KR20090100294A

KR20090100294A - 전지 케이스용 알루미늄 합금판 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20090100294A
Application number: KR1020090023039A
Authority: KR
Inventors: 가즈노리 고바야시
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2009-09-23
Also published as: CN101538665B; JP5204517B2; CN101538665A; KR101039206B1; JP2009228031A

Abstract

본 발명은, Mn: 0.4 내지 1.5질량%, Cu: 1.0 초과 내지 4.0질량%, Mg: 0.2 내지 1.2질량%, Si: 0.05 내지 0.50질량%, Fe: 0.05 내지 0.60질량%를 함유하고, Zn: 0.10질량% 이하로 규제하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금을 용해, 주조하여 주괴로 하고, 이 주괴를 480℃ 이상 융점 미만으로 균열 처리한 후, 열간 압연 및 냉간 압연으로 압연판으로 하고, 이 압연판을 100℃/분 이상의 속도로 가열하고, 420℃ 이상 융점 미만에서 0 내지 180초의 중간 소둔을 한 후, 300℃/분 이상의 속도로 냉각하고, 압하율 20 내지 50%로 최종 냉간 압연을 함으로써 제조된 알루미늄 합금판이며, Cu의 함유량에 대한 Al 모상에의 고용량의 비가 0.8 이상이다. 이러한 구성에 의해, 판두께를 박육화하더라도, 강도, 내압성, 및 내응력완화성이 우수한 2차 전지 케이스용의 알루미늄 합금판이 된다.

Description

전지 케이스용 알루미늄 합금판 및 그의 제조방법{ALUMINUM ALLOY SHEET FOR BATTERY CASE AND ITS MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 리튬 이온 2차 전지 케이스 등의 전지 케이스에 적합하게 사용되는 알루미늄 합금판, 및 그 알루미늄 합금판의 제조방법에 관한 것이다.

휴대전화나 노트북형 퍼스널 컴퓨터 등의 전원으로서, 리튬 이온 2차 전지가 널리 사용되고 있다. 이 2차 전지의 외장인 케이스(이하, 전지 케이스)의 재료에는, 종래에는 전지의 소형화 및 경량화, 그리고 전지 케이스로 성형하기 위한 가공성 등을 만족하기 때문에, JIS A3003 합금 등의 알루미늄 합금이 사용되고 있다. 이러한 전지에 있어서, 충방전이 실시되면 전지 케이스의 내부 압력이 상승한다. 또한, 하계(夏季)의 자동차 내 같은 고온 환경 하에 전지를 탑재한 전자 기기를 방치한 때와 같은 경우는, 전지 케이스 자체가 60℃에서 90℃에도 달하여, 온도 상승에 의해서 내부 압력이 크게 상승할 뿐만 아니라, 전지 케이스용 재료 자체의 내부 응력이 완화된다. 그 결과, 전지 케이스가 부풀어 변형하여 전지 교환시의 꺼내기 가 곤란하게 되거나, 심지어 전지 케이스가 파손하여 전자 기기의 성능을 손상시키거나 파열에 이를 위험성을 안고 있다.

그래서, 이러한 전지 케이스에는, 상기 전지의 충방전 및 고온 환경 하에서의 사용에 의해 전지 케이스의 내압이 상승한 경우에도, 전지 케이스의 소기의 형상을 유지할 수 있는 것과 같은, 우수한 내압성(내팽창성) 및 내응력완화성이 요구된다. 한편, 한층 더 전지의 소형화나 경량화 및 저비용화를 위해, 전지 케이스의 박육화(薄肉化)를 꾀할 것이 강하게 요구되고 있다. 그런데, 종래의 JIS A3003 합금 등으로 이루어지는 알루미늄 합금판을 박육화하면 변형이 생기기 쉽게 되어, 전지 케이스의 내압성이 저하되어 비교적 작은 내부 압력이 작용하더라도 부풀기가 생기기 쉽게 된다는 문제가 발생한다.

그래서, 최근, JIS 3000계의 알루미늄 합금에 Cu 등을 첨가함으로써 알루미늄 합금판의 강도를 향상시켜, 박육화하더라도 전지의 사용 상태에 대응할 수 있는 내압성을 갖추도록 한 전지 케이스용 알루미늄 합금판이 개발되어 있다. 예를 들어, 일본 특허 제3867989호에는, Cu, Mg, Si, Fe를 소정량 첨가하는 것에 의해 강도를 향상시켜, 박육화하더라도 충분한 내압성 및 내응력완화성을 구비하는 전지 케이스용 알루미늄 합금판이 개시되어 있다. 또한, 이 전지 케이스용 알루미늄 합금판은, Zn의 함유량이 소정량 이하로 규제되어 있기 때문에, 전지 케이스를 제작할 때의 레이저 용접성도 우수하다.

그러나 2차 전지의 한층 더한 안전성 향상을 위해, 전지 케이스 재료는, 강도, 내압성, 및 내응력완화성의 한층 더 향상이 요구되고 있다.

