JP4888177B2

JP4888177B2 - アルミニウム合金板を用いた矩形断面電池容器の製造方法

Info

Publication number: JP4888177B2
Application number: JP2007070866A
Authority: JP
Inventors: 照栄高橋; 和好鈴木; 丕植趙; 秀彦石井
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: JP2007194221A

Description

本発明は、アルミニウム合金の冷延板を素材としてコンピュータや電話等の電子機器類に組み込まれる電池の容器(ケース)を製造方法に関する。

一般に、電子機器等は駆動源として電池が内蔵されており、電池の容器にアルミニウム合金が使用されている。例えば、携帯電話用のリチウムイオン2次電池の容器は断面が矩形で、厚さが薄く、幅が広く、深さの深い形状をしている。具体的な寸法を示せば内法で厚さ4〜7mm×幅20〜30×高さ40〜60mmのDI成形容器で、この容器内に電池用部材が組み込まれ、蓋がレーザ溶接され密閉状態とされている。

この電池容器は純Al系やAl‐Mn系の比較的軟質のアルミニウム板が使用されていたが、DI成形性だけでなく使用中の電池用部材の発熱に対して耐膨れ性も求められるところから、例えば、特許文献１には、Al‐Mn‐Si‐Fe‐Cu系合金にMgを適量添加した合金、或いはMgの他にさらにCr、Zr、Tiなどの元素を適量添加することによって、プレス成形性と耐膨れ性に優れた合金が提案されている。

また、特許文献２には、Al‐Mn‐Mg‐Si‐Fe‐Cu系合金に冷間圧延時の加工率、結晶粒径及び金属間化合物の面積占有率を規制することにより、ケースと蓋とのレーザ溶接性と耐圧強度に優れた合金が提案されている。

特開2000-336448号公報特開2001-181766号公報

前記断面が矩形の容器をDI成形するには、ブランク材は矩形よりも楕円形であることが板取段階で高歩留となって好ましく、しかもDI成形後の耳率を均等化させるためには、円筒容器に深絞り成形したときに圧延方向に対する45°耳率の高い板であることが求められている。
更に、電子機器類に内蔵される電池容器は軽量化の観点から薄肉化が求められている。

しかしながら、前記特許文献1で提案のものは、45°耳率に関する記載がなく、また特許文献2で提案のものは、45°耳率を高くするには、最終圧延率を高く取る必要があって、薄板のDI成形性を妨げ、しかもパルス溶接速度が遅い。しかも、いずれの特許文献も、容器そのものの高強度化は考慮されていない。

そこで、本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、薄肉のアルミニウム合金冷延板を素材とした矩形断面電池容器であっても、変形することなく安定した状態で使用することができる矩形断面電池容器を提供することを目的とする。

本発明のアルミニウム合金板を用いた矩形断面電池容器の製造方法は、その目的を達成するため、Si：0.10〜0.60wt%，Fe：0.20〜0.60wt%，Cu：0.10〜0.70wt%，Mn：0.60〜1.50wt%，Mg：0.20〜1.20wt%，Zr：0.12を超え0.20wt%未満，Ti：0.05〜0.25wt%，B：0.0010〜0.02 wt%を含有し、残部Alと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金溶湯を半連続鋳造法で鋳造して得た鋳塊に温度500〜600℃で1時間以上保持する均質化処理を施した後、熱間圧延、中間焼鈍、冷間圧延を施した冷延板を素材として矩形断面電池容器を形作り、当該容器内に電池用部材を組み込んだ後に当該容器に蓋を合わせて合わせ部をパルスレーザ溶接する際、前記容器内に電池用部材を組み込む前に当該容器を40〜170℃の温度で加熱処理することを特徴とする。
アルミニウム合金は、更にCr：0.35 wt%以下を含有するものであってもよい。

本発明の製造方法により得られる電池用のアルミニウム合金板製矩形断面容器は、当該容器内に電池用部材が組み込まれる前に加熱処理されているために時効硬化されている。容器そのものが硬化されているため、薄肉素材を用いたものであっても、変形することなく安定した状態で使用することができる矩形断面電池容器を提供することができる。

