CN1409441A - 用于端子的铝合金材料以及使用该材料的端子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于端子的铝合金材料，该材料的晶体结构中晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒具有30％或更大的晶粒空间系数。并公开了一种包含铝合金材料的端子。

Description

用于端子的铝合金材料以及使用该材料的端子
技术领域
本发明涉及一种用于端子的铝合金材料，并涉及利用铝合金的端子。
背景技术
传统上，铜或铜合金用于电池、电缆等的端子。
近年来，已经考虑将铝用于电缆和端子，以使得移动电器轻量化。
然而，存在如下的问题，即，当铝合金轧制板材模制成端子时在弯曲部分出现裂纹。
发明内容
本发明为用于端子的铝合金材料，该材料的晶体结构中晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒具有30％或更大的晶粒空间系数。
此外，本发明为一种端子，该端子包括铝合金材料。
本发明进一步的特征和优点将从以下参照附图给出的描述中得以更完全地理解。
附图说明
图1A和1B示出用于研究可模塑成端子的端子，图1A示出端子的前视图，而图1B示出图1A所示的端子右侧处的边缘面(端)视图。
具体实施方式
根据本发明，提供了以下装置：
(1)用于端子的铝合金材料，其晶体结构中晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒具有30％或更大的晶粒空间系数；
(2)根据条目(1)所述的铝合金材料，其中，铝合金包括质量上0.02到0.15％的Zr，且余量为铝和不可避免的杂质；
(3)根据条目(1)所述的铝合金材料，其中，铝合金包括质量上0.20到0.45％的Zr，以及从以下组中选出的至少一个元素，该组由质量上0.01到0.05％的Be、质量上0.10到0.30％的Fe、0.06到0.20％质量份的Si、以及质量上0.10到0.30％的Cu构成，且余量为Al和不可避免的杂质；
(4)根据条目(1)所述的铝合金材料，其中，铝合金包括质量上0.35到1.5％的Mg、质量上0.30到1.2％的Si、至少一个从由质量上0.10到1.00％的Fe、质量上0.10到0.40％的Cu、以及质量上0.02到0.80％的Mn构成的组中选出的元素、以及至少一个从由质量上0.02到0.40％的Cr、质量上0.08到0.30％的Zn以及质量上0.01到0.20％的Ti构成的组中选出的元素，且余量为Al和不可避免的杂质；
(5)根据条目(1)到(4)中任一项所述的铝合金材料，其通过仿形挤压加工方法(conform extrusion method)模制；以及
(6)一种端子，包括根据条目(1)到(5)中任一项所述的铝合金材料。
“空间系数”是指晶体结构中，晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒所占的体积与晶体结构的总体积的比值。
已经对模制成端子时不产生裂纹的铝合金材料加以研究的本发明的发明人发现具有包含较高比例的尺寸(直径)较小的晶粒的晶体结构的材料呈现出更好的端子可模塑性。此后，本发明通过透彻的研究而完成。
在晶体结构中，晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒的空间系数在本发明中限定为30％或更大。这是由于当晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒的空间系数小于30％时，通过模制成端子，裂纹容易在端子弯曲部分处形成。在晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒空间系数上没有特定的上限，但是一般为80％或更小。
虽然任何导电铝合金都可以用于本发明的铝合金材料，但尤其是Al-Zr合金、Al-Zr基合金、以及Al-Mg-Si基合金是优选的，这是由于他们具有所需的导电性同时在抗应力衰减(anti-stress relaxation)特性方面优异。
在使用中，当用于端子的铝合金材料具有较差的抗应力衰减特性时，导体-夹持力随着温度升高而减小，从而增大了端子和导体之间的接触电阻。抗应力衰减特性在高度耐热合金或高强度合金中得以增强。
根据条目(2)，Zr在Al-Zr合金中沉积为Al-Zr化合物以增强耐热性，由此改善了抗应力衰减特性。在这种合金中通过抑制Zr的含量来保持高导电性。
Al-Zr合金中，Zr的含量限定为质量上0.02到0.15％，这是因为当含量低于质量上0.02％时，不能充分获得添加Zr的效果，而当含量超过质量上0.15％时，不能保持高导电性(57％的IACS或更多)。
根据条目(3)的Al-Zr基合金为这样的一种合金，其中，耐热性通过增大Zr的含量而得以显著增强，并且其中机械强度通过使合金中包含Be、Fe、Si、和Cu中的至少一种而提高，由此高度改善了抗应力衰减特性。
