(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025006580
(43)【公開日】2025-01-17
(54)【発明の名称】電池部品用フェライト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに電池部品
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20250109BHJP
C22C 38/28 20060101ALI20250109BHJP
C22C 38/60 20060101ALI20250109BHJP
C21C 7/00 20060101ALI20250109BHJP
H01M 50/159 20210101ALI20250109BHJP
C21D 9/48 20060101ALN20250109BHJP
【FI】
C22C38/00 302Z
C22C38/28
C22C38/60
C21C7/00 H
H01M50/159
C21D9/48 R
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023107465
(22)【出願日】2023-06-29
(71)【出願人】
【識別番号】503378420
【氏名又は名称】日鉄ステンレス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000523
【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】林 篤剛
(72)【発明者】
【氏名】濱田 純一
(72)【発明者】
【氏名】吉井 睦子
【テーマコード(参考)】
4K013
4K037
5H011
【Fターム(参考)】
4K013AA02
4K013BA14
4K013FA01
4K037EA01
4K037EA02
4K037EA03
4K037EA04
4K037EA05
4K037EA09
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4K037FM02
4K037JA06
5H011AA01
5H011AA13
5H011CC06
5H011KK02
(57)【要約】
【課題】高温疲労特性に優れる電池部品用フェライト系ステンレス鋼材を提供する。
【解決手段】質量基準で、C:0.001~0.020%、N:0.001~0.020%、Si:0.01~0.60%、Mn:0.01~0.70%、P:0.001~0.050%、S:0.0001~0.0014%、Cr:9.5~18.5%、Ni:0.001~0.700%、Cu:0.001~1.200%、Ti:0.03~0.27%、Nb:0.001~0.200%、Al:0.003~0.180%を含有し、残部がFe及び不純物からなる電池部品用フェライト系ステンレス鋼材である。この電池部品用フェライト系ステンレス鋼材は、JIS G0555:2020の附属書JAに規定される点算法によって測定される酸化物系介在物の清浄度が0.004~0.200%、B1系介在物の清浄度が0.100%以下であり、以下の式(1)を満たす。
7.7×(C+N)≦Ti+Nb≦0.340 ・・・(1)
式中、各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を表す。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量基準で、C:0.001~0.020%、N:0.001~0.020%、Si:0.01~0.60%、Mn:0.01~0.70%、P:0.001~0.050%、S:0.0001~0.0014%、Cr:9.5~18.5%、Ni:0.001~0.700%、Cu:0.001~1.200%、Ti:0.03~0.27%、Nb:0.001~0.200%、Al:0.003~0.180%を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
JIS G0555:2020の附属書JAに規定される点算法によって測定される酸化物系介在物の清浄度が0.004~0.200%、B1系介在物の清浄度が0.100%以下であり、
以下の式(1)を満たす、電池部品用フェライト系ステンレス鋼材。
7.7×(C+N)≦Ti+Nb≦0.340 ・・・(1)
式中、各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を表す。
【請求項2】
質量基準で、Mo:0.01~2.50%、V:0.01~0.50%、Zr:0.01~0.50%、B:0.0001~0.0050%、Ca:0.0001~0.0100%、W:0.01~2.50%、Sn:0.01~0.50%、Co:0.01~0.50%、Mg:0.0001~0.0100%、Sb:0.001~0.300%、REM:0.001~0.500%、Ga:0.0001~0.3000%、Ta:0.001~1.000%、Hf:0.001~1.000%、Bi:0.001~0.200%から選択される1種又は2種以上を更に含有する、請求項1に記載の電池部品用フェライト系ステンレス鋼材。
【請求項3】
質量基準で、Si:0.01~0.50%、Cr:9.5%以上18.0%未満、Ti:0.10%以上0.25%未満、Nb:0.001%以上0.100%未満であり、
