CN114992212B - 紧固结构、铝布线材料以及紧固结构的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种紧固结构，包括：包括螺栓的紧固部件；以及紧固并固定至紧固部件的多个被紧固部件。此外，螺栓包含纯铝或铝合金。多个被紧固部件中的至少一个被紧固部件包含纯铝或铝合金。螺栓的螺杆部的纯铝或铝合金与至少一个被紧固部件的纯铝或铝合金进行直接接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种紧固结构、铝布线材料以及紧固结构的制造方法。
背景技术
铝是具有合格的导电性的轻金属，并且相对地廉价。由此，在许多情况下铝使用在电线、汇流条、电极等中。然而，氧化膜形成于铝表面。由此，在压力接触的情况下，铝的接触电阻为100μΩ以上，其比诸如金、银的贵金属、铜或者镍的通常约几μΩ至几十μΩ左右的接触电阻大一个数量级以上。
当铝汇流条用作螺栓紧固用的被紧固部件时，为了减小铝的接触电阻而进行表面处理(镀层或者表面粗糙度控制)。专利文献JP2014-002977A公开了一种以下列方式减小接触电阻的方法。具体地，在导电部件被铝电气部件或铝合金电气部件按压并接触并与其电耦合的情况下，镀锡层隔着势垒金属层或者合金金属层形成在与电气部件的接触表面上。
发明内容
然而，在该减小铝的接触电阻的方法中，镀层处理是复杂的，其导致制造成本增加的问题。
鉴于这样的现有技术中的上述问题，已经实现了本发明。本发明的目的是提供一种紧固结构、铝布线材料以及紧固结构的制造方法，其即使在铝用于螺栓紧固用的被紧固部件时也实现了铝的接触电阻的减小，而无需进行诸如镀层的表面处理。
根据本发明的方面的紧固结构包括：包括螺栓的紧固部件以及被紧固并固定至紧固部件的多个被紧固部件。所述螺栓包含纯铝或铝合金。多个被紧固部件中的至少一个被紧固部件包含纯铝或铝合金。螺栓的螺杆部的纯铝或铝合金与至少一个被紧固部件的纯铝或铝合金进行直接接触。
根据本发明的方面的紧固结构的制造方法是利用包括螺栓的紧固部件将多个被紧固部件紧固并固定的紧固结构的制造方法。所述方法包括以下步骤：利用所述紧固部件紧固并固定多个被紧固部件，使得施加于所述螺栓的头座面的应力为6MPa以上且650MPa以下并且使得施加于沿螺杆轴的截面的应力为27MPa以上且650MPa以下。螺栓包含纯铝或铝合金。多个被紧固部件中的至少一个被紧固部件包含纯铝或铝合金。
根据本发明，能够提供一种紧固结构、铝布线材料以及紧固结构的制造方法，其即使在铝用于螺栓紧固用的被紧固部件时，也实现了铝的接触电阻的减小，而无需进行诸如镀层的表面处理。
附图说明
图1是示出本实施例的紧固部件和被紧固部件并且示出紧固部件和被紧固部件彼此紧固以测量电阻的状态的示意图。
图2是示出通过钢螺栓与钢螺母之间的紧固的拧紧扭矩与电阻之间的关系的曲线图。
图3是示出通过铝螺栓与铝螺母之间的紧固或者钢螺栓与钢螺母之间的紧固的拧紧扭矩与电阻之间的关系的曲线图。
图4A是示出氧化铝膜残留在铝螺栓与铝汇流条之间的边界表面处的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图4B是示出去除铝螺栓与铝汇流条的边界表面处的氧化膜之后新形成的表面彼此进行接触的SEM照片。
