JPH07300695A - アルカリ電池ケース用表面処理鋼板、アルカリ電池ケースおよびアルカリ電池 - Google Patents
アルカリ電池ケース用表面処理鋼板、アルカリ電池ケースおよびアルカリ電池Info
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Abstract
き付着量10〜45g/m2 のニッケルめっき層、その
上に錫ーニッケル合金層が形成されているアルカリ電池
ケース用表面処理鋼板、それを用いたアルカリ電池ケー
スおよびアルカリ電池。 【効果】電池ケースの外面に、ニッケルめっき層上に形
成された硬質の錫ーニッケル合金層が存在するよう構成
されているので、耐食性を損なうことなくさらに安価に
耐疵付き性を向上させた電池ケースを提供できる。ま
た、電池ケースの内面に、錫ーニッケル合金層が形成さ
れるよう構成されているので、内部抵抗や短絡電流の優
れた電池を提供できる。
Description
(以下アルカリ電池という。)ケース用表面処理鋼板、
その表面処理鋼板をプレス成形して得られたアルカリ電
池ケースおよびアルカリ電池に関するものである。より
詳しくはアルカリ電池などの一次電池やニッケルカドニ
ウム電池などの二次電池でアルカリ液を電解液とする電
池に用いられる材料などに関する。
ウム電池などで用いられている強アルカリ液を封入する
電池用のケースは、プレス加工後バレルめっきする方法
に替わって、ニッケルめっき鋼帯を電池ケースにプレス
加工する方法が主流となってきた。ところでアルカリマ
ンガン電池やニッケルカドミウム電池などの電池ケース
に、ニッケルめっき鋼帯が使用される理由は、これらの
電池は主として強アルカリ性の水酸化カリウムを電解液
としているため、耐アルカリ腐食性にニッケルめっき鋼
帯が強いこと、電池ケースを外部端子に接続する場合安
定した接触抵抗を有していること、電池製造時各構成部
品を溶接し電池に組立てる際スポット溶接が行われる
が、スポット溶接性にも優れると言う利点からである。
き鋼帯が広く電池用途に使われるようになったが、さら
に耐食性の向上、めっき密着性の向上等を目的としてニ
ッケルめっき後に熱拡散処理を施す方法も採用されてき
た。ニッケルめっき後熱処理することにより、次のよう
な特性の改善が得られる。 (1)耐食性,特に成形加工部の耐食性向上 (2)めっき密着性の向上 (3)スポット溶接性の向上 これらの特性向上と熱処理の関係に言及すれば、耐食性
向上は、熱処理によりニッケルめっき層が軟質化し加工
部の塑性変形にニッケルめっき層が追随でき、めっき層
のクラック生成が抑制される。めっき密着性向上は、熱
処理により鋼素地とニッケルめっき層との境界面に鉄ー
ニッケル拡散層が形成され、該境界面で鋼素地とニッケ
ルめっき層とが冶金学的に強固に結合することによる。
さらに第3点のスポット溶接性向上については、鉄ーニ
ッケル拡散層の形成により電気抵抗が高くなり、スポッ
ト溶接時の発熱が高まり溶接ナゲットが生成しやすくな
ることから、溶接可能範囲が広がり溶接強度が大きくな
ることに起因する。以上述べたように、ニッケルめっき
鋼帯のニッケルめっき後の熱処理の利点は数多くある。
めっき層が軟化する結果、耐疵付き性が損なわれること
が上げられる。電池ケース用材料として耐疵付き性が損
なわれることは、輸送取扱中もしくは電池製造工程中に
おいて、ニッケルめっき層が損傷を受け、外観の劣化の
みならず耐食性が著しく損なわれることとなる。このた
め熱拡散処理材は、耐疵付き性の改善の必要性が生じ
た。耐疵付き性の向上の方法として、本出願人は先に
「耐疵付き性Niめっき鋼板およびその製造法」(特開
平2ー129395号公報参照)を提案したが、耐疵付
き性の効果は優れるものの、ニッケルーリン合金めっき
のリン含有量の制御が困難であること、さらには電池ケ
ースのスポット溶接強度の低下も問題点となっていた。
このスポット溶接性の劣化は、溶接時の温度上昇時溶接
チップとの接触部で低融点であるニッケルーリンめっき
層が溶融し、溶接付加電流密度が下がるため、十分な溶
接ナゲットの生成が阻害されることが原因である。