본 발명은, 상기 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 전지 케이스로 제작하기 위한 성형성 및 레이저용접성을 갖고, 강도, 내압성(내팽창성), 및 내응력완화성을 향상시킨 알루미늄 합금판 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판은, Mn: 0.4질량% 이상 1.5질량% 이하, Cu: 1.0질량%를 초과하고 4.0질량% 이하, Mg: 0.2질량% 이상 1.2질량% 이하, Si: 0.05질량% 이상 0.50질량% 이하, Fe: 0.05질량% 이상 0.60질량% 이하를 함유하고, Zn: 0.10질량% 이하로 규제하며, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금으로 형성되고, 상기 Cu 함유량에 대한 Al 모상에의 Cu의 고용량의 비가 0.8 이상이다.

이와 같이, Mn, Cu, Mg, Si 농도를 소정 범위로 한정함으로써, 각각의 원소의 고용 강화에 의해 알루미늄 합금판의 강도를 향상시키는 것이 가능하다. 특히, Cu 농도를 높은 범위로 한정하고, 또한 그 고용량을 농도에 대하여 일정 이상의 비로 함으로써 Cu의 고용 강화에 의해 알루미늄 합금판의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, Fe 농도를 소정 범위로 한정함으로써, 알루미늄 합금판의 성형성을 향상시킬 수 있다. 그리고, Zn 농도를 소정 범위 이하로 규제함으로써, 알루미늄 합금판의 레이저 용접시에, 증기압이 낮은 Zn이 비산하지 않아, 주위를 오염시키는 일이 없다.

또한, 상기 알루미늄 합금판에 있어서, 상기 알루미늄 합금이, 추가로 Zr: 0.05질량% 이상 0.15질량% 이하, Cr: 0.05질량% 이상 0.20질량% 이하, 및 Ti: 0.02질량% 이상 0.15질량% 이하 중 1종 이상을 함유할 수도 있다.

이와 같이, Zr, Cr, Ti를 소정 범위로 첨가함으로써 조직을 미세화, 균질화할 수 있다.

또한, 본 발명의 알루미늄 합금판의 제조방법은, 상기 조성의 알루미늄 합금을 용해, 주조하여 주괴로 하는 주조 공정과, 상기 주괴를 480℃ 이상 상기 알루미늄 합금의 융점 미만에서의 열처리에 의해 균질화하는 균열 처리 공정과, 상기 균질화한 주괴를 열간 압연하는 열간 압연 공정과, 상기 열간 압연 공정 후에 냉간 압연하여 압연판으로 하는 냉간 압연 공정과, 상기 압연판을 소둔하는 중간 소둔(燒鈍) 공정과, 상기 소둔한 압연판을 압하율 20 내지 50%로 냉간 압연하는 최종 냉간 압연 공정을 포함하고, 상기 중간 소둔 공정은, 상기 압연판을 100℃/분 이상의 가열 속도로 420℃ 이상 상기 알루미늄 합금의 융점 미만의 온도역으로 가열하고, 이 온도역에 0 내지 180초 유지한 후, 300℃/분 이상의 냉각 속도로 냉각한다.

이와 같이, 소정의 온도 범위에서 균질화 열처리 및 최종 냉간 압연 전의 중간 소둔을 실시하는 것에 의해, Cu를 충분히 고용시켜 알루미늄 합금판의 강도를 향상시킬 수 있다.

또한, 최종 냉간 압연에 있어서의 압하율을 소정 범위로 제어함으로써, 응력 완화 현상이 억제됨과 동시에, 내압성이 향상한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금판에 의하면, 판두께를 박육화하더라도, 전지 케이스 등으로 성형될 때에 우수한 성형성(아이어닝(ironing) 가공성) 및 레이저 용접성(용접 균열성, 용접부 강도)을 갖고, 또한 우수한 강도, 내응력완화성, 및 내압성(내팽창성)을 갖는 케이스로 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판의 제조방법에 의하면, 상기 효과를 갖는 알루미늄 합금판을 좋은 생산성으로 제조할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판을 실현하기 위한 최선의 형태에 대하여 설명한다.

〔알루미늄 합금판의 구성〕

본 발명에 따른 알루미늄 합금판은, Mn: 0.4질량% 이상 1.5질량% 이하, Cu: 1.0질량%를 초과하고 4.0질량% 이하, Mg: 0.2질량% 이상 1.2질량% 이하, Si: 0.05질량% 이상 0.50질량% 이하, Fe: 0.05질량% 이상 0.60질량% 이하를 함유하고, Zn: 0.10질량% 이하로 규제되고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금으로 형성되고, 또한, 상기 Cu 함유량에 대하여, Al 모상에의 Cu의 고용량의 비가 0.8 이상이다. 이하, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판을 구성하는 각 요소에 대하여 설명한다.