图5A是示出施加于螺栓头座面的应力与电阻之间的关系的曲线图。
图5B是表示施加于沿螺杆轴的截面的应力与电阻之间的关系的曲线图。
图6是表示施加于沿螺杆轴的截面的应力与电阻之间的关系的曲线图。
图7A是以放大的方式示出将铝合金汇流条与铝螺栓彼此紧固的状态下的截面的显微图像。
图7B是在图7A的状态下假定的电路图。
图8A是示出铝合金汇流条与铝螺栓的头部之间的边界表面的SEM照片。
图8B是示出铝合金汇流条与铝螺栓的螺杆部之间的边界表面的SEM照片。
具体实施方式
参考附图，下文详细描述根据本实施例的紧固结构。注意，为了方便描述，附图中的尺寸比例是夸大的并且在一些情况下可能不同于实际比例。
图1示出根据本实施例的紧固结构。紧固结构包括：紧固部件，该紧固部件包括螺栓20；和多个被紧固部件，该多个被紧固部件紧固并固定至紧固部件。紧固部件包括螺栓20，并且螺栓20包含纯铝或铝合金。
螺栓20所包含的铝合金除了含有诸如铝锭的原料铝以外，还可以包含选自由Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn和Ti所组成的组中的至少一种。铝合金包含选自由Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn和Ti所组成的组中的至少一种元素，并且其余可以是铝和不可避免的杂质。
作为铝锭，优选使用纯度为99.7质量％以上的纯铝。注意，在本实施例中，铝锭的实例包括日本工业标准JIS H2102:2011(铝锭)规定的纯铝锭中的具有99.7质量％以上纯度的I级铝锭、具有99.85质量％以上纯度的特Ⅱ级的铝锭以及具有99.90质量％以上纯度的特Ⅰ级铝锭。在本实施例中，铝锭不限于诸如特Ⅰ级和特Ⅱ级的昂贵且高纯度锭的铝锭，但是可以能够使用相对廉价的I级铝锭。
铝合金中包含0.1质量％以上且小于1.2质量％的Si，优选包含0.3质量％至0.7质量％的Si。铝合金中包含0.1质量％以上且小于1.7质量％的Fe，优选包含0.4质量％至0.7质量％的Fe。
铝合金中包含0.04质量％至7质量％的Cu，优选包含0.1质量％至2.6质量％的Cu。铝合金中包含0.03质量％至0.8质量％的Mn，优选包含0.03质量％至0.1质量％的Mn。铝合金中包含0.03质量％至4.5质量％的Mg，优选包含0.35质量％至0.8质量％的Mg。铝合金中包含0.03质量％至0.35质量％的Cr，优选包含0.03质量％至0.1质量％的Cr。铝合金中包含0.04质量％至7.0质量％的Zn，优选包含0.1质量％至0.25质量％的Zn。铝合金中包含0.00质量％至0.2质量％的Ti，优选包含0.00质量％至0.1质量％的Ti。
铝可以包含极少量的不可避免的杂质。铝中可能包含的不可避免的杂质的实例包括镍(Ni)、铷(Pb)、锡(Sn)、钒(V)、镓(Ga)、硼(B)、钠(Na)和锆(Zr)。在不妨碍本实施例的效果并且不特别影响本实施例的铝合金的性质的范围内不可避免地包含这些杂质。此外，所使用的铝锭中原本包含的元素也被视作不可避免的杂质。铝合金中不可避免的杂质的总量优选为0.07质量％以下，更优选为0.05质量％以下。