在Al-Zr基合金中，Zr的含量限定在质量上0.20到0.45％范围内，这是由于含量低于质量上0.20％时不能获得高度抗应力衰减特性，而当含量超过质量上0.45％时不能实现端子所需的导电性(50％IACS或更高)，从而降低了模塑成端子的性能。另外，Zr非常昂贵而在制造成本方面不利。Zr特别优选的含量在质量上0.30到0.35％的范围内。
在Al-Zr基合金中，铍(Be)形成固溶体，以增强机械强度，并加速Zr的沉积，从而提高耐热性。Be的含量限定在质量上0.01到0.05％的范围内，这是由于小于0.01％的含量不足以给出添加Be的效果，而当含量超过质量上0.05％时导电性下降。Be特别优选的含量在质量上0.02到0.04％的范围内。
通过使Fe沉积为Al-Fe化合物，Fe提高机械强度。Fe的含量限定在质量上0.10到0.30％范围内，这是由于当含量低于质量上0.10％时不能充分获得添加Fe的效果，而当含量超过质量上0.30％时，模塑成端子的性能降低。Fe特别优选的含量在质量上0.15到0.20％范围内。
通过形成固溶体或沉积，Si增强机械强度，或者通过加速精细的Al-Fe化合物的沉积，其增强机械强度。Si的含量限定为质量上0.06到0.20％，这是由于当含量小于质量上0.06％时不能充分获得添加Si的效果，而当含量超过质量上0.20％时，材料的可模塑性降低。Si的特别优选的含量在质量上0.06到0.15％的范围内。
通过形成固溶体，Cu提高机械强度。Cu的含量限定在质量上0.10到0.30％的范围内，这是因为当含量小于质量上0.10％时不能充分获得添加Cu的效果，而当含量超过质量上0.30％时，材料的可模塑性和导电性下降。
在根据条目(4)的Al-Mg-Si基合金中，通过将Mg-Si化合物沉积在Mg和Si之间，并通过形成固溶体或沉积Fe、Cu和Mn中至少一种而增强机械性能，并且Cr、Zn和Ti中至少一种作用为提高耐热性，由此改善合金的抗应力衰减特性。Fe也具有增强耐热性的效果，而Mn还作用为增强抗腐蚀性。
在这种合金中，Mg和Si的含量分别限定在Mg在质量上0.35到1.5％范围内，而Si在质量上0.30到1.2％的范围内，这是由于当他们中任一种的含量低于上述范围时，不能充分获得添加这些元素的效果，当他们中任一种的含量超过上述范围时，在铸造后会出现裂纹或者材料的可模塑性下降。通过加速沉积精细的Al-Fe化合物，Si也具有增强机械强度的效果。
在这种合金中，Fe、Cu和Mn的含量分别为Fe在质量上0.10到1.00％的范围内，Cu在质量上0.10到0.40％的范围内，而Mn在质量上0.02到0.80％的范围内，这是由于当这些元素中任一种的含量低于上述范围时，不能充分获得添加这些元素的效果，而当这些元素中任一种的含量超过上述范围时，材料的可模塑性下降。
Cr、Zn和Ti的含量分别限定为Cr在质量上0.02到0.40％的范围内，Zn在质量上0.08到0.30％的范围内，而Ti在质量上0.01到0.20％的范围内，这是由于当他们中任一种的含量低于上述范围时不能充分获得添加这些元素的效果，而当他们中任一种超过上述范围时，铸造特性降低。
根据条目(1)到(4)所述的用于端子的铝合金材料在热挤压加工或热轧之后可以通过仿形挤压和冷轧而加工成片材。这些片材等可以模制成端子。
当熔融液态铝合金通过半连续铸造方法铸造成坯料，所形成的坯料热轧并然后冷轧，从而获得片材时；或者当熔融液态铝合金通过半连续铸造方法铸造成板状铸锭，所形成的铸锭热轧并然后冷轧成片材时，通过调节在冷轧中途应用的热处理的条件，晶粒尺寸可以控制在本发明限定的预定范围内。在这种情况下，可以使用诸如Ti-B化合物的晶粒细化剂(crystalgrain-fining agent)。
在冷轧中途应用的热处理条件优选地在350到500℃下3到5个小时，而晶粒尺寸可以通过选择热处理条件而简单地予以控制。
在所形成的片材上几乎不形成裂纹的优选的生产条件的示例包括在优选的450到550℃的挤压初始温度下热挤压加工，且优选的挤压比为20到200；以及在优选的350到550℃的轧制初始温度下热轧，且优选的一次轧制的轧制压缩比为30％或更大。优选地冷轧初始温度在从普通温度到120℃的范围内，且优选的一次轧制的轧制压缩比为30％或更大。
由于仿形挤压在这种挤压后可以给出本发明中限定的晶体结构(晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒的空间系数为30％或更大)，不需要任何特殊的如上所述的晶粒尺寸控制(调节)(过程)，从而实现优良的生产率。在仿形挤压加工情况下，在所形成的片材上几乎不产生裂纹的挤压温度(出口处的被挤压材料的温度)优选地在400到550℃，而特别优选地为460到530℃。
本发明的铝合金材料尤其适于流过大量电流所用的汽车线束的端子。
