專利名稱：鋁合金板以及利用其的蓄電池盒的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及適用于反復充放電、能多次使用的蓄電池的電池盒，特別涉及焊接性優(yōu)良的鋁合金板及用它制作的蓄電池盒。
上述這些鋰離子蓄電池近年來被要求提高每單位質(zhì)量的能量輸出密度，為了實現(xiàn)這個要求，對鋰離子蓄電池的電池盒(以下簡稱電池盒)就必須進行進一步的小型化和輕量化。為此，為了這種電池盒的進一步的小型化和輕型化，在這種電池盒的一部分，采用了具備JISA3003合金等的輕量性和強度的鋁合金。
但是，象這樣的電池盒，在進行電池的充電和放電時，電池盒內(nèi)部壓力上升，若是在高溫環(huán)境下使用，這種電池盒內(nèi)部壓力上升更大。因此，電池盒膨脹、變形，根據(jù)情況，有時發(fā)生電池盒的破損。其結果是有可能損壞電子設備的性能。
所以，作為對這樣的電池盒所要求的特性，可以舉出鋰離子蓄電池在充電和放電時不用說，假想在高溫環(huán)境下使用的情況，在這樣的使用情況下，電池盒內(nèi)部的壓力上升時，電池盒能夠保持初期的形狀。另一方面，應該謀求鋰離子蓄電池的小型化、輕型化以及低費用化，所以強烈要求電池盒的薄壁化。
鋰離子蓄電池，通過如下的工序制造(1)將正極材料、負極材料、隔膜重疊而卷曲，放入電池盒。
(2)把電極材料的正極和負極分別焊接在電池盒的正極和負極上。
(3)把電解液注入到電池盒內(nèi)。
(4)把注液口通過焊接封上。
并且，封電池盒注液口的時候，通常使用波形被控制的脈沖激光進行焊接。
可是，作為可適用于電池盒的鋁合金材料，使用上述的JISA3003合金等的時候，根據(jù)焊接條件，在密封部分產(chǎn)生焊接裂紋。這一焊接裂紋產(chǎn)生在焊接部分的黑色變色部位。在相同的部位，檢驗出Al-Fe-Mn系金屬互化物。
這種情況下，通過長期使用，在電池充電或放電時電池盒的內(nèi)部壓力一上升，將發(fā)生從產(chǎn)生上述焊接裂紋的密封部分的焊接部分漏出電解液的問題。
作為蓄電池盒用的鋁合金板，已知特開2000-129384所示的鋁合金板?？墒?，在上述特開2000-129384所示的鋁合金板中，為了提高作為蓄電池盒使用所必要的耐焊接裂紋性和成形性，各元素的最佳含量范圍卻不十分理想。所以希望制出作為蓄電池盒用的具有更好特性的鋁合金板。
本發(fā)明者等，用JISA3003合金，對產(chǎn)生焊接裂紋的原因進行銳意研究的結果從焊接部分的黑色變色部位檢驗出Al-Fe-Mn系金屬互化物，并由此推斷這就是產(chǎn)生焊接裂紋的一些原因。
即，在焊接部分，通過脈沖激光，鋁合金板被加熱到高溫，變成熔融狀態(tài)，進行正常的焊接，相對于此，比鋁合金母材熔點高的Al-Fe-Mn系金屬互化物不完全熔融，變成微偏析狀態(tài)。因此，推斷在Al-Fe-Mn系金屬互化物發(fā)生微偏析的部位，發(fā)生焊接裂紋的可能性高。
本發(fā)明者等，從這樣的推斷出發(fā)，對滿足作為蓄電池盒的諸特性，同時，又能生成比Al-Fe-Mn系金屬互化物熔點低的金屬互化物的鋁合金，繼續(xù)進行銳意的實驗研究，制作了能夠達到上述目的的鋁合金板及使用其制作的蓄電池盒。
解決上述課題的本發(fā)明，其構成如下即，一種鋁合金板，控制Si含量為0.3～0.7質(zhì)量％、Cu含量為0.4～0.9質(zhì)量％以及Mn含量為0.8～1.5質(zhì)量％，F(xiàn)e含量為0.2質(zhì)量％以下，Si/Fe之比為3以上，Mg含量為0.01質(zhì)量％以下，Zn含量為0.01質(zhì)量％以下，Cr含量為0.01質(zhì)量％以下，Ti含量為0.03質(zhì)量％以下。
