母線用板狀導體及包括該板狀導體的母線的製作方法
2023-07-22 02:59:31
專利名稱：母線用板狀導體及包括該板狀導體的母線的製作方法
母線用板狀導體及包括該板狀導體的母線
本申請基於2012年I月11日提交的日本專利申請2012-002792，將其內容引入此處以作參考。技術領域
本發明大體上涉及母線(busbar)用板狀導體和包括該板狀導體的母線，更具體地涉及適合用於例如高速列車(新幹線)機車、直線電動機車和混合動力機車所採用的動力控制單元(PCU)的母線用導體。
背景技術：
由具有較高程度導電性的銅材料如無氧銅、韌銅(tough pitch copper)和磷脫氧銅(phosphorus-deoxidized copper)製成的板材常規上用於高速列車(新幹線)機車、直線電動機車和混合動力機車所採用的母線用導電體。當導電體需要具有較高程度的強度時，使用由具有較高程度導電性的銅合金材料製成並經過Ni電鍍的板材。然而，銅和銅合金材料具有相對重的重量，而這對於需要減輕重量以改善車輛燃料經濟性的車輛部件來說並不優選。因此，期望作為替代的輕質導電體用材料。另外，Ni電鍍具有潛在的高成本問題。
鑑於上述問題，由於鋁的成本低且有利於重量減輕，因而其作為用於作為替代的母線用導電體的材料已引起注意。在具有工業純度的鋁材料中，Jis A1060鋁材料被認為對於獲得61%的IACS導電率特別有效，而當需要較高程度的強度時，使用JISA6101鋁合金材料。然而，當將上述鋁和鋁合金材料用於母線用導體時，遇到如下問題。鋁和鋁合金(下文中統稱為「鋁」)必然具有比銅和銅合金程度低的導電率。因此，必須用昂貴的Ni藉助鍍覆或熱噴鍍來塗布鋁材料的表面。當由鋁材料製成的板材塗布有Ni時，在其端面露出鋁材料。因此，當在高溫和高溼條件下使用鋁材料時，鋁和Ni之間的電位差傾向於引起材料腐蝕，導致不充分的耐腐蝕性的問題。
因此，JP-A-7-102356、JP-A-8-47793和 JP-A-11-302855 中提出 了表面塗布有 Zn膜、Cu鍍層或者Sn或Ag層的鋁導體作為如上所述的塗布有Ni的鋁導體的替代選擇。然而，當塗布有Zn、Cu、Sn或Ag的鋁導體以板材的形式製造時，使得導體由於在其鋁基材和塗布金屬Zn、Cu、Sn或Ag之間的電位差而形成電池，導致潛在的快速腐蝕問題。發明內容
鑑於上述背景技術而進行本發明。本發明的第一目的為提供具有較高程度的耐腐蝕性且經濟化生產的母線用板狀導體。本發明的第二目的為提供包括該板狀導體的母線。本發明的第三目的為提供有利生產母線用板狀導體的方法。
通常已知在母線用板狀導體中，表面電流流經具有相對大的面積的導體的相對主表面。發現特別是在高速列車(新幹線)機車、直線電動機車和混合動力機車用PCU中，在主表面下方約10-400 μ m處流過高頻電流。因此，本發明的發明人考慮生產具有如下基本結構的板狀導體，所述基本結構由減輕生產成本和導體重量的由鋁或鋁合金材料所製成的基體，以及具有較高程度導電性的銅材料如無氧銅、韌銅和磷脫氧銅的層(這些層設置在所述導體的相對主表面上)組成。然而，發現上述板狀導體不能解決常規遇到的不充分耐腐蝕性的問題。
鑑於上述發現，本發明的發明人對於在鋁板的相對主表面上設置銅材料的各種方法進行了進一步研究。研究揭示了:當通過將其包覆面已經通過脫脂法或其他清潔處理清潔的鋁板和銅板彼此疊置，並通過使所述板材的層疊體在加熱至200-450°C的溫度的同時進行包覆壓延(clad-rolling)操作，而不是如常規方法通過將銅板接合或鍍覆至鋁板的相對主表面或其上來獲得期望的導體時，由於包覆壓延操作而使存在於鋁和銅材料之間的邊界區域的氧化物膜損壞，鋁和銅材料在高壓下彼此直接結合，以致在邊界區域形成具有優異性質的合金層。因而，完成了本發明。
