめっきを施しためっき板を正極キャップに加工した後、加工によって露出した基板(鋼板)を被覆するためにニッケルめっきを施している。
ところで、これら電池ケースや正極キャップには、集電タブまたはタブと呼ばれる金属部品を介して電池の電極(正極又は負極)が電気的に接続される。又、確実な接続を図るため、これら電池ケースや正極キャップとタブとは電気抵抗による発熱を利用した抵抗溶接により溶着される。この集電タブとして一般にNi板が用いられており、正極キャップであるNiめっき鋼板と集電タブ(Ni板)とを溶接すると、溶接部にナゲット(溶融凝固した部分)ができて両者がしっかりと溶融接合される。
すなわち、上記した光沢ニッケルめっきを施した正極キャップをCu合金板からなるタブと抵抗溶接すると、光沢ニッケルめっき層中にクラックが発生して溶接強度が低下することが判明した。
すなわち、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、溶接性に優れたNiめっき金属板、溶接構造体、及び電池用材料の製造方法の提供を目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明のNiめっき金属板は、金属板からなる基材の表面に第1Niめっき層が形成され、その上に第2Niめっき層が形成されてなるNiめっき金属板であって、錫めっき層を表面に有する銅合金条との抵抗溶接に用いられ、前記第2Niめっき層の厚みが0.50μm以上であって、かつ該第2Niめっき層の表面から深さ0.4μmまでのC、Sの合計平均濃度が1.0質量%以下である。
前記合計平均濃度が0.1質量%以下であることが好ましい。
前記合計平均濃度が0.05質量%以下であることが好ましい。
前記合計平均濃度が0.035質量%以下であることが好ましい。
前記基材が鋼、鉄基合金、銅基合金、Ni基合金、又はアルミ基合金であることが好ましい。
錫めっき層を表面に有する銅合金条との抵抗溶接に用いられることが好ましい。
電池用正極キャップとして用いられ、前記第2Niめっき層が無光沢Niめっきであることが好ましい。
本発明の実施形態に係るNiめっき金属板は、基材の表面に第1Niめっき層が形成され、その上に第2Niめっき層が形成されてなる。
基材は金属板であればよいが、特に、鋼板、鉄基合金、銅基合金、Ni基合金、又はアルミ基合金が好ましい。例えばSPCD(JIS G 3141 絞り加工用の冷間圧延鋼板及び鋼帯)等の鋼板などが好ましい。
なお、基材の厚みは特に限定されないが、一般的には0.03〜1.50mmとすることができ、好ましくは0.05〜1.00mm、より好ましくは0.05〜0.80mm、さらに好ましくは0.08〜0.50mm、もっとも好ましくは0.15〜0.40mmである。
第1Niめっき層は、基材を保護する下地めっき層として機能し、通常は無光沢Niめっき、半光沢Niめっき又は光沢Niめっきにより形成することができる。第1Niめっき層の厚みは例えば0.1〜10μmとすることができる。
無光沢Niめっきは公知の無光沢Niめっき浴(例えば、ワット浴、高塩化物浴、全塩化浴、硼フッ化浴、常温浴、複塩浴、高硫酸塩浴)でめっきして形成することができる。めっき条件も公知の条件を適用できる。
又、半光沢Niめっきは公知の半光沢Niめっき浴(例えば、ワット浴等の無光沢Niめっき浴に公知の半光沢剤(不飽和アルコールのポリオキシエチレン付加物、不飽和カルボン酸ホルムアルデヒド、抱水クローラル、ホルマリン、クマリン等)を適宜添加した浴)でめっきして形成することができる。めっき条件も公知の条件を適用できる。
又、光沢Niめっきは、公知の光沢Niめっき浴(例えば、硫酸浴、スルファミン酸浴、ワイスベルグ浴、スルホン酸ゼラチン浴、スルホン酸ホルマリン浴、ワイスベルグ折衷浴、サッカリンブチン浴、また、無光沢めっき浴に光沢剤を添加した浴)を用いてめっきすることができる。めっき条件も公知の条件を適用できる。