在這里，最大長度為5μm以上的金屬互化物中，Al-Fe-Mn-Si系金屬互化物的個數(shù)最好占50％以上。
還有，Si含量在0.4質(zhì)量％以上或者在0.65質(zhì)量％以下為更好。
Cu含量在0.5質(zhì)量％以上或者0.8質(zhì)量％以下為更好。
Mn含量在0.9質(zhì)量％以上或者1.2質(zhì)量％以下為更好。
如上述，鋁合金中，通過將有助于提高成形性的Si、Fe兩者的含量以及Si/Fe之比限制在規(guī)定的范圍內(nèi)而更合理化、并通過將有助于提高強度的Cu、Mn含量限制在規(guī)定的范圍內(nèi)而更合理化，再通過將焊接時易飛散的Mg、Zn混入量進行限制，同時限制形成金屬互化物的Cr、Ti的混入量，并且，在焊接時容易熔融的金屬互化物的個數(shù)在規(guī)定值以上。由于這樣的構成，即使薄壁化，也能達到規(guī)定的強度和成形性，并制造出具有優(yōu)良焊接性的鋁合金板。
還有，本發(fā)明中，用上述構成的鋁合金板制作蓄電池盒。因此，蓄電池盒在收納正極材料、負極材料、隔膜、電解液，并焊接注液口時，由于易熔融的Al-Fe-Mn-Si系金屬互化物的存在，焊接性提高。
在本發(fā)明的鋁合金板中，限定作為鋁合金的各元素的數(shù)量的原因，如下說明Si0.3～0.7質(zhì)量％、Fe0.2質(zhì)量％以下，并且Si/Fe之比3以上的原因在鋁合金板中，Si、Fe、Mn、Al一同生成比Al-Fe-Mn系金屬互化物熔點低的Al-Fe-Mn-Si系金屬互化物，有抑制焊接裂紋的作用。同時Si也有提高成形性的作用?？墒?，如果Si添加量不足0.3質(zhì)量％，則其作用變小，另一方面，添加量一超過0.7質(zhì)量％，則金屬互化物粗大化，成為成形時的裂紋的起點，成形性容易降低。因此，Si添加量為0.3～0.7質(zhì)量％，最好為0.4～0.65質(zhì)量％。
在鋁合金板中的Fe和Si一樣，生成同樣的金屬互化物，因此有提高成形性的作用?？墒牵FFe添加量如果超過0.2質(zhì)量％，則金屬互化物粗大化，容易變成成形時的裂紋的起點而使成形性降低。因此，F(xiàn)e添加量為0.2質(zhì)量％以下。
進而，在上述組成范圍內(nèi)，Si/Fe之比不足3時，熔點高的Al-Fe-Mn系金屬互化物增加，易產(chǎn)生焊接裂紋。再加上金屬互化物粗大化，成形性降低。所以，Si/Fe之比為3以上。Cu0.4～0.9質(zhì)量％范圍的原因在鋁合金板中的銅Cu，有提高鋁合金板強度，加工成盒時，有提高這種盒耐壓強度的作用。若銅Cu添加量不足0.4質(zhì)量％，則這種作用變小，另一方面，如果添加量超過0.9質(zhì)量％，則鋁合金板的成形性下降。還有，用它制作電池盒的時候，把盒主體部分和注液口用脈沖激光焊接粘著時，在焊接部分易產(chǎn)生裂紋。因此，Cu添加量為0.4～0.9質(zhì)量％，最好的范圍為0.5～0.8質(zhì)量％。Mn0.8～1.5質(zhì)量％范圍的原因在鋁合金板中的Mn，固溶在母相內(nèi)，有提高鋁合金板強度的作用。若錳Mn添加量不足0.8質(zhì)量％，則這種作用變小，另一方面，添加量如果超過1.5質(zhì)量％，則生成粗大的金屬互化物。用這種鋁合金板制作電池盒時，其易成為成形時的裂紋的起點，因而成形性下降。所以，Mn添加量為0.8～1.5質(zhì)量％，最好的范圍為0.9～1.2質(zhì)量％。
