專利名稱：用于端子的鋁合金材料以及使用該材料的端子的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于端子的鋁合金材料，并涉及利用鋁合金的端子。
背景技術：
傳統(tǒng)上，銅或銅合金用于電池、電纜等的端子。
近年來，已經(jīng)考慮將鋁用于電纜和端子，以使得移動電器輕量化。
然而，存在如下的問題，即，當鋁合金軋制板材模制成端子時在彎曲部分出現(xiàn)裂紋。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為用于端子的鋁合金材料，該材料的晶體結(jié)構中晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒具有30％或更大的晶?？臻g系數(shù)。
此外，本發(fā)明為一種端子，該端子包括鋁合金材料。
本發(fā)明進一步的特征和優(yōu)點將從以下參照附圖給出的描述中得以更完全地理解。


圖1A和1B示出用于研究可模塑成端子的端子，圖1A示出端子的前視圖，而圖1B示出圖1A所示的端子右側(cè)處的邊緣面(端)視圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供了以下裝置(1)用于端子的鋁合金材料，其晶體結(jié)構中晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒具有30％或更大的晶?？臻g系數(shù)；(2)根據(jù)條目(1)所述的鋁合金材料，其中，鋁合金包括質(zhì)量上0.02到0.15％的Zr，且余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)；(3)根據(jù)條目(1)所述的鋁合金材料，其中，鋁合金包括質(zhì)量上0.20到0.45％的Zr，以及從以下組中選出的至少一個元素，該組由質(zhì)量上0.01到0.05％的Be、質(zhì)量上0.10到0.30％的Fe、0.06到0.20％質(zhì)量份的Si、以及質(zhì)量上0.10到0.30％的Cu構成，且余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；(4)根據(jù)條目(1)所述的鋁合金材料，其中，鋁合金包括質(zhì)量上0.35到1.5％的Mg、質(zhì)量上0.30到1.2％的Si、至少一個從由質(zhì)量上0.10到1.00％的Fe、質(zhì)量上0.10到0.40％的Cu、以及質(zhì)量上0.02到0.80％的Mn構成的組中選出的元素、以及至少一個從由質(zhì)量上0.02到0.40％的Cr、質(zhì)量上0.08到0.30％的Zn以及質(zhì)量上0.01到0.20％的Ti構成的組中選出的元素，且余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；(5)根據(jù)條目(1)到(4)中任一項所述的鋁合金材料，其通過仿形擠壓加工方法(conform extrusion method)模制；以及(6)一種端子，包括根據(jù)條目(1)到(5)中任一項所述的鋁合金材料。
“空間系數(shù)”是指晶體結(jié)構中，晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒所占的體積與晶體結(jié)構的總體積的比值。
已經(jīng)對模制成端子時不產(chǎn)生裂紋的鋁合金材料加以研究的本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)具有包含較高比例的尺寸(直徑)較小的晶粒的晶體結(jié)構的材料呈現(xiàn)出更好的端子可模塑性。此后，本發(fā)明通過透徹的研究而完成。
在晶體結(jié)構中，晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒的空間系數(shù)在本發(fā)明中限定為30％或更大。這是由于當晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒的空間系數(shù)小于30％時，通過模制成端子，裂紋容易在端子彎曲部分處形成。在晶粒尺寸為30μm或更小的晶?？臻g系數(shù)上沒有特定的上限，但是一般為80％或更小。
雖然任何導電鋁合金都可以用于本發(fā)明的鋁合金材料，但尤其是Al-Zr合金、Al-Zr基合金、以及Al-Mg-Si基合金是優(yōu)選的，這是由于他們具有所需的導電性同時在抗應力衰減(anti-stress relaxation)特性方面優(yōu)異。