第2Niめっき層は、Niめっき金属板の最表面に形成され、第2Niめっき層を介して相手材と溶接が行われる。ここで、第2Niめっき層を光沢Niめっきにより形成すると、めっき層中にクラックが発生して溶接強度が低下する。これは、光沢Niめっき層中にはめっき浴中の光沢剤が取り込まれ、この光沢剤が溶接時に加熱して蒸発したり、めっき層を脆くするためと考えられる。
このようなことから、第2Niめっき層は、無光沢Niめっき、半光沢剤の割合を低減した半光沢Niめっき、又は光沢剤の割合を低減した光沢Niめっきにより形成することができる。半光沢剤としては例えば以下の半光沢剤を0.0001〜1.0g/L程度、Niめっき浴に添加することができる。また、光沢剤としては、例えば、以下の一次光沢剤を0.01〜5g/L程度、二次光沢剤を0.0001〜1.0g/L程度、Niめっき浴に添加することができる。
半光沢剤としては不飽和アルコールのポリオキシエチレン付加物、不飽和カルボン酸ホルムアルデヒド、抱水クローラル、ホルマリン、クマリン、不飽和カルボン酸、1,4−ブチンジオール等公知のものを用いることができる。
一次光沢剤としては飽和または不飽和の脂肪族のスルフォン酸塩、芳香族のスルフォン酸塩、無機化合物(例えば1,5-ナフタレンジスルホン酸ナトリウム、1,3,6-ナフタレンジスルホン酸ナトリウム、o−ベンゼンスルホンイミド(サッカリン)、硫酸コバルト等)等の公知のものを用いることができる。二次光沢剤としては不飽和基を有する有機化合物(例えばエチレンシアンヒドリン、ゼラチン、ホルマリン(ホルムアルデヒド)、1,4−ブチンジオール、クマリン、ギ酸ニッケル等)や金属等の無機物質(カドミウム、亜鉛、硫黄、セレン等)等の公知のものを用いることができる。
無光沢Niめっきは公知の無光沢Niめっき浴(例えば、ワット浴、高塩化物浴、全塩化浴、硼フッ化浴、常温浴、複塩浴、高硫酸塩浴)でめっきして形成することができる。
このため、基材を保護すると共に、溶接性を確保するため、第2Niめっき層の厚みが0.50μm以上である必要がある。第2Niめっき層の厚みが0.50μm未満であると、溶接性が低下すると共に、加工によって露出した材料を十分に被覆することができず、耐食性や外観等が劣化する。第2Niめっき層の厚みの上限は特に限定されないが、コストの点から10.0μmを上限とするとよい。
第2Niめっき層の厚みは、好ましくは0.7〜5.0μm、より好ましくは0.8〜5.0μm、更に好ましくは1.0〜5.0μm、更により好ましくは1.2〜4.0μm、更に好ましくは1.5〜4.0μm、最も好ましくは1.8〜4.0μmである。
具体的には、第2Niめっき層の表面から深さ0.4μmまでのC及びSの合計平均濃度を1.0質量%以下に規制する。上記した合計平均濃度が1.0質量%を超えると、溶接時に第2Niめっき層中にクラックが発生して溶接強度が低下する。ここで、「合計平均濃度」はグロー放電質量分析法(GD−MS法)により、深さ方向にC及びS濃度を測定することで求める。
具体的には、図1に示すように、グロー放電質量分析法(GD−MS法)により、第2Niめっき層の表面から深さ0.4μmの範囲の数点の所定深さ(a〜f)でそれぞれC,S濃度を測定し、各点a〜fでのC、Sの合計濃度を算出する。そして、各点a〜fのC、Sの合計濃度の和を、各点a〜fの合計深さX(μm)で加重平均した値を「第2Niめっき層の表面から深さ0.4μmまでのC及びSの合計平均濃度」とする。例えば、図1の場合、各点a〜fのうち隣接する点であるa、b間の台形の面積S1を、{(点aのC、Sの合計濃度(質量%))+(点bのC、Sの合計濃度(質量%))}×(点a、b間の距離(μm))/2によって求める。同様にして、b、c間の台形の面積S2;c、d間の台形の面積S3;d、e間の台形の面積S4;e、f間の台形の面積S5を求める。そして、(S1+S2+S3+S4+S5)/合計深さX(μm)によって、「第2Niめっき層の表面から深さ0.4μmまでのC及びSの合計平均濃度」を算出する。
