KR101306515B1

KR101306515B1 - 전지 케이스용 알루미늄 합금판 및 전지 케이스

Info

Publication number: KR101306515B1
Application number: KR1020110028081A
Authority: KR
Inventors: 가즈노리 고바야시; 츠요시 마츠모토
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2013-09-09
Also published as: CN102206775A; KR20110109975A

Abstract

[과제] JISA1000계 알루미늄재를 대상으로 하고, 전지 케이스용으로서의 각형 또는 환형 용기를 성형 가공에 의해 제조할 때에 눌어붙음 발생이 방지되는, 연속 생산에 적합한 딥 드로잉 가공용 및 펄스 레이저 용접할 때에 펄스 레이저 용접의 고속화에 대응할 수 있는 펄스 레이저 용접용의 전지 케이스용 알루미늄 합금판, 및 이 전지 케이스용 알루미늄 합금판을 이용한 전지 케이스를 제공한다.
[해결 수단] Fe: 0.1~2.0질량%, Si: 0.05~0.5질량%, Mn: 0.05~0.5질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 전지 케이스용 알루미늄 합금판에 있어서, 상기 전지 케이스용 알루미늄 합금판의 단면의 판 두께 방향 중심부에서, 최대 길이가 1㎛ 이상인 금속간 화합물의 면적률이 0.3~3.5%이고, 또한 최대 길이가 11㎛ 이상인 금속간 화합물의 개수가 140개/mm² 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, Fe: 0.1~2.0질량%, Si: 0.05~0.5질량%, Mn: 0.05~0.5질량%를 함유하고, Cu: 0.5질량% 이하, Mg: 1.0질량% 이하로 규제하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 전지 케이스용 알루미늄 합금판에 있어서, 상기 전지 케이스용 알루미늄 합금판의 도전율이 62IACS% 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

전지 케이스용 알루미늄 합금판 및 전지 케이스{ALUMINUM ALLOY PLATE FOR BATTERY CASE, AND BATTERY CASE}

본 발명은, 자동차에 탑재되는 리튬 전지 케이스용 알루미늄 합금판 및 이 알루미늄 합금판을 사용하여 성형 가공된 전지 케이스 또는 펄스 레이저 용접에 의해 제조된 전지 케이스에 관한 것이며, 특히는, 전지 케이스로 성형하는 딥 드로잉(deep drawing) 가공에 있어서의 연속 생산에 적합한 딥 드로잉 가공용 알루미늄 합금판 및 이 알루미늄 합금판을 사용하여 성형 가공된 전지 케이스, 또는 펄스 레이저 용접에 있어서의 봉지(封止) 용접 작업의 고속 처리에 적합한 펄스 레이저 용접용 알루미늄 합금판 및 이 알루미늄 합금판을 사용하여 펄스 레이저 용접에 의해 제조된 전지 케이스에 관한 것이다.

자동차용 연료 전지로서는 종래 니켈 수소 전지가 주로 사용되어 왔지만, 최근, 휴대전화 및 퍼스널 컴퓨터 등에서 사용되고 있는 리튬 이온 전지가, 경량인 점 및 에너지 밀도 등이 높은 점 등의 이유로 일부에 채용되고 있다.

리튬 이온 전지는, 그의 구성상, 몸체 및 뚜껑을 포함한 전지 케이스에 전극으로서의 작용을 갖게 하고 있고, 전지 케이스용 재료로는, 도전성이 높은 알루미늄재가 사용되고 있다. 또한, 알루미늄재는, 딥 드로잉 가공이 가능하기 때문에 전지 케이스용으로서의 각형(角形) 또는 환형(丸形) 용기를 성형 가공에 의해 제조할 수 있다.

여기서, 휴대전화 등의 전지를 단일체로 사용하는 경우는, 부풀음 방지를 위해 전지 케이스의 몸체 및 뚜껑에 고강도인 JISA3000계 알루미늄 합금이 사용되고 있다. 이 전지 케이스는, 알루미늄 합금재로 이루어지는 몸체와 뚜껑을, 뚜껑의 둘레를 따라 레이저 용접함으로써 접합되어 있다.

예컨대, 특허문헌 1에는, JISA3003 알루미늄 합금으로 이루어지는 유저(有底) 각통형(角筒形) 외장 캔의 개구부에, JISA3003 알루미늄 합금으로 이루어지는 뚜껑체를 레이저 용접에 의해 접합하여 리튬 이온 이차 전지를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 한편, 특허문헌 1에는, 전지 케이스의 재질로서 JISA1050 알루미늄재도 기재되어 있다.

상기와 같이, 종래의 리튬 이온 전지는 휴대전화 및 퍼스널 컴퓨터에 사용되고 있고, 케이스의 부풀음 방지를 위해 전지 케이스용 재료로서는 고강도의 JISA3000계 알루미늄 합금이 사용되고 있다. 그러나, 자동차용 연료 전지는 복수개의 연료 전지를, 그 사이에 수지 스페이서를 개재시켜 적층하도록 배치되어 있기 때문에, 고강도 소재가 아니어도 부풀음 등의 문제가 생기지 않는다. 이 때문에, 자동차용 연료 전지용의 리튬 이온 전지에서는, JISA3000계에 비하여 저강도이기는 하지만 고도전율인 JISA1000계 알루미늄재(순알루미늄재)가 사용되고 있다.

