銅合金在汽車連接器上的選型應(yīng)用研究

陳海東 聶盛明 方健

（1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

（2.東莞胡連電子科技有限公司，廣東 東莞 523000）

隨著近幾年國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)銷量增加的前景下，汽車網(wǎng)聯(lián)、L2，L2.5，L3 級(jí)自動(dòng)駕駛功能、數(shù)字座艙、人性化等功能需求迅速增加增多，實(shí)現(xiàn)這些功能的ECU 之間的通訊也要求越來(lái)越高，導(dǎo)致不同種類、不同部位、不同等級(jí)要求的連接器應(yīng)用也越來(lái)越多，同時(shí)試驗(yàn)要求、防水、防塵、防震、EMC 等要求也越來(lái)越嚴(yán)格。同時(shí)也增加了連接器公母端子對(duì)其材料的性能要求也越來(lái)越苛刻，要有更加具有優(yōu)異的綜合性能的銅合金來(lái)滿足市場(chǎng)、主機(jī)廠等要求。

一、銅合金基本性能介紹

（一）導(dǎo)電率：是對(duì)物質(zhì)導(dǎo)電能力的量度，表示在一定的電場(chǎng)下所產(chǎn)生的電流大小。

導(dǎo)電率σ 定義為電流密度J 與電場(chǎng)Ε 的比值，即：

σ=J/Ε 單位：% IACS

影響溫升、電氣特性：導(dǎo)電率越高，相對(duì)接觸阻抗越小，電壓、電流、信號(hào)傳導(dǎo)性能越佳。

（二）熱導(dǎo)率

導(dǎo)熱率計(jì)算公式：k=(Q/t) *L/(A*T)

k：導(dǎo)熱率、Q：熱量、t：時(shí)間、L：長(zhǎng)度、A：面積、T：溫度差，在SI 單位，導(dǎo)熱率的單位是 W/(m*K)。

熱傳導(dǎo)溫度：導(dǎo)電率越高，數(shù)值相對(duì)越大，熱傳導(dǎo)系數(shù)越大，溫升越慢、散熱越佳。

（三）具有屈服強(qiáng)度特性

不同的材料屬性，所表現(xiàn)出來(lái)的屈服現(xiàn)象不一定。彈性極限后，施加壓力載荷，當(dāng)達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，應(yīng)力會(huì)突然下降，此應(yīng)力即為屈服強(qiáng)度，可被定義材料產(chǎn)生屈服時(shí)拉力 (P) 除以原截面積 (A0)：

（四）抗拉強(qiáng)度

材料經(jīng)過(guò)屈服現(xiàn)象之后，繼續(xù)施加應(yīng)力，材料抗拉強(qiáng)度隨外加應(yīng)力的提升而提升。當(dāng)?shù)竭_(dá)最高點(diǎn)時(shí)刻的應(yīng)力即為材料最大抗拉強(qiáng)度。最大抗拉強(qiáng)度可用公式表示如下：

（五）伸長(zhǎng)率

（六）硬度

硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。銅合金硬度測(cè)試一般為維氏硬度（HV）。其方法如下

硬度影響金屬端子表面磨損、材料強(qiáng)度、接觸面模磨損。對(duì)銅合金而言，硬度值越高，相對(duì)材料的強(qiáng)度也越高，可以作為選材性能參考，而且必須考慮產(chǎn)品的厚度及結(jié)構(gòu)，從而選擇正確的硬度值，以增加成型性。

（七）折彎測(cè)試

常用彎曲半徑和鈑金厚度的比值來(lái)表示，一般R/T 需要小于3，值越小越好。

加工折彎性：依據(jù)材料厚度不同，一般最少要有 90°或180°折彎能力。

二、連接器端子用銅合金應(yīng)具備的性能

根據(jù)目前經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，每臺(tái)車用銅量小型車15 公斤左右，豪華車型28 公斤左右。主要分布在機(jī)艙及室內(nèi)儀表臺(tái)里。每臺(tái)車大約有500 到2500 個(gè)連接器，電流范圍由毫安到100A，甚至電流更大。對(duì)銅合金的穩(wěn)定可靠性有了更高的需求。

對(duì)連接器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，插入力與拔出力、折彎?rùn)z查、電路測(cè)試、最大額定電流/電壓、接觸強(qiáng)度、機(jī)械特性、連續(xù)電流測(cè)試、熱沖擊測(cè)試、溫度/濕度測(cè)試、高溫暴露試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、浸泡試驗(yàn)、可焊接試驗(yàn)等要求。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)里的一些特性要求對(duì)應(yīng)到銅合金特性上，成型性對(duì)應(yīng)銅合金的R/t 比（折彎性能）；端子的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)屈服強(qiáng)度，結(jié)合應(yīng)力—應(yīng)變曲線，找到適合的屈服應(yīng)變的區(qū)間點(diǎn)。

端子里的彈片結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算，一把按照彎曲懸臂梁模型進(jìn)行計(jì)算，可由公式判斷材料是否可以承受最初的設(shè)計(jì)應(yīng)力。同時(shí)要考慮永久變形發(fā)生在設(shè)計(jì)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服點(diǎn)情況，如果發(fā)生永久變形，會(huì)影響端子連接的可靠性，車上不同部位或者有運(yùn)動(dòng)部位的連接器，公母端子在有外力情況下，金屬表面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而有一定摩擦和磨損，端子表面鍍層損壞，電阻值變低，影響電壓以及壓降，最終造成連接器失效，影響整車信號(hào)傳遞，進(jìn)而可能導(dǎo)致車輛的功能失效導(dǎo)致整車安全行駛。

