KR20080021552A

KR20080021552A - 전지 케이스용 알루미늄 합금판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20080021552A
Application number: KR1020070088338A
Authority: KR
Inventors: 히데토시 우치다; 야스노리 나가이; 도모야스 이토
Original assignee: 스미토모 게이 긴조쿠 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2008-03-07
Also published as: JP2008057014A; CN101135020A

Abstract

본 발명은 충분한 강도와 우수한 크리프 특성을 가지고, 드로잉-아이어닝(drawing-ironing) 가공성이 우수하며, 레이저 용접에 의한 밀봉 처리도 가능하고, 충방전 사이클 시의 케이스 두께 증가를 억제할 수 있는 전지 케이스용 알루미늄 합금판을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이며, Mg: 0.2∼0.8％, Cu: 0.4∼1.5％, Mn: 0.4％ 미만을 함유하고, 불순물로서 Si를 0.2％ 이하, Fe를 0.4％ 이하로 규제하여, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

전지 케이스, 알루미늄 합금판, 강도

Description

전지 케이스용 알루미늄 합금판 및 그 제조 방법{ALUMINUM ALLOY PLATE FOR BATTERY CASE AND ITS MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 전지 케이스용 알루미늄 합금판, 구체적으로는 휴대 전화나 노트퍼스널 컴퓨터에 사용되는 각형 리튬 이온 전지 등의 케이스용으로서 적합한 알루미늄 합금판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

휴대 전화나 노트형 퍼스널 컴퓨터에 삽입되는 부품은 경량일 것이 강하게 요구되고 있고, 이 때문에, 이들에 사용되는 각형 리튬 이온 전지의 케이스재에 대해서도, 당초의 강판(鋼板)이나 스테인리스 강판 대신에 A3003 알루미늄 합금판이 사용되어지고 있다. 각형 전지 케이스는 레이저 용접 기술을 이용하여 순알루미늄 혹은 알루미늄 합금판으로 밀봉된다.

복수의 공정인 드로잉-아이어닝 가공을 조합시켜 성형되는 각형 전지 케이스에 있어서, Al-Mn계의 A3003 알루미늄 합금은 광택이 있는 아름다운 표면 상태를 유지하면서 케이스의 박육화가 가능한 소재이며, 박육화는 전지 내부용적의 증가에 직결하여, 전지 특성의 고용량화를 도모하는 중요한 요소가 된다.

그러나, 충방전을 반복하는 리튬 이온 전지는 그 반응 시에 내부 압력이 상 승하여 온도 상승이 생기는 경우도 있고, 전지 케이스재에는, 그 사용 환경에 따라서는 내부 압력에 의한 인장 응력이 부하되므로 이러한 사용 환경 하에 있어서, Al-Mn 계의 알루미늄 합금판은 크리프 변형하여, 결과적으로 전지 케이스의 두께가 증가한다(팽창됨)고 하는 문제가 있다. 그 두께 변형량이 큰 경우에는, 기기에의 영향(고장, 파손 등)이 염려된다.

최근, 리튬 이온 전지에 대해서는, 경량화, 고용량화가 더욱 요구되고 있고, 각형 전지 케이스에 있어서도 한층 더한 박육화가 요청되고 있다. 상기한 바와 같이, 박육화는 전지 특성의 고용량화를 도모하는 중요한 요소이며, 전지 케이스의 외형 크기를 유지하면서 내부용적을 늘리는 것, 혹은 동일한 용량에서의 다운사이징이 과제가 되어왔다. 또한 두께 허용차도 해마다 엄격해지므로, 이 때문에 소재의 고성능화가 요구되고 있다.

소재에 대해 필요해지는 성능이란, (1) 크리프 변형하기 어려울 것, (2) 케이스 성형 시의 드로잉-아이어닝 가공이 가능할 것, (3) 레이저 용접에 의한 접합에 의해 균열 등의 결함이 발생하지 않을 것을 들 수 있다. 지금까지, Mn 외에 Mg나 Cu를 첨가한 전지 케이스용 알루미늄 합금판이 몇 가지 제안되고 있었지만(예컨대, 일본 특허 공개 제2004-232009호 공보, 일본 특허 공개 제2005-336540호 공보), 어느 것도 크리프 특성이나 레이저 용접성 등 각형 전지 케이스용 재료로서 요구되는 성능이 아주 충분하지는 않았다.

또한, 발명자 등은 이전에, Mn, Mg, Cu를 첨가한 전지 케이스용 알루미늄 합금재에 있어서, 특정량의 Mn, Mg, Cu의 조합과, 불순물량을 규제함으로써 개선된 크리프 특성을 구비한 전지 케이스용 알루미늄 합금판을 제안했지만, 이들의 전지 케이스용 재료에 있어서도, 사용 환경에 따라서는 크리프 특성이 아주 충분하지 않고, 전지 케이스의 두께가 증가한다(팽창됨)고 하는 문제가 생기는 것이 경험되었다.