ルカリマンガン電池の電池性能(特に内部抵抗)が、熱
拡散処理しない材料に比較して内部抵抗がやや高いこと
が上げられる。この高内部抵抗の理由は、熱拡散処理す
るとニッケルめっき層の展延性が向上し、プレス成形加
工時に電池ケース内面に発生するクラック数が少なくな
るため、正極合剤との密着性がやや低下することが原因
である。
するため、本発明のアルカリ電池ケース用表面処理鋼板
は、鋼板を基板として、ケース外面相当側にめっき付着
量10〜45g/m2のニッケルめっき層、その上に錫
ーニッケル合金層が形成されていることを特徴とする。
また、鋼板を基板として、ケース内面相当側にめっき付
着量5〜35g/m2のニッケルめっき層が形成されて
おり、ケース外面相当側にめっき付着量10〜45g/
m2 のニッケルめっき層、その上に錫ーニッケル合金層
が形成されていることが望ましい。そして、鋼板を基板
として、ケース内面相当側にめっき付着量5〜35g/
m2のニッケルめっき層、その上に錫ーニッケル合金層
が形成されており、ケース外面相当側にめっき付着量1
0〜45g/m2 のニッケルめっき層、その上に錫ーニ
ッケル合金層が形成されていることが望ましい。上記表
面処理鋼板は、鉄ーニッケル拡散層の厚みが、0.2〜
6μmであることが好ましい。さらに、本発明の電池ケ
ースは上記表面処理鋼板を用いたものが好ましく、本発
明の電池は上記電池ケースを用いたものが好ましい。
き層上に形成された硬質の錫ーニッケル合金層が存在す
るので、耐食性を損なうことなくさらに安価に耐疵付き
性をも向上させることができる。また、熱処理により軟
質の靱性を有するニッケルめっき層が存在するので、電
池ケースの被加工部(側壁部)やコーナー部、さらには
ピップ型アルカリ電池のコーナー部の耐食性が向上す
る。一方電池ケースの内面には、錫ーニッケル合金層が
形成されているので、内部抵抗や短絡電流の優れた電池
が得られる。
処理鋼板、アルカリ電池ケースおよびアルカリ電池につ
いて詳細に説明する。本発明の表面処理鋼板の製造工程
は、冷延鋼板→ニッケルめっき→錫めっき→熱処理から
なり、さらに場合によっては表面粗さ調整と鋼素地の機
械的性質調整(主に腰し折れ防止)のため調質圧延が行
われる。
低炭素アルミキルド連続鋳造鋼をベースとした冷延鋼板
が主として用いられる。またC:0.009重量%以下
の極低炭素鋼、さらにこれにNb、Tiなど遅、非時効
性元素を添加した冷延鋼板も好適に用いられる。
ルファミン酸浴ホウフッ化物浴や塩化物浴など、工業的
に製造できるいずれのニッケルめっき浴であってもよ
い。ニッケルめっきの前処理として、通常のアルカリ脱
脂、有機溶剤脱脂、酸洗(硫酸、塩酸液中の浸漬または
電解)後水洗が施される。尚ニッケルめっきの種類とし
て、有機物を添加しない無光沢めっき、ブチンジオール
などニッケルめっき析出面を平滑化させるレベリング剤
と称する有機添加物を含有させた半光沢めっき、さらに
はナフタレンスルフォン酸塩など硫黄含有有機添加物を
含有させた鏡面光沢を呈する光沢めっき、などがある
が、本発明では、無光沢または半光沢めっきが好適に用
いられる。光沢めっきが不適の理由は、硫黄含有添加物
が電解析出中においてニッケルめっき層に混入あるいは
吸着し、後述するニッケルめっき後の熱処理においてニ
ッケルめっき層の脆化を生じ、耐食性を損なう恐れがあ
るからである。
付着量の下限は10g/m2 であり、上限は45g/m
2 である。望ましくは下限は15g/m2 、上限は35
g/m2 、さらに望ましくは下限は20g/m2 、上限
は30g/m2 が好適である。付着量が10g/m2 未
満の場合は鋼板の表面にニッケルが充分にめっきされず
に耐食性付与に十分でなく、一方45g/m2 を越える
と本発明効果が飽和してしまい、不経済であるとともに
製品の価格競争力を失うからである。一方、ケース内面
相当側に施されているニッケル付着量の下限は5g/m
2 であり、上限は35g/m2 である。望ましくは下限
が8g/m2 、上限は25g/m2 、さらに望ましくは
下限が10g/m2 、上限は20g/m2 が好適に採用
される。付着量が5g/m2 未満の場合は鋼板の表面に