上述第一目的可根據本發明的第一方面來實現，所述本發明的第一方面提供了 一種母線用板狀導體，所述母線用板狀導體為由源自各自包覆在鋁板的各相對主表面上的兩個銅板的兩層銅層、源自所述鋁板並與所述銅層一體化形成的鋁層和由鋁和銅組成並形成於所述鋁層與所述兩層銅層各銅層之間的兩層合金層組成的包覆構件。
根據本發明的第一方面的優選形式，所述兩層銅層各銅層具有0.01-0.8mm的厚度，所述鋁層具有0.2-2mm的厚度，而所述兩層合金層各合金層具有0.01-0.4mm的厚度，所述包覆構件具有0.25-4mm的總厚度。
根據本發明的第一方面的優選形式，所述包覆構件通過將所述兩個銅板疊置在所述鋁板的各相對主表面上，從而形成所述兩個銅板和所述鋁板的層疊體，並在加熱的同時包覆壓延所述層疊體來形成。
根據本發明的第一方面的優選形式，所述銅板由銅材料或銅合金材料製成。
根據本發明的第一方面的優選形式，所述銅材料為無氧銅、韌銅和磷脫氧銅中的任一種。
根據本發明的第一方面的優選形式，所述鋁板由鋁材料或鋁合金材料製成。
根據本發明的第一方面的優選形式，所述鋁材料為JIS的1000系列鋁。
根據本發明的第一方面的優選形式，所述鋁合金材料為JIS的6000系列鋁合金。
上述第二目的可根據本發明的第二方面來實現，所述本發明的第二方面提供了 一種母線，所述母線包括上述板狀導體。
上述第三目的可根據本發明的第三方面來實現，所述本發明的第三方面提供了 一種母線用板狀導體的生產方法，所述生產方法包括如下步驟:將兩個銅板疊置在鋁板的各相對主表面上，從而形成所述兩個銅板和所述鋁板的層疊體；和在加熱的同時包覆壓延所述層疊體，從而形成母線用板狀導體，所述母線用板狀導體為由源自各自包覆在鋁板的各相對主表面上的兩個銅板的兩層銅層、源自所述鋁板並與所述銅層一體化形成的鋁層和由鋁和銅組成並形成於所述鋁層與所述兩層銅層各銅層之間的兩層合金層組成的包覆構件。
根據本發明的第三方面的優選形式，將所述層疊體加熱至200-450°C。
根據本發明的第三方面的另一優選形式，將所述銅板和所述鋁板至少之一的包覆面進行表面粗糙化處理。
要理解的是，以下描述中的術語「鋁」用作鋁和鋁合金的通用術語，即，鋁含量不低於99.0%的鋁材料，以及包含Cu和Mn作為合金組分且鋁含量低於99.0%的鋁合金材料。
將根據本發明的母線用板狀導體配置為兩層銅板包覆在鋁板的相對主表面，並在源自鋁板的鋁層和源自銅板的銅層之間形成主要包括鋁和銅的合金層。因此，根據本發明的板狀導體不僅可顯示高度的導電性，還可以由於有效地防止由鋁和銅材料之間的電位差所引起的電腐蝕而顯示高度的耐腐蝕性。
構成上述導體的銅和鋁均為軟金屬，以致導體通常難以用螺絲固定。然而，根據本發明的主要包括鋁和銅的合金層具有較高程度的硬度，使得能夠在各種應用中用螺絲固定導體，使得導體有利地用於母線。
據知，在不存在任何明顯金屬間化合物下，主要包括鋁和銅的合金層彼此擴散和混合。在此使用表述「主要」是因為考慮到在鋁和銅中作為雜質所包含的痕量元素會在合金層中擴散。各合金層不易碎，並且對於設置在相應合金層的各相對側的鋁和銅層具有較高程度的粘合性。特別注意的是，合金層的存在防止由鋁和銅材料之間的電位差所引起的腐蝕，使得能夠有效地改善導體的耐久性。
當與附圖一起考慮時，通過閱讀下述本發明的優選實施方案的詳細描述，將更好地理解本發明的上述和其他目的、特徵、優點，其中:
圖1為示出獲得根據本發明的一個實施方案的母線用板狀導體的過程的示意性截面圖。
圖2為圖1中A部分的放大示意圖。
附圖標記說明
2:招板
2』:招層
4:銅板
4』:銅層
6:彼此疊置的板材的層疊體
8:合金層
10:包覆體具體實施方式
如圖1所示，通過將兩個銅板4、4疊置在鋁板2的各相對主表面上，從而形成層疊體6，然後在高壓下包覆壓延層疊體6，獲得了作為一體化包覆體10的根據本發明的一個實施方案的母線用板狀導體。鋁板2由如上所述的鋁材料或鋁合金材料製成，具體地，由1000系列鋁材料如JIS (日本工業標準)的A1060和AllOO製成。當需要足夠高程度的強度時，使用6000系列鋁合金材料如JIS A6101。