예컨대, 특허문헌 2에는, JISA1000계 알루미늄 합금으로 이루어지는 전지 케이스재에 있어서, Ti 함유량을 0.01질량% 이하로 규제함으로써, 펄스 레이저 용접에 의해 용접한 경우의 국소적인 이상부(불규칙적인 비드(irregular bead))의 형성을 방지할 수 있는 전지 케이스가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는, JISA1000계 알루미늄 합금으로 이루어지는 전지 케이스재에 있어서, 점성 파라미터를 적성 범위로 하기 위해 B 등의 불순물 함유량을 규제함으로써, 마찬가지의 작용을 발현할 수 있다는 것이 개시되어 있다.

나아가, 이들 특허문헌 2 및 3에 기재된 JISA1000계 알루미늄 합금재는, 전지 봉인시에 내용물과 국소적인 이상부가 열 반응하는 것에 의한 폭발을 회피하기 위한 알루미늄판의 후육화(厚肉化)가 필요 없기 때문에, 박육화(薄肉化)에 의한 비용 절감 효과가 얻어질 것으로 예상된다.

일본 특허공개 2000-123822호 공보(단락 0022, 0051~0061) 일본 특허공개 2009-127075호 공보(단락 0017~0020) 일본 특허공개 2009-287116호 공보(단락 0020~0025)

그러나, 종래의 전지 케이스용 알루미늄 합금판 및 전지 케이스에서는, 이하에 나타내는 문제가 있다.

최근에는, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 수요가 견조(堅調)하기 때문에 전지 케이스의 생산 수량도 현저히 증가하는 경향이 있고, 그 때문에 전지 케이스의 대량 연속 생산이 행해지게 되었다. 그러나, 연속 생산을 행하면, 각형 또는 환형 용기를 성형 가공(딥 드로잉 가공)에 의해 제조할 때에 눌어붙음이 발생한다는 문제가 있다. 따라서, 각형 또는 환형 용기를 성형 가공에 의해 제조할 때의 눌어붙음 발생 방지가 요구되고 있다. 또한, 연속 생산을 위해 펄스 레이저 용접에서의 봉지 용접 작업을 고속화하면, 충분한 비드의 용입 깊이를 얻을 수 없어 이음새 강도가 저하된다는 문제가 있다. 따라서, 펄스 레이저 용접에서의 봉지 용접 작업에 있어서 고속 처리에 대응할 수 있는 알루미늄 합금판이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, JISA1000계 알루미늄재를 대상으로 하고, 전지 케이스용으로서의 각형 또는 환형 용기를 성형 가공에 의해 제조할 때에 눌어붙음 발생이 방지되는, 연속 생산에 적합한 딥 드로잉 가공용 및 펄스 레이저 용접할 때에 펄스 레이저 용접의 고속화에 대응할 수 있는 펄스 레이저 용접용의 전지 케이스용 알루미늄 합금판, 및 이 전지 케이스용 알루미늄 합금판을 이용한 전지 케이스를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 전지 케이스용 알루미늄 합금판(이하, 적절히 알루미늄 합금판이라고 함)은, Fe: 0.1~2.0질량%, Si: 0.05~0.5질량%, Mn: 0.05~0.5질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 전지 케이스용 알루미늄 합금판에 있어서, 상기 전지 케이스용 알루미늄 합금판의 단면의 판 두께 방향 중심부에서, 최대 길이가 1㎛ 이상인 금속간 화합물의 면적률이 0.3~3.5%이고, 또한 최대 길이가 11㎛ 이상인 금속간 화합물의 개수가 140개/mm² 이하인 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, Fe, Si, Mn을 소정량 함유함으로써, Al-Fe-Mn계, Al-Fe-Mn-Si계 금속간 화합물의 형성에 의해 가공시의 윤활성이 향상되어 알루미늄 합금판의 눌어붙음 등이 방지된다. 또한, Si, Mn을 소정량 함유함으로써, 각각의 원소가 모상 내에 고용(固溶)되어 알루미늄 합금판의 강도(내압 강도)가 향상된다. 나아가, 최대 길이가 1㎛ 이상인 금속간 화합물의 면적률을 소정으로 규정함으로써, 가공시의 윤활성이 향상되어 알루미늄 합금판의 눌어붙음 등이 방지됨과 더불어, 성형시의 균열이 방지되고, 최대 길이가 11㎛ 이상인 금속간 화합물의 개수를 소정으로 규정함으로써, 성형 균열의 기점이 되는 원인이 억제되어 성형시의 균열이 방지된다.

나아가서는, 본 발명에 따른 전지 케이스용 알루미늄 합금판(이하, 적절히 알루미늄 합금판이라고 함)은, Fe: 0.1~2.0질량%, Si: 0.05~0.5질량%, Mn: 0.05~0.5질량%를 함유하고, Cu: 0.5질량% 이하, Mg: 1.0질량% 이하로 규제하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 전지 케이스용 알루미늄 합금판에 있어서, 상기 전지 케이스용 알루미늄 합금판의 도전율이 62IACS(International Annealed Copper Standard)% 이하인 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, Fe, Si, Mn을 소정량 함유하고, 또한 Cu, Mg를 함유하는 경우에 소정량 이하로 규제함으로써, 각각의 원소가 알루미늄 중에 고용되어 알루미늄 합금판의 열 전도성이 저하됨과 더불어, 알루미늄 합금판의 강도가 향상된다. 또한, 도전율이 소정 이하임으로써, 펄스 레이저 용접에 있어서의 용입 깊이가 소정 이상이 되어 이음새 강도가 향상된다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판은 추가로 Cu: 0.5질량% 이하, Mg: 10질량% 이하 중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, Cu, Mg 중 1종 이상을 소정량 함유함으로써, 각각의 원소가 모상 내에 고용되어 알루미늄 합금판의 강도(내압 강도)가 더욱 향상된다. 또한, Mg를 소정량 함유함으로써, Mg가 Si와 결부되어 Mg₂Si가 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판은 추가로 Ti: 0.1질량% 이하를 함유하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 알루미늄 합금 주조 조직이 미세화, 균질화(안정화)되어, 압연용 슬래브 조괴(造塊)시의 주조 균열이 방지된다.

