DE60128468T2

DE60128468T2 - Stromverteilerbaugruppe

Info

Publication number: DE60128468T2
Application number: DE60128468T
Authority: DE
Inventors: Hidemichi Fujiwara
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2021-06-23
Also published as: KR20030008204A; JPWO2002071563A1; WO2002071563A1; EP1291992A4; KR100434617B1; EP1291992B1; DE60128468D1; US20020162683A1; EP1291992B9; EP1291992A1; US6573454B2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Verteilersystem vorzugsweise für mobile Einrichtungen wie Fahrzeuge einschließlich Automobilen, die beleuchtet werden müssen, und insbesondere auf ein elektrisches Verteilersystem, das einen verdrillten Kabelleiter aus Aluminium und eine am Kabelleiter angebrachte Verbindungsklemme aus Aluminium umfasst (nachstehend wird der Begriff "Aluminium oder Aluminiummetall" oftmals als "Al" bezeichnet).
Stand der Technik
Herkömmlicherweise wurden Kupfersysteme als Verteilersysteme für Automobile in Form von Kabelbaumleitungen, Batteriekabeln und anderen darin eingebauten Leitungen verwendet. Jedes System besitzt nicht nur ein Verteilerkabel, dessen Leiter verdrillte Kupferdrähte sind, sondern besitzt auch Kupferverbindungsklemmen, die am Kabel angeschlossen sind. Unter solchen Umständen besteht ein jüngster Trend darin, eine neue Art von Automobil zu entwickeln, dessen Antriebsleistung teilweise oder ganz durch elektrischen Strom geliefert wird. Ein Schlüsselfaktor bei der Entwicklung ist, welche Art von elektrischem Verteilersystem verwendet werden sollte. Es wurde in Erwägung gezogen, für ein solches elektrisches Verteilersystem ein Al-System zu verwenden, das ein Verteilerkabel aus verdrillten Al-Drähten und an das Kabel angeschlossen Al-Verbindungsklemmen umfasst, weil es den Vorteil hat, vom Gewicht her leichter zu sein, was auf das Aluminiummetall zurückzuführen ist.
Allerdings weist das Al-System verschiedene Probleme auf. Anders ausgedrückt, bewirkt der Langzeiteinsatz des aus Al bestehenden Systems eine dicke Oxidschicht, die zwischen den verbundenen Grenzflächen des verdrillten Al-Drahtleiters und jeder Al-Verbindungsklemme entsteht. Zusätzlich korrodiert das aus Al bestehende System in einer korrodierenden Umgebung leichter. Bei einem Einsatz in einer solchen korrodierenden Umgebung nimmt der Kontaktwiderstand zwischen dem verdrillten Al-Drahtleiter und der Al-Verbindungsklemme nach und nach zu, wodurch eine charakteristische Verbindungseigenschaft zwischen diesen im Laufe der Zeit zunichte gemacht wird.
Um diese Probleme zu überwinden, dachte man darüber nach, die aus Al bestehenden verdrillten Drähte mit einem korrosionsbeständigen Metall wie Ni zu beschichten, dies wurde aber wegen der nachstehend aufgeführten Probleme nicht praktisch umgesetzt.

(1) Einen Al-Draht großen Durchmessers mit Ni zu beschichten, bevor er zu einer zu verdrillenden Litze gezogen wird, ist von der Produktivität her hervorragend, aber die aufgebrachte Schicht kann sich dabei ablösen oder zerstört werden.
(2) Zu verdrillende Litzen mit Ni zu beschichten führt zu einer schwachen Produktivität.
(3) Ein angeschlossenes Teil jeder Al-Verbindungsklemme, die mit dem Leiter jedes verdrillten Drahts aus Al verbunden ist, mit Ni zu beschichten, führt tendenziell zu Korrosion, weil die Beschichtungslösung zwischen die Drähte eindringt.

Zusätzlich ist das elektrische Verteilersystem aus Al wegen seines großen Drahtdurchmessers von schlechter Flexibilität, was eine Handhabung des Verteilerkabels schwierig macht und Risse in der Verbindungsklemme verursacht, wenn das System hergestellt oder in Fahrzeugen montiert wird.
Die Patentbeschreibung der JP 2000 357420 A beschreibt ein kostengünstiges Stromkabel für ein Kraftfahrzeug, welches das Gewicht der Karosserie senken und verhindern kann, dass eine Aluminiumsammelschiene im Gebrauch korrodiert. Zu diesem Zweck ist ein spezielles Stromkabel offenbart, wobei eine Litze aus einem hoch leitfähigen Draht aus Aluminiumlegierung mit feuerfesten Polyolefinharzschichten und einer Schutzschicht bedeckt ist, die aus einem Geflechtkörper auf Aluminiumbasis besteht.
In der US-A-3 914 009 ist eine elektrische Kontaktvorrichtung beschrieben, die eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 57% nach IACS (International Annealed Copper Standard) und im Vergleich zu herkömmlichen Verbindern aus Aluminiumlegierung eine erhöhte Wärmebeständigkeit, Biegbarkeit, Duktilität, Kriechfestigkeit, Zug- und Dehngrenze und Ermüdungsbeständigkeit besitzt. Die Dehnung der elektrischen Kontaktvorrichtung, die aus den in der US-A-3 914 009 angegebenen Zusammensetzungen besteht, sieht keine Dehnung von 20% oder darüber vor.
Die US-A-3 717 842 offenbart ein Verfahren, herkömmliche elektrische Verbindungsklemmen, die zumindest nicht aus Aluminium bestehende Abschnitte wie etwa vernickelten Stahl besitzen, an massiven oder verseilten Drähten aus Aluminiumlegierung) so anzuschließen, dass Aluminiumoxid auf der Oberfläche der Litzen nicht einen zufriedenstellenden elektrischen Kontakt verhindert. Solche Verbindungsklemmen haben einen Kanalabschnitt mit vorstehenden Zungen, so dass der Draht in den offenen Kanal eingesetzt werden kann und die Zungen dann gequetscht werden, um den Kanal zu schließen und den Draht in elektrischer Verbindung mit der Verbindungsklemme zu halten. In der US-A-3 717 842 fehlt eine Feststellung dahingehend, dass die nicht aus Aluminium bestehende elektrische Anschlusseinheit eine besonders große Dehnung und erst recht eine Dehnung von 20% oder darüber besitzt.
