銅合金在汽車連接器上的選型應用研究

陳海東 聶盛明 方健

（1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

（2.東莞胡連電子科技有限公司，廣東 東莞 523000）

隨著近幾年國內汽車產銷量增加的前景下，汽車網聯、L2，L2.5，L3 級自動駕駛功能、數字座艙、人性化等功能需求迅速增加增多，實現這些功能的ECU 之間的通訊也要求越來越高，導致不同種類、不同部位、不同等級要求的連接器應用也越來越多，同時試驗要求、防水、防塵、防震、EMC 等要求也越來越嚴格。同時也增加了連接器公母端子對其材料的性能要求也越來越苛刻，要有更加具有優異的綜合性能的銅合金來滿足市場、主機廠等要求。

一、銅合金基本性能介紹

（一）導電率：是對物質導電能力的量度，表示在一定的電場下所產生的電流大小。

導電率σ 定義為電流密度J 與電場Ε 的比值，即：

σ=J/Ε 單位：% IACS

影響溫升、電氣特性：導電率越高，相對接觸阻抗越小，電壓、電流、信號傳導性能越佳。

（二）熱導率

導熱率計算公式：k=(Q/t) *L/(A*T)

k：導熱率、Q：熱量、t：時間、L：長度、A：面積、T：溫度差，在SI 單位，導熱率的單位是 W/(m*K)。

熱傳導溫度：導電率越高，數值相對越大，熱傳導系數越大，溫升越慢、散熱越佳。

（三）具有屈服強度特性

不同的材料屬性，所表現出來的屈服現象不一定。彈性極限后，施加壓力載荷，當達到某一數值時，應力會突然下降，此應力即為屈服強度，可被定義材料產生屈服時拉力 (P) 除以原截面積 (A0)：

（四）抗拉強度

材料經過屈服現象之后，繼續施加應力，材料抗拉強度隨外加應力的提升而提升。當到達最高點時刻的應力即為材料最大抗拉強度。最大抗拉強度可用公式表示如下：

（五）伸長率

（六）硬度

硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。銅合金硬度測試一般為維氏硬度（HV）。其方法如下

硬度影響金屬端子表面磨損、材料強度、接觸面模磨損。對銅合金而言，硬度值越高，相對材料的強度也越高，可以作為選材性能參考，而且必須考慮產品的厚度及結構，從而選擇正確的硬度值，以增加成型性。

（七）折彎測試

常用彎曲半徑和鈑金厚度的比值來表示，一般R/T 需要小于3，值越小越好。

加工折彎性：依據材料厚度不同，一般最少要有 90°或180°折彎能力。

二、連接器端子用銅合金應具備的性能

根據目前經驗計算，每臺車用銅量小型車15 公斤左右，豪華車型28 公斤左右。主要分布在機艙及室內儀表臺里。每臺車大約有500 到2500 個連接器，電流范圍由毫安到100A，甚至電流更大。對銅合金的穩定可靠性有了更高的需求。

對連接器的設計標準，插入力與拔出力、折彎檢查、電路測試、最大額定電流/電壓、接觸強度、機械特性、連續電流測試、熱沖擊測試、溫度/濕度測試、高溫暴露試驗、鹽霧試驗、浸泡試驗、可焊接試驗等要求。

設計標準里的一些特性要求對應到銅合金特性上，成型性對應銅合金的R/t 比（折彎性能）；端子的強度對應屈服強度，結合應力—應變曲線，找到適合的屈服應變的區間點。

端子里的彈片結構應力計算，一把按照彎曲懸臂梁模型進行計算，可由公式判斷材料是否可以承受最初的設計應力。同時要考慮永久變形發生在設計應力超過材料的屈服點情況，如果發生永久變形，會影響端子連接的可靠性，車上不同部位或者有運動部位的連接器，公母端子在有外力情況下，金屬表面會產生相對運動，進而有一定摩擦和磨損，端子表面鍍層損壞，電阻值變低，影響電壓以及壓降，最終造成連接器失效，影響整車信號傳遞，進而可能導致車輛的功能失效導致整車安全行駛。