본 발명에 따른 전지 케이스는 상기 기재된 전지 케이스용 알루미늄 합금판을 이용한 것을 특징으로 한다.

이러한 전지 케이스는 본 발명의 알루미늄 합금판을 사용하여 성형 가공된 것이기 때문에, 눌어붙음에 기인하는 표면의 변색이나 세로 줄무늬 모양이 없고, 또한 강도, 내압성(내부풀음성)이 향상된 것이 된다.

본 발명에 따른 전지 케이스용 알루미늄 합금판에 의하면, 전지 케이스로 성형될 때에 우수한 성형성(아이어닝(ironing) 가공성)을 가져, 각형 또는 환형 용기를 성형 가공에 의해 제조할 때의 눌어붙음 발생을 방지할 수 있다. 또한, 펄스 레이저 용접성이 우수하여, 펄스 레이저 용접에 있어서 우수한 내용접균열성을 갖는다. 또한, 전지 케이스를 제조할 때의 펄스 레이저 용접을 고속화하여도 충분한 비드의 용입 깊이로 할 수 있어, 이음새 강도가 향상된다. 그 때문에, 펄스 레이저 용접에서의 봉지 용접 작업에 있어서 고속 처리를 행할 수 있다. 나아가, JISA1000계 알루미늄재를 이용한 것으로서는, 우수한 강도, 내압성(내부풀음성)을 갖는 전지 케이스로 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전지 케이스는 본 발명의 전지 케이스용 알루미늄 합금판을 사용하기 때문에, 눌어붙음에 기인하는 표면의 변색이나 세로 줄무늬 모양이 없는 것이 된다. 또한, JISA1000계 알루미늄재를 이용한 것은 우수한 강도, 내압성(내부풀음성)을 갖는다.

이하, 본 발명에 따른 전지 케이스용 알루미늄 합금판(이하, 적절히 알루미늄 합금판이라고 함)을 실현하기 위한 형태에 관하여 설명한다.

〔알루미늄 합금판의 구성〕

본 발명에 따른 알루미늄 합금판은, Fe, Si, Mn을 소정량 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금판이고, 알루미늄 합금판의 단면의 판 두께 방향 중심부에서의 소정의 금속간 화합물의 면적률(점유 면적률) 및 개수를 소정으로 규정한 것이다. 또한, 추가로 Cu, Mg 중 1종 이상을 소정량 함유하여도 좋고, 추가로 Ti를 소정량 함유하여도 좋다.

이하, 각 성분의 한정 이유 및 금속간 화합물의 분포 규정 이유에 관하여 설명한다.

(Fe: 0.1~2.0질량%)

Fe는 Al, Si, Mn 등과 Al-Fe-Mn계, Al-Fe-Mn-Si계 금속간 화합물을 형성하여 미세한 상기 금속간 화합물의 수를 증가시킴으로써, 전지 케이스로 성형 가공할 때의 윤활 효과에 기여하기 때문에, 알루미늄 합금판의 성형성(내눌어붙음성)을 향상시키는 효과가 있다. Fe 함유량이 0.1질량% 미만이면, 1㎛ 길이 이상의 상기 금속간 화합물의 수가 부족하기 때문에 상기 효과가 작다. 한편, Fe 함유량이 2.0질량%를 초과하면, 11㎛ 이상의 조대한 상기 금속간 화합물의 수가 증가하여 성형시 균열의 기점이 되기 쉽기 때문에 알루미늄 합금판의 성형성이 저하된다. 따라서, Fe 함유량은 0.1~2.0질량%로 하고, 바람직하게는 0.65~2.0질량%로 한다.

(Si: 0.05~0.5질량%)

Si는 알루미늄 중에 고용됨으로써 도전성을 저하시키는, 즉 열 전도성을 저하시키는 효과를 갖는다. 또한, Si는 모상 내에 고용되어 알루미늄 합금판의 강도를 높이는 효과가 있고, Si 함유량 증가에 따라 그의 효과가 향상되어, 전지 케이스로 했을 때의 내압 강도를 높일 수 있다. 또한, Si는 Al, Fe, Mn 등과 Al-Fe-Mn-Si계 금속간 화합물을 형성하여 미세한 상기 금속간 화합물의 수를 증가시킴으로써, 전지 케이스로 성형 가공할 때의 윤활 효과에 기여하기 때문에, 알루미늄 합금판의 성형성(내눌어붙음성)을 향상시킨다. Si 함유량이 0.05질량% 미만이면, 1㎛ 길이 이상의 상기 금속간 화합물의 수가 부족하기 때문에 상기 효과가 작다. 한편, Si 함유량이 0.5질량%를 초과하면 융점이 저하되기 때문에 펄스 레이저 용접에 있어서 용접 균열이 생긴다. 따라서, Si 함유량은 0.05~0.5질량%로 하고, 바람직하게는 0.1~0.4질량%로 한다.