발명자 등은 상기 제안의 전지 케이스용 알루미늄 합금판에 있어서의 Mn, Mg, Cu의 함유량과 그 조합에 대해 시험, 검토를 거듭한 결과, Mn 함유량을 더욱 적게 함으로써 전지 케이스로서 충분한 강도와 우수한 크리프 특성의 조합을 얻을 수 있는 것을 발견했다.

본 발명은 상기한 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은 전지 케이스로서 충분한 강도와 우수한 크리프 특성을 가지고, 드로잉-아이어닝 가공성이 우수하며, 레이저 용접에 의한 밀봉 처리도 가능하고, 충방전 사이클 시의 케이스 두께 증가를 억제할 수 있는 각형 리튬 이온 전지 케이스에 적합하게 사용할 수 있는 전지 케이스용 알루미늄 합금판 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 전지 케이스용 알루미늄 합금판은 Mg: 0.2∼0.8％, Cu: 0.4％∼1.5％, Mn:0.4％ 미만을 함유하고, 불순물로서 Si를 0.3％ 이하, Fe를 0.4％ 이하로 규제하여, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 전지 케이스용 알루미늄 합금판은 Zr: 0.01∼0.2％, Cr: 0.01∼0.3％, V: 0.01∼0.2％ 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 전지 케이스용 알루미늄 합금판은 상기 Mg와 Cu의 함유량의 비, Mg％/Cu％가 0.6 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 전지 케이스용 알루미늄 합금판은 상기 기재한 Ti: 0.01∼0.2％, B: 5∼100 ppm을 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 전지 케이스용 알루미늄 합금판의 제조 방법은 상기 기재한 조성을 갖는 알루미늄 합금판의 제조에 있어서, 최종 냉간 가공도를 10∼70％로 하고, 그 후, 100∼300℃의 온도로 열처리를 실시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전지 케이스로서 충분한 강도와 우수한 크리프 특성을 가지고, 드로잉-아이어닝 가공성이 우수하며, 레이저 용접에 의한 밀봉 처리도 가능하고, 충방전 사이클 시의 케이스 두께 증가를 억제할 수 있는 각형 리튬 이온 전지 케이스에 적합하게 사용할 수 있는 전지 케이스용 알루미늄 합금판 및 그 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 전지 케이스용 알루미늄 합금판에 있어서의 합금 성분의 의의 및 그 한정 이유에 대해 설명한다.

Mg: Mg는 강도를 향상시키는 동시에 성형성 향상을 위해 유효한 원소이다. Mg의 바람직한 함유량은 0.2∼0.8％의 범위이며, 0.2％ 미만에서는 강도, 성형성을 향상시키는 효과가 충분하지 않고, Mg 함유량이 지나치게 많으면 레이저 용접성이 열화하므로, Mg 함유량은 0.8％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다. Mg의 더욱 바람직한 함유 범위는 0.3∼0.6％이다.

Cu: Cu는 강도나 크리프 특성을 향상시키기 위해 유효한 원소이다. Cu의 바람직한 함유량은 0.4∼1.5％의 범위이며, Cu 함유량이 0.4％ 미만에서는, 강도나 크리프 특성을 향상시키는 효과가 충분하지 않고, Cu가 많아지면 레이저 용접성이 저하하므로, 1.5％ 이하로 제한하는 것이 바람직하다. Cu의 더욱 바람직한 함유 범위는 0.4∼1.2％, 더욱 바람직한 함유 범위는 0.7∼1.0％이다.

또한, Mg과 Cu는 상호 작용을 가지므로, Mg과 Cu의 함유량의 비, Mg％/Cu％는 0.6 이하인 것이 바람직하다.

Mn: Mn은 강도를 향상시키기 위해 유효한 원소이다. 또한, 아이어닝 가공 시의 판 표면 성형을 양호한 상태로 하도록 기능한다. 그러나, Mn이 0.4％를 초과하여 함유하면, 사용 환경에 따라서는 크리프 특성이 열화하는 경우가 있고, 또한 주조성도 저하한다. Mn의 바람직한 함유량은 0.4％ 미만의 범위이다. Mn의 더욱 바람직한 함유 범위는 0.2％ 이하이다.

Si: Si는 불순물로서 함유된다. Si량이 0.3％를 초과하면 성형성이 열화하므로, 0.3％ 이하로 규제하는 것이 바람직하다. 또한, Si량을 저감하는 것은 고순도의 Al 지금(地金)을 이용하는 것이 필요해지고, 제조 비용의 상승을 초래하므로, 바람직하게는 0.05∼0.2％의 범위로 한다.