(Mn: 0.4 내지 1.5질량%)

Mn은, 모상 내에 고용하여, 알루미늄 합금판의 강도를 높여, 내압 강도를 향상시키는 효과가 있어, Mn 함유량 증가에 따라 강도를 높일 수 있다. 또한, Mn은, Al, Mn, Fe, Si와 금속간 화합물(Al-Fe·Mn계 금속간 화합물, Al·Fe-Mn·Si계 금속간 화합물)을 형성하여, 알루미늄 합금판의 성형성을 향상시킨다. Mn 함유량이 0.4질량% 미만이면, 이들 효과가 불충분하다. 한편, Mn 함유량이 1.5질량%를 초과하면 상기 금속간 화합물이 조대한 것으로 되어, 성형시의 균열의 기점이 되기 쉽기 때문에, 알루미늄 합금판의 성형성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은 0.4 내지 1.5질량%로 한다.

(Cu: 1.0질량%를 초과하고 4.0질량% 이하)

Cu는, 모상 내에 고용하여, 알루미늄 합금판의 강도를 높여, 내압 강도를 향상시키는 효과가 있어, Cu 함유량 증가에 따라 강도를 높일 수 있다. 또한, Cu는, 레이저 용접시의 용접부의 강도를 향상시키는 효과가 있다. 또한, Cu는, Al, Mg과 결부되어 미세한 S'(Al₂CuMg)상을 형성, 석출한다. 이 미세한 S'(Al₂CuMg)상이, 전위(轉位)의 이동을 억제함으로써, 응력 완화 현상을 억눌러, 알루미늄 합금판의 내응력완화성을 향상시킨다. Cu 함유량이 1.0질량% 이하이면, 이들 효과가 불충분하다. 한편, Cu 함유량이 4.0질량%를 초과하면, 알루미늄 합금판의 강도가 과잉으로 되어 성형성을 저하시킨다. 따라서, Cu 함유량은 1.0질량%을 초과하고 4.0질량% 이하로 한다.

(Al 모상에의 Cu의 고용량: Cu 함유량에 대한 비 0.8 이상)

상기와 같이, Cu는 모상 내에 고용하여 알루미늄 합금판의 강도를 높이거나, 미세한 S'(Al₂CuMg)상을 형성하여 내응력완화성을 향상시키지만, 한편으로, 고용하지 않고 있는 Cu가 증가하면, 조대한 화합물(Al₂Cu)로서 석출되어, 강도나 성형성을 저하시킨다. 알루미늄 합금판의 Cu 함유량(전 Cu량)에 대하여, 같은 알루미늄 합금판에 있어서의 Al 모상에 고용하고 있는 Cu량의 비가 0.8 미만인 때, 상기와 같이 고용하지 않고 있는 Cu가 조대한 화합물을 형성하고 있거나, 또는 고용하고 있는 Cu가 부족하여, 강도, 내압성, 및 내응력완화성이 불충분해지는 경우가 있다. 따라서, Al 모상에의 Cu의 고용량은, 알루미늄 합금판의 Cu 함유량에 대한 비로 0.8 이상, 즉, 「Al 모상에의 Cu 고용량/[알루미늄 합금판의 Cu 함유량]≥0.8로 한다. Cu의 고용량은, 예컨대, 열 페놀에 의한 잔사 추출법을 이용하여, 잔사, 즉 석출물을 분리한 추출 용액 중의 Cu의 양으로부터 얻어진다.

(Mg: 0.2 내지 1.2질량%)

Mg는 모상 내에 고용하여, 알루미늄 합금판의 강도를 높여, 내압 강도를 향상시키는 효과가 있어, Mg 함유량 증가에 따라 강도를 높일 수 있다. 또한, Mg는, Si와 결부되어 Mg₂Si를 석출하거나, Al, Cu와 결부되어 미세한 S'(Al₂CuMg)상을 석출한다. 이 Mg₂Si 및 S'(Al₂CuMg)상이 전위의 이동을 억제함으로써, 응력 완화 현 상을 억눌러, 알루미늄 합금판의 내응력완화성을 향상시킨다. Mg 함유량이 0.2질량% 미만이면, 이들 효과가 불충분하다. 한편, Mg 함유량이 1.2질량%를 초과하면, 알루미늄 합금판의 가공 경화성이 높아져 성형성이 저하되고, 또한, 레이저 용접시에 균열이 생기기 쉽게 된다. 따라서, Mg 함유량은 0.2 내지 1.2질량%로 한다.

(Si: 0.05 내지 0.50질량%)

Si는, 모상 내에 고용하여, 알루미늄 합금판의 강도를 높여, 내압 강도를 향상시키는 효과가 있다. 또한, Si는, Al, Mn, Fe와 Al·Fe-Mn·Si계 금속간 화합물을 형성하여, 알루미늄 합금판의 성형성을 향상시킨다. 또한, Si는, Mg과 결부되어 Mg₂Si를 석출하기 때문에, 알루미늄 합금판의 내응력완화성을 향상시킨다. Si 함유량이 0.05질량% 미만이면, 이들 효과가 불충분하다. 한편, Si 함유량이 0.50질량%를 초과하면, 상기 금속간 화합물이 조대한 것으로 되어, 성형시의 균열의 기점이 되기 쉽기 때문에, 알루미늄 합금판의 성형성이 저하된다. 또한, Mg₂Si가 조대화하여 내력이 저하되는 경우가 있다. 또한, Al·Cu-Fe·Si계 금속간 화합물을 형성하여, Cu의 고용량을 감소시키는 경우가 있다. 또한, 융점이 저하되기 때문에 레이저 용접성이 저하된다. 따라서, Si 함유량은 0.05 내지 0.50질량%로 한다.