即使当仅使用螺栓20作为紧固部件时，也能够实现紧固结构。然而，鉴于稍后描述的去除氧化膜的效果，如图1所示，紧固部件优选包括螺母21。螺栓20拧入螺母21中，并且螺母21优选包含纯铝或铝合金。螺母21中包含的纯铝或铝合金的实例包括与螺栓20中包含的纯铝或铝合金相同的材料。
被紧固部件包括汇流条。汇流条形成为具有平板状的形状，并且孔部设置为穿过被紧固部件，使得螺栓20的螺杆部能够插入孔部中。如图1所示，多个被紧固部件包括上部汇流条31和下部汇流条32。此外，在螺栓20的螺杆部插入至设置于被紧固部件的孔部中的状态下，螺母21被紧固至螺杆部。在此情况下，上部汇流条31和下部汇流条32被紧固和固定。
多个被紧固部件中的至少一个被紧固部件包含纯铝或铝合金。被紧固部件中包含的纯铝或铝合金的实例包括与螺栓20中包含的纯铝或铝合金相同的材料。
在图1的紧固状态下，螺栓20的轴向力作用于由螺栓20和螺母21紧固并固定的被紧固部件上。此外，表面方向上的摩擦力作用于螺栓20的头座面与上部汇流条31的与座面进行接触的表面之间。此外，表面方向上的摩擦力也作用于螺母21的座面与下部汇流条32的与该座面进行接触的表面之间。此外，摩擦力也作用于螺栓20的螺杆部与上部汇流条31和下部汇流条32之间。
在此，螺栓20的轴向力能够基于如以下的计算式(1)的Motosh式来计算。
T＝F/2((d2/cosα)μs+P/π+dwμw) ···(1)
在上述计算式(1)中，T表示拧紧扭矩(N·m)，F表示轴向力(N)，d2表示螺杆轴的有效直径(effective diameter)(mm)，α表示螺纹的半角(度)，μs表示螺杆表面的摩擦系数，P表示螺纹的节距(mm)，dw表示等效摩擦直径(mm)，并且μw表示螺栓座面的摩擦系数。
此外，紧固结构的制造方法优选包括以下步骤：利用螺栓20将被紧固部件紧固并固定，使得螺栓20的螺栓头座面上承受的来自螺栓20的轴向力的应力为6MPa以上且650MPa以下。螺栓头座面上的应力是指将轴向力除以螺栓20的座面面积而获得的应力。当螺栓20的螺栓头座面的应力为6MPa以上时，能够提高减小接触电阻的效果。此外，当螺栓20的螺栓头座面上的应力为650MPa以下时，能够保持稳定的紧固状态而不超过铝的最大承载力。
紧固结构的制造方法优选包括以下步骤：利用螺栓20将被紧固部件紧固并固定，使得螺杆轴的截面上承受的来自螺栓20的轴向力的应力为27MPa以上且650MPa以下。螺杆轴的截面所承受的应力是指将轴向力除以由螺栓20的有效直径得到的螺杆轴的截面积而获得的应力。当螺杆轴的截面所承受的应力为27MPa以上时，能够提高减小接触电阻的效果。此外，当螺杆轴的截面上承受的应力为650MPa以下时，能够保持稳定的紧固状态而不超过铝的最大承载力。
通常，具有大约几nm到几十nm的膜厚度的氧化膜(Al2O3)牢固地存在于铝表面上。这是增大铝的接触电阻的主要原因。然而，由于通过使用螺栓20和紧固被紧固部件所产生的摩擦力，导致螺栓20的头座面、螺栓20的螺杆部以及汇流条的表面的塑性流动。由此，去除氧化膜。结果，螺栓20的头座面和螺杆部中的纯铝或铝合金与至少一个被紧固部件的纯铝或铝合金进行直接接触，并且因此铝的接触电阻减小。在这种状态下，仅需要使螺栓20和被紧固部件在不隔着氧化膜的情况下彼此部分地接触。
