連接器第四章接觸彈片材料

1、連接器第四章 接觸彈片材料:電連接器銅合金性能一選擇銅合金的因素4.2電連接器合金性能合金的選擇因素材料性能與電連接器的功能性要求間的關(guān)系可參閱表4.1所總結(jié)。大多數(shù)重要材料與功 能相關(guān)的性能包括導(dǎo)電率、強度及伸縮系數(shù)。通過削減接觸壓力（伸縮現(xiàn)象）和抗腐蝕力來 影響牢靠性。可成型性及尺寸掌握影響滿意電連接器產(chǎn)品功能性需要合金的機械加工牢靠進 行的力量。與導(dǎo)電性有關(guān)的打算性因素是電連接器是試圖傳輸電流（通常兒十安培）還是試圖傳輸 電信號（通常1安培以下）。正如所猜想的，高導(dǎo)電率合金更有利于電能傳輸應(yīng)用以避開產(chǎn) 生大量的焦耳熱，但在電壓必需受預(yù)定的電路損耗時，它們可能對信號傳輸更為有利。合金產(chǎn)生的

2、強度及伸縮系數(shù)打算了電連接器協(xié)作時接觸彈片的接觸正壓力。常常，對提 高接觸壓力的有效性壓力可通過變曲得到。從彈性臂端子（見第節(jié)）得到的正壓力（Fn） 的關(guān)系可表示為：Fn= a modulusXdeflectionX a stress（4.1）幾何上因素（如梁的寬度、厚度、及長度）使該等式最終成立。彎曲伸縮系數(shù)可遵循胡 克定理供應(yīng)的懸臂彈性而用于打算接觸壓力（這就是說，所加的彎曲壓力不能超過比例限 度）。該比例限度隨著其它屈服強度的增加而傾向于增加，并因此受合金及其過程影響。因 而，在給定材料厚度的狀況下，高強度合金通常能供應(yīng)更高的接觸壓力。施加壓力超過其彈 性限度會導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的變形。最終結(jié)果

3、是假如彈性移動僅僅通過伸縮應(yīng)力產(chǎn)生那么接觸壓力小 于將要到達的（最大接觸壓力）。連接器的牢靠性需要連接器處于工作狀態(tài)過程中，接觸壓力保持穩(wěn)定，或至少不會低于 所允許的極限值。當(dāng)接觸彈片處于長期的應(yīng)力狀態(tài)下時，即使應(yīng)力是在彈性范圍以內(nèi)，微量 塑性變形依舊會發(fā)生。一些初始的彈性應(yīng)力和張力可以被塑性變形所取代，這樣會導(dǎo)致接觸 力減小。（一種解釋為應(yīng)力釋放的現(xiàn)象）。冶金過程中的微塑性變形是受溫度影響的，并且， 當(dāng)工作溫度處于80100C時銅合金的微塑性變形會變得很明顯。某些合金對溫度的影響具 有較高的對抗力。多個連接器并聯(lián)時，接觸力的穩(wěn)定性明顯增加。為了讓插入力處于一個合 理的水平中，接觸力可以被設(shè)計

4、得接近于允許的極限值，這是為了保持牢靠的電性連續(xù)性。 然而，這種狀況下的工作過程中，初始力的降低必需保持在范圍允許的最小值。對于牢靠的連接器性能還需要滿意一個額外的要求，那就是其合金的成份必需能夠防止 在工作環(huán)境中受到的化學(xué)腐蝕。如有必要，銅合金會鍍上一層金屬以增加對受污染的空氣及 化學(xué)物質(zhì)的對抗力量。折彎加工是連接器成型過程中最常見的工步。端子料帶材料存在一個在加工過程中不至 于斷裂的極限范圍，該極限是選擇端子合金及其回火方式的關(guān)鍵之一。在某些連接器的組成 局部要防止伴隨成型加工所生成的不規(guī)章的粗糙部的產(chǎn)生。假如鍍層消失很明顯的起皺現(xiàn)象，就會影響表層金屬的連續(xù)性，但不至于一起基材銅合金的破損