(Fe: 0.05 내지 0.60질량%)

Fe는, Mn, Si와 함께 Al-Fe·Mn계, Al-Fe·Mn·Si계 금속간 화합물을 형성하는 때문에, 알루미늄 합금판의 성형성을 향상시키는 효과가 있다. Fe 함유량이 0.05질량% 미만이면, 금속간 화합물의 형성량이 적어, 상기 효과가 작다. 한편, Fe 함유량이 0.60질량%를 초과하면, 상기 금속간 화합물이 조대한 것으로 되어, 성형시의 균열의 기점이 되기 쉽기 때문에, 알루미늄 합금판의 성형성이 저하된다. 또한, Al-Fe·Mn-Si계 금속간 화합물의 형성량이 많아져, 그 때문에 Mg₂Si의 석출이 감소하여, 내응력완화성이 저하되는 경우가 있다. 또한, Al-Cu·Fe-Si계 금속간 화합물을 형성하여, Cu의 고용량을 감소시키는 경우가 있다. 따라서, Fe 함유량은 0.05 내지 0.60질량%로 한다.

(Zn: 0.10질량% 이하)

Zn은 증기압이 낮기 때문에, 레이저 용접시에 비산하여 주위를 오염시키기 쉽고, 알루미늄 합금판의 레이저 용접성을 나쁘게 한다. 따라서, Zn 함유량은 0.10질량% 이하로 규제한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금판은, 추가로 Zr: 0.05 내지 0.15질량%, Cr: 0.05 내지 0.20질량%, Ti: 0.02 내지 0.15질량% 중 1종 이상을 첨가시키더라도 좋다.

(Zr: 0.05 내지 0.15질량%, Cr: 0.05 내지 0.20질량%, Ti: 0.02 내지 0.15질량%)

Zr, Cr, Ti는, 알루미늄 합금 조직을 미세화, 균질화(안정화)하는 효과가 있다. 그러나 각각의 규정 함유량을 초과하면, 조대한 금속간 화합물이 석출하여, 성형시의 균열의 기점이 되기 쉽기 때문에, 알루미늄 합금판의 성형성이 저하된다.

Zr, Cr, Ti는 상기 규정 함유량 미만을 불가피적 불순물로서 함유할 수도 있 다. 이들 원소를 각각의 규정 함유량 미만 함유하고 있더라도, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판의 성능을 조금도 방해하는 것이 아니다.

〔알루미늄 합금판의 제조방법〕

다음으로 본 발명에 따른 알루미늄 합금판의 제조방법을 설명한다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금판의 제조방법은, 상기 조성의 알루미늄 합금을 용해, 주조하여 주괴로 하고(주조 공정), 이 주괴를 480℃ 이상 알루미늄 합금의 융점 미만에서의 열처리에 의해 균질화한다(균열 처리 공정). 이 균질화 열처리 후의 주괴에, 열간 압연(열간 압연 공정), 또한 냉간 압연을 실시하여 소정 두께의 압연판으로 한다(냉간 압연 공정). 그리고, 이 압연판을 100℃/분 이상의 가열 속도로 420℃ 이상 알루미늄 합금의 융점 미만의 온도역으로 급속 가열하고, 이 온도역에 0 내지 180초 유지한 후, 300℃/분 이상의 냉각 속도로 냉각한다(중간 소둔 공정). 최후에, 압하율 20 내지 50%로 최종 냉간 압연을 하여(최종 냉간 압연 공정), 원하는 판두께의 알루미늄 합금판으로 제조된다. 한편, 제조방법으로서는 상기 방법에 한정되지 않고, 예컨대, 중간 소둔 후의 최종 냉간 압연 후에, 최종 소둔을 하더라도 좋다. 이하에, 각 공정의 조건에 대하여 설명한다.

(균열 처리 공정·처리 온도: 480℃ 이상, 알루미늄 합금의 융점 미만)

주괴를 압연하기 전에, 소정 온도로 균질화 열처리(균열 처리)하는 것이 필요하다. 열처리를 실시하는 것에 의해, 주조시에 결정석출한 금속간 화합물을 확산 고용시켜 조직이 균질화된다. 균열 처리 온도가 480℃ 미만이면, 본 발명에 따른 알루미늄 합금으로 이루어지는 주괴의 균질화가 불충분하다. 한편, 균열 처리 온도가 알루미늄 합금의 융점에 이르면, 주괴가 용융한다. 따라서, 균열 처리 온도는 480℃ 이상, 알루미늄 합금의 융점 미만으로 한다. 한편, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 융점은, 그 조성에 따라 500 내지 610℃ 정도의 범위로 변화되고, 특히 Cu 함유량이 많으면 낮게 된다. 또한, 균열 처리 시간이 1시간 미만이면, 주괴의 균질화가 완료하지 않고 있는 경우가 있어, 1시간 이상 행하는 것이 바람직하다.

