低電壓汽車發(fā)動(dòng)機(jī)線束的高強(qiáng)度鋁線

來(lái)源：?作者：?2021-06-03 17:29

近年來(lái)，隨著車輛使用的系統(tǒng)數(shù)量的增加，線束的重量一直在增加。為了減輕它們的重量，鋁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅已經(jīng)成為一種電線導(dǎo)體。然而，傳統(tǒng)的鋁合金不能用于小規(guī)格線 (0.35mm2 和0.5mm2)或在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，因?yàn)樗鼈兊膶?dǎo)體強(qiáng)度不足。為此，我們開發(fā)了一種更強(qiáng)的鋁合金，其導(dǎo)體強(qiáng)度相當(dāng)于或強(qiáng)于銅，并首次在工廠成功地制造了一種高強(qiáng)度的鋁合金線材。將這0.35 mm2 ?電線用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙室，我們于2015年4月開始批量生產(chǎn)。該合金的目標(biāo)性能為抗拉強(qiáng)度為220MPa，電導(dǎo)率為50%IACS。以6000系列鋁合金為原料，對(duì)添加劑元素及其含量進(jìn)行了規(guī)定。通過(guò)考察Mg2Si金屬間化合物的沉淀狀態(tài)，確定了時(shí)效條件。通過(guò)這種方法，我們獲得了250MPa的抗拉強(qiáng)度和52%IACS的電導(dǎo)率，兩者都超過(guò)了目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：鋁電線，發(fā)動(dòng)機(jī)線束，高強(qiáng)度鋁合金

一? 導(dǎo)言

汽車安全性與舒適性的提高意味著汽車使用的系統(tǒng)電路數(shù)量增加，從而增加電線的數(shù)量。因此，人們對(duì)線束重量的增加感到關(guān)切。為了減輕線束的重量，鋁線，使用鋁作為導(dǎo)體而代替銅，越來(lái)越多地用于其低比重項(xiàng)目。鋁線的使用對(duì)于降低成本也是有效的，因?yàn)殂~線的價(jià)格隨著最近原材料價(jià)格的上漲而上漲。

?由于這些優(yōu)點(diǎn)，鋁線的使用預(yù)計(jì)將增加更多。然而，由于傳統(tǒng)鋁線的導(dǎo)體強(qiáng)度不足，不可能在0.35mm2或0.5mm2或等小尺寸電線上，而這是傳統(tǒng)銅線的尺寸，也不能用于受到強(qiáng)烈振動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙室。因此，線束的重量在多大程度上可以減少是有限制的。

為此，我們開發(fā)了一種強(qiáng)度相當(dāng)于或大于銅的高強(qiáng)度鋁合金，也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙室。用這種合金，我們制造了一種小尺寸0.35mm2的高強(qiáng)度線材。我們是業(yè)內(nèi)第一家成功將鋁線應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)線束的公司。從0.35mm2電線開始，我們于2015年4月開始生產(chǎn)這種線束。

本文主要報(bào)道了一種高強(qiáng)度鋁合金的開發(fā)，該合金可用于小型電線和發(fā)動(dòng)機(jī)艙室。

二? 高強(qiáng)度鋁合金的發(fā)展

1發(fā)展目標(biāo)

這種合金的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最小尺寸為0.35mm2的鋁線，0.35mm2是傳統(tǒng)銅線的尺寸。對(duì)于汽車的應(yīng)用，電線需要同時(shí)具有高強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）和良好的導(dǎo)電性能(導(dǎo)電性*1)。

在開發(fā)中，我們的目標(biāo)是確保與傳統(tǒng)銅線等效或大于傳統(tǒng)銅線的振動(dòng)電阻。根據(jù)以往關(guān)于端子壓接強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，我們?cè)O(shè)定了220MPa 的目標(biāo)抗拉強(qiáng)度和50%IACS的電導(dǎo)率，這樣即使在常規(guī)銅線ISO線上增加一個(gè)尺寸，熔斷器的匹配也不會(huì)改變。此外，對(duì)于特定的材料性能，我們的目標(biāo)是滿足ISO等官方標(biāo)準(zhǔn)。

2合金設(shè)計(jì)

一般工業(yè)用途的純鋁材料（1060：純度99.6%）具有62%IACS的高導(dǎo)電性，但有70MPa低抗拉強(qiáng)度(1) 。因此有必要提高汽車應(yīng)用的強(qiáng)度。

加強(qiáng)元件被添加到用于常規(guī)電線的鋁合金中。然而，這只能將強(qiáng)度提高到120MPa左右，約為常規(guī)導(dǎo)線銅強(qiáng)度的一半，并將導(dǎo)線縮小到小于0.75mm2 很難。(2)-(4)