In der US-A-3 717 842 wird nur am Rande erwähnt, dass auch eine Verbindungsklemme aus Aluminiumlegierung mit einer nicht aus Aluminium bestehenden Beschichtung verwendet werden kann. In der US-A-3 717 842 ist nichts enthalten, was die Zusammensetzung des Aluminiummetalls oder der Aluminiumlegierung der Drähte aus Aluminiumlegierung) betrifft.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verteilerkabelsystem für mobile Einrichtungen bereitzustellen, dessen Kabel einfacher zu handhaben ist, dessen Verbindungsklemmen sich hervorragend bearbeiten lassen, und das über eine ausgezeichnete charakteristische Verbindungseigenschaft zwischen einem verdrillten Al-Drahtleiter des Kabels und jeder Al-Verbindungsklemme verfügt.
Offenbarung der Erfindung
Bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein elektrisches Verteilersystem mit einem Verteilerkabel, das aus einem isolierbeschichteten verdrillten Drahtleiter und einer Verbindungsklemme besteht, die an ein Ende des Leiters angeschlossen ist, wobei

– der verdrillte Drahtleiter aus Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung mit einer Leitfähigkeit von 50% oder darüber nach IACS hergestellt ist,
– die am verdrillten Drahtleiter angeschlossene Verbindungsklemme aus einem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, das bzw. die eine Dehnung von 20% oder darüber hat und aus Zr: 0,03 bis 0,4 Gew.-% und Si: 0,05 bis 0,15 Gew.-% besteht, und der Rest aus Al und unvermeidbaren Unreinheiten besteht, und
– der verdrillte Drahtleiter und die Verbindungsklemme durch Druckschweißung mit Ultraschallschwingungen verbunden sind.

Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein elektrisches Verteilersystem mit einem Verteilerkabel, das aus einem isolierbeschichteten verdrillten Drahtleiter und einer Verbindungsklemme besteht, die an ein Ende des Leiters angeschlossen ist, wobei

– der verdrillte Drahtleiter aus Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung mit einer Leitfähigkeit von 50% oder darüber nach IACS hergestellt ist,
– die am verdrillten Drahtleiter angeschlossene Verbindungsklemme aus einem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, das bzw. die eine Dehnung von 20% oder darüber hat und aus Mg: 0,3 bis 1,8 Gew.-%, Si: 0,15 bis 1,5 Gew.-%, Fe: 0,1 bis 1,0 Gew.-% und Cu: 0,05 bis 0,5 Gew.-% besteht, und darüber hinaus insgesamt 0,03 bis 0,6 Gew.-% eines Elements oder mehrerer Elemente umfasst, die aus Mn, Cr und Ti ausgewählt sind, und der Rest aus Al und unvermeidbaren Unreinheiten besteht, und
– der verdrillte Drahtleiter und die Verbindungsklemme durch Druckschweißung mit Ultraschallschwingungen verbunden sind.

Bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein elektrisches Verteilersystem, wobei die Aluminiumlegierung, aus der sich der verdrillte Drahtleiter zusammensetzt, aus Zr: 0,03 bis 0,4 Gew.-%, Fe: 0,05 bis 0,2 Gew.-% und Si: 0,05 bis 0,2 Gew.-% besteht und darüber hinaus insgesamt 0,003 bis 0,05 Gew.-% eines Elements oder mehrerer Elemente umfasst, die aus Be, Sr, Mg, Ti und V ausgewählt sind, und der Rest aus Al und unvermeidlichen Unreinheiten besteht.
Bei einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein elektrisches Verteilersystem, wobei die Verbindungsklemme auf einer Fläche mit Ni oder einer Ni-Legierung mit einer Dicke von 5 μm oder darunter beschichtet ist.
Bei einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein elektrisches Verteilersystem mit einer elektromagnetisch abschirmenden Metallschicht, die eine Außenfläche des isolierbeschichteten verdrillten Drahtleiters abdeckt, und darüber hinaus noch eine isolierbeschichtete Schicht umfasst, welche die Außenschicht der elektromagnetisch abschirmenden Metallschicht abdeckt.
Bei einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein elektrisches Verteilersystem, wobei sich die elektromagnetisch abschirmende Metallschicht aus einem netzförmig angelegten Teil zusammensetzt, das aus einem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1(a) ist ein Querschnitt, der eine Ausführungsform eines Verteilerkabels des elektrischen Verteilersystems nach der vorliegenden Erfindung zeigt, und 1(b) ist ein Querschnitt, der eine andere Ausführungsform eines Verteilerkabels des elektrischen Verteilersystems nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
2(a) ist eine perspektivische Ansicht, die einen Verbindungszustand einer Metallverbindungsklemme zeigt, die von einer Ausführungsform des elektrischen Verteilersystems nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und 2(b) ist eine abgewickelte perspektivische Ansicht einer Metallklemme mit Rillen oder Verzahnungen auf ihrer Innenfläche, gezeigt nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine perspektivische Ansicht, die noch eine andere Ausführungsform einer Metallklemme zeigt, die im elektrischen Verteilersystem nach der vorliegenden Erfindung eingebaut ist; und
4 stellt beispielhaft dar, wie eine Metallklemme mit Ultraschallschwingungen gequetscht wird, wobei die Klemme in das elektrische Verteilersystem nach der vorliegenden Erfindung eingebaut wird.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ein Verteilerkabel 1, das Teil des elektrischen Verteilersystems der vorliegenden Erfindung ist, umfasst einen wie in 1(a) oder 1(b) gezeigten verdrillten Al-Drahtleiter 2. Speziell zeigt 1(a) den Leiter (2), von dem eine Außenfläche mit einer Isolierschicht 3 überzogen ist. Andererseits zeigt 1(b) den Leiter 2, dessen Außenfläche mit einer Reihe von Schichten überzogen ist, die aus einer Isolierschicht 3, einer magnetisch abschirmenden Schicht 4 und einer weiteren Isolierschicht 5 besteht, die in dieser Reihenfolge übereinander geschichtet sind.