(Mn: 0.05~0.5질량%)

Mn은 알루미늄 중에 고용됨으로써 도전성을 저하시키는, 즉 열 전도성을 저하시키는 효과를 갖는다. 또한, Mn은 모상 내에 고용되어 알루미늄 합금판의 강도를 높이는 효과가 있고, Mn 함유량 증가에 따라 그의 효과가 향상되어, 전지 케이스로 했을 때의 내압 강도를 높일 수 있다. 또한, Mn은 Al, Fe, Si 등과 Al-Fe-Mn계 금속간 화합물, Al-Fe-Mn-Si계 금속간 화합물을 형성하여 미세한 상기 금속간 화합물의 수를 증가시킴으로써, 전지 케이스로 성형 가공할 때의 윤활 효과에 기여하기 때문에, 알루미늄 합금판의 성형성(내눌어붙음성)을 향상시킨다. Mn 함유량이 0.05질량% 미만이면, 고용 강화가 발휘되지 않고, 또한 1㎛ 길이 이상의 상기 금속간 화합물의 수가 부족하기 때문에 상기 효과가 작다. 한편, Mn 함유량이 0.5질량%를 초과하면, 11㎛ 이상의 조대한 상기 금속간 화합물의 수가 증가하여 성형시 균열의 기점이 되기 쉽기 때문에 알루미늄 합금판의 성형성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은 0.05~0.5질량%로 하고, 바람직하게는 0.1~0.4질량%로 한다.

(Cu: 0.5질량% 이하)

Cu는 알루미늄 중에 고용됨으로써 도전성을 저하시키는, 즉 열 전도성을 저하시키는 효과를 갖는다. 또한, Cu는 모상 내에 고용되어 알루미늄 합금판의 강도를 높이는 효과가 있고, Cu 함유량 증가에 따라 그의 효과가 향상되어, 전지 케이스로 했을 때의 내압 강도를 높일 수 있다. 그러나, Cu 함유량이 0.5질량%를 초과하면 융점이 저하되기 때문에 펄스 레이저 용접에 있어서 용접 균열이 생긴다. 따라서, Cu를 첨가하는 경우는, Cu 함유량은 0.5질량% 이하로 한다. 한편, 상기 효과를 더욱 발휘시키기 위해 0.05질량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.

(Mg: 1.0질량% 이하)

Mg는 알루미늄 중에 고용됨으로써 도전성을 저하시키는, 즉 열 전도성을 저하시키는 효과를 갖는다. 또한, Mg는 모상 내에 고용되어 알루미늄 합금판의 강도를 높이는 효과가 있고, Mg 함유량 증가에 따라 그의 효과가 향상되어, 전지 케이스로 했을 때의 내압 강도를 높일 수 있다. 또한, Mg는 Si와 결부되어 Mg₂Si를 형성하기도 한다. 그러나, Mg 함유량이 1.0질량%를 초과하면, 알루미늄 합금판의 가공 경화성이 높아져 성형성이 저하된다. 또한, 융점이 저하되기 때문에 펄스 레이저 용접에 있어서 용접 균열이 생김과 더불어, Mg 원자가 돌발적으로 증기화 비산하는 비율이 증가하여 용접 이상부가 발생한다. 따라서, Mg를 첨가하는 경우는, Mg 함유량은 1.0질량% 이하로 한다. 한편, 상기 효과를 더욱 발휘시키기 위해 0.02질량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.

(Ti: 0.1질량% 이하)

Ti는 알루미늄 합금 주조 조직을 미세화, 균질화(안정화)하는 효과가 있고, 압연용 슬래브 조괴시의 주조 균열을 방지하는 효과를 갖는다. 그러나, 함유량이 0.1질량%를 초과하면 그의 효과가 포화되기 때문에, 그 이상의 함유는 불필요하다. 따라서, Ti를 첨가하는 경우는, Ti 함유량은 0,1질량% 이하로 한다. 한편, 상기 효과를 더욱 발휘시키기 위해 0.005질량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.

(잔부: Al 및 불가피적 불순물)

알루미늄 합금판의 성분은 상기 외에 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것이다. 한편, 불가피적 불순물로서, 예컨대 지금(地金)이나 중간 합금에 포함되어 있는, 통상 알려져 있는 범위 내의 Zn, Ga, V, Ni 등은 본 발명의 효과를 방해하는 것은 아니기 때문에, 이러한 불가피적 불순물의 함유는 허용된다.

(최대 길이가 1㎛ 이상인 금속간 화합물의 면적률: 0.3~3.5%)

알루미늄 합금판의 단면의 판 두께 방향 중심부에서의 최대 길이가 1㎛ 이상인 금속간 화합물의 면적률을 0.3~3.5%로 한다. 한편, 단면의 판 두께 방향 중심부란, 구체적으로는 판 두께 방향 중심을 중심으로 한 판 두께의 18~50%에 있어서의 영역을 가리킨다.

면적률이 0.3% 미만이면, 아이어닝 가공시에, 펀치나 다이에 응고한 알루미늄 모지(母地)를 제거하는 윤활 효과가 부족하여 알루미늄 합금판에 눌어붙음 등이 발생하기 때문에 알루미늄 합금판의 성형성이 저하된다. 한편, 면적률이 3.5%를 초과하면, 조대한 금속간 화합물이 많아 성형 균열의 기점이 되기 쉽기 때문에 알루미늄 합금판의 성형성이 저하된다.

한편, 상기 범위 내에서 1㎛ 미만의 화합물이 포함되어 있어도 이들의 면적률은 성형성에 영향을 주는 것은 아니고, 상기 범위 내로 이들 금속간 화합물이 포함되어 있어도 좋다. 또한, 최대 길이의 상한에 대해서는 정하지는 않고, 면적률에는 최대 길이가 11㎛ 이상인 금속간 화합물도 포함되어 있다.

(최대 길이가 11㎛ 이상인 금속간 화합물의 개수: 140개/mm² 이하)

알루미늄 합금판의 단면의 판 두께 방향 중심부에서의 최대 길이가 11㎛ 이상인 금속간 화합물의 개수를 140개/mm² 이하로 한다.

개수가 140개/mm²를 초과하면, 조대한 상기 금속간 화합물의 수가 많아 성형시 균열의 기점이 되기 쉽기 때문에 알루미늄 합금판의 성형성이 저하된다.