ニッケルが充分にめっきされず、一方35g/m2 を越
えると本発明効果が飽和してしまい、不経済であるとと
もに製品の価格競争力を失うからである。
後の熱処理によって錫ーニッケル合金層となる。錫めっ
きを鋼板の片面にのみ施す場合はケース外面相当面側に
施し、その付着量の下限は0.5g/m2 であり、上限
は10g/m2 である。望ましくは下限が1g/m2 、
上限は8g/m2 、さらに望ましくは下限が1.5g/
m2 、上限は7g/m2 が好適に採用される。下限が
0.5g/m2 未満の場合は、熱処理によって形成され
る錫ーニッケル合金層の硬度が低いので耐疵付き性効果
が薄く、10g/m2 を越えると本発明の効果が飽和に
達し、不経済であることによる。
合(両面に錫めっきを施すこととなる)には、錫めっき
付着量の下限は1g/m2 であり、上限は10g/m2
である。望ましくは、下限が2g/m2 であり、上限は
9g/m2 である。さらに望ましくは、下限が3g/m
2 であり、上限は8g/m2 である。下限が1g/m2
未満の場合内部抵抗値を低下させる効果が充分でなく、
上限が10g/m2 を越える場合は、熱処理で形成され
る錫ーニッケル合金による電池性能の効果が飽和に達し
不経済である。
き、リフロー(錫溶融処理)、ケミカル処理の工程で製
造される場合が一般的であるが、本発明においては、錫
めっき層の酸化による黄変防止、塗装密着性向上のため
施されるケミカル処理(クロム酸または重クロム酸塩液
中への浸漬または電解処理)は行わない。その理由はク
ロム元素は電気接触抵抗値が高くなり電池性能上好まし
くないからである。錫めっき液は通常工業的に使用され
る酸性浴、アルカリ浴のいずれでも良く、硫酸第一錫浴
やフェノールスルフォン酸浴が好適に用いられる。
しくは両面に上記錫めっきを施した後熱処理を行う。熱
処理を行う理由は、 (1)鋼素地上に形成させたニッケルめっき層の一部を
鋼板中に拡散させ、一部を靱性のあるニッケルめっき層
にする。あるいはニッケルめっき層を全て鉄ーニッケル
拡散層にする。 (2)ニッケルめっき層上に形成した錫めっき層を、錫
ーニッケル合金層にする。 本発明は、上記(1)、(2)の2つの目的を熱処理に
よって同時に得んとするものであり、より経済的に製造
できる。上記(1)は、実用的には熱処理温度450℃
において鉄ーニッケル拡散層が形成される。450℃以
下でも長時間の熱処理で拡散層は形成されるが、その厚
さは微小である。また熱処理温度450℃以上で、ニッ
ケルめっき層中の樹脂状析出組織が再結晶し、ニッケル
めっき層はめっき歪み(引張り応力)が解放され軟質化
する。また、同時に鋼素地との界面でニッケルと鉄が相
互に拡散し始める。拡散層の厚さは熱処理の温度と時間
により決定される。温度が高く且つ処理時間が長く、さ
らにニッケルめっき厚が薄い場合には、ニッケルめっき
層は全て鉄ーニッケル拡散層となる。
散層については、その厚さの下限は0.2μmが望まし
く、上限は6μmが好適である。望ましくは下限が0.
5μm、上限は5μm、さらに望ましくは下限が1μ
m、上限は4μmが好適に採用される。
ケル拡散層の生成厚みが少なくて十分なめっき付着性を
確保できず、一方6μmを越える処理は本発明効果が飽
和してしまうとともに、熱拡散処理に高温または長時間
を要し不経済であり製品の価格競争力を失うからであ
る。この熱処理において、上記鉄ーニッケル拡散層の形
成と同時に、ニッケルめっき層上に形成されている錫め
っき層が、錫ーニッケル合金層となる。錫ーニッケル合
金層は、比較的低温(180℃程度)で形成される。こ
の合金化によって生成される金属間化合物としては、N
i3 Sn、Ni3 Sn2 、Ni3 Sn4 があり、この存
在の確認はX線回折分析法によって行うことができる。
これらの金属間化合物の生成により錫ーニッケル合金層
は、硬くてしかも耐アルカリ腐食性を有し、さらに電気
接触抵抗が低く且つ安定であるという、電池用材料とし
て極めて優れた特性を持つ。
錫ーニッケル合金層が電池ケースとして極めて好適であ
ることを次のような実験で確かめた。即ち、板厚が0.