下面，說明對不純物Mg、Zn、Cr、Ti限制于其規(guī)定值以下的原因。Mg添加量限制在0.01質(zhì)量％以下的原因在鋁合金板中的Mg，能提高鋁合金板的強度，將其使用于電池盒時，有提高這種盒耐壓強度的作用。可是，Mg添加量如果超過0.01質(zhì)量％，則因為Mg蒸汽壓低，焊接時易飛散，污染周圍環(huán)境，如果添加量更多，則脈沖激光焊接時易生成焊接裂紋。所以，Mg添加量限制在0.01質(zhì)量％以下。Zn限制在0.01質(zhì)量％以下的原因在鋁合金板中的鋅Zn，和鎂Mg一樣，有提高鋁合金板的強度的作用?？墒?，鋅Zn蒸汽壓低，焊接時易飛散，污染周圍環(huán)境，所以鋅Zn添加量限制在0.01質(zhì)量％以下。Cr限制在0.01質(zhì)量％以下的原因在鋁合金板中的鉻Cr也一樣，有提高鋁合金板的強度的作用。可是，鉻Cr添加量如果超過0.01質(zhì)量％，則生成大量的如高熔點的Al-Fe-Cr金屬互化物，而發(fā)生焊接裂紋。所以，鉻Cr添加量限制在0.01質(zhì)量％以下。Ti限制在0.03質(zhì)量％以下的原因在鋁合金板中的鈦Ti，在制作鑄塊時，有把凝固組織微細化的作用?？墒?，鈦Ti添加量如果超過0.03質(zhì)量％，則生成Al-Ti金屬互化物，而發(fā)生焊接裂紋。所以，Ti添加量限制在0.03質(zhì)量％以下。
下面，對理想的金屬互化物狀態(tài)進行說明。對上述各組分相應地進行必要的熱扎、冷扎、退火、矯正，制成鋁合金板。
在這里，制作的鋁合金板中，最大長度為5μm以上的金屬互化物中的Al-Fe-Mn-Si系金屬互化物的個數(shù)最好占50％以上。
Al-Fe-Mn-Si系金屬互化物比Al-Fe-Mn系金屬互化物的熔點低。所以，在用脈沖激光焊接時，容易和鋁合金母材一起熔融，形成均一的焊接部分。
可是，最大長度為5μm以上的金屬互化物中，Al-Fe-Mn-Si系金屬互化物的個數(shù)不足50％時，其結果是，生成了許多熔點更高的Al-Fe-Mn系金屬互化物，在用脈沖激光焊接時，它們因微偏析而誘發(fā)焊接裂紋。因此，最大長度為5μm以上的金屬互化物中，Al-Fe-Mn-Si系金屬互化物的個數(shù)最好占50％以上。
為實現(xiàn)最大長度為5μm以上的金屬互化物中，Al-Fe-Mn-Si系金屬互化物的個數(shù)占50％以上的狀態(tài)，用具有本文規(guī)定組成的鋁合金，在通常的條件下進行制造的話，都能毫無疑問地實現(xiàn)。作為典型的制造方法，可以舉出，把具有本專利組成的鑄塊均質(zhì)化處理后，進行熱扎，最后進行冷扎，其冷扎加工率為25～70％。但并不限于此，例如，也可以在冷扎中途進行退火。
通過滿足以上條件，能夠制得不發(fā)生焊接裂紋、對脈沖激光焊接性優(yōu)良的鋁合金板，并且，用它能制得耐壓性優(yōu)良的蓄電池盒。
蓄電池盒是，由上述構成的鋁合金板沖切規(guī)定面積的坯料板，然后進行減薄拉深加工，以形成規(guī)定的側(cè)壁高度，再經(jīng)過相應的必要的修邊等各加工，制成了容器狀的主體部分。并且，將正極材料、負極材料、隔膜重疊卷曲，收納在容器狀的主體部分的內(nèi)部，進而，把電極材料的正極和負極分別焊接在容器狀主體部分的正極和負極上，然后注入電解液，在注液口蓋上蓋，并用波形被控制的脈沖激光焊接封上，制得鋰離子蓄電池。