在這種新的合金發(fā)展中，我們比較了各種鋁合金的性能(圖1)并選擇了6000系列，因?yàn)樗奶匦宰罱咏繕?biāo)。因此，我們決定使用鎂(Mg)和硅(Si)作為添加到鋁中的元素。

為了確定Mg和Si添加劑的用量，我們將合金材料鑄造為原型，并從合金強(qiáng)度、導(dǎo)電性和延伸率縮小了范圍，這些性能影響線材的拉伸性和易用性。

因此，我們縮小了可以滿足的目標(biāo)特性的范圍，如圖2所示。確定了滿足目標(biāo)抗拉強(qiáng)度220MPa和電導(dǎo)率50%IACS的添加劑量。我們還考慮了精煉方法，如后面所述，并進(jìn)一步縮小了范圍使生產(chǎn)管理變得容易。因此，我們選擇了Al-0.6mass%Mg-0.5mass%Si的合金設(shè)計(jì)值。

通過(guò)這種成分，我們獲得了抗拉強(qiáng)度為250MPa，電導(dǎo)率為52%IACS的合金，這些特性超過(guò)了目標(biāo)。

3精煉方法的建立

該6000系列鋁合金是通過(guò)在溶液熱處理中將Mg和Si添加劑熔化到合金中來(lái)增強(qiáng)的材料*2 ，然后是老化熱處理*3 來(lái)沉淀Mg2Si化合物。在這一發(fā)展中，有必要在線材制造過(guò)程中進(jìn)行鋁合金溶解和時(shí)效熱處理。因此，我們選擇了圖3所示的過(guò)程，用于高效線材制造。

在加入添加劑元素的基材澆鑄軋制后，在溶液熱處理過(guò)程中，添加劑元素被溶解到材料中。隨著元素的溶解，合金被拉伸，并將添加劑元素作為金屬間化合物在時(shí)效熱處理過(guò)程中沉淀，以完成導(dǎo)體的制作。然后在擠壓過(guò)程中覆蓋導(dǎo)體。

在這些過(guò)程中，Mg和Si的添加劑元素在500°C或更高的溫度下通過(guò)溶液熱處理溶解到鋁材料中，如圖4所示。然而，問(wèn)題是，添加劑元素需要保持溶解在材料中，即使在室溫下，添加劑元素通常不溶解。

對(duì)于冷卻，我們比較了空氣冷卻，空氣冷卻材料很慢，以及冷水冷卻，冷水冷卻通過(guò)將材料浸入水中而迅速冷卻。

如表1所示，冷水快速冷卻的樣品在拉伸過(guò)程后保持添加劑元素溶解。

此外，在老化熱處理中，通過(guò)保持低溫低于200°C，Mg2Si金屬間化合物被精細(xì)沉淀和分散，如照片1所示。

因此，我們成功地創(chuàng)造了一個(gè)具有目標(biāo)性能的高強(qiáng)度鋁線

4高強(qiáng)度鋁線結(jié)構(gòu)

表2顯示了0.35mm2的規(guī)格的我們開發(fā)的高強(qiáng)度鋁線。導(dǎo)體有19條?0.155mm股絲。它靈活的結(jié)構(gòu)抗發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。這些特點(diǎn)使重量可以減少53%，與傳統(tǒng)的同規(guī)格銅線相比。

5導(dǎo)線特性的確定

圖5顯示了高強(qiáng)度鋁合金的S-N（應(yīng)變幅值和循環(huán)彎曲次數(shù)）曲線。應(yīng)變幅值是彎曲時(shí)表面導(dǎo)體長(zhǎng)度變化率的波動(dòng)。

結(jié)果表明，與傳統(tǒng)鋁合金相比，高強(qiáng)度鋁合金在低應(yīng)變下的壽命有了很大的提高。

它在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)應(yīng)變方面也優(yōu)于傳統(tǒng)的銅線，這是這一發(fā)展的目標(biāo)。在低應(yīng)變下，材料越強(qiáng)，其壽命就越長(zhǎng)，因此我們可以說(shuō)，這顯示了將強(qiáng)度提高到比銅更高的值的效果。

高強(qiáng)度鋁合金在開門和關(guān)門的彎曲公差上也超過(guò)了銅。這可以描述為彎曲公差和振動(dòng)公差的最佳導(dǎo)體。

我們測(cè)試了高強(qiáng)度鋁線在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的情況下，電線實(shí)際上是用于線束上（照片2）。

在結(jié)果中，得到了良好的特性，如圖6所示. 與傳統(tǒng)的鋁線相比，所開發(fā)的電線的強(qiáng)度有了很大的提高，并且比傳統(tǒng)的銅線承受了更多的循環(huán)。