前記酸化物系介在物の清浄度が0.004~0.125%、B1系介在物の清浄度が0.050%以下である、請求項1又は2に記載の電池部品用フェライト系ステンレス鋼材。
【請求項4】
厚みが0.20~1.00mmである、請求項1又は2に記載の電池部品用フェライト系ステンレス鋼材。
【請求項5】
前記電池部品が、リチウムイオン二次電池の蓋部材である、請求項1又は2に記載の電池部品用フェライト系ステンレス鋼材。
【請求項6】
請求項1又は2に記載の電池部品用フェライト系ステンレス鋼材の製造方法であって、
溶解精錬工程と、鋳造工程とを含み、
前記溶解精錬工程の加熱終了時から前記鋳造工程の鋳造開始時までの時間が30~120分であり、且つその間の溶鋼の温度低下速度が0.20~2.50℃/分である、製造方法。
【請求項7】
請求項1又は2に記載の電池部品用フェライト系ステンレス鋼材を備える電池部品。
【請求項8】
リチウムイオン二次電池の蓋部材である、請求項7に記載の電池部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電池部品用フェライト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに電池部品に関する。
【背景技術】
【0002】
各種電池の中でもリチウムイオン二次電池は、高電圧、軽量、エネルギー密度、パワー密度が高いことから、携帯電話、スマートフォン、ノート型パソコンなどの電源として使用されてきた。
一方、地球温暖化による温室効果ガス(CO2)削減や石油資源問題などから、自動車のCO2排出ガス規制、燃費規制のために、ハイブリット車(HEV)、プラグインハイブリット車(PHEV)、電気自動車(EV)、燃料電池車(FCV)などの車両が開発され、その電源にもリチウムイオン二次電池が使用されている。
【0003】
車両用のリチウムイオン二次電池は、その形状により、円筒形、角型、ラミネート型などに分類されるが、省スペースの観点から角型やラミネート型が多く使用されている。角型のリチウムイオン二次電池では、正極と負極との間にセパレータを配置した積層体が、主にアルミニウムを素材とする角型ケースに収容されている。角型ケースの開口部には、主にアルミニウムを素材とする蓋部材が配置されており、角型ケースと溶接することによって閉塞されている。
【0004】
車両用のリチウムイオン二次電池は、航続距離を長くするために、電池容量、エネルギー密度及びパワー密度を増大させることが要求されることから、角型ケースや蓋部材などの電池部品の信頼性も非常に重要な課題となっている。そのため、釘刺し試験、衝突試験、外部ショート試験などによって正極と負極とが内部又は外部で短絡した場合や、急激な温度上昇により非水電解液が反応して異常な高温となる場合の評価が電池部品に対して行われている。しかしながら、アルミニウムを素材とした電池部品の場合、高温強度、融点が低いために当該評価結果が十分ではないことが多い。特に、大容量のリチウムイオン二次電池の場合、ステンレス鋼を素材とした角型ケースの方が、アルミニウムを素材とした電池部品に比べて信頼性が高いことから、一部で使用されている。
【0005】
例えば、電池部品に用いられるステンレス鋼材として、特許文献1には、オーステナイト系ステンレス鋼箔を素材としたリチウムイオン二次電池用ケースの製造方法が開示されている。また、特許文献2には、耐熱性に優れた電気自動車搭載用電池ケースにオーステナイト系ステンレス鋼板を適用することが開示されている。さらに、特許文献3には大容量バッテリーの電極材及び電極ケースとしてCrを16.0~32.0質量%添加したフェライト系ステンレス鋼が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特許第6090923号公報
【特許文献2】特開平10-188922号公報
【特許文献3】特開2009-167486号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献1~3に開示されたステンレス鋼材は、電池部品に用いた場合、高温疲労特性が十分でない。そのため、衝突事故などによってリチウムイオン二次電池に衝撃が加えられると、破損し、短絡が発生して熱暴走に至り易い。また、熱暴走が発生していないリチウムイオン二次電池であっても、温度上昇及び振動に伴う疲労によって電池部品が変形すると、熱暴走が発生し易くなる。熱暴走により、温度が約800℃まで上昇すると、短時間で火災が発生する恐れがある。このように衝突事故などによる熱暴走の発生から火災に至るまでの時間を延ばし、人が避難するための十分な時間を確保するためには、電池部品には高温疲労特性が重要となる。
【0008】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、高温疲労特性に優れる電池部品用フェライト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに電池部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者は、フェライト系ステンレス鋼材について鋭意研究を行った結果、酸化物系介在物の清浄度が高温疲労特性と密接な関係を有していることを見出した。また、本発明者は、このような特徴を有するフェライト系ステンレス鋼材が、溶解精錬工程の加熱終了時から鋳造工程の鋳造開始時までの時間及びその間の溶鋼の温度低下速度を制御することにより得られることを見出した。本発明は、これらに基づいて完成されたものである。