紧固部件还可以包括包含纯铝或铝合金的螺母21。此外，螺栓20的头座面的纯铝或铝合金可以与至少一个被紧固部件的纯铝或铝合金进行直接接触。此外，螺母21的座面的纯铝或铝合金可以与至少一个被紧固部件的纯铝或铝合金进行直接接触。由此，铝的接触电阻进一步减小。
当钢用于螺栓20或被紧固部件以紧固被紧固部件时，也产生摩擦力。然而，铝与钢之间的摩擦系数小于铝与铝之间的摩擦系数，并且因此氧化膜去除效果小。此外，铝与钢之间的接触电阻和钢的体积电阻大于铝的体积电阻。鉴于此，螺栓20和至少一个被紧固部件包含纯铝或铝合金以提高减小接触电阻的效果。
为了更大程度地减小接触电阻，能够考虑优化作为被紧固部件的汇流条的螺孔的尺寸和螺栓20的螺杆形状。具体而言，铝汇流条在不进行诸如镀层处理这样的表面处理的情况下进行螺孔加工，并且用铝螺栓和铝螺母紧固。由此，能够实现与使用铜汇流条时获得的接触电阻同等水平的电阻。
本实施例的铝布线材料包括紧固结构，并且用于例如汽车的线束。因此，无需对用于铝布线材料的铝表面进行镀层处理，就能够减小电阻，并且能够抑制镀层成本增加。此外，通过螺栓和螺母实现紧固，便于拆卸。考虑到金属回收，便于分离。
上文描述了根据本实施例的紧固结构、铝布线材料以及紧固结构的制造方法。本实施例不限于上述实施例。例如，当将具有优秀的抗应力松弛性或优秀的抗蠕变性的铝-碳纳米管复合材料用于紧固结构的一部分时，能够提供一种用于电耦合的铝紧固结构，其能够在高温环境下的应力加载状态下使用。该材料的物理性质变化小，并且因此即使在诸如汽车的发动机单元或电池附近这样的发热部位也能够使用铝。这能够有助于减轻部件重量。此外，从由螺栓20、螺母21和被紧固部件所组成的组中选择的至少一个可以包含分散增强型铝基复合金属，在该分散增强型铝基复合金属中，诸如无机物这样的颗粒分散在纯铝或铝合金中。
实例
下文利用实例和比较例进一步描述本实施例。然而，本实施例不限于这些实例。
[样品的制备]
作为紧固部件，制备下列材料所形成的螺栓。
·铝：A6056-T6铝合金
·钢：没有表面处理的冷镦用碳素钢线材(SWCH)
作为紧固部件，制备下列材料所形成的螺母。
·铝：A7075-T6铝合金
·钢：没有表面处理的SWCH
作为被紧固部件，制备下列材料所形成的汇流条。
·铝：A6061-T6铝合金
·铜：C1020无氧铜
[评价]
根据以下方法评价实例和比较例中的测试样品。
(电阻的测量)
如图1所示，使用螺栓20、螺母21、上部汇流条31和下部汇流条32，并且改变螺栓20的拧紧扭矩。以这样的方式，测量上部汇流条31与下部汇流条32之间的电阻。具体而言，使用可从HIOKI E.E.CORPORATION购买的RM3548，并且根据四端法，在跨过螺栓20与螺母21以及两个汇流条之间的紧固部的端子之间的距离为40mm的位置处，测量电阻。
(施加于螺杆轴的截面上的应力的计算)
使用上面给出的计算式(1)根据拧紧扭矩T计算轴向力F。注意，螺杆轴的有效直径d2为5.351mm，螺纹的半角α为0.524度，螺杆表面的摩擦系数μs为表1所示的值，螺纹的节距P为1.000mm，等效摩擦直径dw为10.074mm，并且螺栓座面的摩擦系数μw为表1所示的值。注意，螺杆公称直径为6mm的M6螺栓用作螺栓20。
[表1]
[实例1至5]
在表2中示出评价结果。在实例1至5中，铝合金用于螺栓和螺母，并且铝合金用于汇流条。
[比较例1至10]