作為銅板4，有利地使用由銅材料如無氧銅、韌銅和磷脫氧銅製成的板材。然而，可根據需要使用由已知銅合金材料製成的板材。要理解的是，在此使用術語「銅」作為銅和銅合金的通用術語。
將鋁板2和銅板4進行已知的清潔處理如脫脂處理，以使它們的表面，特別是包覆面(相互接觸的表面)儘可能乾淨，從而防止雜質混入在鋁板2和銅板4之間所形成的合金層8，以便有利地確保所期望的合金層8的性質。另外，包覆面有利地進行已知的表面粗糙化處理如發紋加工(hairline finish)處理，以便有效地將招板2和銅板4包覆在一起。
使疊置在鋁板2的各相對主表面上的由鋁板2和銅板4，4構成的層疊體6在通過加熱設備如聯機加熱器(on-line heater)加熱至200_450°C的同時在高壓下進行包覆壓延操作。結果，如圖1和2所示，在鋁板2和銅板4之間的明顯邊界消失，並在鋁板2和銅板4之間形成兩個合金層8。在合金層8中，主要的鋁和銅彼此擴散並且彼此僅僅混合，而不形成任何金屬間化合物。因此，所期望的板狀導體作為一體化包覆體10而形成，其中具有預定厚度的各兩層合金層8存在於源自鋁板2的鋁層2』與源自兩個銅板4的兩層銅層4』中相應的一層之間。
在包括如上所述獲得的一體化包覆體10的根據本發明的板狀導體中，由鋁板2構成的鋁層2』的厚度T1優選0.2-2mm,由兩個銅板4構成的兩層銅層4』各自的厚度T3優選0.01-0.8mm,而形成於鋁層2』和銅層4』之間的兩個合金層8各自的厚度T2優選0.01-0.4mm。以一體化包覆體10的形式的板狀導體的總厚度( ^+ ^+ ^)優選0.25_4mm。
在一體化包覆體10 (板狀導體)中，小於0.2mm的鋁層2』的厚度T1例如會導致諸如難以維持母線所需剛性的問題。另一方面，當厚度T1大於2_時，板狀導體不必要地厚且重，並不能用作狹窄空間中的母線。
小於0.0lmm的各銅層4』的厚度T3導致表面電流難以流動的問題，這傾向於引起導電性的降低。另一方面，由於大於0.8mm的厚度T3使得難以確保足夠高的導電性，並引起生產成本和導體重量不期望的增加，因而不優選。
小於0.0lmm的合金層8的厚度T2導致難以改善耐腐蝕性的問題，同時大於0.4mm的厚度T2也不產生耐腐蝕性的進一步增加。
小於0.25mm的一體化包覆體10的總厚度(TjTfT3)例如導致難以維持母線所需剛性的問題。當厚度(TJI^T3)大於4mm時，板狀導體不必要地厚且重，並不能適合地用作狹窄環境中的電源供給母線。
雖然僅出於說明目的而詳細描述本發明的一個實施方案，但要理解的是，本發明不限於所述具體實施方案的細節。
例如，優選包覆在 鋁板2的各相對主表面的銅板4、4具有相同的厚度。然而，可使用具有各自不同厚度的銅板。在該情況下，位於鋁層2』的各相對側的合金層8、8由於銅層4』、4』的厚度差異而可具有不同的厚度。在任何情況下，兩層銅層4』、4』不必具有相同的厚度，而兩層合金層8、8也不必具有相同的厚度。
另外，可優選將鋁板2和銅板4、4進行包覆壓延操作，但可以使用任何其他已知的包覆操作:其中將包括鋁板2和銅板4、4的層疊體6壓制或擠壓在其相對主表面上，從而獲得包覆體10。
要理解的是，在不偏離本發明的精神的情況下，可在本領域熟練技術人員可進行的各種其他變化、改造和改進(此處未示出)下實施本發明。
[實施例]
為了進一步闡明本發明，將描述本發明的典型實施例。然而，要理解的是，本發明不限於所述實施例和前述描述的細節。
提供0.5mm厚、IOOmm寬和200mm長的由無氧銅製成的兩個銅板。提供2.5mm厚、IOOmm寬和200mm長的由JIS A1060材料製成的一個鋁板。根據常規方法用有機溶劑使銅板和鋁板進行脫脂處理，並乾燥。然後，使銅板和鋁板的包覆面進行發紋加工處理，從而防止它們的滑動性質(slippery nature)。