25mmの冷延鋼板に2μm厚のニッケルめっきを施
し、温度400℃、時間1時間の非酸化性ガス雰囲気内
で熱処理した試料Aと、該ニッケルめっきに引き続き1
1g/m2 の錫めっきを行った後熱処理した試料Bとを
作成した。試料Aと試料Bの表面硬度(ビッカース硬
度,荷重10g)を測定した結果、A試料は値195を
示すのに対し、錫ーニッケル合金化したB試料は値80
5と著しく硬化している。さらに試料A,Bを用いて外
径13mm、高さ49mmの有底円筒ケース(電池ケー
ス)に深絞り成形し、該ケースの1/2高さ程の位置の
内面を電子顕微鏡で観察した。試料Aは表面が滑らかで
あるのに対し、錫ーニッケル合金化して硬質化した試料
Bはマイクロクラックが多数見られる。このマイクロク
ラックには、アルカリ電池の正極合剤が入り込む結果電
池ケース内面との密着力が向上し、電池内部抵抗は低減
するものと思われる。この結果から、試料Bが電池ケー
ス用材料として好適である。
焼鈍法と連続焼鈍法の方法があるが、本発明ではいずれ
の方法も採用される。箱型焼鈍法は650℃程度以下で
数時間以上の長時間熱処理時間であるのに対し、連続焼
鈍法の場合は、600℃程度〜850℃程度の比較的高
温で、時間は数分以下の短時間熱処理である。
理によって生じる腰折れを防止するため、調質圧延する
方法も本発明において好適に用いられる。通常砥石研摩
したブライト仕上げと称し、圧下率1〜3%程度の調質
圧延を行う。ブライト仕上げの他、ショットブラスト研
摩したワークロールで調質圧延を行ったダル仕上げを用
いてもよい。
and ironing)、DTR(draw th
in and redraw)等の公知の成形法によっ
て電池ケースを製造する。表面処理鋼板の表裏には異な
った種類の被覆が施されているので、電池ケースの作成
にあたっては、表面処理鋼板のいずれの側が成形後に電
池ケースの内あるいは外側になるかに留意して成形す
る。
に説明する。 (実施例1)板厚0.25mmの冷延、焼鈍済みの低炭
素アルミキルド鋼板をめっき原板とした。鋼化学組成は
下記の通りである。C:0.03%(%は重量%、以下
同じ)、Mn:0.18%、Si:0.01%、P:
0.013%、S:0.012%、Al:0.054
%、N:0.0038%。上記鋼板を、アルカリ電解脱
脂(苛性ソーダ30g/l、5A/dm2 (陽極処理)
×10秒、5A/dm2 (陰極処理)×10秒、浴温7
0℃)、硫酸酸洗(硫酸50g/l、浴温30℃、20
秒浸漬)を行った後、下記の条件でニッケルめっきを行
った。 浴組成;硫酸ニッケル 320g/l 塩化ニッケル 40g/l ほう酸 30g/l 市販品半光沢剤 1g/l (不飽和アルコールポリオキシエチレン、不飽和カルボン酸含有) ラウリル硫酸ソーダ 0.5g/l 浴温度; 55±2℃ pH ; 4.1〜4.6 攪拌 ; 空気攪拌 電流密度; 15A/dm2 アノード; ニッケルペレット(チタンバスケットにニッケルペレット充填、 ポリプロピレン製バッグでチタンバスケットを覆う) 上記の条件で、両面に半光沢ニッケルめっきを行い、そ
の厚みを上記条件で電解時間を変化させて、ニッケルめ
っきの厚みを変化させた。ニッケルめっき後、熱処理す
る方法は、水素6.5%、残部窒素ガス、露点ー40℃
の保護ガスを用いて、熱処理を行った。ニッケルめっき
に引き続き、硫酸第一錫めっき浴で錫めっきを行った。 浴組成; 硫酸第一錫 30g/l(S++) フェノールスルフォン酸 60g/l エトキシ化αナフトール 5g/l 浴温度; 50±2℃ 電流密度;20A/dm2 アノード;錫板 付着量(めっき厚み)は電解時間を変えて変化させた。
錫めっき後、熱処理する方法は、水素6.5%、残部窒
素ガス、露点ー40℃の保護ガスを用いて、均熱温度、
均熱時間を変化させて熱処理を行った。さらに錫めっき
後に、ブライト砥石仕上げのワークロールで、伸び率
1.3%の調質圧延を行った。製造条件を異ならしめ
て、本発明の表面処理鋼板の実施例1〜10と、比較例
11〜15を作成した。この一覧表を表1に示す。