正向力對(duì)應(yīng)銅合金的彈性系數(shù)，插入力按照端子的模型進(jìn)行力學(xué)計(jì)算即可。

工作電流及阻抗要求，對(duì)應(yīng)銅合金的導(dǎo)電率，導(dǎo)電率可通過(guò)不同種類的銅合金進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試得到。

三、常用高強(qiáng)度銅合金性能簡(jiǎn)介

汽車連接器公端子用銅合金要滿足中高導(dǎo)電率與熱傳導(dǎo)習(xí)熟、好的折彎表現(xiàn)、抗腐蝕能力；母端子除了滿足公端子要求外，還需要高強(qiáng)度（抗拉和屈服強(qiáng)度）、高抗熱應(yīng)力松弛、高溫下的穩(wěn)定接觸力、高溫下的長(zhǎng)時(shí)間預(yù)應(yīng)能力。同時(shí)要考慮銅合金的價(jià)格，既要成本達(dá)標(biāo)，也要性能達(dá)標(biāo)。

四、銅合金不同性能的替代性材料簡(jiǎn)介

在選擇銅合金時(shí)，也可以根據(jù)上述介紹的銅合金性能，在車上不同部位用的連接器，可以進(jìn)行銅合金材料的替代。以高導(dǎo)合金銅為例，介紹不同類型合金銅的性能，供參考。

C1100-H：價(jià)格中低，成分（影響性能特性）Cu≧99.9%，O:0.005-0.040%,導(dǎo)電率100%IACS，熱傳導(dǎo)（W/(m·K)）效率390，抗拉強(qiáng)度（Mpa）介于290-360 之間，屈服強(qiáng)度（Mpa）大于等于250，彈性系數(shù)（Gpa）為127，伸長(zhǎng)率（%）大于等于4，R/T 比接近0，硬度90-110HV，常用硬度1/2H，H。

C1220-H：價(jià)格中低，成分Cu ≧99.9%，P:0.015-0.040%,導(dǎo)電率79.3%IACS，熱傳導(dǎo)（W/(m·K)）效率340，抗拉強(qiáng)度（Mpa）介于 290-360之間。屈服強(qiáng)度（Mpa）大于等于250，硬度90～110HV，常用硬度1/2H，H，彈性系數(shù)（Gpa）為132，伸長(zhǎng)率（%）大于等于4，R/T 比接近0。

C15100-H：價(jià)格高，成分Cu ≧99.9%，Zr:0.05-0.15%,導(dǎo)電率90%IACS，熱傳導(dǎo)（W/(m·K)）效率360，抗拉強(qiáng)度（Mpa）介于 360-435 之間。屈服強(qiáng)度（Mpa）大于等于250，彈性系數(shù)（Gpa）為118，硬度90～110HV，常用硬度1/2H，H，伸長(zhǎng)率（%）大于等于4，R/T 比接近0。

C17200-TM04：價(jià)格高，成分Cu 余量，Be：1.8-2.0%，Pb：小于0.02%，Co+Ni：0.20%，導(dǎo)電率17-28%IACS，熱傳導(dǎo)（W/(m·K)）效率105，抗拉強(qiáng)度≥960Mpa。屈服強(qiáng)度（Mpa）介于750～940，彈性系數(shù)（Gpa）為131，硬度285-343HV，常用硬度TM01、TM02、TM04，伸長(zhǎng)率（%）介于9-20 之間，R/T 比接近1。

C17410-H：價(jià)格高，進(jìn)口材料，成分Cu 余量，Be：0.15-0.5%，Co：0.35-0.6%，導(dǎo)電率45-60%IACS，熱傳導(dǎo)（W/(m·K)）效率230，抗拉強(qiáng)度（Mpa）介于 750-900。屈服強(qiáng)度（Mpa）介于690-830，彈性系數(shù)（Gpa）為138，硬度210-278HV，常用硬度1/2H，H。伸長(zhǎng)率（%）介于7-17，R/T 比接近1.2。

C19210（K80-R420）：價(jià)格高，成分Cu 余量，F(xiàn)e:0.10%,P：0.03%，導(dǎo)電率91.4%IACS，熱傳導(dǎo)（W/(m·K)）效率350，抗拉強(qiáng)度（Mpa）介于 420-500。屈服強(qiáng)度（Mpa）大于等于350，硬度120-150HV，常用硬度1/2H，H，EH，彈性系數(shù)（Gpa）為130，伸長(zhǎng)率（%）大于等于3，R/T 比接近1。

C19400（K65-R470）：價(jià)格高，成分Cu 余量，F(xiàn)e:2.4%,P：0.03%，Zn：0.12%，抗拉強(qiáng)度（Mpa）介于 470-530，導(dǎo)電率63.8%IACS，熱傳導(dǎo)（W/(m·K)）效率280，屈服強(qiáng)度（Mpa）大于等于440，彈性系數(shù)（Gpa）為123，硬度140-160HV，常用硬度H，SH。伸長(zhǎng)率（%）大于等于4，R/T 比接近0.5。

五、結(jié)論

（一）本文介紹了汽車用連接器及其端子的基本性能要求，并初步介紹了力學(xué)模型的建立。

（二）根據(jù)連接器端子的基本性能要求，對(duì)銅合金材料的性能要求進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，以及銅合金在不同結(jié)構(gòu)、使用位置的對(duì)連接器端子性能要求。

（三）簡(jiǎn)要介紹幾種銅合金的性能相關(guān)特性，可進(jìn)行初步選型的參考。