【0010】
すなわち、本発明は、質量基準で、C:0.001~0.020%、N:0.001~0.020%、Si:0.01~0.60%、Mn:0.01~0.70%、P:0.001~0.050%、S:0.0001~0.0014%、Cr:9.5~18.5%、Ni:0.001~0.700%、Cu:0.001~1.200%、Ti:0.03~0.27%、Nb:0.001~0.200%、Al:0.003~0.180%を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
JIS G0555:2020の附属書JAに規定される点算法によって測定される酸化物系介在物の清浄度が0.004~0.200%、B1系介在物の清浄度が0.100%以下であり、
以下の式(1)を満たす、電池部品用フェライト系ステンレス鋼材である。
7.7×(C+N)≦Ti+Nb≦0.340 ・・・(1)
式中、各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を表す。
【0011】
また、本発明は、前記電池部品用フェライト系ステンレス鋼材の製造方法であって、
溶解精錬工程と、鋳造工程とを含み、
前記溶解精錬工程の加熱終了時から前記鋳造工程の鋳造開始時までの時間が30~120分であり、且つその間の溶鋼の温度低下速度が0.20~2.50℃/分である、製造方法である。
【0012】
さらに、本発明は、前記電池部品用フェライト系ステンレス鋼材を備える電池部品である。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、高温疲労特性に優れる電池部品用フェライト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに電池部品を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
なお、本明細書において成分に関する「%」表示は、特に断らない限り「質量%」を意味する。
(1)電池部品用フェライト系ステンレス鋼材
本発明の実施形態に係る電池部品用フェライト系ステンレス鋼材(以下、「フェライト系ステンレス鋼材」と略すことがある)は、C:0.001~0.020%、N:0.001~0.020%、Si:0.01~0.60%、Mn:0.01~0.70%、P:0.001~0.050%、S:0.0001~0.0014%、Cr:9.5~18.5%、Ni:0.001~0.700%、Cu:0.001~1.200%、Ti:0.03~0.27%、Nb:0.001~0.200%、Al:0.003~0.180%を含有し、残部がFe及び不純物からなる。
【0015】
ここで、本明細書において「不純物」とは、フェライト系ステンレス鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップなどの原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。例えば、不純物には、不可避的不純物も含まれる。不純物としては、例えば、O、As、Pbなどが挙げられる。不純物は、できるだけ低減することが好ましい。
また、本明細書において「ステンレス鋼材」とは、ステンレス鋼から形成された材料のことを意味し、その材形は特に限定されない。材形の例としては、板状(帯状を含む)、棒状、管状などが挙げられる。また、断面形状がT形、I形などの各種形鋼であってもよい。
【0016】
さらに、本明細書において「フェライト系」とは、常温で金属組織が主にフェライト相であるものを意味する。したがって、「フェライト系」にはフェライト相以外の相(例えば、オーステナイト相やマルテンサイト相など)が僅かに含まれるものも包含される。ただし、「フェライト系」には、フェライト相とオーステナイト相との複相組織、フェライト相とマルテンサイト相との複相組織、フェライト相とオーステナイト相とマルテンサイト相との複相組織は含まれない。
【0017】
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材は、必要に応じて、Mo:0.01~2.50%、V:0.01~0.50%、Zr:0.01~0.50%、B:0.0001~0.0050%、Ca:0.0001~0.0100%、W:0.01~2.50%、Sn:0.01~0.50%、Co:0.01~0.50%、Mg:0.0001~0.0100%、Sb:0.001~0.300%、REM:0.001~0.500%、Ga:0.0001~0.3000%、Ta:0.001~1.000%、Hf:0.001~1.000%、Bi:0.001~0.200%から選択される1種又は2種以上を更に含有することができる。
以下、各成分について詳細に説明する。
【0018】
<C:0.001~0.020%>
Cを過剰に添加すると、Cの固定が不十分のため鋭敏化し、高温(例えば、600℃)で疲労特性が確保できない。また、Cを多量に添加すると、耐食性が低下するとともに、Cを固定させるのに必要なTi含有量も増加する。したがって、C含有量を0.020%以下、好ましくは0.018%以下、より好ましくは0.015%以下とする。ただし、Cの過度な低減は精錬コストの増加に繋がることから、C含有量を0.001%以上、好ましくは0.002%以上とする。
【0019】
<N:0.001~0.020%>
