高性能銅合金帶在汽車連接器中的應(yīng)用

劉愛奎，魯長建，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，同時又具有高韌性、中等強度、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、變壓器繞組和電機定子和轉(zhuǎn)子。然而，對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，隨著汽車對功能性要求的增多，汽車連接器的應(yīng)用會越來越廣泛。汽車的合成化趨勢使連接器的集成度越來越高，對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?。ㄏ聣盒谐逃邢薜韪呓佑|力）、折彎角度?。óa(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，進而可以通過合金化的方式提高銅的各項性能，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 其它元素的添加對銅性能的影響

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

4.1 彎曲性能

彎曲性能即材料承受彎曲載荷時的力學(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）評價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，但是強度卻低。而STOL76M、STOL78、STOL95和CuSn5不僅強度高，彎曲性能也優(yōu)良，符合汽車連接器用銅及銅合金帶對彎曲性能的要求。

圖4 典型合金彎曲性能對比

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)動機艙通常都在105℃以上，瞬時能夠達(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，銅及銅合金帶的強度（硬度）將會永久性地大幅度減少，進而降低連接器的可靠性和使用壽命。

本文中列舉了幾個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。同時結(jié)合汽車連接器對強度（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)力會隨時間的增長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間后（對于汽車連接器為1000h），其屈服強度仍能達(dá)到常溫下屈服強度的70%以上，以衡量該材料具有一定的抗應(yīng)力松弛能力。

本文中列舉了幾個典型銅及銅合金帶在不同溫度和不同時間下的抗應(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)力松弛性能對比（初始應(yīng)力50%屈服強度；1000h；BW）

圖7 典型合金在不同時間下抗應(yīng)力松弛性能對比（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抗應(yīng)力松弛性能的要求。

4.4 抗疲勞性能

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

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

圖8 典型合金的抗疲勞性能對比

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

5 結(jié)論

隨著汽車對汽車連接器的要求越來越苛刻，在設(shè)計汽車連接器時，必須要考量材料性能、設(shè)計參數(shù)、工作環(huán)境和產(chǎn)品性能在整個產(chǎn)品生命周期中的相互關(guān)聯(lián)、相互影響，從而取的設(shè)計的平衡點。因此，在設(shè)計選用銅及銅合金帶階段，要根據(jù)汽車連接器的設(shè)計要求，同時結(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)汽車連接器對銅及銅合金銅帶性能要求，建議了適合汽車連接器各項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