Fe: Fe는 불순물로서 함유된다. Fe량이 0.4％를 초과하면 성형성이 열화하므로, 0.4％ 이하로 규제하는 것이 바람직하다. 또한, Fe량을 저감하는 것은 고순도 의 Al 지금을 이용하는 것이 필요해지며, 제조 비용의 상승을 초래하므로, 바람직하게는 0.1∼0.3％의 범위로 한다.

Zr, Cr, V: Zr, Cr 및 V는 크리프 특성을 향상시키는 동시에, 조직을 미세화하여 성형성을 높이므로 유효한 원소이다. 바람직한 함유량은 Zr: 0.01∼0.2％, Cr: 0.01∼0.3％, V: 0.01∼0.2％의 범위이며, 각각 하한 미만에서는 상기한 효과가 충분하지 않고, 각각 상한을 초과하여 함유하면, 주조 시에 조대한 화합물이 생성되어 성형성을 저하시킨다.

Ti, B: Ti 및 B는 결정립을 미세화하여, 성형 가공 시의 균열이나, 표면의 거칠어짐 등을 방지하도록 기능한다. 바람직한 함유량은 Ti: 0.01∼0.2％, B: 5∼100 ppm의 범위이며, 각각 하한 미만에서는 상기한 효과가 충분하지 않고, 각각 상한을 초과하여 함유하면, 주조 시에 조대한 화합물이 생성되여 성형성을 저하시킨다.

본 발명의 전지 케이스용 알루미늄 합금판은 조괴된 주괴를 통상법에 따라 균질화 처리, 열간 압연한 후, 냉간 압연을 행하거나 혹은 행하지 않고, 그 후 재결정시키는 것을 목적으로 하는 중간 열처리를 행하여, 최종 냉간 압연함으로써 제조된다.

이 경우, 최종 냉간 압연의 가공도를 10∼70％로 하는 것이 바람직하다. 냉간 가공도가 10％ 미만에서는 전지 케이스로서의 캔체 강도가 부족한 경우가 있고, 냉간 가공도가 70％를 초과하면 재료 강도가 높게 되어 변형성능도 저하하므로, 각형 케이스 성형에 있어서의 다단의 아이어닝 가공에 견뎌지지 못하고, 파동(破胴) 하기 쉽게 된다. 더욱 바람직한 최종 냉간 압연 가공도는 20∼60％의 범위이다. 최종 냉간 압연 후, 100∼300℃로 열처리를 행함으로써 가공 왜곡이 완화되어, 성형성, 크리프 특성이 더 향상한다.

상기와 같이하여 제조된 알루미늄 합금판은 다단의 드로잉-아이어닝 가공에 의해 파동이나 외관 상의 더러움이 발생하지 않는 각형 케이스에 성형할 수 있고, 통상의 레이저 용접에 의한 밀봉 처리 후에도 크랙이나 핀 홀의 발생이 없고, 우수한 크리프 특성을 구비하고 있다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 대비하여 설명하고, 그 효과를 실증한다. 이들의 실시예는 본 발명의 일 실시형태를 도시하는 것이며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

실시예 1

표 1에 나타내는 조성을 갖는 알루미늄 합금을 반연속 주조에 의해 조괴하여, 얻어진 주괴를 균질화 처리, 열간 압연, 냉간 압연, 중간 소둔, 최종 냉간 압연의 공정을 거쳐 두께 0.5 mm의 판으로 형성했다. 최종 냉간 가공도는 30％로 하고, 그 후에 280℃로 열처리를 행했다. 얻어진 판재를 시험재로서, 이하의 방법에 의해, 인장 성능, 성형성, 레이저 용접성, 크리프 특성을 평가했다. 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 표 1에 있어서, 본 발명의 조건을 벗어난 것에는 밑줄을 그었다.

인장 성능: JIS5호 시험 부재를 제작하여, 실온에서 인장 시험을 행하여, 인장 강도가 180 MPa를 넘는 것, 신장이 3％를 넘는 것을 합격으로 했다. 인장 강도 가 180 MPa 이하의 것은 강도가 부족하고, 신장 3％ 이하의 것 및 내력이 250 MPa 이상의 것은 성형성이 뒤떨어지므로 불합격으로 한다.

성형성: 벽면의 아이어닝 가공율을 55％로 하고, 두께 8 mm, 폭 35 mm, 높이 50 mm의 각형 케이스를 성형하여, 균열이나 표면의 거칠어짐이 발생하지 않은 경우를 합격(○), 균열이나 표면의 거칠어짐이 발생한 경우를 불합격(×)으로 했다.

레이저 용접성: 시험재와 동일한 판 두께의 A1100-O재를 이용하여 맞대기 용접을 행하고, 비드부에 마이크로 크랙이 발생하지 않은 경우를 합격(○), 발생한 경우를 불합격(×)으로 했다.