Der verdrillte Al-Drahtleiter 2, der durch die vorliegende Erfindung definiert ist, umfasst einen gewöhnlichen verdrillten Al-Drahtleiter, der durch Verdrillen mehrerer Al-Litzen hergestellt ist, sowie irgendeinen Leiter, der aus mehreren Al-Litzen gefertigt ist, wie etwa einen Leiter, der kombinierte Al-Litzen umfasst.
Der Grund, warum die vorliegende Erfindung fordert, dass der verdrillte Al-Drahtleiter eine Leitfähigkeit von 50% oder darüber nach IACS (International Annealed Copper Standard) haben soll, kann wie folgt erklärt werden. In Fällen, bei denen die Leitfähigkeit weniger als 50% nach IACS beträgt, muss der Leiter einen größeren Außendurchmesser haben, um die gewünschten Strommengen durch den verdrillten Al-Drahtleiter zuführen zu können, was die Flexibilität des Leiters herabsetzt. Ein größerer Außendurchmesser steht im Gegensatz zu dem Bestreben, das System vom Gewicht her leichter zu machen, wodurch auch die Materialkosten erhöht werden. Die Flexibilität des verdrillten Al-Drahtleiters wird sichergestellt, indem die Al-Litze vom Durchmesser her bis zu 0,8 mm oder darunter hergestellt wird.
Eine Metallklemme, die einen Teil des elektrischen Verteilersystems nach der vorliegenden Erfindung bildet, kann unter Verwendung von Aluminiummetall oder Aluminiumlegierung hergestellt werden, das bzw. die eine höhere elektrische Leitfähigkeit hat. Zusätzlich ist es vom Standpunkt der Gewichtsreduktion her vorzuziehen, Aluminiummetall oder Aluminiumlegierung als Material für die Klemme zu verwenden. Wie in 2(a) gezeigt ist, ist eine offenhülsige Klemme 6 als Metallklemme vorgesehen, die ein Greifteil 61 besitzt, um den verdrillten Al-Drahtleiter 2 festzuhalten.
In der in 2(b) gezeigten offenhülsigen Klemme 6 sind mehrere Rillen oder Verzahnungen 63 auf der Innenfläche des Greifteils 62 ausgebildet, das auf den verdrillten Al-Drahtleiter 2 aufgepresst werden soll. Die Rillen oder Verzahnungen sind parallel zu der zur Längsrichtung des Leiters 2 orthogonalen Richtung ausgebildet. Bei einem Quetschbearbeitungsvorgang wirken diese Rillen oder Verzahnungen so, dass sie den Leiter 2 wie auch die Rillen oder Verzahnungen 63 ineinander greifen lassen, was den Vorteil erbringt, dass die Metallklemme 6 daran gehindert wird, aus dem verdrillten Al-Drahtleiter 2 einfach herausgezogen werden zu können. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Metallklemme, bei der eine Klemme 7 integral mit einem röhrenartigen Greifelement 71 verbunden ist, auf dem eine rechteckige Kontaktstelle 72 durch Pressen ausgebildet ist.
Die Verbindung des Greifteils 61 oder 62 mit dem verdrillten Al-Drahtleiter 2 ist in 2(a) bzw. 2(b) gezeigt. Eine solche Verbindung, die normalerweise unter gewöhnlichen Temperaturbedingungen stattfindet, wird unter Verwendung einer Pressmaschine 8 hergestellt, was mit dem allgemeinen Begriff Druckschweißung bezeichnet wird. In der Praxis nimmt, wie in 4 gezeigt, ein Aufnahmesockel 81 der Maschine 8 das Greifteil 61 oder 62 auf, in das der verdrillte Drahtleiter 2 eingesetzt ist. Dann wird ein oberes Pressenteil 82 von diesem unter Ultraschallschwingungen auf das auf dem Sockel 81 liegende Greifteil 61 oder 62 gedrückt. Die Frequenz der Ultraschallwelle beträgt zum Beispiel vorzugsweise 10 bis 30 kHz. Dabei ist das in 4 gezeigte Pressverfahren nur ein Beispiel und schränkt den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht ein.
In der vorliegenden Erfindung ist, was die aus Aluminiummetall oder Aluminiumlegierung herzustellende Metallklemme betrifft, vorgesehen, dass deren Dehnung auf einen Betrag von 20% oder darüber eingestellt wird. Der Grund dafür ist, dass, wenn die Dehnung weniger als 20% beträgt, die Bearbeitbarkeit schlecht ist, so dass Risse in der Al-Klemme beim Ausbilden des Metalls zur Klemme oder beim Anbringen der Klemme am verdrillten Al-Leiter durch Druckschweißung entstehen können.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Druckschweißung als technisches Verbindungsverfahren, um die Metallklemme am verdrillten Al-Drahtleiter zu befestigen. Der Grund, warum Druckschweißung verwendet wird, liegt darin, dass der Befestigungsvorgang leichter zu handhaben ist und eine ausgezeichnete Produktivität bietet. Zusätzlich ist der Grund, warum in der vorliegenden Erfindung die Druckschweißung mit Schwingungen erfolgt, die von Ultraschallwellen erzeugt werden, wie folgt. Schwingungen anzulegen, die von Ultraschallwellen stammen, kann die Oxidschichten sowohl jeder Leiterlitze selbst als auch der Klemme zerstören. Von daher werden die verdrillten Litzen selbst gegenseitig verbunden, um einen Einzelleiter zu bilden, und auch der verdrillte Leiter und die Metallklemme werden durch Metallkontakt miteinander verbunden. Dieser Metallkontakt reduziert Kontaktwiderstand, was auf stabile Weise zu einer guten charakteristischen Verbindungseigenschaft führt.