在使用中，當用于端子的鋁合金材料具有較差的抗應力衰減特性時，導體-夾持力隨著溫度升高而減小，從而增大了端子和導體之間的接觸電阻。抗應力衰減特性在高度耐熱合金或高強度合金中得以增強。
根據(jù)條目(2)，Zr在Al-Zr合金中沉積為Al-Zr化合物以增強耐熱性，由此改善了抗應力衰減特性。在這種合金中通過抑制Zr的含量來保持高導電性。
Al-Zr合金中，Zr的含量限定為質(zhì)量上0.02到0.15％，這是因為當含量低于質(zhì)量上0.02％時，不能充分獲得添加Zr的效果，而當含量超過質(zhì)量上0.15％時，不能保持高導電性(57％的IACS或更多)。
根據(jù)條目(3)的Al-Zr基合金為這樣的一種合金，其中，耐熱性通過增大Zr的含量而得以顯著增強，并且其中機械強度通過使合金中包含Be、Fe、Si、和Cu中的至少一種而提高，由此高度改善了抗應力衰減特性。
在Al-Zr基合金中，Zr的含量限定在質(zhì)量上0.20到0.45％范圍內(nèi)，這是由于含量低于質(zhì)量上0.20％時不能獲得高度抗應力衰減特性，而當含量超過質(zhì)量上0.45％時不能實現(xiàn)端子所需的導電性(50％IACS或更高)，從而降低了模塑成端子的性能。另外，Zr非常昂貴而在制造成本方面不利。Zr特別優(yōu)選的含量在質(zhì)量上0.30到0.35％的范圍內(nèi)。
在Al-Zr基合金中，鈹(Be)形成固溶體，以增強機械強度，并加速Zr的沉積，從而提高耐熱性。Be的含量限定在質(zhì)量上0.01到0.05％的范圍內(nèi)，這是由于小于0.01％的含量不足以給出添加Be的效果，而當含量超過質(zhì)量上0.05％時導電性下降。Be特別優(yōu)選的含量在質(zhì)量上0.02到0.04％的范圍內(nèi)。
通過使Fe沉積為Al-Fe化合物，F(xiàn)e提高機械強度。Fe的含量限定在質(zhì)量上0.10到0.30％范圍內(nèi)，這是由于當含量低于質(zhì)量上0.10％時不能充分獲得添加Fe的效果，而當含量超過質(zhì)量上0.30％時，模塑成端子的性能降低。Fe特別優(yōu)選的含量在質(zhì)量上0.15到0.20％范圍內(nèi)。
通過形成固溶體或沉積，Si增強機械強度，或者通過加速精細的Al-Fe化合物的沉積，其增強機械強度。Si的含量限定為質(zhì)量上0.06到0.20％，這是由于當含量小于質(zhì)量上0.06％時不能充分獲得添加Si的效果，而當含量超過質(zhì)量上0.20％時，材料的可模塑性降低。Si的特別優(yōu)選的含量在質(zhì)量上0.06到0.15％的范圍內(nèi)。
通過形成固溶體，Cu提高機械強度。Cu的含量限定在質(zhì)量上0.10到0.30％的范圍內(nèi)，這是因為當含量小于質(zhì)量上0.10％時不能充分獲得添加Cu的效果，而當含量超過質(zhì)量上0.30％時，材料的可模塑性和導電性下降。
在根據(jù)條目(4)的Al-Mg-Si基合金中，通過將Mg-Si化合物沉積在Mg和Si之間，并通過形成固溶體或沉積Fe、Cu和Mn中至少一種而增強機械性能，并且Cr、Zn和Ti中至少一種作用為提高耐熱性，由此改善合金的抗應力衰減特性。Fe也具有增強耐熱性的效果，而Mn還作用為增強抗腐蝕性。
在這種合金中，Mg和Si的含量分別限定在Mg在質(zhì)量上0.35到1.5％范圍內(nèi)，而Si在質(zhì)量上0.30到1.2％的范圍內(nèi)，這是由于當他們中任一種的含量低于上述范圍時，不能充分獲得添加這些元素的效果，當他們中任一種的含量超過上述范圍時，在鑄造后會出現(xiàn)裂紋或者材料的可模塑性下降。通過加速沉積精細的Al-Fe化合物，Si也具有增強機械強度的效果。
在這種合金中，F(xiàn)e、Cu和Mn的含量分別為Fe在質(zhì)量上0.10到1.00％的范圍內(nèi)，Cu在質(zhì)量上0.10到0.40％的范圍內(nèi)，而Mn在質(zhì)量上0.02到0.80％的范圍內(nèi)，這是由于當這些元素中任一種的含量低于上述范圍時，不能充分獲得添加這些元素的效果，而當這些元素中任一種的含量超過上述范圍時，材料的可模塑性下降。
Cr、Zn和Ti的含量分別限定為Cr在質(zhì)量上0.02到0.40％的范圍內(nèi)，Zn在質(zhì)量上0.08到0.30％的范圍內(nèi)，而Ti在質(zhì)量上0.01到0.20％的范圍內(nèi)，這是由于當他們中任一種的含量低于上述范圍時不能充分獲得添加這些元素的效果，而當他們中任一種超過上述范圍時，鑄造特性降低。
根據(jù)條目(1)到(4)所述的用于端子的鋁合金材料在熱擠壓加工或熱軋之后可以通過仿形擠壓和冷軋而加工成片材。這些片材等可以模制成端子。