將兩個銅板疊置在鋁板的各相對主表面上，以使經過發紋加工處理的銅板和鋁板的包覆面彼此保持接觸。然後，在加熱爐中加熱因此所得的銅和鋁板的層疊體，並在300°C的溫度下進行包覆壓延操作，直至層疊體的厚度減少至1.9_。因此，獲得由一體化包覆在鋁板的各相對主表面上的鋁板和銅板組成的包覆板(板狀導體)。包覆板的截面的觀察揭示了包覆板的中心部分的鋁層的厚度(Tl)為約1.1mm，包覆板的兩個外部部分的兩層銅層各銅層的厚度(T3)為約0.3mm,由鋁和銅組成的各合金層的厚度(T2)為約0.1mm。
從因此所得的包覆板中切出1.9mm厚、IOOmm寬和IOOmm長的試驗片，從而評價其耐腐蝕性(耐久性)。即，試驗片連續地進行3，000次加熱冷卻循環。在各循環中，將試驗片加熱至150°C的溫度，然後冷卻至_40°C的溫度。然後，用顯微鏡觀察在鋁層和銅層之間的邊界區域中的截面，並評價腐蝕的存在。試驗片顯示無腐蝕。
另一方面，通過將由JIS A1060材料製成，1.7mm厚、IOOmm寬和IOOmm長的鋁板的各相對主表面鍍覆有0.1mm厚的銅來提供比較試驗片。以與上述相同的方式進行的所得比較試驗片的腐蝕存在的評價，顯示出在比較試驗片中明顯的腐蝕。
權利要求
1.一種母線用板狀導體，其為由源自各自包覆在鋁板的各相對主表面上的兩個銅板的兩層銅層、源自所述鋁板並與所述銅層一體化形成的鋁層和由鋁和銅組成並形成於所述鋁層與所述兩層銅層各銅層之間的兩層合金層組成的包覆構件。
2.根據權利要求1所述的板狀導體，其中所述兩層銅層各銅層具有0.01-0.8mm的厚度，所述鋁層具有0.2-2mm的厚度，而所述兩層合金層各層具有0.01-0.4mm的厚度，所述包覆構件具有0.25-4mm的總厚度。
3.根據權利要求1所述的板狀導體，其中所述包覆構件通過將所述兩個銅板疊置在所述鋁板的各相對主表面上，從而形成所述兩個銅板和所述鋁板的層疊體，並在加熱的同時包覆壓延所述層疊體來形成。
4.根據權利要求1所述的板狀導體，其中所述銅板由銅材料或銅合金材料製成。
5.根據權利要求4所述的板狀導體，其中所述銅材料為無氧銅、韌銅和磷脫氧銅中的任一種。
6.根據權利要求1所述的板狀導體，其中所述鋁板由鋁材料或鋁合金材料製成。
7.根據權利要求6所述的板狀導體，其中所述鋁材料為JIS的1000系列鋁。
8.根據權利要求6所述的板狀導體，其中所述鋁合金材料為JIS的6000系列鋁合金。
9.一種母線，其包括根據權利要求1所限定的板狀導體。
10.一種母線用板狀導體的生產方法，其包括如下步驟:將兩個銅板疊置在鋁板的各相對主表面上，從而形成所述兩個銅板和所述鋁板的層疊體；和在加熱的同時包覆壓延所述層疊體，從而形成母線用板狀導體，所述母線用板狀導體為由源自各自包覆在鋁板的各相對主表面上的兩個銅板的兩層銅層、源自所述鋁板並與所述銅層一體化形成的鋁層和由鋁和銅組成並形成於所述鋁層與所述兩層銅層各銅層之間的兩層合金層組成的包覆構件。
11.根據權利要求10所述的方法，其中將所述層疊體加熱至200-450°C。
12.根據權利要求10所述的方法，其中將所述銅板和所述鋁板至少之一的包覆面進行表面粗糙化處理。
全文摘要
本發明涉及母線用板狀導體及包括該板狀導體的母線。一種母線用板狀導體，其為由源自各自包覆在鋁板的各相對主表面上的兩個銅板的兩層銅層、源自所述鋁板並與所述銅層一體化形成的鋁層和由鋁和銅組成並形成於所述鋁層與所述兩層銅層各銅層之間的兩層合金層組成的包覆構件。
文檔編號H01B5/02GK103208320SQ20131000957
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月10日 優先權日2012年1月11日
發明者芝健史郎, 坂本優亮, 井村仁史, 新美貴尚, 下地正晃, 近藤晴久, 玉置充宏 申請人:豐田自動車株式會社, 真和工業株式會社, 住友輕金屬工業株式會社