(중간 소둔 공정-가열 속도: 100℃/분 이상, 유지: 420℃ 이상, 알루미늄 합금의 융점 미만으로 0 내지 180초, 냉각 속도: 300℃/분 이상)

최후의 냉간 압연(최종 냉간 압연) 전의 압연판에 중간 소둔을 실시하는 것에 의해, 최종 냉간 압연에 있어서, 알루미늄 합금판의 판두께를 원하는 판두께로 조정하기 쉽게 되고, 또한, 가공 경화가 생겨 알루미늄 합금판의 강도가 향상한다. 또한, 중간 소둔을 하는 것에 의해, 압연판에 Mg₂Si나 미세한 S'(Al₂CuMg)상이 석출한다. 이 Mg₂Si나 S'(Al₂CuMg)상에 의해서도 가공 경화가 생겨 알루미늄 합금판의 강도가 향상한다. 그것에 의하여, 전지 케이스 제작 시의 아이어닝 가공 등의 작업이 안정된다. 또한, 이 Mg₂Si 또는 S'(Al₂CuMg)상이 전위의 이동을 억제하여, 응력 완화 현상을 억눌러, 알루미늄 합금판의 내응력완화성 및 내압성을 향상시킨다. 또한, 중간 소둔을 하는 것에 의해, Cu 등의 용질 원소를 모상 내에 고용시키기 때문에, 각각의 원소의 고용 강화에 의해 알루미늄 합금판의 강도를 향상시킨다.

중간 소둔의 처리 온도가 420℃ 미만이면, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않 는다. 한편, 중간 소둔의 처리 온도가 알루미늄 합금의 융점에 이르면, 압연판이 용융한다. 따라서, 중간 소둔의 처리 온도는 420℃ 이상, 알루미늄 합금의 융점 미만으로 한다. 한편, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 융점은, 상기 균열 처리의 상한 온도에 있어서의 것과 같기 때문에 생략한다. 또한, 이 중간 소둔의 온도역으로 180초를 초과하여 유지하더라도, 상기 효과는 증대하지 않고, 생산성이 저하되기 때문에, 유지 시간은 180초 이하로 한다. 또한, 이 중간 소둔의 온도역으로 압연판을 가열하는 가열 속도가 100℃/분 미만이면, 승온 도중의 온도역에서 용질 원소가 조대한 석출물로 되고, 이 석출물은 중간 소둔의 처리 온도역에서도 고용하지 않는다. 또한, 중간 소둔(유지) 후의 냉각 속도가 300℃/분 미만이면, 고용하고 있었던 용질 원소가 강온(降溫) 도중의 온도역에서 석출한다. 또한, 가열 속도나 냉각 속도가 느리면, 결정이 조대화하여 성형성이 저하되는 수가 있다. 따라서, 중간 소둔의 처리 온도역으로 가열하는 가열 속도는 100℃/분 이상으로 하고, 중간 소둔의 처리 온도역으로부터는, 냉각 속도는 300℃/분 이상으로, 용질 원소가 석출하는 일이 없는 100℃ 이하까지 냉각하는 것으로 한다.

(최종 냉간 압연 공정-압하율: 20 내지 50%)

최종 냉간 압연에 있어서의 압하율을 20 내지 50%로 조정함으로써, 응력 완화 현상이 억제되어, 알루미늄 합금판의 내응력완화성 및 내압성이 향상한다. 압하율이 20% 미만이면, 강도가 충분히 얻어지지 않아, 전지 케이스로서의 강성이 부족해지는 경우가 있다. 한편, 압하율이 50%를 초과하면, 변형의 축적이 많아져 회복이 진행하기 쉽게 되어, 내응력완화성이 저하된다. 따라서, 최종냉간 압연의 압 하율은 20 내지 50%로 한다.

〔전지 케이스 및 2차 전지의 제작 방법〕

다음으로 본 발명에 따른 알루미늄 합금판으로부터 전지 케이스를 제작하는 방법의 일례를 설명한다. 케이스 본체부로 하는 본 발명에 따른 알루미늄 합금판은, 최종 냉간 압연으로 0.3 내지 0.8mm 정도의 판두께로 한다. 이 알루미늄 합금판을, 소정의 형상으로 절단하여, 드로잉(drawing) 가공 또는 아이어닝 가공에 의해 유저통(有底筒) 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 한정되지 않고, 원통형, 편평형의 직방체 등, 2차 전지의 사양에 따라서, 케이스 본체부는 상면이 개방된 유저통 형상으로 한다.

