高性能銅合金帶在汽車連接器中的應(yīng)用

劉愛奎，魯長(zhǎng)建，段廣超

（凱美龍精密銅板帶（河南）有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

銅作為所有非貴金屬中導(dǎo)電性能最高的金屬，同時(shí)又具有高韌性、中等強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性能，是它成為制造大型導(dǎo)體的首選，如電纜、母線、變壓器繞組和電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子。然而，對(duì)于連接器部件和換向器，需要通過添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪貋硖岣咝阅埽?-2］。

同時(shí)，隨著汽車對(duì)功能性要求的增多，汽車連接器的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。汽車的合成化趨勢(shì)使連接器的集成度越來越高，對(duì)其綜合性能的要求也越來越苛刻，這也就要求汽車連接器用銅及銅合金帶具有優(yōu)異的綜合性能［3-4］。

本文討論了汽車連接器用銅帶的性能要求，介紹了多種高性能銅合金帶的性能，并給出了適合汽車連接器各項(xiàng)性能要求的參考高性能銅合金

2 汽車連接器用銅及銅合金帶必備性能

汽車連接器所需的性能包括高接觸力、位移形變小（下壓行程有限但需高接觸力）、折彎角度小（產(chǎn)品微型化）、交變應(yīng)力不失效（高插拔次數(shù)）、較低的接觸阻抗、好散熱性及低溫升、持久的高接觸力/高溫環(huán)境下工作、符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。因此，這就要求銅及銅合金帶必須具備高屈服強(qiáng)度、高彈性模量、高導(dǎo)電率、優(yōu)異的彎曲性能（低r/t）、優(yōu)異的抗疲勞性能、高熱傳導(dǎo)系數(shù)、高抗應(yīng)力松弛/抗高溫軟化性能、無環(huán)境有害物質(zhì)/ROHS等性能，如圖1所示。

3 高性能銅合金

銅易與其它元素形成銅合金，進(jìn)而可以通過合金化的方式提高銅的各項(xiàng)性能，以滿足汽車連接器用銅合金帶的性能要求，如圖2所示［5-7］。

圖2 其它元素的添加對(duì)銅性能的影響

目前根據(jù)汽車連接器對(duì)銅合金性能的要求，已開發(fā)出了多組、多種高性能合金供選擇。如圖3所示的，中等強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的STOL@95，中等強(qiáng)度、中等導(dǎo)電性的STOL@76M，高強(qiáng)度、中等導(dǎo)電性的STOL@94，中等強(qiáng)度、低導(dǎo)電性的CuSn8。

圖3 銅及銅合金組

4 高性能銅及銅合金帶典型性能對(duì)比

4.1 彎曲性能

彎曲性能即材料承受彎曲載荷時(shí)的力學(xué)特性。銅及銅合金彎曲性能的優(yōu)劣與連接器的可制造型、可靠性成正相關(guān)性。

本文中使用系數(shù)R/t（彎曲半徑/帶厚度）評(píng)價(jià)銅及銅合金帶垂直于（good way）和平行于（bad way）軋制方向的彎曲性能，如圖4所示。

由圖4可知，雖然C103和STOL80的彎曲性能比其它合金優(yōu)異，但是強(qiáng)度卻低。而STOL76M、STOL78、STOL95和CuSn5不僅強(qiáng)度高，彎曲性能也優(yōu)良，符合汽車連接器用銅及銅合金帶對(duì)彎曲性能的要求。

圖4 典型合金彎曲性能對(duì)比

4.2 抗高溫軟化性能

抗高溫軟化性能即在高溫環(huán)境下，抵抗材料硬度（強(qiáng)度）降低的能力。汽車連接器的工作環(huán)境溫度，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)艙通常都在105℃以上，瞬時(shí)能夠達(dá)到幾百攝氏度。因此，這就要求汽車連接器用銅及銅合金帶具有優(yōu)良的抗高溫軟化性能，否則在高溫環(huán)境下，銅及銅合金帶的強(qiáng)度（硬度）將會(huì)永久性地大幅度減少，進(jìn)而降低連接器的可靠性和使用壽命。

本文中列舉了幾個(gè)典型銅及銅合金帶在500℃下的抗高溫軟化性能，如圖5所示。

圖5 典型合金抗高溫軟化性能對(duì)比（500℃）

由圖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。同時(shí)結(jié)合汽車連接器對(duì)強(qiáng)度（硬度）的要求，以上合金中STOL76M、STOL94和STOL95合金能夠滿足汽車連接器用銅及銅合金帶對(duì)抗高溫軟化性能的要求。

4.3 抗應(yīng)力松弛性能

應(yīng)力松弛即在維持恒定變形的材料中，應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)及溫度的升高而減小的現(xiàn)象。通常通過材料在高溫下一段時(shí)間后（對(duì)于汽車連接器為1000h），其屈服強(qiáng)度仍能達(dá)到常溫下屈服強(qiáng)度的70%以上，以衡量該材料具有一定的抗應(yīng)力松弛能力。

本文中列舉了幾個(gè)典型銅及銅合金帶在不同溫度和不同時(shí)間下的抗應(yīng)力松弛性能，如圖6和圖7所示。

圖6 典型合金在不同溫度下抗應(yīng)力松弛性能對(duì)比（初始應(yīng)力50%屈服強(qiáng)度；1000h；BW）

圖7 典型合金在不同時(shí)間下抗應(yīng)力松弛性能對(duì)比（初始應(yīng)力400MPa；150℃；BW）

由圖6和7可知，C110、CuSn4、CuSn5和CuZn10最差，無法達(dá)到材料抗應(yīng)力松弛的要求；STOL76M次之；STOL95的抗應(yīng)力松弛性能最好。結(jié)合汽車連接器對(duì)其它性能的要求，STOL76M、STOL94和STOL95能夠滿足汽車連接器用銅及銅合金帶對(duì)抗應(yīng)力松弛性能的要求。

4.4 抗疲勞性能

疲勞強(qiáng)度即當(dāng)載荷循環(huán)數(shù)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，試樣仍然不發(fā)生疲勞斷裂,此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為材料的疲勞極限。

本文中列舉了幾個(gè)典型銅及銅合金帶在不同的彎曲次數(shù)下的疲勞極限強(qiáng)度，如圖8所示。

圖8 典型合金的抗疲勞性能對(duì)比

由圖8可知，STOL76M、STOL94和STOL95在上百萬次的彎曲后，仍保持著較高的強(qiáng)度。

5 結(jié)論

隨著汽車對(duì)汽車連接器的要求越來越苛刻，在設(shè)計(jì)汽車連接器時(shí)，必須要考量材料性能、設(shè)計(jì)參數(shù)、工作環(huán)境和產(chǎn)品性能在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的相互關(guān)聯(lián)、相互影響，從而取的設(shè)計(jì)的平衡點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)選用銅及銅合金帶階段，要根據(jù)汽車連接器的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)結(jié)合銅及銅合金帶的性能，選擇合適的銅及銅合金帶。

本文根據(jù)汽車連接器對(duì)銅及銅合金銅帶性能要求，建議了適合汽車連接器各項(xiàng)性能要求的高性能銅合金，如表1所示。

表1 汽車連接器用銅及銅合金帶選用建議