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高性能铜合金带在汽车连接器中的应用

发布时间:2023年8月3日 | 文章来源: 线束世界 | 浏览次数:301 | 访问原文

引言

铜作为所有非贵金属中导电性能最高的金属,同时又具有高韧性、中等强度、良好的耐腐蚀性能,是它成为制造大型导体的首选,如电缆、母线、变压器绕组和电机定子和转子。然而,对于连接器部件和换向器,需要通过添加适当的合金元素来提高性能。

同时,随着汽车对功能性要求的增多,汽车连接器的应用会越来越广泛。汽车的合成化趋势使连接器的集成度越来越高,对其综合性能的要求也越来越苛刻,这也就要求汽车连接器用铜及铜合金带具有优异的综合性能。本文讨论了汽车连接器用铜带的性能要求,介绍了多种高性能铜合金带的性能,并给出了适合汽 车连接器各项性能要求的参考高性能铜合金。

汽车连接器用铜及铜合金带必备性能

汽车连接器所需的性能包括高接触力、位移形变小(下压行程有限但需高接触力)、折弯角度小(产品微型化)、交变应力不失效(高插拔次数)、较低的接触阻抗、好散热性及低温升、持久的高接触力/高温环境下工作、符合环保标准。因此,这就要求铜及铜合金带必须具备高屈服强度、高弹性模量、高导电率、优异的弯曲性能(低r/t)、优异的抗疲劳性能、高热传导系数、高抗应力松弛/抗高温软化性能、无环境有害物质 /ROHS 等性能,如图1所示。

高性能铜合金 

铜易与其它元素形成铜合金,进而可以通过合金化的方式提高铜的各项性能,以满足汽车连接器用铜合金带的性能要求,如图2所示。

图2其它元素的添加对铜性能的影响目前根据汽车连接器对铜合金性能的要求,已开发出了多组、多种高性能合金供选择。

如图3所示的,中等强度、高导电性的STOL@95,中等强度、中等导电性的STOL@76M,高强度、中等导电性的STOL@94,中等强度、低导电性的CuSn8。

高性能铜及铜合金带典型性能对比

1.弯曲性能

弯曲性能即材料承受弯曲载荷时的力学特性。铜及铜合金弯曲性能的优劣与连接器的可制造型、可靠性成正相关性。

 

本文中使用系数 R/t(弯曲半径 / 带厚度)评价铜及铜合金带垂直于(good way)和平行于(bad way)轧制方向的弯曲性能,如图4所示。

由图 4 可知,虽然 C103 和 STOL80 的弯曲性 能比其它合金优异,但是强度却低。而STOL76M、 STOL78、STOL95 和 CuSn5 不仅强度高,弯曲性能 也优良,符合汽车连接器用铜及铜合金带对弯曲性能的要求。

 

2. 抗高温软化性能

抗高温软化性能即在高温环境下,抵抗材料硬度(强度)降低的能力。汽车连接器的工作环境温度,尤其是在发动机舱通常都在105℃以上,瞬时能够达到几百摄氏度。因此,这就要求汽车连接器用铜及铜合金带具有优良的抗高温软化性能,否则在高温环境下,铜及铜合金带的强度(硬度)将会永久性地大幅度减少,进而降低连接器的可靠性和使用寿命。

 

本文中列举了几个典型铜及铜合金带在 500℃ 下的抗高温软化性能,如图 5 所示。

由图5可知,在1h后,C103、CuZn10、CuSn5和 C425 硬度降低了50%以上,STOL94 降低了20%,STOL76M降低了10%,STOL80和STOL95硬度降低了10%以下。同时结合汽车连接器对强度(硬度)的要求,以上合金中STOL76M、STOL94和STOL95合金能够满足汽车连接器用铜及铜合金带 对抗高温软化性能的要求。

 

3. 抗应力松弛性能

应力松弛即在维持恒定变形的材料中,应力会随时间的增长及温度的升高而减小的现象。通常通过材料在高温下一段时间后(对于汽车连接器为1000h),其屈服强度仍能达到常温下屈服强度的70%以上,以衡量该材料具有一定的抗应力松弛能力。

 

本文中列举了几个典型铜及铜合金带在不同温 度和不同时间下的抗应力松弛性能,如图6和图7所示。

由图6和7可知,C110、CuSn4、CuSn5 和 CuZn10 最差,无法达到材料抗应力松弛的要求;STOL76M 次之 ;STOL95 的抗应力松弛性能最好。结合汽车连接器对其它性能的要求,STOL76M、STOL94和 STOL95 能够满足汽车连接器用铜及铜合金带对抗应力松弛性能的要求。

 

4. 抗疲劳性能

疲劳强度即当载荷循环数达到一定次数时,试样仍然不发生疲劳断裂 , 此时对应的最大应力为材料的疲劳极限。

 

本文中列举了几个典型铜及铜合金带在不同的弯曲次数下的疲劳极限强度,如图8所示。

由图8可知,STOL76M、STOL94 和STOL95在上百万次的弯曲后,仍保持着较高的强度。

 

结论

随着汽车对汽车连接器的要求越来越苛刻,在设计汽车连接器时,必须要考量材料性能、设计参数、工作环境和产品性能在整个产品生命周期中的相互关联、 相互影响,从而取的设计的平衡点。因此,在设计选用 铜及铜合金带阶段,要根据汽车连接器的设计要求,同时结合铜及铜合金带的性能,选择合适的铜及铜合金带

 

本文根据汽车连接器对铜及铜合金铜带性能要求,建议了适合汽车连接器各项性能要求的高性能铜合金,如表 1 所示。