아이어닝 가공 등에 의한 케이스 본체부의 측벽의 판두께 감소율(아이어닝 가공율)은, 30 내지 80%인 것이 바람직하다. 판두께 감소율이 이 범위 밖이 되는 경우, 성형한 케이스 본체부의 측벽을 원하는 판두께로 조정하기 어려워진다.

또한, 케이스 본체부와 같은 알루미늄 합금으로, 0.7 내지 1.5mm 정도의 판두께로 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 2차 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, 전 지 케이스에 주입구로부터 전해액을 주입하고, 주입구를 봉지(封止)하여 2차 전지로 한다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판은, 일련의 성형 가공이 순서대로 실시되는 트랜스퍼 프레스에 의해서 원하는 형상으로 성형되는 성형품, 특히 리튬 이온 2차 전지의 전지 케이스에 바람직한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판은, 트랜스퍼 프레스에 포함되는, 다단계의 드로잉-아이어닝(D&I) 가공 같은 특히 가혹한 가공에 대하여 우수한 강도 및 성형성(가공성)을 갖는 것이다. 또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판은, 예컨대 전지 케이스로 제작할 때의, 케이스 본체부와 뚜껑부를 레이저로 확실히 봉지할 수 있는 레이저 용접성을 갖는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판으로부터 제작한 전지 케이스는, 상기한 바와 같이 리튬 이온 2차 전지 등에서 충방전이 반복되거나 고온 환경 하에서 사용되기도 하여 전지 케이스 내부의 온도가 상승하고, 그에 따라 내부 압력이 상승한 경우에도, 이 전지 케이스의 부풀기의 변형량을 적절히 낮게 억누를 수 있는 것이다. 이와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 합금판은, 강도, 성형성, 레이저 용접성(용접 균열성, 용접부 강도), 내압성(내팽창성), 및 내응력완화성을 만족하는 것이다.

실시예

이상, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 대하여 말하여 왔지만, 이하 에, 본 발명의 효과를 확인한 실시예를, 본 발명의 요건을 만족시키지 않는 비교예와 대비하여 구체적으로 설명한다. 한편,본 발명은 이 실시예에 한정되는 것이 아니다.

〔공시재 제작〕

(실시예 1 내지 12, 비교예 16 내지 29)

표 1에 나타내는 조성의 알루미늄 합금을, 용해, 주조하여 주괴로 하여, 이 주괴에 550℃에서 4시간의 균열 처리를 실시했다. 이 균질화한 주괴에, 열간 압연, 또 냉간 압연을 실시하여, 판두께 0.7mm 정도의 압연판으로 했다. 그리고, 이 압연판을 500℃/분으로 520℃로 가열하여, 이 온도로 30초 유지한 후, 500℃/분으로 냉각하여 중간 소둔을 했다. 최후에, 압하율 30%로 최종 냉간 압연을 하여 판두께 0.5mm의 알루미늄 합금판으로 했다.

(실시예 13 내지 15, 비교예 30 내지 36)

표 2에 나타내는 조성의 알루미늄 합금(실시예 1과 같은 조성)을, 용해, 주조하여 주괴로 하여, 이 주괴에 표 2에 나타내는 온도로 4시간의 균열 처리를 실시했다. 이 균질화한 주괴에, 열간 압연, 또 냉간 압연을 실시하여, 소정의 판두께의 압연판으로 했다. 그리고, 이 압연판에, 표 2에 나타내는 가열 속도, 소둔 온도(30초 유지), 및 냉각 속도로 중간 소둔을 했다. 최후에, 표 2에 나타내는 압하율로 최종 냉간 압연을 하여 판두께 0.5mm의 알루미늄 합금판으로 했다. 한편, 표 2에는 실시예 1의 수단 및 평가 결과도 기재한다.

(Cu 고용량)

수득된 알루미늄 합금판의 Al 모상에의 Cu 고용량을, 열 페놀에 의한 잔사 추출법을 이용하여 측정했다. 소정량의 알루미늄 합금판을 열 페놀에 용해한 것을 메쉬 크기 0.1㎛의 필터로 여과하고, 잔사를 분리한 추출 용액 중의 Cu량을 ICP 발광분석법에 의해 측정하여, Al 모상에의 Cu 고용량을 구했다. Cu 고용량 및 Cu 고용량의 Cu 함유량에 대한 비를 표 1, 표 2에 나타낸다.

〔평가〕

수득된 알루미늄 합금판으로 이하의 평가를 하여, 결과를 표 1, 표 2에 나타낸다. 한편, 비교예 31, 33은, 후기하는 바와 같이 알루미늄 합금판으로 제작할 수 없었기 때문에, 이후의 처리 및 평가는 실시하지 않았으므로, 표 2에 「·」으로 나타낸다.