한편, 상기 범위 내에서 11㎛ 미만의 화합물이 포함되어 있어도 이들의 개수는 성형성에 영향을 주는 것은 아니고, 상기 범위 내로 이들 금속간 화합물이 포함되어 있어도 좋다. 또한, 최대 길이의 상한에 대해서는 정하지는 않고, 개수에 대해서는 0이어도 좋다.

그리고, 이들 금속간 화합물의 분포는 상기 Fe, Si, Mn, Cu, Mg의 각 함유량에 의해 제어한다. 또한, 후기하는 바와 같이, 알루미늄 주괴를 주조하는 주조 조건 범위를 적정화하는 것이나, 균질화 열처리 공정 후에 압연용 슬래브를 상온까지 냉각하고, 그 후 재가열하는 것에 의해, 금속간 화합물의 면적률을 증가시킬 수 있다.

금속간 화합물의 검출 수단으로는, 주사형 전자 현미경(SEM)의 적용을 일례로서 들 수 있다. 최대 길이가 1㎛ 이상인 금속간 화합물은 SEM의 조성(COMPO) 상(像)에서 모상과의 콘트라스트로 식별할 수 있어, Al-Mn-Fe계, Al-Fe-Mn-Si계 금속간 화합물은 Al 모상보다 희게 찍히고, Mg-Si계 금속간 화합물은 Al 모상보다 검게 찍힌다. 알루미늄 합금판의 단면의 판 두께 방향 중심부에서의 금속간 화합물에 있어서는, 알루미늄 합금판을 잘라내고, 압연 방향과 판 두께 방향을 포함하는 절단면을 연마하여 경면으로 마무리해 관찰면으로 하여, 알루미늄 합금판의 판 두께 방향 중심을 중심으로 한 판 두께의 18~50%에 있어서의 영역을 관찰한다. 이 영역으로부터, 바람직하게는 복수의 시야를 합계 1mm² 이상 관찰, 촬영하고, 화상 처리 장치 등을 이용하여 지정 크기의 금속간 화합물에 대한 면적률 및 개수 밀도를 측정한다.

(도전율: 62IACS% 이하)

펄스 레이저 용접에 있어서, 알루미늄판은 강판이나 스테인레스판에 비하여 열 전도성, 즉 도전성이 양호하기 때문에, 동일한 깊이의 용입을 얻기 위해서는 큰 레이저 에너지가 필요하게 된다. 그러나, 순알루미늄 외의 원소, 예컨대 Fe, Si, Mn, Cu, Mg를 함유시켜 합금화하면, 그들 원소가 고용됨으로써 도전성이 저하되고, 열 전도성도 저하되기 때문에, 펄스 레이저 용접에 있어서의 용입 깊이도 소정 이상의 깊이가 확보 가능해진다. 도전율이 62IACS% 이하이면, 펄스 레이저 용접을 고속화하여도 펄스 레이저 용접에 있어서의 용입 깊이가 충분한 것이 되어, 우수한 이음새 강도를 얻을 수 있다. 따라서, 도전성을 나타내는 지표인 도전율을 62IACS% 이하로 하고, 바람직하게는 58IACS% 미만으로 한다.

그리고, 도전율은 상기 Fe, Si, Mn, Cu, Mg의 각 함유량에 의해 제어한다. 또한, 후기하는 바와 같이, 알루미늄 주괴를 주조하는 주조 조건 범위를 적정화함으로써, 함유 원소 중 Fe, Si, Mn, Cu, Mg의 정출(晶出)을 억제하여 도전율을 낮게 억제할 수 있다.

알루미늄 합금판의 도전율 측정은 예컨대 푀스터(Foerster)사제 시그마 테스터(형번 2.068)를 이용하여 행할 수 있다.

〔알루미늄 합금판의 제조 방법〕

다음으로, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판의 제조 방법의 일례에 관하여 설명한다.

우선, 상기 조성을 갖는 알루미늄 합금을 용해, 주조하여 주괴를 제작하고, 이 주괴에 면삭(面削)을 실시한 후에, 480℃ 이상이면서 상기 알루미늄 합금의 융점 미만인 온도에서 균질화 열처리를 실시한다. 다음으로, 이 균질화 열처리된 주괴를 열간 압연 및 냉간 압연하여 압연판을 제작한다. 그리고, 이 압연판을, 300~400℃의 온도 범위 내에서 소둔을 실시함으로써 알루미늄 합금판을 제조한다.

나아가, 상기 본 발명에 따른 알루미늄 합금판의 제조 방법 중, 알루미늄 주괴를 주조하는 주조 조건 범위를 적정화함으로써 금속간 화합물의 면적률을 증가시키는 것이 바람직하고, 이에 의해 가공성이 우수한 것이 된다. 그 경우의 주조 조건은, 주조 속도 60mm/min 이하, 주입 온도 710℃ 이하의 주조 조건으로 행하는 것이 바람직하다. 한편, 주입 온도 690℃ 이상으로 행함으로써 주조시의 트러블 발생을 방지할 수도 있다. 나아가, 상기 본 발명에 따른 알루미늄 합금판의 제조 방법 중, 균질화 열처리 공정 후에 압연용 슬래브를 상온까지 냉각하고, 그 후 재가열하는 것에 의해서도 금속간 화합물의 면적률을 증가시켜 적정화할 수 있고, 이에 의해 가공성이 우수한 것이 된다. 그 경우의 주괴의 재가열 조건은, 승온 속도: 1~40℃/hr, 도달 온도: 400~510℃, 유지 시간: 2시간 이상의 재가열 처리를 행한 후에 열간 압연을 행하면 좋다.