Cと同様に、Nを過剰に添加すると、Nの固定が不十分のため鋭敏化し、高温(例えば、600℃)で疲労特性が確保できない。また、Nを多量に添加すると、耐食性が低下するとともに、Nを固定させるのに必要なTi含有量も増加する。したがって、N含有量を0.020%以下、好ましくは0.018%以下、より好ましくは0.015%以下とする。ただし、Nの過度な低減は精錬コストの増加に繋がることから、N含有量を0.001%以上、好ましくは0.002%以上とする。
【0020】
<Si:0.01~0.60%>
Siを多量に添加すると、高温強度は高くなるものの、衝突事故などによって衝撃が加えられた際や加工の際に、靭性が低下して高温疲労特性が低下する。したがって、Si含有量を0.60%以下、好ましくは0.55%以下、より好ましくは0.50%以下とする。一方、Siは、脱酸及び固溶強化に有効な元素である。これらの効果を得る観点から、Si含有量を0.01%以上、好ましくは0.02%以上とする。
【0021】
<Mn:0.01~0.70%>
Siと同様に、Mnを過剰に添加すると、高温強度は高くなるものの、衝突事故などによって衝撃が加えられた際や加工の際に、靭性が低下して高温疲労特性が低下する。したがって、Mn含有量を0.70%以下、好ましくは0.65%以下、より好ましくは0.60%以下、更に好ましくは0.40%以下とする。ただし、Mnの過度な低減は精錬コストの増加に繋がることから、Mn含有量を0.01%以上、好ましくは0.05%以上とする。
【0022】
<P:0.001~0.050%>
Pを過剰に添加すると、高温強度は高くなるものの、衝突事故などによって衝撃が加えられた際や加工の際に、靭性が低下して高温疲労特性が低下する。したがって、P含有量を0.050%以下、好ましくは0.040%以下とする。ただし、Pの過度な低減は、原料選択などにより製鋼コストを増加させることから、P含有量を0.001%以上、好ましくは0.005%以上とする。
【0023】
<S:0.0001~0.0014%>
Sを過剰に添加すると、高温強度は高くなるものの、衝突事故などによって衝撃が加えられた際や加工の際に、靭性が低下して高温疲労特性が低下する。したがって、S含有量を0.0014%以下、好ましくは0.0013%以下、より好ましくは0.0012%以下とする。ただし、Sの過度な低減は、原料選択などにより製鋼コストを増加させることから、S含有量を0.0001%以上、好ましくは0.0002%以上とする。
【0024】
<Cr:9.5~18.5%>
Crは、フェライト系ステンレス鋼材の基本特性である耐食性を確保するために必要な元素である。ただし、Crを過剰に添加すると、高温強度は高くなるものの、衝突事故などによって衝撃が加えられた際や加工の際に、靭性が低下して高温疲労特性が低下する。したがって、Cr含有量を18.5%以下、好ましくは18.0%未満とする。一方、Crの過度な低減は、高温強度が低くなって高温疲労特性が低下するとともに、耐食性も十分に確保できなくなる。したがって、Cr含有量を9.5%以上、好ましくは9.8%以上、より好ましくは10.0%以下とする。
【0025】
<Ni:0.001~0.700%>
Niを過剰に添加すると、高温強度は高くなるものの、衝突事故などによって衝撃が加えられた際や加工の際に、靭性が低下して高温疲労特性が低下する。したがって、Ni含有量を0.700%以下、好ましくは0.600%以下、より好ましくは0.550%以下、更に好ましくは0.400%以下とする。ただし、Niの過度な低減は、高温強度が低くなって高温疲労特性が低下する。したがって、Ni含有量を0.001%以上、好ましくは0.002%以上とする。
【0026】
<Cu:0.001~1.200%>
Cuを過剰に添加すると、高温強度は高くなるものの、衝突事故などによって衝撃が加えられた際や加工の際に、靭性が低下して高温疲労特性が低下する。したがって、Cu含有量を1.200%以下、好ましくは1.100%以下、より好ましくは0.400%以下とする。ただし、Cuの過度な低減は、高温強度が低くなって高温疲労特性が低下する。したがって、Cu含有量を0.001%以上、好ましくは0.002%以上とする。
【0027】
<Ti:0.03~0.27%>
Tiを過剰に添加すると、粗大な炭窒化物が増加するため、高温疲労特性が低下する。したがって、Ti含有量を0.27%以下、好ましくは0.25%未満とする。ただし、Tiの添加が少なすぎても、C及びNの固定が不十分のため鋭敏化し、高温(例えば、600℃)で疲労特性が確保できない。したがって、Ti含有量を0.03%以上、好ましくは0.05%以上、より好ましくは0.10%以上とする。
【0028】
<Nb:0.001~0.200%>
Nbを過剰に添加すると、粗大な炭窒化物が増加するため、高温疲労特性が低下する。したがって、Nb含有量を0.200%以下、好ましくは0.160%以下、より好ましくは0.100%未満とする。一方、Nbは、C及びNと結合して析出物を形成し、加工性を向上させる元素である。また、Nbは、耐食性(特に、溶接した場合、溶接部の耐食性)を向上させる元素でもある。Nbによる効果を得るためには、Nb含有量を0.001%以上、好ましくは0.002%以上とする。
【0029】
<Al:0.003~0.180%>
Alを過剰に添加すると、酸化物系介在物及びB1系介在物の清浄度を所定の範囲に制御できず、高温疲労特性が低下する。したがって、Al含有量を0.180%以下、好ましくは0.170%以下、より好ましくは0.150%以下とする。また、Alの添加が少なすぎると、酸化物系介在物は減少するものの、脱酸が不十分となり、S含有量が多くなって高温疲労特性が低下する。したがって、Al含有量を0.003%以上、好ましくは0.010%以上とする。