(강도)

알루미늄 합금판으로부터, 인장 방향이 압연 방향과 평행하게 되도록 JIS 5호에 의한 인장 시험편을 잘라냈다. 이 시험편으로, JIS Z2241에 의한 인장 시험을 실시하고, 인장 강도, 내력(0.2% 내력), 및 신율을 측정했다. 강도의 합격 기준은, 내력이 300N/mm² 이상으로 했다.

(성형성)

알루미늄 합금판으로부터, 프레스 가공기를 사용하여, 측벽의 아이어닝 가공율을 50%로 하여, 저면이 세로 5mm×가로 30mm, 측벽의 높이 50mm의 상자체의 각형 전지 케이스 본체를 성형했다. 이 때, 성형 가능하고, 성형 후에 표면 거칠음이 없는 것을 성형성이 우수하다고 하여 「◎」, 성형 가능하고, 약간 표면 거칠음이 발생한 것을 양호하다고 하여 「○」, 성형시에 균열이 발생한 것, 또는 현저한 표면 거칠음이 발생한 것은 성형성이 불량하다고 하여 「×」로 평가했다.

(레이저 용접성)

상기 성형성의 평가에서 성형한 케이스 본체의 상부에, 케이스 본체와 같은 합금으로 이루어지는 알루미늄 합금판(판두께 1.0mm)으로 작성한 뚜껑부를 펄스 레이저로 용접했다. 용접부에 균열 등의 결함이 보이지 않고, 펄스마다 비드 형상이 일정한 것을 레이저 용접성이 양호하다고 하여 「○」, 용접부에 균열이 발생한 것, 또는 용질 원소가 비산하여 용접부의 주위를 오염시킨 것을 불량하다고 하여 「×」로 평가했다.

(내압성)

상기 성형성 및 레이저 용접성의 평가에서 제작하여, 봉지된 각형 전지 케이스를, 294kPa(3kg/cm²)의 내압을 작용시킨 상태로, 100℃로 가열하여 2시간 유지했다. 실온으로 되돌린 후, 전지 케이스의 측면(가로 30mm×높이 50mm의 면)의 부풀기의 변위량을 측정했다. 변위량이 0.8mm 이하였던 것은 내압성이 우수하다고 하여 「◎」, 0.8mm를 초과하고, 1.0mm 이하였던 것은 내압성이 양호하다고 하여 「○」, 1.0mm를 초과한 것은 불량하다고 하여 「×」로 평가했다.

(내응력완화성)

알루미늄 합금판에, 케이스 본체로 성형하는 아이어닝 가공을 상정하여 압하 율 50%로 냉간 압연을 추가로 실시하여, 폭 10mm×길이 150mm의 시험편을, 길이 방향이 압연 방향과 평행하게 되도록 잘라냈다. 이 시험편으로, 일본전자재료공업회 표준 규격 EMAS-3003에 기재되어 있는 외팔보(cantilever beam)식에 의한 응력 완화 특성 시험을 실시했다. 시험 온도 85℃에서, 시험편의 고정단으로부터 50mm의 위치에 120MPa의 응력을 부가하여 시험편을 변형시키고, 이 상태를 24시간 유지한 후에 응력을 제거하여, 시험편의 변형량을 측정했다. 이 변형량이 클수록 내응력완화성이 뒤떨어진다. 한편, 상기 내압성이 낮은 경우도 변형량이 커진다. 표 1, 표 2에는 변형량을 나타내고, 내응력완화성의 합격 기준은, 변형량 1.7mm 이하로 했다.

(알루미늄 합금 조성에 의한 평가)

실시예 1, 2는, Mn 함유량이 본 발명의 범위 내이기 때문에, 강도, 성형성, 및 내압성이 양호했다. 이와 대조적으로, 비교예 16은 Mn 함유량이 부족하기 때문에, 강도 및 내압성이 충분히 얻어지지 않았다. 한편, 비교예 17은 Mn 함유량이 과잉이기 때문에, 성형성이 열화하여 성형시에 균열이 발생했다.

실시예 1, 3, 4는, Cu 함유량이 본 발명의 범위 내이기 때문에, 강도, 내압성, 레이저 용접성, 및 내응력완화성이 양호했다. 이와는 대조적으로, 비교예 18은 Cu 함유량이 부족하기 때문에, 강도, 내압성, 및 내응력완화성이 충분히 얻어지지 않았다. 한편, 비교예 19는 Cu 함유량이 과잉이기 때문에, 성형성이 열화하여 성형시에 균열이 발생했다.

실시예 1, 5, 6은, Mg 함유량이 본 발명의 범위 내이기 때문에, 강도, 내압성, 및 내응력완화성이 양호했다. 이와는 대조적으로, 비교예 20은 Mg 함유량이 부족하기 때문에, 강도, 내압성, 및 내응력완화성이 충분히 얻어지지 않았다. 한편, 비교예 21은 Mg 함유량이 과잉이기 때문에, 성형성이 열화하여 성형시에 균열이 발생하고, 또한, 레이저 용접시에 용접부에서 균열이 발생했다.