〔전지 케이스〕

다음으로, 본 발명에 따른 전지 케이스에 관하여 설명한다. 본 발명에 따른 전지 케이스는 상기 알루미늄 합금판을 이용하여 제작한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판으로부터 전지 케이스 및 이차 전지를 제작하는 방법의 일례를 설명한다.

<전지 케이스 및 이차 전지의 제작방법>

케이스 본체부로 하는 본 발명에 따른 알루미늄 합금판은 최종 냉간 압연에 의해 0.5~15mm 정도의 판 두께로 한다. 이 알루미늄 합금판을 소정 형상으로 절단하고, 드로잉 가공 또는 아이어닝 가공에 의해 유저 통 형상으로 성형한다. 추가로 이 가공을 복수회 반복하여 서서히 측벽면을 높게 하고, 트리밍 등의 가공을 필요에 따라 실시함으로써 소정의 저면 형상 및 측벽 높이로 성형하여 케이스 본체부로 한다. 전지 케이스의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 원통 모양, 편평 모양의 직방체 등 이차 전지의 사양에 따르고, 케이스 본체부는 상면이 개방된 유저 통 형상으로 한다.

또한, 케이스 본체부와 동일한 알루미늄 합금으로 1.0~2.5mm 정도의 판 두께로 한 본 발명에 따른 알루미늄 합금판으로 뚜껑부를 제작한다. 이 알루미늄 합금판을 케이스 본체부의 상면에 대응한 형상으로 절단하고, 주입구 등을 형성하여 뚜껑부로 한다. 상기 케이스 본체부에 이차 전지 재료(양극 재료, 음극 재료, 세퍼레이터 등)를 격납하고, 상면에 상기 뚜껑부를 용접한다. 케이스 본체부와 뚜껑부의 용접은, 파형 제어된 펄스 레이저에 의한 용접이 일반적이다. 그리고, 전지 케이스에 주입구로부터 전해액을 주입하고, 주입구를 봉지하여 이차 전지로 한다.

실시예

이상, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 관하여 기술했는데, 이하에, 본 발명의 효과를 확인한 실시예를, 본 발명의 요건을 만족하지 않는 비교예와 대비하여 구체적으로 설명한다. 한편, 본 발명은 이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

〔공시재 제작〕

표 1에 나타내는 조성의 알루미늄 합금을 용해, 주조(주입 온도: 700℃, 주조 속도: 50mm/min)하여 주괴로 하고, 이 주괴에 면삭을 실시한 후에 소정 온도에서 4시간의 균질화 열처리를 실시했다. 이 균질화한 주괴에 열간 압연 및 추가로 냉간 압연을 실시하여 판 두께 1.0mm 정도의 압연판으로 했다. 그리고, 이 압연판을 360℃로 가열하여 소둔을 행해 알루미늄 합금판을 제작했다.

성분 조성을 표 1에 나타낸다. 한편, 표 중, 본 발명의 범위를 만족하지 않는 것은 수치 등에 밑줄을 그어 나타내고, 성분을 함유하지 않는 것은 「-」로 나타낸다.

〔금속간 화합물의 분포〕

다음으로, 금속간 화합물의 분포를 이하의 방법에 의해 측정했다.

우선, 알루미늄 합금판을 잘라내어 수지에 묻고, 압연 방향과 판 두께 방향을 포함하는 면을 관찰면이 되도록 연마하여 경면으로 하고, 이 경면화된 면을 주사형 전자 현미경(SEM)에 의해 가속 전압 20KV, 배율 500배의 조성(COMPO) 상에서 20시야(합계 1mm²) 관찰했다. 관찰 시야는, 판 두께 방향 중심을 중심으로 하여 판 두께 방향으로, 두께 방향의 양측(윗 방향 및 아래 방향)을 합하여 0.19mm의 범위 내로 했다. 모상보다 희게 찍히는 부분을 Al-Mn-Fe계 금속간 화합물 또는 Al-Fe-Mn-Si계 금속간 화합물로 간주하고, 모상보다 검게 찍히는 부분을 Mg-Si계 금속간 화합물로 간주하여, 화상 처리에 의해 최대 길이가 1㎛ 이상인 금속간 화합물 면적의 합계를 구하고, 면적률을 산출했다. 또한, 최대 길이가 11㎛ 이상인 금속간 화합물의 개수를 세어 단위 면적당 개수(개수 밀도)를 산출했다. 알루미늄 합금판의 단면의 판 두께 중심부에서의 금속간 화합물의 면적률 및 개수 밀도를 표 2에 나타낸다.

〔평가〕

얻어진 알루미늄 합금판에 의해 이하의 평가를 행하고, 결과를 표 2에 나타낸다. 한편, 표 중, 금속간 화합물의 분포가 본 발명의 범위를 만족하지 않는 것은 수치에 밑줄을 그어 나타낸다.

(강도)

알루미늄 합금판으로부터, 인장 방향이 압연 방향과 평행하게 되도록 JIS 5호에 의한 인장 시험편을 잘라냈다. 이 시험편으로 JIS Z 2241에 의한 인장 시험을 실시하여 인장 강도, 내력(0.2% 내력) 및 신도를 측정했다.

(성형성)

알루미늄 합금판으로부터, 프레스 가공기를 사용하고, 측벽의 아이어닝 가공률을 20%로 하여, 저면이 세로 15mm×가로 120mm, 측벽의 높이가 90mm인 상자체의 각형 전지 케이스 본체를 성형했다. 이 때, 균열이 없이 성형 가능하고, 성형 후에 눌어붙음에 기인하는 표면의 변색이나 세로 줄무늬 모양이 없는 것을 성형성이 우수하다고 하여 「◎」, 균열이 없이 성형 가능하고, 겨우 변색이나 세로 줄무늬가 발생한 것을 성형성이 양호하다고 하여 「○」, 성형시에 균열이 발생한 것 또는 현저한 변색이나 세로 줄무늬가 발생한 것을 성형성이 불량하다고 하여 「×」로 평가했다.