なお、点aは第2Niめっき層の表面に最も近い測定点であり、点fは第2Niめっき層の表面から深さ0.4μmに最も近い測定点である。
各点の間隔の好ましい値は0.0006〜0.10μmである。
具体的には、図1に示すように、グロー放電質量分析法(GD−MS法)により、第2Niめっき層の表面から深さ1.0±0.05μmの範囲の数点の所定深さ(a〜f)でそれぞれC,S濃度を測定し、各点a〜fでのC、Sの合計濃度を算出する。そして、各点a〜fのC、Sの合計濃度の和を、各点a〜fの合計深さX(μm)で加重平均した値を「第2Niめっき層の表面から深さ1.0μmの位置におけるC及びSの合計濃度」とする。例えば、図1の場合、各点a〜fのうち隣接する点であるa、b間の台形の面積S1を、{(点aのC、Sの合計濃度(質量%))+(点bのC、Sの合計濃度(質量%))}×(点a、b間の距離(μm))/2によって求める。同様にして、b、c間の台形の面積S2;c、d間の台形の面積S3;d、e間の台形の面積S4;e、f間の台形の面積S5を求める。そして、(S1+S2+S3+S4+S5)/合計深さX(μm)によって、「第2Niめっき層の表面から深さ1.0μmの位置におけるC及びSの合計濃度」を算出する。
なお、点aは第2Niめっき層の表面から深さ0.95μmに表面に最も近い測定点であり、点fは第2Niめっき層の表面から深さ1.05μmに最も近い測定点である。
各点の間隔の好ましい値は0.0006〜0.050μmである。
相手材は特に制限されず、各種金属板(鋼板等)を用いることができるが、特に錫めっき銅合金が好ましい。銅合金としては、各種の組成を有する銅合金を用いることができ、特に制限はないが、りん青銅、コルソン合金、黄銅、丹銅、洋白、チタン銅、その他銅合金が例示される。
コルソン合金には任意にその他の元素(例えば、Mg、Sn、B、Ti、Mn、Ag、P、Zn、As、Sb、Be、Zr、Al及びFe)が添加されてもよい。これらその他の元素は総計で2.0質量%程度まで添加するのが一般的である。例えば、更に別の一例として、コルソン合金はNiを1.0〜4.0質量%、Siを0.2〜1.3質量%、Snを0.01〜2.0質量%、Znを0.01〜2.0質量%含有し、残部銅及び不可避的不純物から構成される組成を有する。
なお、銅合金の厚みは特に限定されないが、一般的には0.03〜1.50mmとすることができ、好ましくは0.05〜1.00mm、より好ましくは0.05〜0.80mm、さらに好ましくは0.08〜0.50mm、もっとも好ましくは0.10〜0.30mmである。
そして、上記した銅合金の表面(溶接面)に錫めっきを好ましくは0.1〜3.0μm形成する。なお、錫めっきはリフロー処理をされていることが好ましい。また、錫めっきの下地めっきとして厚み0.05〜1.0μmの銅めっきをしても良い。更に、銅めっきの下地めっきとして厚み0.01〜1.0μmのニッケルめっきをしても良い。
第1Niめっき層、第2Niめっき層については既に説明したとおりである。塑性加工としては特に制限されず、プレス加工、DI(draw and ironing)加工、絞り加工、しごき加工等の公知の加工を挙げることができる。
又、電池用材料としては、電池ケース(缶)、正極キャップが例示されるが、特に正極キャップが好ましい。
基材として、厚み0.30mmのSPCD(JIS G 3141の冷間圧延鋼板)を用い、基材に通常の前処理(電解脱脂ならびに酸洗処理)を行った後に、基材表面に第1Niめっき層をめっきした。その後、基材を円板状に打ち抜き、図2に示す正極キャップの形状にプレス加工を行った。なお、正極キャップのプレス部分の段部はR=0.6mmとした。又、第1Niめっき層側が凸側となるように正極キャップのプレスを行った。
次いで、図2の正極キャップの第1Niめっき層の上に第2Niめっき層をめっきした。第1Niめっき層及び第2Niめっき層の構成及びめっき厚を表1、表2に示す。表1の記載中、「光沢」は後述の光沢Niめっきを示し、「無光沢」は後述の無光沢Niめっきを示し、「半光沢」は後述の半光沢Niめっきを示す。