上記した従来技術における課題を解決するために、発明者らは検討を重ねて、3000系またはこれにMgを含有させたアルミニウム合金にZr、TiおよびBの適量を共存含有させたアルミニウム合金の鋳塊に熱間圧延、中間焼鈍、冷間圧延を施したアルミニウム合金の冷延板を素材とし、成形加工によって容器本体と蓋体を形作り、容器本体に電池用部材を組み込んだ後に容器本体に蓋体を合わせ、合わせ部をレーザ溶接して矩形断面電池容器を製造する際に、変形が起きずに安定した状態で使用することができる容器を得ることができる手段について検討を重ねてきた。
その結果、容器本体を形作った後、容器本体に電池用部材を組み込む前に容器自体を熱処理して時効硬化させておくことが有効であることを見出した。
以下に、その詳細を説明する。

まず、素材のアルミニウム合金として、Si：0.10〜0.60wt%，Fe：0.20〜0.60wt%，Cu：0.10〜0.70wt%，Mn：0.60〜1.50wt%，Mg：0.20〜1.20wt%，Zr：0.12を超え0.20wt%未満，Ti：0.05〜0.25wt%，B：0.0010〜0.02 wt%を含有し、残部Alと不可避的不純物とからなるものを用いる。
更にCr：0.35 wt%以下を含有させたものでもよい。

Si：0.10〜0.60wt%，
Fe：0.20〜0.60wt%，
Mn：0.60〜1.50wt%，
これらの元素は、アルミニウム合金板に強度を付与すると共に、Al‐Fe系、Al‐Mn系、Al‐(Fe,Mn)‐Si系等の金属間化合物を微細に分散形成して再結晶組織の微細化並びに、DI成形性を付与するためのものであって、下限値未満ではその効果が少なく耐膨れ性にも劣り、また、上限値を超えると粗大化合物を形成しDI成形性を低下させ、溶接性も劣ることになる。

Cu：0.10〜0.70wt%，
Mg：0.20〜1.20wt%，
これらの元素は、アルミニウム合金板に強度を付与すると共に、加工硬化が大きく耐膨れ性を向上させるためのものであって、下限値未満ではその効果が少なく、上限値を超えるとパルスレーザ溶接性に劣り溶接速度を速くできない。

Zr：0.12を超え0.20wt%未満，
Ti：0.05〜0.25wt%，
B：0.0010〜0.02 wt%
これらの元素は、共存させることによって、多種類の凝固核となる金属間化合物を生成させ、急冷凝固を伴う溶接ビード部の凝固時の割れ発生を防ぎパルスレーザ溶接の高速度化を可能とし、さらに低圧延率で円筒容器に絞り成形したときの45°方向の高耳率付与のためのものであって、下限値未満ではその効果が少なく、上限値を超えると45°耳率が高くなりすぎて矩形断面容器をDI成形したときの耳率が高くなって製品歩留が低下し、粗大化合物が生じて成形性が低下する。好ましくは、Zrは0.13〜0.19wt%であることが望ましい。

Cr：0.35 wt%以下
必要に応じて添加される。Crを0.35 wt%以下含有させると、再結晶粒を微細化して容器の肌が美麗に仕上がる。なお、Crは返材等から不可避的に混入し、通常の溶製では0.01wt%以下含有しているので、Crの添加効果を顕在化させるには0.01wt%を超えて含有させる必要である。好ましくは、Cr0.1wt%以上、更に好ましくは、Cr0.15wt%以上である。

不可避的不純物は原料地金、返材等から不可避的に混入する管理外のもので、それらの含有量は、例えば、Znの0.25 wt%以下、GaおよびVの0.05 wt%以下、その他各0.05 wt%以下であって、この範囲で管理外元素を含有しても本発明の効果を妨げるものではない。

次に、前記説明の組成を有するアルミニウム合金溶湯は半連続鋳造法で鋳塊とし、均質化処理および熱間圧延し、中間焼鈍を経て最終圧延を施し所定強度ならびに45°耳率のアルミニウム合金板とする。
この際、均質化処理を500〜600℃の温度範囲で１時間以上の保持で行うとともに、最終冷間圧延を25〜55％の圧延率で行うことが必要である。

均質化処理：500〜600℃×１時間以上
半連続鋳造法で鋳造して得た鋳塊の均質化処理は圧延を容易にするために高温に保持して鋳造偏析を解消するためのもので、その温度は500〜600℃で1時間以上保持することが必要である。この加熱温度が低すぎ、或いは保持時間が短いと，析出物のサイズが小さくて，焼鈍時再結晶粒が粗くなり，DI成形後の外観肌が綺麗に仕上がらない。また最終の圧延率が低くても耳率が7%を超え易く、所定の強度が得難い。加熱温度が高過ぎると、部分溶融する虞れがある。より好ましくは、520℃以上、590℃以下である。