5、，所以這種起皺現(xiàn)象在連 接器的特定部位上發(fā)生或許是可取的。同樣與成型加工相關(guān)的是對受成型過程或成型后熱處理過程彈性回復(fù)影響的尺寸的掌 握。這可依照閱歷或者由銅合金料帶供貨商所供應(yīng)的信息來調(diào)整治具，以實現(xiàn)對尺寸的掌握。在以下的章節(jié)里，將選擇性的爭辯合金的性質(zhì)，尤其是前文所提到的對連接器性能很重 要的性質(zhì)。首先要爭辯的是最具有區(qū)分特性的合金傳導(dǎo)率及其強度。一般來講，強度越高的 合金其傳導(dǎo)率越低。傳導(dǎo)率/焦耳熱銅合金的電性傳導(dǎo)率是以一種獨特的方式即占純銅標(biāo)準(zhǔn)（International Annealed Copper Standard, IACS）的百分比來描述。在早于一個世紀(jì)以前當(dāng)純銅標(biāo)準(zhǔn)剛建立時

6、，IACS百分 數(shù)值是用來表示純銅的純度。隨著冶金技術(shù)的進步，開發(fā)出很多具有商業(yè)價值的具有更高傳 導(dǎo)率的銅合金。C110的IACS百分比值為101,它是商業(yè)純銅。純度測量的基本原理是先測 出其電阻率再經(jīng)由除以172.4從微毆轉(zhuǎn)換成IACS百分比值。連接器用的銅合金其電性傳導(dǎo) 率IACS值一般在595%范圍內(nèi)。IACS值小于30%的銅合金其傳導(dǎo)率適合于信號及小電 流傳輸?shù)倪B接器。以傳輸電力為主的連接器其IACS值一般要超過70%。表4.4中列出了常 用的連接器合金的傳導(dǎo)率數(shù)值。與穩(wěn)定的溶液相比，合金的傳導(dǎo)率會隨著各種其它金屬成份 的削減而增加。插圖4.6描繪了向穩(wěn)定溶液中分別加入銀、錫、鋅三中雜

7、質(zhì)后所得不同傳導(dǎo) 率的曲線。每組合金曲線表達了相應(yīng)商業(yè)合金的最小傳導(dǎo)率主要取決于合金中的主要合金成 份（當(dāng)然亦包括含量較少的一些雜質(zhì)元素）。某些元素如錫和銀的存在會使傳導(dǎo)率大為降低。 鋅雜質(zhì)對合金傳導(dǎo)率的影響不是很明顯。經(jīng)完全退火處理的合金其電性傳導(dǎo)率亦會降低，但 這種影響較小（IACS值在23%范圍內(nèi)的較為典型），而經(jīng)回火處理的合金其電性傳導(dǎo)率 受到的影響明顯得多。溶解元素的凝聚會導(dǎo)致較高的傳導(dǎo)率（如合金中銀與硅結(jié)合形成的硅溶液，鐵從銅一鐵 合金中結(jié)晶出來）。插圖4.7將連接器合金根據(jù)傳導(dǎo)率（或強度）分類描述，同時也顯示了 這些合金各自的增加強度的不同方法。銅合金的電性傳導(dǎo)率及熱傳導(dǎo)率之間是

8、通過LORENZ法那么聯(lián)系起來的，如插圖4.8示。 該法那么從所建立的超導(dǎo)體金屬模型上獲得，它指出電性傳導(dǎo)率與熱傳導(dǎo)率之間通過 LORENZ系數(shù)相互聯(lián)系。有了這一法那么，合金的熱傳導(dǎo)率就可以通過測量電性傳導(dǎo)率或電 阻率而便利地得到。在室溫環(huán)境中，低的電性傳導(dǎo)率對應(yīng)于低的熱傳導(dǎo)率?？梢酝评淼贸?，奧姆加熱器用低 電性傳導(dǎo)率的合金作成，當(dāng)給其加入較大電流時，由于其熱傳導(dǎo)率亦較小熱量不易散發(fā)而產(chǎn) 生大量熱能。對于具有相同傳導(dǎo)率及相關(guān)基本組成成份的合金來說，各成份的比例關(guān)系非常 重要。LORENZ系數(shù)與溫度有關(guān)，而且各種合金成份的電傳導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)率與溫度變化的關(guān)系不完全全都。舉個例子說明，不含合金成份的