ルカリ電池で使用される標準タイプのJISーLR6型
(単3型)の正極缶(電池ケース)を作製した。また、
そのケースを用いて電池を作成した。まず、表面処理鋼
板を円盤状に打ち抜いたブランクを作成し、深絞り成形
法を用い10工程で、ケース長さ49.3mm,ケース
外径13.8mmの有底筒型電池ケース(LR6型)を
作成した。次に、電解二酸化マンガンとグラファイトを
混練器に投入し、水酸化カリウムを添加しながら混合し
て正極合剤を作成した。次いで上記深絞り成形加工によ
り作成したLR6型電池ケースに正極合剤を挿入した。
次いでビニロン系不織布からなるセパレーターを上記電
池ケースに挿入した後、所定量の水酸化カリウムを滴下
した。上記のようにして設置したセパレータの有底筒内
に、粒状亜鉛、水酸化カリウム液および増粘剤からなる
ゲル状負極合剤を所定量注入した。さらに電池ケースの
開口部を、真鍮棒を溶接した負極端子によって閉蓋しア
ルカリ電池を作製した。閉蓋にあたってはポリアミド樹
脂製の絶縁ガスケットを装着した。以上のように作成し
た表面処理鋼板および電池について、下記の方法で評価
試験を行った。
い、荷重10gで測定した。測定数を3としてその平均
値を硬度とした。 (2)耐疵付き性評価 めっき表層の耐疵付き性評価は、引掻強度試験機(新東
科学(株)製HEIDONー14S/D)を用い、一定
荷重の下で試料をサファイア針で引っ掻いた。その際の
試料表面の疵付き状態を観察し、疵が観察され始める荷
重(g)で評価した。測定数を3とし、疵付きが観察さ
れる最も軽い荷重を採用した。 (3)電池性能評価 作製したアルカリ電池LR6型の電池性能評価は次のよ
うにした。即ち、60℃で1ケ月間恒温層に貯蔵し、交
流インピーダンス法(周波数1kHz)による内部抵抗
値(mΩ)並びに短絡電流(抵抗1mΩ)を測定した。
評価は、両試験とも10試料を測定して平均値を採用し
た。上記評価の結果を表2に示す。
度、耐疵付き性および電池性能において比較例よりも優
れた結果が得られた。電池内部抵抗が下がる理由は、電
池ケース成形加工時、硬質の錫ーニッケル合金層中にマ
イクロクラックが生ずるため、正極合剤との密着性が高
くなり、接触抵抗が下がるからである。
外面に、ニッケルめっき層上に形成された硬質の錫ーニ
ッケル合金層が存在するよう構成されているので、耐食
性を損なうことなくさらに安価に耐疵付き性を向上させ
た電池ケースを提供することができる。また、本発明の
表面処理鋼板は、電池ケースの内面に、錫ーニッケル合
金層が形成されるよう構成されているので、内部抵抗や
短絡電流の優れた電池を提供できる。
Claims (6)
- 【請求項1】 鋼板を基板として、ケース外面相当側に
めっき付着量10〜45g/m2 のニッケルめっき層、
その上に錫ーニッケル合金層が形成されているアルカリ
電池ケース用表面処理鋼板。 - 【請求項2】 鋼板を基板として、ケース内面相当側に
めっき付着量5〜35g/m2 のニッケルめっき層が形
成されており、ケース外面相当側にめっき付着量10〜
45g/m2 のニッケルめっき層、その上に錫ーニッケ
ル合金層が形成されているアルカリ電池ケース用表面処
理鋼板。 - 【請求項3】 鋼板を基板として、ケース内面相当側に
めっき付着量5〜35g/m2 のニッケルめっき層、そ
の上に錫ーニッケル合金層が形成されており、ケース外
面相当側にめっき付着量10〜45g/m2 のニッケル
めっき層、その上に錫ーニッケル合金層が形成されてい
るアルカリ電池ケース用表面処理鋼板。 - 【請求項4】 前記鉄ーニッケル拡散層の厚みが、0.
2〜6μmである請求項1〜3のいずれか1項に記載の
アルカリ電池ケース用表面処理鋼板。 - 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか1項に記載の表
面処理鋼板を用いたアルカリ電池ケース。 - 【請求項6】 請求項5に記載の電池ケースを用いたア
ルカリ電池。
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