用于端子的本发明的铝合金材料在端子成形性方面优良，并且其可以以高产量获得无裂纹等的高质量端子，这是由于这种合金的晶体结构中晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒的空间系数为30％或更小。通过利用具有高度抗应力衰减特性的高度导电的Al-Zr合金、Al-Zr基合金或Al-Mg-Si基合金作为铝合金，可以获得保持电连接方面优良的端子。由于在本发明中限定的晶体结构可以通过仿形挤压加工获得，在这种挤压加工后，不需要特殊的晶粒尺寸调节(过程)，从而实现良好的生产率。于是，通过省略掉诸如用于调节晶粒尺寸的热处理，根据仿形挤压而加工的本发明的材料可以实现优良的生产率。于是本发明在工业应用方面呈现出显著的效果。
下面，将基于示例详细描述本发明，但是本发明不由这些示例限定。
示例
(示例1)
通过向用于电器的铝合金铸锭(JISiN90)中加入Zr，分别制备具有表1所示成份的铝合金的熔融液体(序号A到E)。通过带轮型连续铸造-轧制方法，这些熔融液体处理成直径9.5mm的粗拉伸导线。通过仿形挤压加工，所形成的粗拉伸导线加工成厚度2.0mm而宽度60mm的片材，在挤压过程中片材的温度调节在480到510℃的范围内。最终，实现了如上述条目(1)或(2)所述的合金材料。
(示例2)
除了分别提供具有表1所示的成份的铝合金(序号F到O)的熔融液体之外，厚度2.0mm的片材以示例1相同的方式生产。最终，获得如上述条目(1)或(3)所述的合金材料。
(示例3)
除了分别提供具有表1所示的成份的铝合金(序号P到T)的熔融溶液之外，以示例1中相同的方式生产厚度2.0mm的片材。结果，获得如上述条目(1)或(4)所述的合金材料。
(对比例)
具有表1所示的成份的序号为A、F、K、P、和S的铝合金的熔融液体通过半连续铸造方法铸造成板状铸锭。所形成的铸锭热轧并然后冷轧成厚度2.0mm的片材。通过在冷轧过程中施加两种不同的热处理，并适当地控制热处理的条件，所形成片材的晶粒尺寸调节成落到本发明限定的范围之外。
示例1到3以及对比例1中生产的每种片材模制成图1A和1B所示形状的端子，以研究可模塑成端子的性能。
在图1A和1B中，附图标记1标示导体夹持部分，附图标记2标示弯曲部分，而附图标记3标示螺栓通孔。这个端子与JIS D5403 1989中限定的汽车电池电极端子(零件号BA，公称号码508)相同。
相对于10个所获得的端子，可模塑成端子的性能通过弯曲部分的裂纹的出现(数量)来考察。结果为当端子都没有裂纹时可模塑成端子的性能优良，而当至少一个端子具有裂纹时该性能较差。结果作为所形成的裂纹数量而示于表2和3内。
晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒的空间系数也列于表2和3中。
晶粒尺寸根据JIS H 0501(切割方法)测量，而晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒的空间系数基于所测量的结果来确定。所测量的表面通过抛光轮研磨成镜面，随之以通过电解法抛光将表面层去除若干微米的深度。
表1
序号 Zr质量％ Mg质量％ Si质量％ Be质量％ Fe质量％ Cu质量％ Mn质量％ Cr质量％ Zn质量％ Ti质量％
 A   0.08   -  -   -   -   - - - - -
 B   0.03   -  -   -   -   - - - - -
 C   0.13   -  -   -   -   - - - - -
 D   0.02   -  -   -   -   - - - - -
 E   0.15   -  -   -   -   - - - - -
 F   0.32   -  0.10   -   0.15   - - - - -
 G   0.40   -  0.12   0.05   0.18   - - - - -
 H   0.20   -  -   0.02   -   - - - - -
 I   0.36   -  0.15   0.04   0.19   - - - - -
 J   0.24   -  -   0.02   0.10   - - - - -
 K   0.32   -  0.10   0.03   0.28   0.20 - - - -
 L   0.25   -  0.06   0.02   0.15   0.11 - - - -
 M   0.45   -   0.19   0.05  0.30  0.30  -  -  -  -
 N   0.29   -   0.08   0.02  0.21  0.14  -  -  -  -
 O   0.37   -   0.14   0.04  0.24  0.24  -  -  -  -
 P   -   0.35   0.30   -  0.50  0.10  0.03  0.03  0.10  0.01
 Q   -   0.78   0.70   -  0.48  0.11  0.02  0.02  0.09  0.01