9、銅，當(dāng)溫度上升時，其電性傳導(dǎo)率比熱傳導(dǎo) 率要降低得多得多，而對于銅的合金成份，其電性傳導(dǎo)率隨溫度上升而降低的同時，某些熱 傳導(dǎo)率卻會隨溫度的上升而上升，LORENZ系數(shù)可在1020%的精度范圍內(nèi)將熱傳導(dǎo)率從 電性傳導(dǎo)率(或電阻率)中區(qū)分出來。強度延展特性，包括屈服強度及彈性系數(shù)，作為區(qū)分各種合金成份的一種尺度而應(yīng)用于特殊 連接器的設(shè)計當(dāng)中。由于連接器常見的應(yīng)力形式為彎應(yīng)力，因此彎曲應(yīng)力也要作為合金的一 種機械特性而附加考慮。拉伸及彎曲應(yīng)力特性是合金加工中非常重要的考考慮因素。各種各 樣銅合金的彈性系數(shù)均有略微不同，彈性的恒定并不是取決于各合金自身受到加工過程的影 響，而是由其材料形成時結(jié)晶組織

10、所固定的彈性系數(shù)來打算的。拉伸強度 根據(jù)拉伸特性所選擇的連接器用合金根據(jù)其相關(guān)電性傳導(dǎo)率列示于圖4.7O 圖中多數(shù)結(jié)晶合金均運用回火工藝而獲得380-700MPA的拉伸強度，其傳導(dǎo)率一般低于 35%IACS,而較為離散的合金其傳導(dǎo)率卻較大，一般在50 % I ACS以上，其強度只比那些 集中點代表的合金略低。凝聚強化合金和與其具有相同傳導(dǎo)率的溶液強化合金相比其具有最 高的強度，和二次散布合金相比具有較高的強度但是傳導(dǎo)率較低。彎曲強度/接觸壓力 對于最初的材料選擇和對它們從供貨商得來的規(guī)格，可延展性能 是足夠的。然而，彈性端子常常是懸臂梁，所以(and)彎曲應(yīng)力一應(yīng)變特性基本上是適用的。 依靠材

11、料性能上的限制是否被超出，或者當(dāng)使用錯誤的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)時，接觸壓力可能被錯 誤地猜想。如圖4.9所示的青銅在接觸彈片(contact spring)受壓超過了性能極限時的拉伸、壓縮 和彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線。這些曲線的限制(Dert-ermination)在合適的指定的ASTM方法下會被 掩蓋。彎曲包括暴露外表的拉伸和壓縮特性，并且這些特性間不存在必定性的對應(yīng)關(guān)系。因 此，彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線將對在缺少拉伸和壓縮數(shù)據(jù)時接觸壓力的猜想會更有益。如例子C260 所示的那樣,壓縮曲線在強度上比拉伸曲線更高，但這個相對的挨次不能被認(rèn)為是一般性的。而且，對于冷軋制材料的管理，彎曲歪斜反響常常是相當(dāng)直接的。如圖4.

12、9也說明白 C260的各向異性。當(dāng)彈性端子組件被對齊一般(或垂直)長條(strip s)旋轉(zhuǎn)方向時，可以期盼 從合金中得到更高的接觸壓力。而且在垂直方向上，拉伸曲線比壓縮曲線更高，在橫向方向 上那么剛好相反。長條在橫向和縱向上的相對強度也由合金與制程所掌握。彈性系數(shù)合金化處理和加工過程只是略微會影響銅合金的拉伸與壓縮彈性性能。手冊 中的彈性系數(shù)的數(shù)值范圍是在高銅合金和鋅黃銅直到C230上加壓117Mpa,和在C260與錫 青銅上加壓UOMPa所得到的。例如對于銀銀合金和C725加壓124-138MPa,含銀合金比后 者具有更高一點的彈性系數(shù)。低硬度合金也具有比其它合金更高的彈性系數(shù)，即對于老化