(펄스 레이저 용접성(용접 균열성))

판 두께 1.0mm의 알루미늄 합금판 표면 상에 레이저 조사를 이동시켜 연속적으로 용융시키는, 이른바 비드 온 플레이트(bead-on-plate) 용접을 행했다. 1개의 펄스 레이저에 의해 용융지가 형성되어 고화된 원 형상의 용접부가 레이저의 이동에 의해 연속적으로 용접선을 따라 중첩되면서 형성된다. 용접기는, 펄스 발진의 YAG 레이저를 사용하여 피크 출력 4000w, 용접 속도 10mm/초로 행했다.

평가에 대해서는, 용접 균열의 유무를 육안 및 광학 현미경으로 관찰하여, 균열이 없는 건전한 비드가 얻어진 것을 「○」, 균열이 생긴 것을 「×」로 판정했다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 실시예인 No. 1~23은 본 발명의 범위를 만족하기 때문에 성형성 및 펄스 레이저 용접성 중 어느 것에 있어서도 우수했다.

한편, 비교예인 No. 24~37은 본 발명의 범위를 만족하지 않기 때문에 이하의 결과가 되었다.

No. 24는 Fe 함유량이 하한치 미만이기 때문에 금속간 화합물이 부족하여 성형성이 뒤떨어졌다. No. 25는 Fe 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 금속간 화합물이 다발하고 또한 조대화되어 성형성이 뒤떨어졌다.

No. 26은 Si 함유량이 하한치 미만이기 때문에 금속간 화합물이 부족하여 성형성이 뒤떨어졌다. No. 27은 Si 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 비드에 균열이 생겨 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다. No. 28은 Cu 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 비드에 균열이 생겨 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다. No. 29는 Mn 함유량이 하한치 미만이기 때문에 금속간 화합물이 부족하여 성형성이 뒤떨어졌다.

No. 30은 Mn 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 금속간 화합물이 다발하고 또한 조대화되어 성형성이 뒤떨어졌다. No. 31은 Mg 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 비드에 균열이 생겨 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다. 또한, 성형성이 뒤떨어졌다. No. 32는 Mn 함유량 및 Mg 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 금속간 화합물이 다발하고 또한 조대화된 것 등에 의해 성형성이 뒤떨어지고, 또한 비드에 균열이 생겨 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다.

No. 33은 Fe 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 금속간 화합물이 다발하고 또한 조대화되어 성형성이 뒤떨어졌다. No. 34 및 35는 Si 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 비드에 균열이 생겨 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다. No. 36 및 37은 Mn을 함유하지 않고 있기 때문에 금속간 화합물이 부족하여 성형성이 뒤떨어졌다.

한편, No. 36 및 37의 알루미늄 합금판은 각각 특허문헌 2 및 특허문헌 3에 기재된 종래의 알루미늄 합금판을 상정한 것이다. 본 실시예에서 나타내는 바와 같이, 이들 종래의 알루미늄 합금판은 상기 평가에 있어서 일정한 수준을 만족하지 않는 것이다. 따라서, 본 실시예에 의해, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판이 종래의 알루미늄 합금판과 비교하여 우수함이 객관적으로 분명해졌다.

〔공시재 제작〕

표 3에 나타내는 조성의 알루미늄 합금을 용해, 주조(주입 온도: 700℃, 주조 속도: 50mm/min)하여 주괴로 하고, 이 주괴에 면삭을 실시한 후에 소정 온도에서 4시간의 균질화 열처리를 실시했다. 이 균질화한 주괴에 열간 압연 및 추가로 냉간 압연을 실시하여 판 두께 1.0mm 정도의 압연판으로 했다. 그리고, 이 압연판을 360℃로 가열하여 소둔을 행해 알루미늄 합금판을 제작했다.

성분 조성을 표 3에 나타낸다. 한편, 표 중, 본 발명의 범위를 만족하지 않는 것은 수치 등에 밑줄을 그어 나타내고, 성분을 함유하지 않는 것은 「-」로 나타낸다.

〔도전율〕

다음으로, 알루미늄 합금판의 도전율을 펠스타사제 시그마 테스터(형번 2.068)를 이용하여 측정했다.

〔평가〕

얻어진 알루미늄 합금판에 의해 이하의 평가를 행하고, 결과를 표 4에 나타낸다. 한편, 표 중, 도전율이 본 발명의 범위를 만족하지 않는 것은 수치에 밑줄을 그어 나타낸다.

(강도)

(펄스 레이저 용접성)

판 두께 1.0mm의 알루미늄 합금판 표면 상에 레이저 조사를 이동시켜 연속적으로 용융시키는, 이른바 비드 온 플레이트 용접을 행했다. 이 용접에 있어서는, 1개의 펄스 레이저에 의해 용융지가 형성되어 이 용융지가 고화된 원 형상의 용접부가 레이저의 이동에 의해 연속적으로 용접선을 따라 중첩되면서 형성된다. 용접기는, 펄스 발진의 YAG 레이저를 사용하여 피크 출력 4000w, 용접 속도 10mm/초로 행했다.