실시예 1, 7은, Si 함유량이 본 발명의 범위 내이기 때문에, 강도, 내압성, 및 내응력완화성이 양호했다. 이와는 대조적으로, 비교예 22는 Si 함유량이 부족하기 때문에, 내압성 및 내응력완화성이 충분히 얻어지지 않았다. 한편, 비교예 23은 Si 함유량이 과잉이기 때문에, 내력이 저하되고, 또한, 레이저 용접시에 용접부에서 균열이 발생했다.

실시예 1, 8은, Fe 함유량이 본 발명의 범위 내이기 때문에, 성형성이 양호했다. 이와는 대조적으로, 비교예 24는 Fe 함유량이 부족하기 때문에, 비교예 25는 Fe 함유량이 과잉이기 때문에, 각각 성형성이 저하되어 성형시에 균열이 발생했다.

실시예 1, 9는, Zn 함유량이 본 발명의 범위 이하로 억제되어 있기 때문에, 레이저 용접성이 양호했다. 이와는 대조적으로, 비교예 26은 Zn 함유량이 본 발명의 범위를 초과했기 때문에, 레이저 용접시에 Zn이 비산하여 용접부의 주위가 Zn으로 오염되었다.

실시예 10은 Zr, Ti 함유량이, 실시예 11은 Cr, Ti 함유량이, 실시예 12는 Ti 함유량이, 각각 본 발명의 범위 내이기 때문에, 성형성이 양호했다. 이와는 대조적으로, 비교예 27은 Zr 함유량이, 비교예 28은 Cr 함유량이, 비교예 29는 Ti 함유량이, 각각 과잉이기 때문에, 어느 것이나 성형성이 저하되어 성형시에 균열이 발생했다.

(제조방법에 의한 평가)

실시예 1, 13, 14는, 균열 처리 조건 및 중간 소둔 조건이 본 발명의 범위 내이기 때문에, 각각의 처리에 있어서 Cu 등의 용질 원소가 충분히 고용하여, 내압성 및 내응력완화성이 양호했다. 이와는 대조적으로, 비교예 30은 균열 처리 온도가 낮아 주괴의 균질화가 불충분해져서, 내압성 및 내응력완화성이 저하되었다. 또한, 비교예 32는 중간 소둔 온도가 낮고, 비교예 34는 중간 소둔에 있어서의 가열 속도 및 냉각 속도가 느려, 각각 용질 원소의 고용이 불충분하여 내압성 및 내응력완화성이 저하되었다. 한편, 비교예 31은 균열 처리 온도가, 비교예 33은 중간 소둔 온도가, 각각 본 발명의 범위를 넘어 높기 때문에, 주괴 또는 압연판이 용융하여 알루미늄 합금판을 제작할 수 없었다.

실시예 1, 15는, 최종 냉간 압연에 있어서의 압하율이 본 발명의 범위 내이기 때문에, 내압성 및 내응력완화성이 양호했다. 이와는 대조적으로, 비교예 35는 압하율이 부족하기 때문에, 비교예 36은 압하율이 과잉이기 때문에, 각각 내압성 및 내응력완화성이 저하되었다.

Claims

Mn: 0.4질량% 이상 1.5질량% 이하, Cu: 1.0질량%를 초과하고 4.0질량% 이하, Mg: 0.2질량% 이상 1.2질량% 이하, Si: 0.05질량% 이상 0.50질량% 이하, Fe: 0.05질량% 이상 0.60질량% 이하를 함유하고, Zn: 0.10질량% 이하로 규제하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금으로 형성되고, 상기 Cu 함유량에 대한 Al 모상에의 Cu의 고용량의 비가, 0.8 이상인,

알루미늄 합금판.
제 1 항에 있어서,

상기 알루미늄 합금이, 추가로 Zr: 0.05질량% 이상 0.15질량% 이하, Cr: 0.05질량% 이상 0.20질량% 이하, 및 Ti: 0.02질량% 이상 0.15질량% 이하 중 1종 이상을 함유하는 알루미늄 합금판.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 조성의 알루미늄 합금을 용해, 주조하여 주괴로 하는 주조 공정과, 상기 주괴를 480℃ 이상 상기 알루미늄 합금의 융점 미만에서의 열처리에 의해 균질화하는 균열 처리 공정과, 상기 균질화한 주괴를 열간 압연하는 열간 압연 공정과, 상기 열간 압연 공정 후에 냉간 압연하여 압연판으로 하는 냉간 압연 공정과, 상기 압연판을 소둔하는 중간 소둔 공정과, 상기 소둔한 압연판을 압하율 20 내지 50%로 냉간 압연하는 최종 냉간 압연 공정을 포함하고,

상기 중간 소둔 공정은, 상기 압연판을, 100℃/분 이상의 가열 속도로 420℃ 이상 상기 알루미늄 합금의 융점 미만의 온도역으로 가열하고, 이 온도역에 0 내지 180초 유지한 후, 300℃/분 이상의 냉각 속도로 냉각하는,

알루미늄 합금판의 제조방법.