無光沢Niめっきは、ワット浴(NiSO4・7H2O:190〜290g/L、NiCl2・6H2O:15〜75g/L、H3BO3:15〜45g/L、残部水)の無光沢めっき浴を用いて行った。また、無光沢めっき条件は電流密度:1〜5A/dm2、液温35〜55℃で行った。
半光沢Niめっきはワット浴(NiSO4・7H2O:190〜290g/L、NiCl2・6H2O:15〜75g/L、H3BO3:15〜45g/L、残部水)に対し、ホルマリン:1.0〜2.5g/Lを添加した半光沢めっき浴を用いて行った。また、半光沢めっき条件は電流密度:1〜5A/dm2、液温35〜55℃で行った。
上記したNiめっき金属板と溶接される錫めっき銅合金条を以下のようにして製造した。まず、厚み0.15mmの銅合金基材(組成を表3に示す)に通常の前処理(電解脱脂ならびに酸洗処理)を行った後、厚み0.3μmのCuめっきを施し、さらにCuめっきの上に厚み1.0μmのSnめっきを施し、最後にリフロー処理を施した。
Cuめっき浴は、硫酸40〜80g/L、硫酸銅170〜230g/L、残部水とし、めっき浴温度:20〜30℃、電流密度:3.0〜5.0A/dm2でCuめっきを施した。
Snめっき浴は、硫酸第1すず30〜50g/L、硫酸40〜80g/L、クレゾールスルホン酸30〜50g/L、ゼラチン1〜5g/L、β−ナフトール0.5〜1.5g/L、残部水とし、めっき浴温度:20〜30℃、電流密度:1.0〜1.5A/dm2でSnめっきを施した。なお、Snめっき厚みは、電着時間(電着時間2分間の場合、リフロー処理前のSn層の厚みは約1μmとなる)により調整した。リフロー処理は、400℃で雰囲気ガスを窒素(酸素1vol%以下)に調整した加熱炉中に、試料を15〜20秒間挿入し水冷して行った。
(1)第2Niめっき層の表面から深さ0.4μmまでのC、Sの合計平均濃度
グロー放電質量分析計(VG マイクロトレース社製 型式VG9000)を使用して測定した。具体的な測定方法は既に説明したとおりであり(図1参照)、深さが0〜0.40μmの範囲で深さ方向に8点測定し、各点の間隔を0.04〜0.06μm程度とした。なお、各点の測定間隔が0.1μmを超えると、深さ方向の測定箇所による測定ばらつきが大きくなると考えられる。
各点の間隔を0.04〜0.06μm程度とした場合、測定のばらつきが大きい場合は、測定間隔を更に小さくし、測定点を増やすと良い(例えば測定間隔:0.001〜0.02μm、測定点:20〜400点等)。
なお、サンプル表面に有機皮膜等の異物が付着している場合には、アセトンに浸漬して超音波洗浄を行うか、希硫酸で酸洗後、水洗して異物を除去した。
上記と同一のグロー放電質量分析計を使用して測定した。
具体的な測定方法は既に説明したとおりであり(図1参照)、深さが0.95〜1.05μmの範囲で深さ方向に3点測定し、各点の間隔を0.04〜0.06μm程度とした。なお、各点の測定間隔が0.1μmを超えると、深さ方向の測定箇所による測定ばらつきが大きくなると考えられる。
各点の間隔を0.04〜0.06μm程度とした場合、測定のばらつきが大きい場合は、測定間隔を更に小さくし、測定点を増やすと良い(例えば例えば測定間隔:0.001〜0.02μm、測定点:5〜100点等)。
なお、サンプル表面に有機皮膜等の異物が付着している場合には、アセトンに浸漬して超音波洗浄を行う、また希硫酸で酸洗後、水洗する等、公知の方法で異物を除去した。
第1Niめっき層の厚みは蛍光X線膜厚計(SII社製 型式SFT5100)を用いて測定した。
また、第1Niめっき層と第2Niめっき層との合計の厚みを蛍光X線膜厚計(SII社製 型式SFT5100)を用いて測定した後、第2Niめっき層の厚みを以下の式で算出した。
第2Niめっき層の厚み(μm)=(第2Niめっき層と第1Niめっき層の合計の厚み(μm))−(第1Niめっき層の厚み(μm))