下面，說明本發(fā)明的實施例，但是，本發(fā)明并不只限于下述的實施例。(實施例1)對具有表1所示的組成、其余由鋁以及不可避免的雜質(zhì)所構成的鋁合金鑄塊進行均質(zhì)化處理。然后，進行熱扎，扎出率為50％時進行冷扎。制成板厚為0.3mm的鋁合金板。
接著，對這樣制作的鋁合金板，在以下條件下，進行拉伸試驗、作成電池盒形狀的成型加工試驗、焊接試驗以及電池盒密封后的耐壓試驗。并且求出金屬互化物的種類和個數(shù)。(拉伸試驗)對上述的鋁合金板，拉伸方向與滾軋方向平行，根據(jù)JIS5號制作拉伸試驗片。然后，根據(jù)JIS Z2241實施試驗，求出抗拉強度、彈性極限應力以及伸長率。(金屬互化物的種類、大小和個數(shù))對上述的鋁合金板進行規(guī)定的表面處理后，用具有散能分光計(Energy Dispersive Spectrometer)的掃描電子顯微鏡(ScanningElectron Microscope)(倍率＝1000倍)調(diào)查金屬互化物的種類、大小以及個數(shù)間的關系。對于各鋁合金分別在50視野下進行上述操作，求出最大長度為5μm以上的金屬互化物的種類和個數(shù)。(成型加工試驗)假設是鋰離子蓄電池盒，將側(cè)壁的擠壓加工率作為50％，制作長5mm、寬30mm、高50mm的方形盒。這時，能成形的是成形性良好的，作為沒有問題的評價為“○”，發(fā)生裂紋或者表面凸凹不平的作為成形性不良的評價為“×”。(焊接試驗)在上述方形盒的上部，把由同一鋁合金板制作的盒蓋用脈沖激光進行焊接。在焊接部分看不見裂紋等缺陷、完好，且脈沖的每一焊道(bead)形狀是一定的評價為“◎”，在焊接部分看不見缺陷、完好，但焊道形狀有有些散亂的評價為“○”，在焊接部分發(fā)生裂紋的，或者由于溶質(zhì)元素蒸發(fā)污染周圍環(huán)境的評價為“×”。(耐壓試驗)將方形盒密封后，在294Kpa(3Kg/Cm2)內(nèi)壓的作用下，加熱到100℃，保持2個小時后，回到室溫。然后測定o盒側(cè)面的膨脹變形位置。將這個膨脹變形位置在0.8mm以下的，作為耐壓性能極好的，評價為“◎”，將超過0.8mm而在1.0mm以下的，作為耐壓性能好的，評價為“○”，超過1.0mm的，作為不好的，評價為“×”。
以上的評價結果表示在表2中。從表2可以知道，在特定的組成范圍內(nèi)，能得到焊接性優(yōu)良的鋁合金板以及鋰離子蓄電池盒。在實施例中，可知最大長度為5μm以上的金屬互化物中，Al-Fe-Mn-Si系金屬互化物的個數(shù)占50％以上。
表1

表2

如表1、表2所示，在比較例1中，Si的添加量和Si/Fe之比在規(guī)定的范圍外，成型加工試驗的評價差，不能采用。在比較例2中，因Si的添加量在規(guī)定的范圍外，所以成型加工性差，不能采用。在比較例3中，因Fe的添加量和Si/Fe之比在規(guī)定的范圍外，所以成型加工試驗的評價差，不能采用。
在比較例4中，Si/Fe之比在規(guī)定的范圍之外，成型加工試驗的評價差，不能采用。在比較例5中，Cu的添加量過少而在規(guī)定的范圍外，所以耐壓試驗的評價差，不能采用。在比較例6中，Cu的添加量過多而在規(guī)定的范圍外，所以成型加工試驗的評價差，不能采用。在比較例7中，Mn的添加量過少而在規(guī)定的范圍外，所以耐壓試驗的評價差，不能采用。在比較例8中，Mn的添加量過多而在規(guī)定的范圍外，所以成型加工試驗的評價差，不能采用。比較例9～比較例12中，Mg、Zn、Cr、Ti的添加量分別過多而在規(guī)定的范圍外，所以焊接試驗的結果差，不能采用。(實施例2)對具有表3所示的組分、其余由鋁以及不可避免的雜質(zhì)所構成的鋁合金鑄塊進行均質(zhì)化處理。然后，進行熱扎，扎出率為50％時進行冷扎。制成板厚為0.3mm的鋁合金板。