13、回 火的鉞銅和C7205具有131-138MPa的值。制程在兩方面影響彈性系數(shù)。冷軋制回火的穩(wěn)定韌化依靠合金和回火，易于增加彈性系 數(shù)5-7MPa。制程也轉(zhuǎn)變了彈性性能的方向。彈性常數(shù)直接是銅合金之類原料的三次方，不 象導(dǎo)電率只是平方。例如C7025有經(jīng)向和緯向上分別具有131MPa和140Mpa的彈性系數(shù)。應(yīng)力松弛/接觸壓力穩(wěn)定性對于連接器牢靠性能的關(guān)鍵是當(dāng)它在工作時，它保持電性導(dǎo)通（transparent）。然而，當(dāng) 受拉伸應(yīng)力時.，來源于在彈性端子原料里多微孔性的接觸壓力的降低最終可能導(dǎo)致不行接受 的接觸阻抗。由于發(fā)生多微孔性的制程是由于受熱引發(fā)的，所以高耐用溫度導(dǎo)致它們發(fā)生不 同程度的

14、變化，這依靠于合金和它如何制成。假如端子初始變形超出了彈性變化范圍，那么伴隨任意的原料畸變，接觸壓力在第一次 插入后快速的進展取決于彈性端子的彈性回復(fù)。當(dāng)使用時，彈性變形隨彈性原料依靠時間和 溫度的多孔性畸變會局部被回復(fù)，從彈性變形到塑性變形的變化結(jié)果會降低接觸壓力。這種 變化稱之為應(yīng)力松弛，它隨溫度的增加而增加。然而應(yīng)力松弛不同于發(fā)生在固定不變的端子 彈片上的隨時間變化而應(yīng)力降低的現(xiàn)象，而應(yīng)下意識地聯(lián)系到在裝配載荷下隨時間變化而引 起的幾何外形的變化（應(yīng)變）。很多合金在室溫條件和微小溫度變化狀況下有足夠的有用性，但當(dāng)工作溫度增加到 80-100度時，表中可采用的合金性能會受到更大的限制。應(yīng)力

15、松弛的阻抗會受固溶合金元 素和其它對金屬上微量塑性畸變的阻礙而變化，比方微小的二次散布合金顆粒和凝聚合金顆 粒。檢測不同銅合金的相對應(yīng)力松弛的阻抗常常是在懸臂彎曲中進行的，最初是在檢測設(shè)施 中施加50%到100%的屈服強度壓力。按最初在制訂的持續(xù)曝光條件下保持的彈性應(yīng)力的百 分比數(shù)來指定穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。C510的應(yīng)力松弛性能如圖4.10所示。當(dāng)以對數(shù)坐標(biāo)來描述時， 應(yīng)力保持?jǐn)?shù)據(jù)是線性對應(yīng)的。這個線性特性允許用推斷法去猜想更長遠(yuǎn)的性能。檢測常常持 續(xù)充分時間以確保應(yīng)力松弛特性保持線性或者包括任意可能發(fā)生的直線斜率的變化。圖4.10中的例子也說明冷工作的數(shù)量常用在取得強度上的影響穩(wěn)定性（更大強度的回過

16、 火的H08的穩(wěn)定性比H02要低）。在某些場合，由于具有更好的長期穩(wěn)定性，低溫回火能在 端子上供應(yīng)更高的承載力量，甚至低溫回火能使應(yīng)力低于開頭狀態(tài)。同時也應(yīng)當(dāng)留意到其強 度明顯低于初始狀態(tài)，在第一小時內(nèi)，初值下降得很快也說明白這一點。應(yīng)力松弛特性也可通過最初在漫延-裂開上進展起來的雷斯密爾方法而得出。這種方法 需要在大范圍內(nèi)的雷斯密爾參數(shù)來打算。該參數(shù)被用來限制一個掌握曲線，從而估量保持在 任意時間和溫度組合條件下的壓力。該方法的一個缺點是假設(shè)了簡潔機理反映了在一個打算 參數(shù)的溫度范圍里的應(yīng)力松弛。因此，從這種方法中可能得出錯誤的結(jié)論；由于應(yīng)力松弛特 性受溫度影響，是以該方法的另一缺點仍在爭辯