【0030】
<Mo:0.01~2.50%>
Moは、Crと同様に、フェライト系ステンレス鋼材の基本特性である耐食性を確保するのに有効な元素である。Moによる効果を得るためには、Mo含有量を0.01%以上、好ましくは0.05%以上とする。ただし、Moの過度な添加は、製鋼コストを増加させるとともに、強度の増加や伸びの低下などをもたらすことから、Mo含有量を2.50%以下、好ましくは2.30%以下、より好ましくは1.30%以下とする。
【0031】
<V:0.01~0.50%、Zr:0.01~0.50%>
V及びZrは、C及びNと結合し、Cr炭窒化物が生成されるのを抑制する元素である。V及びZrによる効果を得るためには、V含有量及びZr含有量をそれぞれ0.01%以上、好ましくは0.05%以上とする。ただし、V及びZrの過度な添加は、加工性の低下をもたらすため、V含有量及びZr含有量をそれぞれ0.50%以下、好ましくは0.40%以下、より好ましくは0.20%以下とする。
【0032】
<B:0.0001~0.0050%>
Bは、高強度化に有効な元素である他、二次加工割れを抑制する元素でもある。Bによる効果を得るためには、B含有量を0.0001%以上、好ましくは0.0003%以上とする。ただし、Bの過度な添加は、ボイド形成の起点となり、成形性及び靭性が低下することから、B含有量を0.0050%以下、好ましくは0.0040%以下、より好ましくは0.0030%以下とする。
【0033】
<Ca:0.0001~0.0100%>
Caは、Sを固定して熱間加工性を向上させるのに有効な元素である。Caによる効果を得るためには、Ca含有量を0.0001%以上、好ましくは0.0002%以上とする。ただし、Caの過剰な添加は、耐食性などの低下につながることから、Ca含有量を0.0100%以下、好ましくは0.0080%以下、より好ましくは0.0050%以下とする。
【0034】
<W:0.01~2.50%>
Wは、耐食性を向上させる元素であり、また固溶強化元素でもある。Wによる効果を得るためには、W含有量を0.01%以上、好ましくは0.05%以上とする。ただし、Wの過度な添加は、加工性及び靭性の低下、コストの増加などにつながることから、W含有量を2.50%以下、好ましくは2.00%以下、より好ましくは0.50%以下とする。
【0035】
<Sn:0.01~0.50%>
Snは、フェライト系ステンレス鋼材の不動態皮膜の修復能力を高め、耐食性を高める元素である。Snによる効果を得るためには、Sn含有量を0.01%以上、好ましくは0.02%以上とする。ただし、Snの過度な添加は、強度の上昇及び延性の低下につながるため、Sn含有量を0.50%以下、好ましくは0.40%以下、より好ましくは0.30%以下とする。
【0036】
<Co:0.01~0.50%>
Coは、高温強度の向上に寄与する元素である。Coによる効果を得るためには、Co含有量を0.01%以上、好ましくは0.03%以上とする。ただし、Coの過度な添加は、製造時の靭性低下、コスト増加、及び加工性の低下などにつながることから、Co含有量を0.50%以下、好ましくは0.40%以下、より好ましくは0.30%以下とする。
【0037】
<Mg:0.0001~0.0100%>
Mgは、脱酸元素として添加される元素である。また、Mgは、フェライト粒の微細化による製造性の向上、リジングと呼ばれる表面欠陥の改善、溶接部の加工性向上に寄与する。Mgによる効果を得るために、Mg含有量を0.0001%以上、好ましくは0.0003%以上とする。ただし、Mgの過度な添加は、耐食性を著しく低下させる他、粗大なMgOによって加工性の低下につながることから、Mg含有量を0.0100%以下、好ましくは0.0080%以下、より好ましくは0.0050%以下とする。
【0038】
<Sb:0.001~0.300%>
Sbは、粒界に偏析して高温強度を上げる作用を有する元素である。Sbによる効果を得るために、Sb含有量を0.001%以上、好ましくは0.005%以上とする。ただし、Sbの過度な添加は、Sbの偏析により、加工時の粒界割れ及び溶接時の割れにつながることから、Sb含有量を0.300%以下、好ましくは0.200%以下、より好ましくは0.100%以下とする。
【0039】
<REM:0.001~0.500%>
REM(希土類元素)は、耐酸化性の向上に有効な元素である。REMによる効果を得るために、REM含有量を0.001%以上、好ましくは0.005%以上とする。ただし、REMは過度に添加してもその効果は飽和し、REMの硫化物による耐食性の低下などにつながることから、REM含有量を0.500%以下、好ましくは0.400%以下、より好ましくは0.300%以下とする。
なお、REMは、一般的な定義に従う。すなわち、REMは、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)の2元素と、ランタン(La)からルテチウム(Lu)までの15元素(ランタノイド)の総称を指す。REMは、単独で添加しても良いし、混合物であってもよい。
【0040】
<Ga:0.0001~0.3000%>
Gaは、耐食性向上や水素脆化抑制に有効な元素である。Gaによる効果を得るために、Ga含有量を0.0001%以上、好ましくは0.0005%以上とする。ただし、Gaの過度な添加は、粗大硫化物が生成して加工性の低下につながることから、Ga含有量を0.3000%以下、好ましくは0.2000%以下、より好ましくは0.1000%以下とする。