中間焼鈍：
中間焼鈍は再結晶組織を微細化するために昇温速度
5℃／sec以上の連続焼鈍が好ましく、その加熱温度も400℃以上とし、更に高温にすれば溶体化を兼ねることもできる。保持時間は10秒以内とするのが好ましい。

最終圧延：圧延率25〜55%
最終圧延は均質化処理温度と相まって45°耳率に影響が大きい。従って均質化処理を500〜600℃で1時間以上保持し、最終圧延を圧延率25〜55%とすることで45°耳率4〜7%のアルミニウム合金板を得ることができる。この最終圧延の圧延率が下限値未満では所定の強度が得られないと共に45°耳率が低く、上限値を超えると45°耳率が高くなりすぎて矩形断面容器をDI成形したときの製品歩留が低下すると共に延性が低くなって、DI成形時に金型肩部で割れが発生し易い。

上記のような成分組成が規定されたアルミニウム合金鋳塊に、条件を規定した均質化処理と最終圧延工程を含む均質化処理および熱間圧延し、中間焼鈍を経て最終圧延を施してアルミニウム合金板を製造すると、円筒容器に深絞り成形したときに圧延方向に対する45°耳率が4〜7％のとなるアルミニウム合金板材が得られる。
ここで、円筒容器に深絞り成形したときに圧延方向に対する45°耳率：4〜7％について説明する。

アルミニウム圧延板の円形ブランク材を円筒容器に深絞り成形すると、軟質材は圧延方向に対して平行な方向な0°方向および圧延方向に対して垂直な90°方向の容器周縁部に山形に発達した凸部を形成し、強加工材は45°方向の容器周縁部に山形の発達した凸部を形成する。この凸部を耳と称し、製品にした時には削除することとなっているので、材料の製品歩留を低下させる要因である。従って、通常は0°方向及び90°方向或いは45°方向に耳が偏って発達しない耳の均一な板が求められ、使用されている。

しかしながら、断面が矩形の容器をDI成形するには、ブランク材は矩形よりも楕円形であることが板取段階で高歩留となって好ましいが、耳の均一な板から得た長径または短径が板の圧延方向に平行な楕円形のブランク材を絞り加工すると、0°方向及び90°方向の容器周縁部に山形の凸部が発達し、45°方向に谷が形成され製品歩留を下げることとなる。
そこで前もって45°方向に耳が発達する板材を使用すれば、DI加工で耳を均一に成形できて製品歩留を向上することができる。すなわち、本発明方法で製造された45°耳率が4%以上7%以下のアルミニウム合金板をブランク材に用いることにより、従来型携帯用機器の電池容器として、製品歩留まりの高いDI製品を得ることができることになる。

ところで、従来型携帯用機器の電池容器は、図1に示すように、断面矩形で蓋がパルレーザ溶接で接合されているもの一般的である。なお、図1中、1はその容器、2はその蓋、3は容器1と蓋2とをパルスレーザ溶接した溶接線である。
また、図2は、容器1を絞り加工するときの略楕円形のブランク材の平面図で、4はそのブランク材、5はDI加工するときのポンチの当たる位置を示す仮想線である。
前記本発明方法で製造したアルミニウム合金板をブランク材として、各種寸法の矩形断面の容器に成形加工されるが、例えば、板厚を0.6mmとし、絞り加工としごき加工を加えて容器とする。

加工された容器は、電池用部材が組み込まれた後蓋を合わせ、合わせ部をパルスレーザ溶接して電池とされる。前記容器は電池用部材が組み込まれる前に該容器を40〜170℃の温度に加熱処理することによって時効硬化して高強度とすることができ、安定した状態で使用することもできるようになる。

次に容器に蓋を固定するパルスレーザ溶接を説明する。
容器に蓋を合わせ、その合わせ部を大気中、もしくは必要に応じてアシストガスとしてアルゴン等の不活性ガスを用いて溶接する。溶接条件は、板の厚さによって一様ではないが、パルス時間、出力、焦点はずし距離、溶接速度等を適宜定めて溶接する。即ち、パルス時間0.3〜5ms、1.5〜15ジュール／スポット、焦点はずし距離−5〜＋10mm、溶接速度1〜30mm／sec.の範囲を目安として適宜採用することができる。