假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙室的環(huán)境，我們研究了在125°C高溫下暴露期間和之后的導(dǎo)體強(qiáng)度。結(jié)果如圖7 和8所示。

所開發(fā)的鋁合金比傳統(tǒng)鋁合金強(qiáng)，雖然隨著溫度的升高，強(qiáng)度下降，但不低于銅的強(qiáng)度。即使在125°C時(shí)，強(qiáng)度也高于銅。此外，雖然在室溫下強(qiáng)度下降，但在125°C下測(cè)試的電線保持的強(qiáng)度超過(guò)銅。

這樣，高強(qiáng)度鋁線可以確保至少與傳統(tǒng)銅線在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的強(qiáng)度水平相同。

三? 高強(qiáng)度鋁線端子的研制

通常用于汽車線束上連接部分的結(jié)構(gòu)如圖9所示。用一種叫做壓接的方法將端子連接到電線上，然后將端子插入連接器并與連接器配合在一起。(3),(4)

為了擴(kuò)大這些鋁線束的使用，我們使用專門用于傳統(tǒng)的鋁線的端子，可以通過(guò)壓接連接，壓接在線束制作中很常見。我們開發(fā)了將新開發(fā)的電線連接到端子的技術(shù)。

壓接是一種制造方法，將復(fù)合電線剝皮，在端子上用U形桶擠壓，從而獲得接觸電阻和保持力。

由于鋁的表面覆蓋著很強(qiáng)的絕緣氧化膜，它需要比銅更強(qiáng)的擠壓，以獲得穩(wěn)定的接觸電阻。我們從連接性能方面研究了高強(qiáng)度鋁線導(dǎo)體的物理性能，并驗(yàn)證了常規(guī)鋁線的壓接方法是否也可用于已開發(fā)的導(dǎo)線。結(jié)果見表3。

研究發(fā)現(xiàn)，所研制的導(dǎo)線上的氧化膜與傳統(tǒng)的鋁線導(dǎo)體的物理性質(zhì)相當(dāng)相似。由于傳統(tǒng)的壓接方法很可能用于開發(fā)的電線，我們?cè)u(píng)估了壓接的特性。如圖11所示，得到了滿足接觸電阻和保持力標(biāo)準(zhǔn)的壓接條件。

四? 使用鋁線和未來(lái)的產(chǎn)品系列的發(fā)動(dòng)機(jī)線束

我們從2015年4月開始制造高強(qiáng)度鋁線，從0.35mm2 電線開始。我們制造的電線和發(fā)動(dòng)機(jī)線束如照片3 和4所示。高強(qiáng)度鋁線約占照片4所示線束的20%

表4顯示了我們計(jì)劃從現(xiàn)在開始釋放的高強(qiáng)度鋁線的系列。除了我們已經(jīng)大量生產(chǎn)的100°C 耐熱級(jí)0.35f型柔性絞合導(dǎo)體結(jié)構(gòu)外，我們還在為發(fā)動(dòng)機(jī)線束(100°C耐熱級(jí))和內(nèi)部線束(80°C耐熱級(jí))準(zhǔn)備項(xiàng)目，就像在銅線系列一樣。

五? 結(jié)論

我們開發(fā)了一種用于汽車線束的高強(qiáng)度鋁線，目的是減輕其重量和成本。導(dǎo)線采用強(qiáng)度相當(dāng)于或大于銅的高強(qiáng)度鋁合金導(dǎo)體。這些特點(diǎn)使電線適用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙室，并允許它減少到0.35mm2大小.

采用Al-0.6mass%Mg0.5mass%Si的鋁合金和有效的精煉處理?xiàng)l件，我們生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋁線，與相同尺寸的常規(guī)銅線相比，具有較高的抗發(fā)動(dòng)機(jī)抗振動(dòng)能力，且重量減少了53 %。我們于2015 年4 月開始生產(chǎn)高強(qiáng)度鋁線，從0.35mm2開始。從現(xiàn)在開始，我們將努力擴(kuò)大鋁線的尺寸變化，并找到新的應(yīng)用，如鋁編織和屏蔽線。

六? 技術(shù)術(shù)語(yǔ)

＊1導(dǎo)電性：一種物質(zhì)的導(dǎo)電的能力。它是用退火銅的比率表示，被認(rèn)為是100。單位為%IACS（國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)）。

＊2 溶液熱處理：一種熱處理，材料在較高的溫度下加熱，然后迅速冷卻，使添加劑元素均勻地溶解在整個(gè)鋁合金中。

＊3老化熱處理：一種熱處理，其中一種材料在相對(duì)較低的溫度下加熱，隨著時(shí)間的推移，溶解的添加劑元素作為化合物沉淀。

＊4壓接：一種電氣和機(jī)械連接的方法，通過(guò)擠壓端子與電線來(lái)完成