當熔融液態(tài)鋁合金通過半連續(xù)鑄造方法鑄造成坯料，所形成的坯料熱軋并然后冷軋，從而獲得片材時；或者當熔融液態(tài)鋁合金通過半連續(xù)鑄造方法鑄造成板狀鑄錠，所形成的鑄錠熱軋并然后冷軋成片材時，通過調(diào)節(jié)在冷軋中途應用的熱處理的條件，晶粒尺寸可以控制在本發(fā)明限定的預定范圍內(nèi)。在這種情況下，可以使用諸如Ti-B化合物的晶粒細化劑(crystalgrain-fining agent)。
在冷軋中途應用的熱處理條件優(yōu)選地在350到500℃下3到5個小時，而晶粒尺寸可以通過選擇熱處理條件而簡單地予以控制。
在所形成的片材上幾乎不形成裂紋的優(yōu)選的生產(chǎn)條件的示例包括在優(yōu)選的450到550℃的擠壓初始溫度下熱擠壓加工，且優(yōu)選的擠壓比為20到200；以及在優(yōu)選的350到550℃的軋制初始溫度下熱軋，且優(yōu)選的一次軋制的軋制壓縮比為30％或更大。優(yōu)選地冷軋初始溫度在從普通溫度到120℃的范圍內(nèi)，且優(yōu)選的一次軋制的軋制壓縮比為30％或更大。
由于仿形擠壓在這種擠壓后可以給出本發(fā)明中限定的晶體結(jié)構(晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒的空間系數(shù)為30％或更大)，不需要任何特殊的如上所述的晶粒尺寸控制(調(diào)節(jié))(過程)，從而實現(xiàn)優(yōu)良的生產(chǎn)率。在仿形擠壓加工情況下，在所形成的片材上幾乎不產(chǎn)生裂紋的擠壓溫度(出口處的被擠壓材料的溫度)優(yōu)選地在400到550℃，而特別優(yōu)選地為460到530℃。
本發(fā)明的鋁合金材料尤其適于流過大量電流所用的汽車線束的端子。
用于端子的本發(fā)明的鋁合金材料在端子成形性方面優(yōu)良，并且其可以以高產(chǎn)量獲得無裂紋等的高質(zhì)量端子，這是由于這種合金的晶體結(jié)構中晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒的空間系數(shù)為30％或更小。通過利用具有高度抗應力衰減特性的高度導電的Al-Zr合金、Al-Zr基合金或Al-Mg-Si基合金作為鋁合金，可以獲得保持電連接方面優(yōu)良的端子。由于在本發(fā)明中限定的晶體結(jié)構可以通過仿形擠壓加工獲得，在這種擠壓加工后，不需要特殊的晶粒尺寸調(diào)節(jié)(過程)，從而實現(xiàn)良好的生產(chǎn)率。于是，通過省略掉諸如用于調(diào)節(jié)晶粒尺寸的熱處理，根據(jù)仿形擠壓而加工的本發(fā)明的材料可以實現(xiàn)優(yōu)良的生產(chǎn)率。于是本發(fā)明在工業(yè)應用方面呈現(xiàn)出顯著的效果。
下面，將基于示例詳細描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不由這些示例限定。
示例(示例1)通過向用于電器的鋁合金鑄錠(JISiN90)中加入Zr，分別制備具有表1所示成份的鋁合金的熔融液體(序號A到E)。通過帶輪型連續(xù)鑄造-軋制方法，這些熔融液體處理成直徑9.5mm的粗拉伸導線。通過仿形擠壓加工，所形成的粗拉伸導線加工成厚度2.0mm而寬度60mm的片材，在擠壓過程中片材的溫度調(diào)節(jié)在480到510℃的范圍內(nèi)。最終，實現(xiàn)了如上述條目(1)或(2)所述的合金材料。
(示例2)除了分別提供具有表1所示的成份的鋁合金(序號F到O)的熔融液體之外，厚度2.0mm的片材以示例1相同的方式生產(chǎn)。最終，獲得如上述條目(1)或(3)所述的合金材料。
(示例3)除了分別提供具有表1所示的成份的鋁合金(序號P到T)的熔融溶液之外，以示例1中相同的方式生產(chǎn)厚度2.0mm的片材。結(jié)果，獲得如上述條目(1)或(4)所述的合金材料。
(對比例)具有表1所示的成份的序號為A、F、K、P、和S的鋁合金的熔融液體通過半連續(xù)鑄造方法鑄造成板狀鑄錠。所形成的鑄錠熱軋并然后冷軋成厚度2.0mm的片材。通過在冷軋過程中施加兩種不同的熱處理，并適當?shù)乜刂茻崽幚淼臈l件，所形成片材的晶粒尺寸調(diào)節(jié)成落到本發(fā)明限定的范圍之外。
示例1到3以及對比例1中生產(chǎn)的每種片材模制成圖1A和1B所示形狀的端子，以研究可模塑成端子的性能。
在圖1A和1B中，附圖標記1標示導體夾持部分，附圖標記2標示彎曲部分，而附圖標記3標示螺栓通孔。這個端子與JIS D5403 1989中限定的汽車電池電極端子(零件號BA，公稱號碼508)相同。