同时，在比较例1至5中，钢用于螺栓和螺母，并且类似于实例1至5，铝合金用于汇流条。此外，在比较例6至10中，类似于比较例1至5，钢用于螺栓和螺母，并且铜用于汇流条。
[表2]
图2和表3是用于比较在改变两个汇流条的种类和组合的同时通过钢螺栓和钢螺母之间的紧固的紧固部件的拧紧扭矩与电阻之间的关系的曲线图。汇流条的四种组合按上部汇流条、下部汇流条的顺序依次为铜-铜、铝合金-铝合金、铝合金-铜和铜-铝合金。结果，随着拧紧扭矩增大，电阻减小。此外，关于各拧紧扭矩，在使用两个铜汇流条时的电阻具有最小值，并且在两个汇流条之一使用铝合金汇流条以及使用两个铝合金汇流条时的电阻可能会增大。铝合金汇流条上的氧化膜被认为是增大接触电阻的原因。
[表3]
图3是比较当使用两个铝合金汇流条作为被紧固部件时通过铝螺栓与铝螺母之间的紧固或者钢螺栓与钢螺母之间的紧固的拧紧扭矩与电阻的关系的曲线图。对于任意拧紧扭矩，通过铝螺栓和铝螺母之间的紧固的电阻小于通过钢螺栓和钢螺母之间的紧固的电阻。这表明铝螺栓和铝螺母有效地起到导电通路的作用，并且螺栓的头座面和螺杆部以及汇流条彼此电耦合。此外，这表明通过螺栓的紧固去除了螺栓的头座面和螺杆部上的氧化膜，并且使包含在螺栓的头座面和螺杆部中的铝合金与汇流条的铝合金进行直接接触。此外，铝与铝之间的摩擦系数大于铝与钢之间的摩擦系数，这表明通过铝螺栓和铝螺母之间的紧固进一步增强了氧化膜去除效果。
图4A和图4B示出了通过对铝螺栓与铝合金汇流条之间的紧固部的边界表面进行元素分析获得的结果。从图4A所示的螺栓-汇流条边界表面检测到氧，这表明在铝螺栓和铝合金汇流条的表面上存在氧化膜。该氧化膜会增大接触电阻。同时，观察到图4B所示的边界面具有未检测到氧的部分。这表明表面氧化膜被去除并且新形成的表面彼此进行接触。由此，减小了接触电阻。
图5A是示出当使用两个铝合金汇流条作为被紧固部件时施加于螺栓头座面的应力与电阻之间的关系的曲线图。此外，图5B是示出当使用两个铝合金汇流条作为被紧固部件时施加于沿螺杆轴的截面的应力与电阻之间的关系的曲线图。应力和电阻之间的关系能够分别整理为图5A和图5B中给出的近似表达式。对于任意应力，通过铝螺栓和铝螺母之间的紧固的电阻小于通过钢螺栓和钢螺母之间的紧固的电阻。这表明通过螺栓的紧固去除了螺栓的头座面和螺杆部上的氧化膜，并且使包含在螺栓的头座面和螺杆部中的铝合金与汇流条的铝合金进行直接接触。此外，铝与铝之间的摩擦系数大于铝与钢之间的摩擦系数，这表明通过铝螺栓与铝螺母之间的紧固进一步增强了氧化膜的去除效果。
图6是示出当使用两个铝合金汇流条作为被紧固部件时的通过铝螺栓与铝螺母之间的紧固或者通过钢螺栓与钢螺母之间的紧固的螺杆轴的截面承受的应力与电阻之间的关系的曲线图。此外，图6是示出当使用两个铜汇流条作为被紧固部件时的通过钢螺栓和钢螺母之间的紧固的螺杆轴的截面承受的应力与电阻之间的关系的曲线图。随着螺杆轴的截面承受的应力增大，通过铝螺栓和铝螺母的紧固的铝合金汇流条的电阻减小到与通过钢螺栓和钢螺母的紧固的铜汇流条的电阻等同的程度。具体地，这表明在铝螺栓和铝螺母用于铝合金汇流条的紧固时，能够实现与在使用铜汇流条时的恒定电阻等同的水平的电阻，而无需进行诸如镀层处理这样的表面处理。