正向力對應銅合金的彈性系數，插入力按照端子的模型進行力學計算即可。

工作電流及阻抗要求，對應銅合金的導電率，導電率可通過不同種類的銅合金進行試驗測試得到。

三、常用高強度銅合金性能簡介

汽車連接器公端子用銅合金要滿足中高導電率與熱傳導習熟、好的折彎表現、抗腐蝕能力；母端子除了滿足公端子要求外，還需要高強度（抗拉和屈服強度）、高抗熱應力松弛、高溫下的穩定接觸力、高溫下的長時間預應能力。同時要考慮銅合金的價格，既要成本達標，也要性能達標。

四、銅合金不同性能的替代性材料簡介

在選擇銅合金時，也可以根據上述介紹的銅合金性能，在車上不同部位用的連接器，可以進行銅合金材料的替代。以高導合金銅為例，介紹不同類型合金銅的性能，供參考。

C1100-H：價格中低，成分（影響性能特性）Cu≧99.9%，O:0.005-0.040%,導電率100%IACS，熱傳導（W/(m·K)）效率390，抗拉強度（Mpa）介于290-360 之間，屈服強度（Mpa）大于等于250，彈性系數（Gpa）為127，伸長率（%）大于等于4，R/T 比接近0，硬度90-110HV，常用硬度1/2H，H。

C1220-H：價格中低，成分Cu ≧99.9%，P:0.015-0.040%,導電率79.3%IACS，熱傳導（W/(m·K)）效率340，抗拉強度（Mpa）介于 290-360之間。屈服強度（Mpa）大于等于250，硬度90～110HV，常用硬度1/2H，H，彈性系數（Gpa）為132，伸長率（%）大于等于4，R/T 比接近0。

C15100-H：價格高，成分Cu ≧99.9%，Zr:0.05-0.15%,導電率90%IACS，熱傳導（W/(m·K)）效率360，抗拉強度（Mpa）介于 360-435 之間。屈服強度（Mpa）大于等于250，彈性系數（Gpa）為118，硬度90～110HV，常用硬度1/2H，H，伸長率（%）大于等于4，R/T 比接近0。

C17200-TM04：價格高，成分Cu 余量，Be：1.8-2.0%，Pb：小于0.02%，Co+Ni：0.20%，導電率17-28%IACS，熱傳導（W/(m·K)）效率105，抗拉強度≥960Mpa。屈服強度（Mpa）介于750～940，彈性系數（Gpa）為131，硬度285-343HV，常用硬度TM01、TM02、TM04，伸長率（%）介于9-20 之間，R/T 比接近1。

C17410-H：價格高，進口材料，成分Cu 余量，Be：0.15-0.5%，Co：0.35-0.6%，導電率45-60%IACS，熱傳導（W/(m·K)）效率230，抗拉強度（Mpa）介于 750-900。屈服強度（Mpa）介于690-830，彈性系數（Gpa）為138，硬度210-278HV，常用硬度1/2H，H。伸長率（%）介于7-17，R/T 比接近1.2。

C19210（K80-R420）：價格高，成分Cu 余量，Fe:0.10%,P：0.03%，導電率91.4%IACS，熱傳導（W/(m·K)）效率350，抗拉強度（Mpa）介于 420-500。屈服強度（Mpa）大于等于350，硬度120-150HV，常用硬度1/2H，H，EH，彈性系數（Gpa）為130，伸長率（%）大于等于3，R/T 比接近1。

C19400（K65-R470）：價格高，成分Cu 余量，Fe:2.4%,P：0.03%，Zn：0.12%，抗拉強度（Mpa）介于 470-530，導電率63.8%IACS，熱傳導（W/(m·K)）效率280，屈服強度（Mpa）大于等于440，彈性系數（Gpa）為123，硬度140-160HV，常用硬度H，SH。伸長率（%）大于等于4，R/T 比接近0.5。

五、結論

（一）本文介紹了汽車用連接器及其端子的基本性能要求，并初步介紹了力學模型的建立。

（二）根據連接器端子的基本性能要求，對銅合金材料的性能要求進行了簡要介紹，以及銅合金在不同結構、使用位置的對連接器端子性能要求。

（三）簡要介紹幾種銅合金的性能相關特性，可進行初步選型的參考。