17、之中。低溫?zé)崽幚砟芴嵘龖?yīng)力松弛阻抗。這種處理主要目的是用來有效避開強度的轉(zhuǎn)變，就象 在調(diào)質(zhì)退火的軋制H08的回火而產(chǎn)生HR08 一樣。穩(wěn)定性也能是具有方向性的，隨橫向和 縱向的性能不同而在退火中變得更明顯，或經(jīng)冷加工而使該差異更為明顯。在某些特定的溫度下，一些合金元素能比其它元素更具有影響力。這種影響的層次相關(guān) 于同樣的因素，即列在前面由溶解元素加強的因素。錫在增加了基體百分比后有額外的超過 鋅的對應(yīng)力松弛的影響力。如圖4.11所示，一種含錫8%的青銅合金（C521）比含錫30%的青 黃銅（C260）具有更大的應(yīng)力松弛阻抗。同時要留意到錫青銅具有更高的硬度（730MPa的屈服 強度-H08）相

18、對于C260黃銅（590MPa的屈服強度-H08）。由不同合金元素所供應(yīng)的溫度穩(wěn)定性也不同。錫青銅能比鋅青銅用在更高溫度的場合。 如圖4.11所示，C260處在邊緣，由于保持在1000小時（折合5周的使用時間）后，只有低于 75%的應(yīng)力存在。青銅在使用溫度上受到限制，不得超過75至100度，而錫青銅和錫黃銅 可達125度。一些散布層次的高強度合金比黃銅具有更好的穩(wěn)定性，如圖4.12所示，但C151 是例外的。在從中溫（105-125度）到高溫（150-175度）的最大的應(yīng)力松弛阻抗對于結(jié)晶合金是可采用 的。以150度調(diào)質(zhì)退火的錫青銅與鍍銅的比擬來看說明白這種影響（如圖4.13所示）。兩種所 示

19、的回火合金都具有相近的導(dǎo)電率。成型性對于選擇合金材料重要的是在沖壓成型過程中能夠獲得所需要的幾何外形的力量。按治 具的半徑彎曲90度或是更大的角度，也同時降低厚度來關(guān)心彎曲定位，都是連接器沖制上 常用的。當(dāng)合金充分退火后，絕大多數(shù)成形是可采用的，但在此條件下，強度會降低。固體 溶液的冷軋制和散粒硬質(zhì)合金增加了強度，但卻消耗了成型性能。鑄造方式有效地轉(zhuǎn)變了回 火性能，這可能由于它造成的加工硬化而損害了成型性能，或者由于其厚度降低而導(dǎo)致有助 于成形。在它們制程中的大量的冷加工所進展起來的更高強度的回火結(jié)構(gòu)也可能在一個方向上 比在另一個方向上表現(xiàn)出更好的成型性能。當(dāng)可能時，最大的成形力量消失在彎曲軸

20、線垂直 于卷曲方向。這個方向是首選的，由于它常常比另一方向的回火能具有更好的成型性。在這 個方向上的成形稱之為徑向的，由于它指出了隨彎曲的進行金屬流淌的方向。對應(yīng)到平行于 軋制方向的彎曲軸線的成形那么稱之為緯向的。緯向彎曲上最小的可接受半徑能比經(jīng)向上更 大，特殊對于高溫回火的固溶合金和散布強化合金。在連接器殼體局部中的90度的彎曲常 常朝向窄條導(dǎo)向以采用縱向的成型性。窄條能形成而不產(chǎn)生裂縫的沖模最小范圍為由設(shè)計者 和制造商所共同支持的合金窄條所定義，其中的裂縫定義為一不行接受的粗糙外表。材料的 工作性能可以從彎曲的最小彎曲半徑（MBR）而得知，由窄條厚度（。所分割。較小的MBR/t 值說明有較