【0041】
<Ta:0.001~1.000%、Hf:0.001~1.000%>
Ta及びHfは、高温強度向上に有効な元素である。Ta及びHfによる効果を得るために、Ta含有量及びHf含有量をそれぞれ0.001%以上、好ましくは0.005%以上とする。ただし、Ta及びHfの過度な添加は、製造コストの上昇につながることから、Ta含有量及びHf含有量をそれぞれ1.000%以下、好ましくは0.800%以下、より好ましくは0.500%以下とする。
【0042】
<Bi:0.001~0.200%>
Biは、切削性向上に有効な元素である。Biによる効果を得るために、Bi含有量を0.001%以上、好ましくは0.005%以上とする。ただし、Biの過度な添加は、製造コストの上昇につながることから、Bi含有量を0.200%以下、好ましくは0.150%以下、より好ましくは0.100%以下とする。
【0043】
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材は、以下の式(1)を満たす。
7.7×(C+N)≦Ti+Nb≦0.340 ・・・(1)
式中、各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を表す。
Ti+Nbを7.7×(C+N)以上とすることにより、粗大な炭窒化物を低減し、高温疲労特性を向上させることができる。また、Ti+Nbを0.340以下とすることにより、C及びNを固定できるため、高温(例えば、600℃)での疲労特性を確保できる。
【0044】
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材は、JIS G0555:2020の附属書JAに規定される点算法によって測定される酸化物系介在物の清浄度が0.004~0.200%、好ましくは0.004~0.150%、より好ましくは0.004~0.125%である。このような範囲に酸化物系介在物の清浄度を制御することにより、高温疲労特性を向上させることができる。酸化物系介在物の清浄度が0.200%を超えると、酸化物系介在物が破壊起点となるため、高温疲労特性が低下する。一方、酸化物系介在物の清浄度が0.004%未満であると、脱酸が不十分となり、S含有量が多くなって高温疲労特性が低下する。
【0045】
ここで、発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材に含まれる介在物の種類は、JIS G0555:2020の附属書JAに記載されるように、A系介在物、B系介在物及びC系介在物に分類される。A系介在物は、加工によって粘性変形したもの(硫化物、シリケートなど)であり、硫化物系をA1系介在物、シリケートなどの酸化物系をA2系介在物という。B系介在物は、粒状の介在物が、加工方向に集団をなして不連続的に並んだものであり、アルミナなどの酸化物系をB1系介在物、Nb、Ti及びZrの炭窒化物系をB2系介在物という。C系介在物は、粘性変形をしないで不規則に分散するものであり、酸化物系をC1系介在物、Nb、Ti及びZrの炭窒化物系をC2系介在物という。したがって、本明細書における「酸化物系介在物」とは、上記の分類のうち、A2系介在物、B1系介在物及びC1系介在物の合計を意味する。
また、本明細書において酸化物系介在物とは、製鋼工程で生成する脱酸生成物及び原料から混入する酸化物の両方を含む。酸化物系介在物としては、CaO、MgO、Al2O3、SiO2、TiO2、MnO、Cr2O3、FeO、MgOAl2O3などが挙げられる。
【0046】
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材は、JIS G0555:2020の附属書JAに規定される点算法によって測定されるB1系介在物の清浄度が0.100%以下、好ましくは0.080%以下、より好ましくは0.050%以下である。酸化物系介在物の中でも特にB1系介在物は破壊起点となり易いことから、B1系介在物の清浄度を上記の範囲に制御することにより、高温疲労特性を確実に向上させることができる。したがって、B1系介在物の清浄度が0.100%を超えると、B1系介在物が破壊起点となるため、高温疲労特性が低下する。なお、B1系介在物の清浄度の下限は、特に限定されないが、一般的に0.001%以上である。
【0047】
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材の厚みは、フェライト系ステンレス鋼材が使用される電池部品の要求特性などに応じて適宜設定すればよく特に限定されない。例えば、フェライト系ステンレス鋼材及びそれを用いて形成される電池部品の軽量化を考慮すると、フェライト系ステンレス鋼材の厚みは1.00mm以下が好ましい。また、フェライト系ステンレス鋼材及びそれを用いて形成される電池部品の剛性を考慮すると、フェライト系ステンレス鋼材の厚みは0.20mm以上がより好ましい。さらに、フェライト系ステンレス鋼材及びそれを用いて形成される電池部品の耐火性やコストを考慮すると、フェライト系ステンレス鋼材の厚みは0.20~0.80mmが更に好ましい。さらに、フェライト系ステンレス鋼材及びそれを用いて形成される電池部品の溶接性を考慮すると、フェライト系ステンレス鋼材の厚みは0.30~0.60mmが更により好ましい。