次に具体的な実施例について説明する。
表1に示す成分組成のアルミニウム合金溶湯を溶製し、半連続鋳造法で厚さ530mm、幅1100mm、金型からの冷却水2.5〜3.0リットル／cm分、鋳塊の引出速度40〜60mm／分で鋳塊を鋳造した。Zrの添加はAl‐Zr母合金、TiはAl‐Ti母合金、BはAl‐Ti‐B母合金を使用した。

次に該鋳塊を面削後、表2に示す条件で均質化処理し，保持後熱延を開始し、終了温度400℃で厚さ6mmの熱延板とした。次いで冷間圧延4パスで各種厚さの冷延板とし、中間焼鈍処理を施した。中間焼鈍処理は電磁誘導加熱で520℃に加熱し、数秒保持後水焼入した。水焼入後最終冷間圧延して厚さ0.6mmの圧延板とした。この圧延板を用いて下記の測定をした。
その結果を併せて表2に示す。

<45°耳率>
円形ブランク材を円筒容器に深絞り成形して45°耳率を測定した。
45°耳率は次式から計算した。
45°耳率(%)＝(H1−H2)／0.5(H1+H2)×100
ここでH1：底部から山部までの距離の平均値
H2：底部から谷部までの距離の平均値

<製品歩留>
楕円形ブランク材を絞り成形後しごき加工し、内法で厚さ5mm×幅25mm×深さ50mmの有底容器を製作し、容器縁部を平らにするために切削し、材料の製品歩留を測定した。しごき加工率は50%とした。
製品歩留次式から計算した。
製品歩留(%)＝製品重量／楕円形ブランク材重量×100

<溶接性>
得られた板を共材で突き合わせ、下記条件でパルスレーザ溶接し、割れの有無を40倍の光学顕微鏡で確認した。また一方の板を1100材として溶接したが、共材で溶接したときと同じ結果であった。割れ無しを〇印、割れ有りを×印で示す。

表1，2の結果から、本発明例としてZr，TiおよびBが共に共存し、45°耳率が本発明の範囲内の試料（試料番号1〜12）は製品歩留高く、パルスレーザの溶接速度が速くても溶接割れの発生が認められず溶接性に優れていることが判る。またCrの含有している本発明の範囲内の試料（試料番号3、7、9）は容器の製品肌が優れていることが判る。

一方、比較例としてZr，TiおよびBが共に不純物範囲で、かつ45°耳率の低い試料（試料番号13）は、製品歩留低く溶接割れが発生して、溶接性の低いことが判る。
また、Zr、Tiまたは Bの単独または2元素共存の試料（試料番号14〜22）は、溶接割れが生じ溶接性の劣ることが判る。
また、Zr、Tiまたは Bの本発明の範囲を超えて含有する試料（試料番号20〜22）は、DI成形時割れが発生し、成形性に劣ることが判る。

パルスレーザ溶接された断面矩形の蓋付き電池容器の概略を示す斜視図断面矩形の電池容器を絞り加工するときの楕円形のブランク材の平面図

符号の説明

１：断面矩形の電池容器
２：容器1の蓋
３：パルスレーザ溶接した溶接線
４：ブランク材
５：DI加工するときのポンチの当たる位置を示す仮想線

Claims

Si：0.10〜0.60wt%，Fe：0.20〜0.60wt%，Cu：0.10〜0.70wt%，Mn：0.60〜1.50wt%，Mg：0.20〜1.20wt%，Zr：0.12を超え0.20wt%未満，Ti：0.05〜0.25wt%，B：0.0010〜0.02wt%を含有し、残部Alと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金溶湯を半連続鋳造法で鋳造して得た鋳塊に温度500〜600℃で1時間以上保持する均質化処理を施した後、熱間圧延、中間焼鈍、冷間圧延を施した冷延板を素材として矩形断面電池容器を形作り、当該容器内に電池用部材を組み込んだ後に当該容器に蓋を合わせて合わせ部をパルスレーザ溶接する際、前記容器内に電池用部材を組み込む前に当該容器を40〜170℃の温度で加熱処理することを特徴とするアルミニウム合金板を用いた矩形断面電池容器の製造方法。
アルミニウム合金が、更にCr：0.35wt%以下を含有するものである請求項1に記載のアルミニウム合金板を用いた矩形断面電池容器の製造方法。