In der vorliegenden Erfindung kann jedes Aluminiummetall bzw. jede Aluminiumlegierung als verdrillter Al-Drahtleiter für das Verteilerkabel verwendet werden, wenn dieses bzw. diese 50% Leitfähigkeit oder darüber nach IACS hat. Insbesondere ist eine bevorzugte Bestandteilzusammensetzung wie folgt: die Al-Legierung besteht aus Zr: 0,03 bis 0,4 Gew.-%, Fe: 0,05 bis 0,2 Gew.-% und Si: 0,05 bis 0,2 Gew.-% und umfasst darüber hinaus insgesamt 0,003 bis 0,05 Gew.-% eines Elements oder mehrerer Elemente, die aus Be, Sr, Mg, Ti und V ausgewählt sind, und der Rest besteht aus Al und unvermeidlichen Unreinheiten.
Die so zusammengesetzte Al-Legierung ist hervorragend in Festigkeit, Leitfähigkeit, Kriechfestigkeit usw., so dass sie am besten verwendet werden kann. Die Al-Legierung hat auch den Vorteil, dass ihre Oxidschicht langsamer wächst. Somit wird der Kontaktwiderstand zwischen den Litzen des verdrillten Al-Drahtleiters längere Zeit niedriger gehalten, was im Lauf der Zeit für eine höhere, stabilere Leitfähigkeit sorgt.
In der Al-Legierung ist Zr im Grundgerüst teilweise gelöst und teilweise ausgefällt, mit dem Ergebnis, dass die Kriechfestigkeit erhöht ist. Der Grund dafür, dass Zr auf einen Gehalt eingestellt wird, der von 0,03 bis 0,4 Gew.-% reicht ist, dass, wenn der Gehalt weniger als 0,03 Gew.-% beträgt, die Vorteile der Al-Legierung nicht voll zum Tragen kommen, während, wenn er 0,4 Gew.-% übersteigt, die Leitfähigkeit ziemlich herabgesetzt ist.
Si wird verwendet, um die Ausfällung von Zr zu fördern, wodurch sowohl die Leitfähigkeit als auch die charakteristische Kriechfestigkeitseigenschaft erhöht wird. Der Grund dafür, dass Si auf einen Gehalt von 0,05 bis 0,2 Gew-% beschränkt wird, leitet sich von der Tatsache ab, dass sein Gehalt von weniger als 0,05 Gew.-% keinen ausreichenden Vorteil erbringt, wohingegen ein höherer Gehalt als 0,2 Gew.-% die Leitfähigkeit senkt. Fe wird verwendet, um die Wärmebeständigkeit zu erhöhen. Der Grund, warum Fe auf einen Gehalt von 0,05 bis 0,2 Gew.-% beschränkt wird, leitet sich von der Tatsache ab, dass sein Gehalt von weniger als 0,05% keinen ausreichenden Vorteil erbringt, wohingegen eine höherer Gehalt als 0,2 Gew.-% die Leitfähigkeit senkt.
Ein oder mehrere Element/e, die aus Be, Sr, Mg, Ti und V ausgewählt sind, tragen dazu bei, die Festigkeit der Al-Legierung durch Lösung und Ausfällung zu erhöhen und die charakteristischen Leitfähigkeits- und Kriechfestigkeitseigenschaften zu erhöhen, indem die Abscheidung von Zr gefördert wird. Die Elemente werden insgesamt bis zu einem Gehalt von 0,003 bis 0,05 Gew.-% ausgewählt. Und zwar deswegen, weil ein Gesamtgehalt von weniger als 0,003 Gew.-% keinen ausreichenden Vorteil erbringt, wohingegen ein höherer Gehalt als 0,05 Gew.% den Vorteil der Sättigung bewirkt.
Die Al-Legierung kann durch herkömmliche technische Verfahren in verdrillten Litzen hergestellt werden. Beispielsweise wird die Schmelze der Al-Legierung durch kontinuierliches Gießen in eine Form gegossen und der Formguss dann zu Warmwalzmaterialien warmgewalzt. Und das Warmwalzmaterial wird durch Kaltbearbeitung zu verdrillten Litzen ausgebildet. Es wird bevorzugt, dass eine Alterungsbehandlung während oder nach der Kaltbearbeitung an den Warmwalzmaterialien vorgenommen wird, so dass deren Festigkeit und Leitfähigkeit auf gewünschte Werte eingestellt werden.
In der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass als Metallklemme irgendein Al oder irgendeine Al-Legierung verwendet wird, dessen bzw. deren Dehnung 20% oder darüber beträgt. Die Bestandteilzusammensetzung der Legierung nach der ersten Ausführungsform ist eine Al-Zr-Si-Legierung, die besteht aus: Zr: 0,03 bis 0,4 Gew.-% und Si: 0,05 bis 0,15 Gew.-%, und der Rest besteht aus Al und unvermeidbaren Unreinheiten.
In der vorstehenden Al-Zr-Si-Legierung ist Zr, das die Kriechfestigkeit der Legierung erhöht, auf einen Gehalt von 0,03 bis 0,4 Gew.-% beschränkt. Und zwar, weil ein Gehalt von weniger als 0,03 Gew.-% keinen ausreichenden Vorteil erbringt, während ein höherer Gehalt als 0,4 Gew.-% ihre Leitfähigkeit senkt.