【0048】
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材は、組成、酸化物系介在物及びB1系介在物の清浄度を制御しているため、高温疲労特性に優れている。そのため、本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材は、衝突事故などによってリチウムイオン二次電池に衝撃が加えられた際に、リチウムイオン二次電池の熱暴走に対する耐性に優れている。したがって、衝突事故などによる熱暴走の発生から火災に至るまでの時間を延ばし、人が避難するための十分な時間を確保することができる。
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材は、輸送機器(特に、自動車、バス、鉄道など)の電池部品の材料として用いることができるが、特に、リチウムイオン二次電池のケース部材及び蓋部材に用いるのに好適である。
【0049】
(2)電池部品用フェライト系ステンレス鋼材の製造方法
本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材の製造方法は、上記の特徴を有するフェライト系ステンレス鋼材を製造可能な方法であれば特に限定されない。
例えば、本発明の実施形態に係るフェライト系ステンレス鋼材の製造方法は、溶解精錬工程と、鋳造工程とを含む。鋳造工程では、溶鋼炉内に原料、副原料、脱酸剤であるAlを添加し、加熱することによって溶鋼とし、吹酸などによって目標の組成に調整される。鋳造工程では、組成が調整された溶鋼を凝固させて鋳片とする。
溶解精錬工程及び鋳造工程において、溶解精錬工程の加熱終了時から鋳造工程の鋳造開始時までの時間が30~120分、且つその間の溶鋼の温度低下速度が0.20~2.50℃/分に制御される。このような条件で溶解精錬工程及び鋳造工程を実施することにより、酸化物系介在物及びB1系介在物の清浄度を所定の範囲に制御することができる。
【0050】
溶解精錬工程の加熱終了時から鋳造工程の鋳造開始時までの時間が30分未満であると、溶鋼中の酸化物を浮上させて除去する時間が十分でなく、酸化物系介在物が増加してしまう。また、溶解精錬工程の加熱終了時から鋳造工程の鋳造開始時までの時間が120分を超えると、溶鋼の温度低下によって生成するアルミナ(B1系介在物)が増加してしまう。
溶鋼の温度低下速度が2.50℃/分を超えると、溶鋼の温度低下によって生成するアルミナ(B1系介在物)が増加してしまう。また、溶鋼の温度低下速度が0.20℃/分未満であると、溶鋼炉を構成する耐火物と溶鋼との反応が促進され、酸化物系介在物が増加してしまう。
【0051】
鋳造工程によって得られた鋳片を公知の方法によって処理することにより、各種材形に加工することができる。例えば、フェライト系ステンレス鋼板を製造する場合、次のようにして板状に加工される。まず、鋳片に対して熱間圧延を行うことによって熱延材を得る。次いで、熱延材に対して焼鈍、酸洗及び冷間圧延を順次行うことによって冷延材を得ることができる。また、冷間圧延後には、必要に応じて、既存の処理(例えば、表面研磨、調質圧延、テンションレベラーなどによる処理、焼鈍)を行ってもよい。ここで、各工程は、既存設備を用いて実施することができ、その条件もステンレス鋼の組成などに応じて適宜調整すればよく、特に限定されない。
【0052】
(3)電池部品
本発明の実施形態に係る電池部品は、上記のフェライト系ステンレス鋼材を備える。上記のフェライト系ステンレス鋼材は、高温疲労特性に優れているため、この電池部品は、衝突事故などによって電池に衝撃が加えられた際に、熱暴走に対する耐性に優れている。
電池部品としては、特に限定されないが、例えば、電池ケース、電池パック、電池モジュール、電池カバーなどが挙げられる。その中でも、本発明の実施形態に係る電池部品は、リチウムイオン二次電池のケース部材及び蓋部材であること好ましい。
また、電池部品の製造方法については、特に限定されないが、例えば、深絞り工法、溶接工法などの公知の工法を用いることができる。また、溶接工法における溶接の種類についても、特に限定されないが、例えば、TIG溶接、レーザー溶接、電気抵抗溶接などを用いることができる。
【実施例0053】
以下に、実施例を挙げて本発明の内容を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定して解釈されるものではない。
フェライト系ステンレス鋼板を以下の手順に従って作製した。
まず、溶鋼炉内に原料、副原料、脱酸剤であるAlを添加し、加熱することによって溶鋼とし、吹酸などによって表1A及び1Bに示す組成(残部は、Fe及び不純物である)に調整する溶解精錬工程を実施し、溶解精錬工程の加熱終了時から鋳造工程の鋳造開始時までの時間、及びその間の溶鋼の温度低下速度を表2A及び2Bに示す条件として鋳造工程を実施して鋳片を得た。次に、鋳片に対し、1150℃で1時間加熱して熱間圧延した後、酸洗、冷間圧延、950℃で1分の焼鈍及び酸洗を順次実施し、厚みが0.50mmの冷延焼鈍板(フェライト系ステンレス鋼板)を得た。
【0054】
【0055】
【0056】
【0057】
【0058】
上記で得られたフェライト系ステンレス鋼板に対して以下の評価を行った。
【0059】
<酸化物系介在物及びB1系介在物の清浄度>