なお、第1Niめっき層と第2Niめっき層の厚みはめっき層断面の拡大観察(例えばFIBを用いて撮影したSIM像(10000〜30000倍))によっても測定することができる。
Niめっき金属板の第2Niめっき層と、錫めっき銅合金条の錫めっき表面とを合わせ、抵抗溶接電源(ミヤチテクノス製トランジスタ式抵抗溶接電源MDB−4000B(製品名))を用い、加圧力30N、溶接電流4.0kA、溶接時間10msec、溶接の電極の直径を3mmとして、シリーズスポット方式の抵抗溶接(シリーズスポット溶接)を行った。溶接点は2点とした。でなお、溶接の際の電極間隔は、10〜25mmの範囲内であれば特に問題なく同様に溶接可能であった。溶接後の試料につき、アイコーエンジニアリング社製の精密荷重測定機(MODEL−1310VR:製品名)にて、Niめっき金属板と錫めっき銅合金を引きはがすように引張試験(テストスピード10mm/分)を行ない、溶接強度を測定した。
溶接強度が15N以上であれば、溶接性に優れる。
溶接ナゲットの有無は、Niめっき金属板と錫めっき銅合金条との溶接部の断面を光学顕微鏡(100倍)で観察することにより判定した。溶融凝固部の短径が0.05mm以上である場合、ナゲット有りと判定した。溶融凝固部の短径は溶融凝固部に含まれる最大円の直径とした。
なお、本実施例においては、溶接ナゲットが無くても溶接強度が得られることが判明した。この理由は明らかではないが、Niめっき金属板中のNiが錫めっき銅合金条の錫めっき層中のCu-Sn合金層へ拡散し、Ni-Cu-Sn合金層を形成することで溶接強度が得られることが考えられる。
又、第2Niめっき層の表面から深さ1.0μmの位置におけるC、Sの合計濃度が1.0質量%以下である実施例1−7〜1−24、1−26〜1−32の場合、第2Niめっき層の厚みが同一の他の実施例に比べ、溶接強度が5%以上向上した。例えば、2Niめっき層の厚みが同一の実施例1−1,1−13を比べると、実施例1−13の方が溶接強度が5%以上高い。
なお、第2Niめっき層の厚みが厚いほど、溶接強度が高くなる傾向にある。
第2Niめっき層をめっきする際に光沢剤の量を多くした比較例1−3、1−5、1−6の場合、第2Niめっき層の表面から深さ0.4μmまでのC、Sの合計平均濃度が1質量%を超え、溶接性が劣るか、又は溶接ができなかった。これは、溶接時に第2Niめっき層中のC、Sに起因して第2Niめっき層からガスが発生したためと考えられる。
一方、比較例1−3の場合、Niめっき金属板2のNiめっき層2a中にクラックCが発生したことがわかる。なお、図4の符号2bは、基材(SPCD)を示す。
Claims (8)
- 金属板からなる基材の表面に第1Niめっき層が形成され、その上に第2Niめっき層が形成されてなるNiめっき金属板であって、
錫めっき層を表面に有する銅合金条との抵抗溶接に用いられ、
前記第2Niめっき層の厚みが0.50μm以上であって、かつ該第2Niめっき層の表面から深さ0.4μmまでのC、Sの合計平均濃度が1.0質量%以下であるNiめっき金属板。 - 前記合計平均濃度が0.2質量%以下である請求項1記載のNiめっき金属板。
- 前記合計平均濃度が0.1質量%以下である請求項1記載のNiめっき金属板。
- 前記合計平均濃度が0.05質量%以下である請求項1記載のNiめっき金属板。
- 前記合計平均濃度が0.035質量%以下である請求項1記載のNiめっき金属板。
- 前記第2Niめっき層の表面から深さ1.0μmの位置におけるC、S、の合計濃度が1.0質量%以下である請求項1〜5のいずれかに記載のNiめっき金属板。
- 前記基材が鋼、鉄基合金、銅基合金、Ni基合金、又はアルミ基合金である請求項1〜6のいずれかに記載のNiめっき金属板。
- 電池用正極キャップとして用いられ、前記第2Niめっき層が無光沢Niめっきである請求項1〜7のいずれかに記載のNiめっき金属板。
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