表3

接著，對這樣制作的鋁合金板，在與實施例1相同的條件下，進行拉伸試驗、作成電池盒形狀的成型加工試驗、焊接試驗以及電池盒密封后的耐壓試驗。
評價結果如表4所示。
表4

如表3、表4所示，即使Fe、Cu、Mn以及Ti的含量一定，由于Si含量的變化，即Si/Fe之比的變化，制得的鋁合金板的特性也隨之變化。在比較例13中，因Si/Fe之比過大而在規(guī)定的范圍外，成型加工試驗的評價差，所以不能采用。在比較例14中，因Si/Fe之比過小而在規(guī)定的范圍外，焊接試驗的評價差，所以不能采用。從這些結果可知，把Si/Fe之比調(diào)整到最優(yōu)的范圍是制得具有作為蓄電池盒的適宜特性的鋁合金板的重要的必要條件。從實施例8和9中可知，最大長度為5μm以上的金屬互化物中，Al-Fe-Mn-Si系金屬互化物的個數(shù)占50％以上。
權利要求
1.一種鋁合金板，其中，控制Si含量為0.3～0.7質(zhì)量％、Cu含量為0.4～0.9質(zhì)量％以及Mn含量為0.8～1.5質(zhì)量％；Fe為0.2質(zhì)量％以下，且Si/Fe之比為3以上；Mg為0.01質(zhì)量％以下，Zn為0.01質(zhì)量％以下，Cr為0.01質(zhì)量％以下以及Ti為0.03質(zhì)量％以下。
2.根據(jù)權利要求1所述的鋁合金板，其中最大長度為5μm以上的金屬互化物中，Al-Fe-Mn-Si系金屬互化物的個數(shù)占50％以上。
3.根據(jù)權利要求1所述的鋁合金板，其中Si的含量為0.4～0.7質(zhì)量％。
4.根據(jù)權利要求1所述的鋁合金板，其中Si的含量為0.3～0.65質(zhì)量％。
5.根據(jù)權利要求1所述的鋁合金板，其中Cu的含量為0.5～0.9質(zhì)量％。
6.根據(jù)權利要求1所述的鋁合金板，其中Cu的含量為0.4～0.8質(zhì)量％。
7.根據(jù)權利要求1所述的鋁合金板，其中Mn的含量為0.9～1.5質(zhì)量％。
8.根據(jù)權利要求1所述的鋁合金板，其中Mn的含量為0.8～1.2質(zhì)量％。
9.一種蓄電池盒，其特征在于，是由權利要求1～8所述的鋁合金板形成。
全文摘要
一種鋁合金板及用它制作的蓄電池盒，鋁合金板中的硅Si含量為0.3～0.7質(zhì)量％、銅Cu含量為0.4～0.9質(zhì)量％以及錳Mn含量為0.8～1.5質(zhì)量％，限制鐵Fe含量在0.2質(zhì)量％以下，并且硅Si/鐵Fe之比為3以上，鎂Mg含量在0.01質(zhì)量％以下，鋅Zn含量在0.01質(zhì)量％以下，鉻Cr含量在0.01質(zhì)量％以下，鈦Ti含量在0.03質(zhì)量％以下。通過上述的構成，通過脈沖激光焊接時，成型加工性、耐壓性優(yōu)良，不發(fā)生焊接裂紋，焊接性優(yōu)良。
文檔編號C22C21/14GK1448526SQ03107588
公開日2003年10月15日 申請日期2003年3月28日 優(yōu)先權日2002年3月29日
發(fā)明者小林一德, 星野晃三 申請人:株式會社神戶制鋼所