图7A是示出在用铝螺栓紧固两个铝合金汇流条之后观察到的截面的显微镜照片。螺栓的头部25与上部汇流条31进行接触，并且螺栓的螺杆部26与上部汇流条31和下部汇流条32进行接触。此外，图7B是在图7A的状态下假定的电路图，并且图7A和图7B的附图标记1至4分别彼此对应。作为电子流过的路径，假定了从上部汇流条31向螺栓的头部25，然后从螺栓的螺杆部26的上部向其下部，并且最后到达下部汇流条32的流动路径以及从上部汇流条31到下部汇流条32的直接路径。
图8A示出了在图7A中观察到的铝合金汇流条和铝螺栓彼此紧固的状态下通过沿着截面观察上部汇流条31与螺栓的头部25之间的边界表面获得的结果。此外，图8B示出了在图7A中观察到的铝合金汇流条和铝螺栓彼此紧固的状态下通过沿着截面观察上部汇流条31和螺栓的螺杆部26之间的边界表面获得的结果。在图8A和图8B中观察到的各个边界表面处，观察到铝螺栓侧的铝进入汇流条侧的铝并且变形的状态。这表明，通过由于螺栓紧固时产生的摩擦力所导致的在螺栓的头部25的座面、螺栓的螺杆部26的表面和上部汇流条31的表面上产生的塑性流动去除了氧化膜。
上文结合实例和比较例描述了本实施例。本实施例不限于上述实施例，并且能够在本实施例的主旨的范围内做出各种修改例。
Claims (4)
1.一种紧固结构，该紧固结构包括：
紧固部件，该紧固部件包括螺栓；以及
多个被紧固部件，该多个被紧固部件被紧固并固定至所述紧固部件，其中，
所述螺栓包含纯铝或铝合金，
所述多个被紧固部件中的至少一个被紧固部件包含纯铝或铝合金，并且，
所述螺栓的螺杆部的纯铝或铝合金与所述至少一个被紧固部件的纯铝或铝合金进行直接接触，
所述至少一个被紧固部件包括汇流条，
所述螺栓和所述至少一个被紧固部件在不隔着氧化膜的情况下彼此部分地接触，其中，由于通过使用所述螺栓和紧固所述被紧固部件所产生的摩擦力，导致所述螺栓的头座面、所述螺栓的螺杆部以及所述汇流条的表面的塑性流动，从而去除所述氧化膜。
2.根据权利要求1所述的紧固结构，其中，
所述紧固部件进一步包括包含纯铝或铝合金的螺母，
所述螺栓的头座面的纯铝或铝合金与所述至少一个被紧固部件的纯铝或铝合金进行直接接触，并且
所述螺母的座面的纯铝或铝合金与所述至少一个被紧固部件的纯铝或铝合金进行直接接触。
3.一种铝布线材料，该铝布线材料包括：
根据权利要求1所述的紧固结构。
4.一种紧固结构的制造方法，该紧固结构被构造为利用包括螺栓的紧固部件而紧固并固定多个被紧固部件，所述方法包括以下步骤：
利用所述紧固部件紧固并固定所述多个被紧固部件，使得施加于所述螺栓的头座面的应力为6MPa以上且650MPa以下，并且使得施加于沿螺杆轴的截面的应力为27MPa以上且650MPa以下，其中，
所述螺栓包含纯铝或铝合金，并且
所述多个被紧固部件的至少一个被紧固部件包含纯铝或铝合金，
所述螺栓的螺杆部的纯铝或铝合金与所述至少一个被紧固部件的纯铝或铝合金进行直接接触，
所述至少一个被紧固部件包括汇流条，
所述螺栓和所述至少一个被紧固部件在不隔着氧化膜的情况下彼此部分地接触，其中，由于通过使用所述螺栓和紧固所述被紧固部件所产生的摩擦力，导致所述螺栓的头座面、所述螺栓的螺杆部以及所述汇流条的表面的塑性流动，从而去除所述氧化膜。
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