Ein Zusatz von Si fördert die Ausfällung von Zr, um die charakteristische Leitfähigkeits- und Kriechfestigkeitseigenschaft der Klemme zu erhöhen. Der Grund, warum der Gehalt von Si 0,05 bis 0,15 Gew.-% beträgt, ist, dass ein Gehalt von weniger als 0,05 Gew.-% keinen ausreichenden Vorteil erbringt, während ein höherer Gehalt als 0,15 Gew.-% die Leitfähigkeit der Legierung senkt.
Darüber hinaus ist vorgesehen, eine weitere Al-Legierung für die Metallklemme nach der zweiten Ausführungsform zu verwenden, die besteht aus: Mg: 0,3 bis 1,8 Gew.-%, Si: 0,15 bis 1,5 Gew.-%, Fe: 0,1 bis 1,0 Gew.-% und Cu: 0,05 bis 0,5 Gew.-%, und darüber hinaus insgesamt 0,03 bis 0,6 Gew.-% eines Elements oder mehrerer Elemente umfasst, die aus Mn, Cr und Ti ausgewählt sind, und der Rest aus Al und unvermeidbaren Unreinheiten besteht. Diese Legierung hat eine Leitfähigkeit von 40% nach IACS oder darüber und eine hohe Kriechfestigkeit, und von daher wird die Legierung bevorzugt für die Metallklemme verwendet.
In dieser Legierung der Al-Mg-Si-Fe-Cu-Verbindungsklasse reagieren Mg und Si so miteinander, dass sie eine Verbindung bilden und die charakteristischen Kriechfestigkeitseigenschaften erhöhen. Der Grund dafür, dass der Gehalt von Mg auf 0,3 bis 1,8 Gew.-% und Si auf 0,15 bis 1,5 Gew.-% beschränkt wird, ist, dass jedes Element mit einem Gehalt von jeweils weniger als der unteren Grenze keinen ausreichenden Vorteil erbringt, wohingegen ein höherer Gehalt als jeweils die obere Grenze die Leitfähigkeit der Legierung senkt.
Fe, das in dieser Legierung enthalten ist, macht eine Lösung oder Abscheidung durch, um die charakteristische Kriechfestigkeitseigenschaft der Legierung zu verbessern. Der Grund dafür, dass der Gehalt von Fe 0,1 bis 1,0 Gew.% beträgt, beruht auf der Tatsache, dass ein Gehalt von weniger als 0,1 Gew.-% keinen ausreichenden Vorteil erbringt, während ein höherer Gehalt als 1,0 Gew.-% die Leitfähigkeit der Legierung senkt.
Cu, das in dieser Legierung enthalten ist, ist auch im Grundgefüge löslich und wird ausgefällt, so dass es die charakteristische Kriechfestigkeitseigenschaft der Legierung verbessert. Der Grund dafür, dass Cu auf 0,05 bis 0,5 Gew.-% eingestellt wird, ist der, dass ein Gehalt von weniger als 0,05 Gew.-% keinen ausreichenden Vorteil erbringt, wohingegen ein höherer Gehalt als 0,5 Gew.-% die Leitfähigkeit der Legierung senkt.
In der vorliegenden Erfindung wird eine Al-Legierung, aus der die Klemme hergestellt wird, zu einem Rohr-, Stab-, Stangenmaterial usw. verarbeitet. Dann durchläuft ein solches Material einen Biege-, Schneide-, Stanzvorgang und/oder andere Vorgänge, so dass eine Klemme entsteht.
Das Rohr-, Stab-, Stangenmaterial usw. wird durch folgendes Verfahren ausgebildet:

(1) Koextrudieren des Warmziehmaterials;
(2) Kaltwalzen des koextrudierten Materials; und
(3) kontinuierliches Gießen einer Al-Legierung zu einem Vorblock, Warmextrudieren oder Warmwalzen der Gusslegierung, Kaltwalzen der extrudierten oder gewalzten Legierung, dann Zuschneiden der kaltgewalzten Legierung zu einer Klemme mit einer vorbestimmten Größe.

Bei der Bearbeitung der Legierung auf Grundlage der vorstehenden Ausbildungsverfahren erfolgt bevorzugt auf geeignete Weise eine Alterungsbehandlung im Verlauf der Bearbeitung oder im Endstadium der Bearbeitung, so dass die Klemme mit einer höheren Leitfähigkeit und höheren Festigkeit hergestellt wird.
Dabei wird in der vorliegenden Erfindung Ni und eine Ni-Legierung, deren wesentlicher Bestandteil Ni ist, und bei der es sich zum Beispiel um eine Ni-P-Legierung oder eine Ni-B-Legierung handelt, vorzugsweise auf die Oberfläche der Legierung ohne solche wie vorstehend geschilderte Probleme im Herstellungsprozess aufgetragen. Weil diese Beschichtung die Korrosionsbeständigkeit der Klemme verbessert, kann diese auch in einer korrodierenden Umgebung verwendet werden. Auch galvanische Korrosion kann verhindert werden, die zwischen der Klemme und einer externen Vorrichtung auftreten könnte, an die sie angeschlossen ist. In der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der Überzugsschicht aus den folgenden Gründen auf 5 μm oder darunter beschränkt. Falls eine solche Dicke über 5 μm beträgt, besteht eine Möglichkeit, dass Risse in der Klemme auftreten, wenn ein verdrillter Al-Leiter und die Klemme zum Schweißen zusammengepresst werden. Wenn tatsächlich ein Riss auftritt, werden die Vorteile der Druckschweißung zunichte gemacht. Um die Klemme mit Ni zu beschichten, kann jedes Verfahren von verschiedenen Verfahren wie Galvanisieren, chemische Metallabscheidung ohne äußere Stromquelle, Druckschweißen durch Walzen und physikalische Abscheidung verwendet werden.