또한, 용접 비드 단면을 잘라내어 광학 현미경으로 관찰함으로써 비드의 용입 깊이를 측정하고, 깊이 140㎛ 이상의 경우에 매우 높은 이음매 강도가 얻어지는 것으로 하여 「◎」, 깊이 120㎛ 이상의 경우에 실용상 충분한 이음매 강도가 얻어지는 것으로 하여 「○」, 깊이 120㎛ 미만의 경우에 용입 부족에 의해 충분한 이음매 강도가 얻어지지 않는 것으로 하여 「×」로 평가했다.

(성형성)

알루미늄 합금판으로부터, 프레스 가공기를 사용하고, 측벽의 아이어닝 가공률을 20%로 하여, 저면이 세로 15mm×가로 120mm, 측벽의 높이가 80mm인 상자체의 각형 전지 케이스 본체를 성형했다. 이 때, 균열이 없이 성형 가능했던 것을 「○」, 성형시에 균열이 발생한 것 또는 현저한 표면 거칠음이 발생한 것을 성형성이 불량하다고 하여 「×」로 평가했다.

표 4에 나타내는 바와 같이, 실시예인 No. 101~123은 본 발명의 범위를 만족하기 때문에 펄스 레이저 용접성 및 성형성 중 어느 것에 있어서도 우수했다.

한편, 비교예인 No. 124~141은 본 발명의 범위를 만족하지 않기 때문에 이하의 결과가 되었다.

No. 124는 Fe 함유량이 하한치 미만이기 때문에 도전성이 높아지고, 비드가 용입 부족이 되어 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다. No. 125는 Fe 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 조대한 금속간 화합물을 형성하여 성형성이 뒤떨어졌다.

No. 126은 Si 함유량이 하한치 미만이기 때문에 도전성이 높아지고, 비드가 용입 부족이 되어 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다. No. 127은 Si 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 비드에 균열이 생겨 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다.

No. 128은 Cu 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 비드에 균열이 생겨 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다. No. 129는 Mn 함유량이 하한치 미만이기 때문에 도전성이 높아지고, 비드가 용입 부족이 되어 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다. No. 130은 Mn 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 조대한 금속간 화합물을 형성하여 성형성이 뒤떨어졌다.

No. 131은 Mg 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 비드에 균열이 생겨 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다. 또한, 성형성이 뒤떨어졌다. No. 132는 Mn 함유량 및 Mg 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 조대한 금속간 화합물을 형성한 것 등에 의해 성형성이 뒤떨어지고, 또한 비드에 균열이 생겨 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다.

No. 133~135는 Fe 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 조대한 금속간 화합물을 형성하여 성형성이 뒤떨어졌다. No. 136은 Si 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 비드에 균열이 생겨 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다. No. 137~139는 Fe 함유량이 상한치를 초과하기 때문에 조대한 금속간 화합물을 형성하여 성형성이 뒤떨어졌다. No. 140 및 141은 Mn을 함유하지 않고 있기 때문에 도전성이 높아지고, 비드가 용입 부족이 되어 펄스 레이저 용접성이 뒤떨어졌다.

한편, No. 140 및 141의 알루미늄 합금판은 각각 특허문헌 2 및 특허문헌 3에 기재된 종래의 알루미늄 합금판을 상정한 것이다. 본 실시예에서 나타내는 바와 같이, 이들 종래의 알루미늄 합금판은 상기 평가에 있어서 일정한 수준을 만족하지 않는 것이다. 따라서, 본 실시예에 의해, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판이 종래의 알루미늄 합금판과 비교하여 우수함이 객관적으로 분명해졌다.

이상, 본 발명에 따른 전지 케이스용 알루미늄 합금판 및 전지 케이스에 관하여 실시형태 및 실시예를 나타내어 상세하게 설명했지만, 본 발명의 취지는 상기한 내용에 한정되지 않고, 그의 권리 범위는 특허청구범위의 기재에 기초하여 해석해야 한다. 한편, 본 발명의 내용은 상기한 기재에 기초하여 개변·변경 등을 할 수 있음은 두말할 나위도 없다.

Claims

Fe: 0.1~2.0질량%, Si: 0.05질량% 초과 0.5질량% 이하 및 Mn: 0.05~0.5질량%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 전지 케이스용 알루미늄 합금판에 있어서,
상기 전지 케이스용 알루미늄 합금판의 단면의 판 두께 중심을 중심으로 한 판 두께의 18~50%에 이르는 영역에서, 최대 길이가 1㎛ 이상인 금속간 화합물의 면적률이 0.3~3.5%이고, 또한 최대 길이가 11㎛ 이상인 금속간 화합물의 개수가 140개/mm² 이하인 것을 특징으로 하는 전지 케이스용 알루미늄 합금판.
제 1 항에 있어서,
추가로 Cu: 0.05질량% 이상 0.5질량% 이하, Mg: 0.02질량% 이상 1.0질량% 이하 중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 전지 케이스용 알루미늄 합금판.
제 2 항에 있어서,
추가로 Ti: 0.005질량% 이상 0.1질량% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는전지 케이스용 알루미늄 합금판.
Fe: 0.1~2.0질량%, Si: 0.05질량% 초과 0.5질량% 이하 및 Mn: 0.05~0.5질량%를 함유하고, Cu: 0.05질량% 이상 0.5질량% 이하 및 Mg: 0.02질량% 이상 1.0질량% 이하로 규제하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 전지 케이스용 알루미늄 합금판에 있어서,
상기 전지 케이스용 알루미늄 합금판의 도전율이 62IACS% 이하인 것을 특징으로 하는 전지 케이스용 알루미늄 합금판.
제 4 항에 있어서,
추가로 Ti: 0.005질량% 이상 0.1질량% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 전지 케이스용 알루미늄 합금판.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 전지 케이스용 알루미늄 합금판을 이용한 것을 특징으로 하는 전지 케이스.