フェライト系ステンレス鋼板からJIS G0555:2020に準じて試験片を採取し、JIS G0555:2020の附属書JAに規定される点算法によって酸化物系介在物及びB1系介在物の清浄度を求めた。点算法は、顕微鏡の接眼鏡に、縦及び横それぞれ20本の格子線をもつガラス板を挿入して、被検面をランダムに繰り返して検鏡し、介在物によって占められた格子点中心の数をカウントする方法である。測定視野は、フェライト系ステンレス鋼板の圧延方向断面からランダムに60視野を選び、顕微鏡の倍率は400倍とした。視野内のガラス板上の総格子点数、視野数及び各介在物によって占められた格子点中心の数によって、次の式で各介在物の占める面積百分率(%)を算出し、各介在物の清浄度とした。
酸化物系介在物又はB1系介在物の清浄度=n/(p×f)×100
式中、pは視野内のガラス板上の総格子点数であり、fは視野数であり、nはf個の視野における全介在物(全酸化物系介在物又は全B1系介在物)によって占められる格子点中心の数である。
【0060】
<高温疲労特性>
フェライト系ステンレス鋼板に対する加工や衝突事故による歪の導入を想定して、幅方向に沿って(a)90°曲げ、(b)平坦(初期状態)に戻し、(c)逆90°曲げ(すなわち、(a)とは逆方向に90°曲げ)、(d)平坦(初期状態)に戻す、曲げ・曲げ戻しを行った。この曲げ・曲げ戻し加工を行ったフェライト系ステンレス鋼板から圧延方向が長手方向となり、曲げ・曲げ戻し加工部が試験片の長手方向中央部に位置するようにJIS Z 2275:1978に記載の1号試験片を採取し、株式会社東京衡機試験機製シェンク型平面曲げ疲労試験機で高温疲労試験を実施した。高温疲労試験の条件は、振幅応力を180MPa以上、荷重の繰り返し速度を毎分1700サイクルとした。また、高温疲労試験は、熱暴走した電池により加熱された周囲の電池が高温疲労で変形して更に熱暴走が生じ拡がっていく過程を想定し、300℃及び600℃で実施した。
この評価では、300℃及び600℃の両方において、30万サイクルで破断がなかったものを◎、30万サイクルでは破断したものの、10万サイクルでは破断がなかったものを○、10万サイクルで破断したものを×と表す。
上記の評価結果を表3A及び3Bに示す。
【0061】
【0062】
【0063】
表3A及び3Bに示されるように、試験No.1~17(本発明例)は、組成、酸化物系介在物及びB1系介在物の清浄度が所定の範囲内であったため、高温疲労特性が良好であった。
【0064】
これに対して試験No.18(比較例)は、C含有量が多すぎたため、Cの固定が不十分となって鋭敏化し、高温疲労特性が低下した。
試験No.19(比較例)は、N含有量が多すぎたため、Nの固定が不十分となって鋭敏化し、高温疲労特性が低下した。
試験No.20(比較例)は、Si含有量が多すぎたため、靭性が低下し、高温疲労特性が低下した。
試験No.21(比較例)は、Siを含んでいないため、高温疲労特性が低下した。
試験No.22(比較例)は、Mn、P及びSの含有量が多すぎたため、靭性が低下し、高温疲労特性が低下した。
試験No.23(比較例)は、Cr含有量が多すぎたため、靭性が低下し、高温疲労特性が低下した。
試験No.24(比較例)は、Cr含有量が少なすぎたため、高温強度が十分に確保できず、高温疲労特性が低下した。
試験No.25(比較例)は、Ni含有量が多すぎたため、靭性が低下し、高温疲労特性が低下した。
【0065】
試験No.26(比較例)は、Niを含んでいないため、高温強度が十分に確保できず、高温疲労特性が低下した。
試験No.27(比較例)は、Cu含有量が多すぎたため、靭性が低下し、高温疲労特性が低下した。
試験No.28(比較例)は、Cuを含んでいないため、高温強度が十分に確保できず、高温疲労特性が低下した。
試験No.29(比較例)は、Ti含有量が多すぎたため、粗大な炭窒化物が増加し、高温疲労特性が低下した。
試験No.30(比較例)は、Ti含有量が少なすぎたため、C及びNの固定が不十分となって鋭敏化し、高温疲労特性が低下した。
試験No.31(比較例)は、Nb含有量が多すぎたため、粗大な炭窒化物が増加し、高温疲労特性が低下した。
試験No.32(比較例)は、Al含有量が多すぎたため、酸化物系介在物及びB1系介在物の清浄度を所定の範囲に制御できず、高温疲労特性が低下した。
試験No.33(比較例)は、Al含有量が少なすぎたため、脱酸が不十分となり、S含有量が多くなって高温疲労特性が低下した。
試験No.34(比較例)は、Ti+Nbの含有量が0.340質量%を超えたため、粗大な炭窒化物が増加し、高温疲労特性が低下した。
試験No.35(比較例)は、Ti+Nbの含有量が、7.7(C+N)よりも小さかったため、C及びNの固定が不十分となって鋭敏化し、高温疲労特性が低下した。
【0066】
試験No.36及び37(比較例)は、鋳造工程の鋳造開始時までの時間が適切な範囲でなかったため、酸化物系介在物又はB1系介在物の清浄度を所定の範囲に制御できず、高温疲労特性が低下した。
試験No.38及び39(比較例)は、溶鋼の温度低下速度が適切な範囲でなかったため、酸化物系介在物又はB1系介在物の清浄度を所定の範囲に制御できず、高温疲労特性が低下した。
試験No.40~43(比較例)は、鋳造工程の鋳造開始時までの時間及び溶鋼の温度低下速度の両方が適切な範囲でなかったため、酸化物系介在物及びB1系介在物の清浄度を所定の範囲に制御できず、高温疲労特性が低下した。
【0067】
以上の結果からわかるように、本発明によれば、高温疲労特性に優れる電池部品用フェライト系ステンレス鋼材及びその製造方法、並びに電池部品を提供することができる。