Bei manchen Fahrzeugen muss ein Verteilerkabel zusätzlich mit einer magnetisch abschirmenden Metallschicht wie etwa einem Al- oder Kupfernetz und mehreren Isolierschichten überzogen werden. Die magnetisch abschirmende Schicht wird zum Abschirmen eines elektromagnetischen Felds verwendet, das entsteht, wenn elektrischer Strom durch das Kabel zugeführt wird. Das System nach der vorliegenden Erfindung ist auch noch für ein solches Kabel wirksam, d.h. es ist immer noch vorteilhaft, auch trotz solcher äußeren Isolierstrukturen des Verteilerkabels. Und zwar, weil die magnetisch abschirmende Schicht und mehrere Isolierschichten, die als Außenschichten übereinander auf einem Verteilerkabel angebracht werden, an der Funktion des Zuführens elektrischen Strom durch das Kabel nichts ändern. Die Isolierschichten werden mit Schichten aus Kunstharz wie etwa Vinylchlorid oder Polyolefin hergestellt.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Beispielen im Einzelnen erklärt.
Beispiel 1
Zuerst wurde eine Al-Legierung zubereitet, die bestand aus Zr: 0,1 Gew.-%, Fe: 0,1 Gew.-%, Si: 0,1 Gew.-%, Ti: 0,003 Gew.-%, und der Rest aus Al und unvermeidlichen Unreinheiten bestand. Diese Al-Legierung wurde dann unter Verwendung einer herkömmlichen Vorgehensweise zubereitet, und die zubereitete Schmelze wurde einem kontinuierlichen Gieß- und Walzvorgang unterzogen, um einen vorgezogenen Draht (ein warmgezogenes Material) herzustellen. Dieser Draht durchlief dann einen Kaltdrahtziehvorgang, um einen Strang mit einem Durchmesser von 0,32 mm herzustellen. Es wurden dann 25 Stück Litzen miteinander verdrillt, um ein verdrilltes Teil herzustellen. Dann wurden 19 Stück verdrillte Teile weiter miteinander verdrillt, so dass ein verdrillter Al-Drahtleiter entstand (durch ein Bezugszeichen A dargestellt). Dieser verdrillte Al-Drahtleiter wurde dann einer PVC-Beschichtung durch Extrudieren auf eine Dicke von 1 mm unterzogen, mit dem Ergebnis, dass das in 1(a) gezeigte Verteilerkabel hergestellt war.
Außerdem wurden zuerst eine Al-Legierung, die aus Zr: 0,1 Gew.-%, Si: 0,1 Gew.-% und der Rest aus Al und unvermeidlichen Unreinheiten bestand, und eine zweite Al-Legierung zubereitet, die aus Mg: 0,5 Gew.-%, Si: 0,35 Gew.-%, Fe: 0,1 Gew.%, Cu: 0,1 Gew.-%, Mn: 0,1 Gew.-% und der Rest aus Al und unvermeidlichen Unreinheiten bestand. Die erste und zweite Al-Legierung wurden zubereitet und dann wurde die Schmelze der ersten und zweiten Legierung einem kontinuierlichen Gieß- und Walzvorgang unterzogen, um einen vorgezogenen Draht herzustellen. Jeder Draht wurde als Ausgangsmaterial verwendet und einer Koextrusion unterzogen, um eine 45 mm breite und 2,5 mm dicke Platte zu koextrudieren. Jede Platte wurde zu einer 2,3 mm dicken Platte kaltgewalzt, die dann bei 350 Grad Celsius 6 Stunden lang angelassen wurde. Die angelassenen Platten wurden jeweils in dieser Reihenfolge erst einer Pressbearbeitung und dann einem Biegevorgang unterzogen, so dass zwei Arten von offenhülsigen Klemmen in der durch JIS (japanischer Industriestandard) bezeichneten Größe BA 608 hergestellt wurden. Von den beiden Arten von Klemmen besteht eine, die durch ein Bezugszeichen Z dargestellt ist, aus der vorstehenden Al-Zr-Si-Legierung, und die andere, die durch ein Bezugszeichen M dargestellt ist, besteht aus der vorstehenden Al-Mg-Si-Fe-Cu-Mn-Legierung (siehe 2(a) und 2(b)).
Dann wurden die vorstehenden Klemmen (Z und M) durch Anlegen von Ultraschallschwingung (in einem Zustand von 1400 W und 1 Sekunde lang) einzeln an den verdrillten Al-Leiterdraht (A) angeschweißt, wodurch zwei Arten von Systemen (A/Z und A/M) hergestellt wurden.
Vergleichsbeispiel 1
Zuerst wurde ein durch ein Bezugszeichen B dargestellter verdrillter Al-Drahtleiter aus einer herkömmlichen Al-Legierung hergestellt, die aus Mg: 4 Gew.-%, Mn: 0,4 Gew.-%, Fe: 0,5 Gew.-%, Si: 0,4 Gew.-%, Zn: 0,25 Gew.-% und der Rest aus Al und unvermeidlichen Unreinheiten bestand. Die übrigen Herstellungsbedingungen wurden genauso eingestellt wie im vorstehenden Beispiel 1, wodurch zwei Arten von Systemen (B/Z und B/M) auf entsprechende Weise hergestellt wurden.
Vergleichsbeispiel 2
Obwohl keine Ultraschallschwingungen angelegt wurde, als die Klemme Z bzw. M am verdrillten Al-Drahtleiter A angeschweißt wurde, wurden zwei Arten von Systemen auf eine Beispiel 1 entsprechende Weise hergestellt.
Vergleichsbeispiel 3
Obwohl keine Ultraschallschwingungen angelegt wurde, als die Klemme Z bzw. M am verdrillten Al-Drahtleiter B angeschweißt wurde, wurden zwei Arten von Systemen auf eine Beispiel 1 entsprechende Weise hergestellt.