 R   -   0.48   1.20   -  0.35  0.10  0.10  0.09  0.11  0.10
 S   -   0.88   0.60   -  0.35  0.12  0.11  0.10  0.09  0.09
 T   -   0.80   0.45   -  0.70  0.15  0.15  0.05  0.25  0.15
注：余量为Al和不可避免的杂质。
表2
分类 样本号 合金号 生产方法 晶粒调节方法 30μ或更小的晶粒的空间系数％* 裂纹数量
示例1  1  A 仿形挤压加工 不调节  35  0
 2  B  33  0
 3  C  38  0
 4  D  31  0
 5  E  36  0
示例2  6  F 仿形挤压加工 不调节  33  0
 7  G  36  0
 8  H  30  0
 9  I  36  0
 10  J  36  0
 11  K  37  0
 12  L  34  0
 13  M  34  0
 14  N  31  0
 15  O  41  0
示例3  16  P 仿形挤压加工 不调节  41  0
 17  Q  31  0
 18  R  37  0
 19  S  34  0
 20  T  34  0
注：*晶粒直径为30μm或更小的晶粒的空间系数(％)
表3
分类 样本号 合金号 生产方法 晶粒调节方法 30μ或更小的晶粒的空间系数％* 裂纹数量
对比例1  21  A 热轧→冷轧 两次热处理  27  2
 22  F  12  5
 23  K  24  3
 24  P  14  5
 25  S  22  4
注：*晶粒直径为30μm或更小的晶粒的空间系数(％)
从表2和3所示的结果可以看出，根据本发明示例的样本号1到20的铝合金材料可模塑成端子的性能良好，端子上没有裂纹，这是由于每个样本晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒具有30％或更大的晶粒空间系数。样本通过仿形挤压加工制备，由于不需要热处理等来调节晶粒尺寸，因此生产率高。因此，整个评价是优良。
相反，在对比例1中的用于对比的21到25号样本在可模塑成端子的性能上较差，这是由于晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒的空间系数小于30％，且在端子弯曲部分上出现裂纹。
也相对于本发明的端子测量了端子所需的抗应力衰减特性和导电性。
铝合金制成的电缆导体通过压在端子的导体夹持部分上而得以固定，所形成的端子和电缆在200℃下加热40小时，并在加热后测量端子和电缆之间的电阻(r)。抗应力衰减特性是通过获得加热前端子和电缆的电阻(R)与加热后电阻(r)之间的比来评估的。根据本发明的示例的所有样本1到20号显示出良好的特性，该比值(r/R)为0.9或更大，表明样本1到20号具有较高的耐热性和机械强度。导电性也满足端子所需的50％ IACS和更大(根据JIS H 0505测量)。
类似地，当本发明的铝合金材料模制成其他构型的端子时(公称号码608和708)，不出现裂纹等，且可模塑性良好。
已经结合本实施例描述了本发明，意图为除非另外说明，本发明不由任何详细描述所局限，而是在所附权利要求中所限定的精髓和范围内广泛地解释。

Claims (7)

1.一种用于端子的铝合金材料，其晶体结构中晶粒尺寸为30μm或更小的晶粒具有30％或更大的晶粒空间系数。
2.如权利要求1所述的铝合金材料，其中，铝合金包括质量上0.02到0.15％的Zr，且余量为铝和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的铝合金材料，其中，铝合金包括质量上0.20到0.45％的Zr，以及从以下组中选出的至少一个元素，该组由质量上0.01到0.05％的Be、质量上0.10到0.30％的Fe、质量上0.06到0.20％的Si、以及质量上0.10到0.30％的Cu构成，且余量为Al和不可避免的杂质。
4.如权利要求1所述的铝合金材料，其中，铝合金包括质量上0.35到1.5％的Mg、质量上0.30到1.2％的Si、至少一个从由质量上0.10到1.00％的Fe、质量上0.10到0.40％的Cu、以及质量上0.02到0.80％的Mn构成的组中选出的元素、以及至少一个从由质量上0.02到0.40％的Cr、质量上0.08到0.30％的Zn以及质量上0.01到0.20％的Ti构成的组中选出的元素，且余量为Al和不可避免的杂质。
5.如权利要求1到4中任一项所述的铝合金材料，其中，其通过仿形挤压加工方法模制。
6.一种端子，包括如权利要求1到4中任一项所述的铝合金材料。
7.如权利要求6所述的端子，其中，铝合金材料通过仿形挤压加工方法模制。
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