21、好的成型性。圖表4.5中總結(jié)了所選擇合金的相關(guān)成型性。此圖表說明白名義上可拉伸強度其其每一 合金可接受的最小彎曲（MBR/t value）在其縱向上和橫向上從1到1.5。在沖壓工具中的實際 性能與此有些不同。此圖表中所示的強度在縱向上較高，這樣與通常此方向上的成型性較好 是全都的。此圖表同樣說明白銅合金的一個與其獨立的強度來源相關(guān)的總趨勢。此固體溶解 強化合金可供應(yīng)一較高的強度，從而能使規(guī)定的最小成型性比固溶合金以及散布強化合金要 小，由于此成形過程與其冷工作下性能的相關(guān)性很小。與此相像，在一組固溶合金中，如 C521,其溶解強度為8%時能供應(yīng)比C5U更高的強度，而C511只有C521含有錫的

22、一半（4%）。 同樣地分布強度合金有比純銅高得多的強度。不要忽視在固體溶液中的合金元素其強度可在傳導(dǎo)過程中得到增加。凝聚強化合金能供 應(yīng)較高的傳導(dǎo)性且與其它類型的合金相比在高強度下有更好的成型性。敏捷性可從銅模的溶 液強化的聯(lián)合中得到，而此銅模與冷加工和沉積變硬結(jié)果將導(dǎo)致強度、研磨過程中的成型性 之間的獨特的平衡。此平衡也在圖表4.5中得到反映?？垢g性銅合金通常對化學(xué)侵襲有較強的對抗力，所以好常常在沒有保護鍍層的狀況下使用。當(dāng) 在苛刻的環(huán)境下使用時，如自動化應(yīng)用中，銅合金通常在其外表上鍍一層錫或錫料以提高對 腐蝕的對抗力量。在這些實例中，錫或錫料鍍層也用于接觸鍍層外表。銅合金在其它的應(yīng)用 性

23、能中所掩蓋的東西更為具體。作為連接器應(yīng)用的一個重要性能，是其局部微觀結(jié)構(gòu)的壓力腐蝕。可以將其描述為腐蝕 性的環(huán)境和高彈性的外部拉壓力，將導(dǎo)致對其的裂縫產(chǎn)生和最終失效。此壓力的存在有一外 部根源，如產(chǎn)生于連接器協(xié)作過程中，以及內(nèi)部根源（如來自保持導(dǎo)引線的成形及彎曲的殘 余應(yīng)力。）局部失效模式將在其作用顯現(xiàn)于外表時被覺察到，并且其沒有顯著的塑性變形。 此裂縫路徑位于微粒之間（其可相互作用），而裂縫可通過紋理結(jié)構(gòu)進行傳播。此裂縫可通過 合金與媒介進行傳播漫延。要消失壓力腐蝕就必需有如下三個條件的存在：.合金必需易受到壓力腐蝕的影響。.其工作環(huán)境使得此特定的合金易受影響。.拉伸力的存在。此相關(guān)的幾種合

24、金對用于連接器的可接受性如圖表4.6中所總結(jié)。此指數(shù)用于在不同環(huán) 境下整合其性能的分類。這些工作環(huán)境的范圍從輕-中等的工業(yè)環(huán)境到航海的條件以及最惡 劣的暴露于潮濕的氨氣中的條件下。此指數(shù)成線性分布從。到lOOOo最易受保護的金屬包括鋅，C260包含有30%的鋅是最易受保護。其作用是產(chǎn)生限制以 到達一個良性的環(huán)境。而如只含有15%鋅的C230以及含有僅僅較低鋅和附加的銀（如C770）, 其可顯著的增加對壓力腐蝕的低抗力量。錫-青銅，銀-硅和鍍-銅合金都是具有較好的抗腐蝕 力量的銅合金。銅-饃合金和高銅合金對化學(xué)侵襲產(chǎn)生的裂縫將有很重要的保護作用?？珊感源蠖鄶?shù)銅合金能被錫、錫一鉛合金、以及其它不同的常用于低溫合金的焊料焊接而用于 電氣和電子應(yīng)用。從比率圖系統(tǒng)中此相關(guān)的可焊接力量說明，對一特定的流