Jedes der in Beispiel 1 und in den Vergleichbeispielen 1 bis 3 hergestellten Systeme wurde einem Stromführungszyklustest unterzogen, bei dem elektrischer Strom von 4 kVA bei 1, 10, 50, 100, 500 bzw. 1000 Zyklen ein- und abgeschaltet wurde. Nach dem Ein- und Abschalten bei jedem Zyklus wurde der elektrische Widerstand zwischen einer bestimmten Stelle a an der Klemmen und einer Stelle b am Verteilerkabel gemessen, wobei sich die Stelle b 100 mm von der Stelle a entfernt befand (siehe 2(a)). Die Lebensdauer der Systeme wurde als Anzahl von Stromführungszyklen gemessen, die erhalten wurden, wenn der Widerstand einen Betrag überschritt, der 1,5 mal größer war als sein Anfangswiderstand. Die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 1 gezeigt.
Wie aus Tabelle 1 klar ersichtlich ist, wiesen die Systeme nach der vorliegenden Erfindung (Probe Nr. 1 und 2) ausgezeichnete charakteristische Klemmen-/Kabelverbindungseigenschaften auf. Nach dem Test mit 1000 Zyklen zeigten diese Systeme nach der vorliegenden Erfindung einen elektrischen Widerstand, der nicht mehr als 1,08 mal höher war als ihr Ausgangswert beim elektrischen Widerstand.
Hingegen wiesen die Proben Nr. 3 und 4, die im Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurden, eine Lebensdauer von nur 500 bis 100 Zyklen im Hinblick auf die Stromführungszyklen auf, weil die Leitfähigkeit des verdrillten Al-Drahtleiters geringer war. Die Proben Nr. 5 und 6, die im Vergleichsbeispiel 2 hergestellt worden waren, wiesen eine noch kürzere Lebensdauer von 50 bis 10 Zyklen im Hinblick auf die Stromführungszyklen auf, weil beim Schweißen keine Ultraschallschwingungen angelegt worden waren. Darüber hinaus wiesen die Proben Nr. 7 und 8, die im Vergleichsbeispiel 3 hergestellt worden waren, nur eine extrem kurze Lebensdauer von 1 Zyklus im Hinblick auf die Stromführungszyklen auf, weil der verdrillte Al-Drahtleiter von geringerer Leitfähigkeit war und beim Schweißen keine Ultraschallschwingungen angelegt worden waren.
Vergleichsbeispiel 4
Zuerst wurde ein Vorblock aus Al-Legierung hergestellt, der aus Mg: 4,0 Gew.-%, Mn: 0,4 Gew.-%, Fe: 0,5 Gew.-%, Si: 0,4 Gew.-%, Zn: 0,25 Gew.-% und der Rest aus Al und unvermeidlichen Unreinheiten bestand. Dieser Vorblock aus Al-Legierung wurde zu einem 5 mm dicken Material warmgewalzt, und dieses Walzmaterial wurde dann auf 2,3 mm kaltgewalzt. Nachdem dieses angelassen worden war, wurde es zu einem 45 mm breiten Material zerschnitten, das dann in dieser Reihenfolge erst einer Druckschweißung und dann einem Biegevorgang unterzogen wurde, um eine Al-Klemme herzustellen, diese Al-Klemme wurde an den vorstehenden verdrillten Al-Drahtleiter A geschweißt, wobei Ultraschallschwingungen angelegt wurden. Jedoch betrug die Dehnung dieser Klemme nur 19 Prozent, wodurch beim Schweißvorgang ein Riss in der Klemme hervorgerufen wurde.
Beispiel 2
Die beiden Al-Klemmen Z, die im Beispiel 1 hergestellt worden waren, wurden weiter einem Galvanisierungsvorgang mit Ni, der an der Klemme mit einer Dicke von 3 μm vorgenommen wurde, bzw. einer chemischen Metallabscheidung ohne äußere Stromquelle mit Ni-P-Legierung unterzogen, die an der Klemme mit einer Dicke von 3 μm vorgenommen wurde. Jede dieser vernickelten Al-Klemmen wurde an den verdrillten Al-Drahtleiter A angeschweißt, wobei Ultraschallschwingungen (1400 W × 1 Sek.) angelegt wurden, so dass zwei Arten von Systemen hergestellt wurden.
Vergleichsbeispiel 5
Die drei Al-Klemmen Z, die im Beispiel 1 hergestellt worden waren, wurden weiter einem Galvanisierungsvorgang mit Ni, der an der Klemme mit einer Dicke von 10 μm vorgenommen wurde, bzw. einer chemischen Metallabscheidung ohne äußere Stromquelle mit Ni-P-Legierung unterzogen, die an der Klemme mit einer Dicke von 10 μm vorgenommen wurde. Diese galvanisierten Al-Klemmen wurden dazu verwendet, auf eine Beispiel 2 entsprechende Weise drei Arten von Systemen herzustellen.
Ein durch JISZ2371 definierter, 96-stündiger Neutralsalz-Sprühtest wurde mit jedem im Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 5 hergestellten System durchgeführt. Nach dem Sprühtest durchliefen die Systeme den Zyklustest auf dieselbe Weise, die im Beispiel 1 angewendet worden war, so dass die Lebensdauer jedes Systems geprüft wurde. Zum Vergleich wurde auch die Lebensdauer der Klemmen ohne Beschichtung auf dieselbe Weise wie vorstehend untersucht. Die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 2 gezeigt.
Wie aus Tabelle 2 klar ersichtlich ist, wiesen die Systeme nach der vorliegenden Erfindung (Proben Nr. 11 und 12) ausgezeichnete charakteristische Klemmen-/Kabelverbindungseigenschaften auf. Nach dem Test mit 1000 Zyklen wiesen diese Systeme nach der vorliegenden Erfindung einen elektrischen Widerstand auf, dessen Wert nahezu 1,11 mal höher war als ihr Ausgangswert beim elektrischen Widerstand.
Hingegen waren beim Schweißen bei den Proben Nr. 13 und 14 des Vergleichsbeispiels 5 aufgrund der dickeren Vernickelungsschicht Risse entstanden. Korrodierende Stoffe drangen in die Risse ein und verursachten Erosion, was zu einem Abblättern der Vernickelungsschicht führte.