크리프 특성: 상기 성형성 평가로 성형한 각형 케이스의 벽면과 동일한 판 두께가 되도록 냉간 압연한 판을 이용하여, 95℃의 온도로 100 MPa의 응력을 200 시간 부하하는 크리프 시험을 행하여, 변형량을 측정했다. 크리프 시험 후의 왜곡이 0.2％ 이하의 것은 합격(○), 0.2％를 넘는 것은 불합격(×)으로 했다.

합금	조성(질량％)
합금	Mg	Cu	Mn	Si	Fe	Zr	Cr	V	Ti	B
1	0.4	0.9	0.1	0.15	0.25	―	―	―	―	―
2	0.4	0.9	0.02	0.14	0.28	―	―	―	0.02	30
3	0.5	0.8	0.3	0.15	0.25	―	―	―	0.02	30
4	0.5	1.1	0.2	0.20	0.21	―	―	―	0.02	30
5	0.6	0.9	0.1	0.15	0.25	0.14	―	―	0.02	30
6	0.5	0.9	0.1	0.15	0.25	―	0.12	―	0.02	30
7	0.4	0.8	0.1	0.15	0.25	―	―	0.15	0.02	30
8	0.1	0.9	0.2	0.15	0.25	―	―	―	0.02	30
9	0.5	0.2	0.2	0.15	0.25	―	―	―	0.02	30
10	1.5	0.9	0.2	0.15	0.25	―	―	―	0.02	30
11	0.5	1.8	0.2	0.15	0.25	―	―	―	0.02	30
12	0.4	0.9	1.3	0.15	0.25	―	―	―	0.02	30
13	0.5	0.9	0.2	0.15	0.25	0.35	―	―	0.02	30
14	0.5	0.9	0.2	0.15	0.25	―	―	―	0.3	30

(표주) B량은 ppm

시험재	합금	인장강도 (MPa)	내력 (MPa)	신장 (％)	성형성	레이저 용접성	크리프 왜곡
1	1	210	171	5	○	○	0.16(○)
2	2	192	166	6	○	○	0.16(○)
3	3	223	188	5	○	○	0.17(○)
4	4	241	201	4	○	○	0.16(○)
5	5	238	207	5	○	○	0.17(○)
6	6	236	206	6	○	○	0.18(○)
7	7	238	204	5	○	○	0.17(○)
8	8	163	138	4	○	○	0.24(×)
9	9	128	143	5	○	○	0.28(×)
10	10	265	238	5	×	×	0.17(○)
11	11	272	246	6	×	×	0.16(○)
12	12	262	234	5	○	○	0.32(×)
13	13	235	211	4	×	○	0.19(○)
14	14	232	209	4	×	○	0.19(○)

표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따르는 시험재 1∼7은 어느 것이나, 인장 강도가 180 MPa를 넘는 고강도를 구비하고, 내력이 250 MPa 미만, 신장이 3％를 넘고, 양호한 성형성을 갖고 있으며, 우수한 크리프 특성을 구비하고, 레이저 용접성에도 우수하다.

이에 비해, 시험재 8은 Mn량이 적고, 또한 시험재 9는 Cu 량이 적으므로, 어느 것이나 인장 강도가 충분하지 않고, 크리프 특성도 뒤떨어지고 있다. 시험재 10은 Mg 량이 많고, 또한 시험재 11은 Cu 량이 많으므로, 어느 것이나 성형성, 레이저 용접성이 뒤떨어지고 있다. 시험재 12는 Mn 량이 많으므로 크리프 특성이 뒤떨어지고 있다. 시험재 13 및 시험재 14는 각각 Zr, Ti 첨가량이 지나치게 많으므로 성형성이 뒤떨어지고 있다.

Claims

Mg: 0.2％∼0.8％(질량％, 이하 동일함), Cu: 0.4％∼1.5％, Mn: 0.4％ 미만을 함유하고, 불순물로서 Si를 0.3％ 이하, Fe를 0.4％ 이하로 규제하며, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지 케이스용 알루미늄 합금판.
제1항에 있어서, Zr: 0.01∼0.2％, Cr: 0.01∼0.3％, V: 0.01∼0.2％ 중의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 전지 케이스용 알루미늄 합금판.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Mg와 Cu의 함유량의 비, Mg％/Cu％가 0.6이하인 것을 특징으로 하는 전지 케이스용 알루미늄 합금판.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, Ti: 0.01∼0.2％, B: 5∼100 ppm을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 전지 케이스용 알루미늄 합금판.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재한 조성을 갖는 알루미늄 합금판의 제조 방법에 있어서, 최종 냉간 가공도를 10∼70％로 하고, 그 후, 100∼300℃의 온도로 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 전지 케이스용 알루미늄 합금판의 제조 방법.