相對于10個所獲得的端子，可模塑成端子的性能通過彎曲部分的裂紋的出現(xiàn)(數(shù)量)來考察。結(jié)果為當端子都沒有裂紋時可模塑成端子的性能優(yōu)良，而當至少一個端子具有裂紋時該性能較差。結(jié)果作為所形成的裂紋數(shù)量而示于表2和3內(nèi)。
晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒的空間系數(shù)也列于表2和3中。
晶粒尺寸根據(jù)JIS H 0501(切割方法)測量，而晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒的空間系數(shù)基于所測量的結(jié)果來確定。所測量的表面通過拋光輪研磨成鏡面，隨之以通過電解法拋光將表面層去除若干微米的深度。
表1


相反，在對比例1中的用于對比的21到25號樣本在可模塑成端子的性能上較差，這是由于晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒的空間系數(shù)小于30％，且在端子彎曲部分上出現(xiàn)裂紋。
也相對于本發(fā)明的端子測量了端子所需的抗應力衰減特性和導電性。
鋁合金制成的電纜導體通過壓在端子的導體夾持部分上而得以固定，所形成的端子和電纜在200℃下加熱40小時，并在加熱后測量端子和電纜之間的電阻(r)?？箲λp特性是通過獲得加熱前端子和電纜的電阻(R)與加熱后電阻(r)之間的比來評估的。根據(jù)本發(fā)明的示例的所有樣本1到20號顯示出良好的特性，該比值(r/R)為0.9或更大，表明樣本1到20號具有較高的耐熱性和機械強度。導電性也滿足端子所需的50％ IACS和更大(根據(jù)JIS H 0505測量)。
類似地，當本發(fā)明的鋁合金材料模制成其他構型的端子時(公稱號碼608和708)，不出現(xiàn)裂紋等，且可模塑性良好。
已經(jīng)結(jié)合本實施例描述了本發(fā)明，意圖為除非另外說明，本發(fā)明不由任何詳細描述所局限，而是在所附權利要求中所限定的精髓和范圍內(nèi)廣泛地解釋。
權利要求
1.一種用于端子的鋁合金材料，其晶體結(jié)構中晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒具有30％或更大的晶?？臻g系數(shù)。
2.如權利要求1所述的鋁合金材料，其中，鋁合金包括質(zhì)量上0.02到0.15％的Zr，且余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)。
3.如權利要求1所述的鋁合金材料，其中，鋁合金包括質(zhì)量上0.20到0.45％的Zr，以及從以下組中選出的至少一個元素，該組由質(zhì)量上0.01到0.05％的Be、質(zhì)量上0.10到0.30％的Fe、質(zhì)量上0.06到0.20％的Si、以及質(zhì)量上0.10到0.30％的Cu構成，且余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。
4.如權利要求1所述的鋁合金材料，其中，鋁合金包括質(zhì)量上0.35到1.5％的Mg、質(zhì)量上0.30到1.2％的Si、至少一個從由質(zhì)量上0.10到1.00％的Fe、質(zhì)量上0.10到0.40％的Cu、以及質(zhì)量上0.02到0.80％的Mn構成的組中選出的元素、以及至少一個從由質(zhì)量上0.02到0.40％的Cr、質(zhì)量上0.08到0.30％的Zn以及質(zhì)量上0.01到0.20％的Ti構成的組中選出的元素，且余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。
5.如權利要求1到4中任一項所述的鋁合金材料，其中，其通過仿形擠壓加工方法模制。
6.一種端子，包括如權利要求1到4中任一項所述的鋁合金材料。
7.如權利要求6所述的端子，其中，鋁合金材料通過仿形擠壓加工方法模制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于端子的鋁合金材料，該材料的晶體結(jié)構中晶粒尺寸為30μm或更小的晶粒具有30％或更大的晶?？臻g系數(shù)。并公開了一種包含鋁合金材料的端子。
文檔編號B21C23/00GK1409441SQ02142770
公開日2003年4月9日 申請日期2002年9月19日 優(yōu)先權日2001年9月25日
發(fā)明者會田幸勝, 小川欽也, 藤原英道 申請人:古河電氣工業(yè)株式會社