Von daher wiesen diese Proben eine Lebensdauer von nicht mehr als 1000 oder weniger Zyklen bzw. 501 oder mehr Zyklen auf, welche dieselbe war wie die der Probe Nr. 16 ohne Vernickelungsschicht. Im Übrigen wird davon ausgegangen, dass in der praktischen Einsetzbarkeit keine Probleme bestehen, wenn Systeme durch den Test eine Lebensdauer von 501 Zyklen oder darüber aufweisen. Die Probe Nr. 15 war bei der Korrosionsbeständigkeit der Sn-Beschichtung schlecht und wies eine Lebensdauer von 500 oder weniger Zyklen bzw. 101 oder mehr Zyklen auf, weil die Klemme mit der Kupferlegierung reagiert hatte.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie vorstehend beschrieben, verwendet das System nach der vorliegenden Erfindung einen Aufbau, bei dem eine Metallklemme an einem verdrillten Al-Drahtleiter angebracht wird, der als Leiter eines Verteilerkabels verwendet wird, damit dieses leichter ist. Der verdrillte Al-Drahtleiter kann vom Durchmesser her dünner ausgelegt werden, weil seine Leitfähigkeit nach IACS 50% oder darüber beträgt, wodurch eine ausgezeichnete Flexibilität bereitgestellt wird. Somit ist das Kabel einfacher zu handhaben. Andererseits besteht die Metallklemme aus Aluminiummetall oder Aluminiumlegierung, dessen bzw. deren Dehnung 20% oder darüber beträgt. Deshalb werden keine Rissen beim Ausbilden der Klemme und beim Anschweißen der Klemme am Leiter hervorgerufen. Diese Metallklemme wird unter Anlegen von Ultraschallschwingungen am verdrillten Al-Drahtleiter angeschweißt, wodurch Oxidschichten, die sich sowohl am Leiter als auch an der Klemme gebildet haben, zerstört werden. Somit werden bei der Druckschweißung die dem Leiter und der Klemme eigenen Metallmaterialien freigelegt und in direkten Kontakt miteinander gebracht, wodurch eine überlegenere charakteristische Verbindungseigenschaft mit Stabilität bereitgestellt wird. Zusätzlich kann eine Beschichtung der Klemme mit Ni in einer korrodierenden Umgebung einen zufriedenstellenden Gebrauch bereitstellen. Dementsprechend hat das System beim Einsatz in industriellen Anwendungen solche außerordentlichen Vorteile.

Claims

Elektrisches Verteilersystem mit einem Verteilerkabel (1), das aus einem isolierbeschichteten verdrillten Drahtleiter (2), der aus einem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, und einer Verbindungsklemme (7) besteht, die an ein Ende des verdrillten Drahtleiters (2) angeschlossen ist, wobei der verdrillte Drahtleiter (2) aus einem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 50% oder darüber nach IACS hergestellt ist, und der verdrillte Drahtleiter (2) und die Verbindungsklemme (7) durch Druckschweißung mit Ultraschallschwingungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die am verdrillten Drahtleiter (2) angeschlossene Verbindungsklemme (7) aus einem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, das eine Dehnung von 20% oder darüber hat und aus Zr: 0,03 bis 0,4 Gew.-% und Si: 0,05 bis 0,15 Gew.-% besteht, und der Rest aus Al und unvermeidbaren Unreinheiten besteht.
Elektrisches Verteilersystem mit einem Verteilerkabel (1), das aus einem isolierbeschichteten verdrillten Drahtleiter (2), der aus einem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, und einer Verbindungsklemme (7) besteht, die an ein Ende des verdrillten Drahtleiters (2) angeschlossen ist, wobei der verdrillte Drahtleiter (2) aus einem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 50% oder darüber nach IACS hergestellt ist, und der verdrillte Drahtleiter (2) und die Verbindungsklemme (7) durch Druckschweißung mit Ultraschallschwingungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die am verdrillten Drahtleiter (2) angeschlossene Verbindungsklemme (7) aus einem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, das eine Dehnung von 20% oder darüber hat und aus Mg: 0,3 bis 1,8 Gew.-%, Si: 0,15 bis 1,5 Gew.-%, Fe: 0,1 bis 1,0 Gew.-% und Cu: 0,05 bis 0,5 Gew.-% besteht, und darüber hinaus insgesamt 0,03 bis 0,6 Gew.-% eines Elements oder mehrerer Elemente umfasst, die aus Mn, Cr und Ti ausgewählt sind, und der Rest aus Al und unvermeidbaren Unreinheiten besteht.
Elektrisches Verteilersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung, aus der sich der verdrillte Drahtleiter (2) zusammensetzt, aus Zr: 0,03 bis 0,4 Gew.-%, Fe: 0,05 bis 0,2 Gew.-% und Si: 0,05 bis 0,2 Gew.-% besteht und darüber hinaus insgesamt 0,003 bis 0,05 Gew.-% eines Elements oder mehrerer Elemente umfasst, die aus Be, Sr, Mg, Ti und V ausgewählt sind, und der Rest aus Al und unvermeidlichen Unreinheiten besteht.
Elektrisches Verteilersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsklemme (7) auf einer Fläche mit Ni oder einer Ni-Legierung beschichtet ist, dessen Hauptbestandteil Ni mit einer Dicke von 5 μm oder darunter ist.
Elektrisches Verteilersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Verteilersystem eine elektromagnetisch abschirmende Metallschicht (4), um eine Außenfläche des isolierbeschichteten verdrillten Drahtleiters (2) abzudecken, und darüber hinaus noch eine isolierbeschichtete Schicht (5) umfasst, welche die Außenschicht der elektromagnetisch abschirmenden Metallschicht (4) abdeckt.
Elektrisches Verteilersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die elektromagnetisch abschirmende Metallschicht (4) aus einem netzförmig angelegten Teil zusammensetzt, das aus einem Aluminiummetall oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.