汽車插接件用銅合金材料的選擇

汽車插接件用銅合金材料的選擇

《qc-t417-2001車輛能耗在線梁插接器》定義了插接件是插接件和插接件的總稱。插接頭是插入插接頭可以完成裝置連接的插接件。插接頭是接受插條形成連接的插接件。1用于插接件的材料近年來(lái),中國(guó)經(jīng)濟(jì)的崛起帶動(dòng)了汽車行業(yè)的飛速發(fā)展,全國(guó)各地涌現(xiàn)了一大批汽車插接件生產(chǎn)企業(yè)。目前,國(guó)內(nèi)的連接器現(xiàn)狀是外資企業(yè)壟斷高端市場(chǎng),國(guó)內(nèi)企業(yè)只能在低端市場(chǎng)進(jìn)行自殺式的低價(jià)競(jìng)爭(zhēng),使得生產(chǎn)插接件的廠家片面追求低價(jià)而忽視產(chǎn)品選材的品質(zhì),從而導(dǎo)致類似的產(chǎn)品,其品質(zhì)卻相差甚遠(yuǎn)。插接件所用的材料是銅合金,之所以選擇銅合金是因?yàn)樗哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn):(1)塑性好易加工;(2)無(wú)磁性;(3)耐腐蝕性強(qiáng);(4)耐久耐用,可以再生;(5)優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電體等。銅合金的種類繁多,但用于插接件的銅合金大部分為黃銅H65、H68、H70。根據(jù)銅鋅相圖分析知,含Zn量為30%~32%時(shí),黃銅中為α單相,屬于面心立方,適合于冷變形加工,有良好的焊接性能和鍍錫能力,并且此時(shí)的含Zn量使黃銅的塑性達(dá)到最好,所以黃銅主要用于插接件中的插頭產(chǎn)品,又由于它有比較高的導(dǎo)電性和相對(duì)低廉的價(jià)格,黃銅也用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的插座類產(chǎn)品。插接件中的插座材料主要選用錫磷青銅QSn6.5-0.1,原因是錫青銅與其它的青銅相比有較好的綜合力學(xué)性能和較高的性價(jià)比。從銅錫相圖上可以看出,當(dāng)Sn的含量在5%~6%時(shí),材料的強(qiáng)度隨著含錫量的增加而增加,當(dāng)含錫量大于6%時(shí),由于合金中出現(xiàn)了硬脆相δ,使硬度、強(qiáng)度繼續(xù)增加,而伸長(zhǎng)率則急劇降低,加上QSn6.5-0.1的彈性及抗應(yīng)力松弛能力均優(yōu)于黃銅,所以QSn6.5-0.1被廣泛用于有彈性結(jié)構(gòu)的插接件。還有一些匯流條式的產(chǎn)品和插片,對(duì)導(dǎo)電率要求較高,但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,所以一般選用特殊性能的銅合金材料。由于QSn6.5-0.1的導(dǎo)電率較低,而黃銅的導(dǎo)電率雖高但彈性較差,這使一些導(dǎo)電率要求高的有彈性結(jié)構(gòu)的插接件,如熔斷片插座和繼電器插座不能滿足要求。加之不斷出現(xiàn)的新產(chǎn)品對(duì)材料提出了更高的要求,再者客戶的要求也越來(lái)越高,這些都為插接件生產(chǎn)廠家提出了新的挑戰(zhàn),僅僅停留在目前材料現(xiàn)狀只會(huì)坐以待斃,為插接件開(kāi)發(fā)新材料才是當(dāng)務(wù)之急。2帶材插拔力測(cè)試結(jié)果我國(guó)的插接件產(chǎn)品雖然已經(jīng)比較成熟,但是還存在很多問(wèn)題。1)品質(zhì)相對(duì)進(jìn)口件較差,主要原因是產(chǎn)品品質(zhì)差→產(chǎn)品價(jià)格低→控制成本→選用材料、模具等品質(zhì)差等惡性循環(huán)。表1和表2是對(duì)不同廠家提供H65、狀態(tài)Y、厚度0.4mm的帶材,分別進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)、沖制同一插接件產(chǎn)品、插拔力性能測(cè)試等得到的數(shù)據(jù)。由以上數(shù)據(jù)可知,化學(xué)成分和力學(xué)性能相近的國(guó)內(nèi)外材料,插接件的插拔力卻明顯是進(jìn)口材料優(yōu)于國(guó)產(chǎn)材料。其原因主要是在晶粒度大小、熱處理機(jī)制、雜質(zhì)含量等方面,國(guó)內(nèi)材料都普遍次于進(jìn)口材料。2)材料選擇混亂,主要原因是對(duì)材料的認(rèn)識(shí)不足,造成憑主觀意識(shí)盲目選材。3)資源不足,缺少檢驗(yàn)、試驗(yàn)、產(chǎn)品驗(yàn)證等一系列的原始數(shù)據(jù),使相關(guān)研究變得困難,繼而技術(shù)難以提高。3晶粒度較大時(shí)的塑性由于材料的性能差異,造成插接件在成型時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象。為了解決并控制開(kāi)裂問(wèn)題,工程師們常常會(huì)根據(jù)自己對(duì)材料性能的片面理解,隨意更換材料,常常會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題不但得不到解決,反而更加嚴(yán)重。所以這里需要澄清一下大家認(rèn)識(shí)上的幾個(gè)誤區(qū)。1)抗拉強(qiáng)度σb越高材料成型時(shí)越易開(kāi)裂?？估瓘?qiáng)度是指材料在斷裂前能承受的最大外力時(shí)的應(yīng)力。抗拉強(qiáng)度越大,說(shuō)明使材料變形所需的外力也越大,是模具設(shè)計(jì)時(shí)要參考的一個(gè)指標(biāo)。抗拉強(qiáng)度受熱處理機(jī)制及晶粒大小的影響,晶粒度較小時(shí),強(qiáng)度和塑性會(huì)同時(shí)升高;晶粒度較大時(shí),強(qiáng)度稍升高就會(huì)帶來(lái)塑性的驟然降低。例如,材料a:H65Y,σb為454MPa,δ=15%;材料b:H65Y,σb為480MPa,δ=15%。雖然材料b的抗拉強(qiáng)度較a高,但是材料b的晶粒度比材料a小,力學(xué)性能也優(yōu)于a,所以材料a更易開(kāi)裂。再比如紫銅T2Y,σb為295~380MPa,黃銅H65Y,σb為410~540MPa,雖然H65Y的抗拉強(qiáng)度高于紫銅,但是T2Y卻比H65Y易裂。所以這種認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的。2)延伸率δ越低材料成型時(shí)越易開(kāi)裂。延伸率是衡量材料塑性的一個(gè)參數(shù),它和抗拉強(qiáng)度屬于兩個(gè)相反的指標(biāo)。對(duì)于同一種材料,比如青銅C18080,狀態(tài)R480時(shí),δ≥7,r/t=0(折彎試驗(yàn)條件:折彎角90°,材料厚度t≤0.5,材料寬度為10mm,以下同);狀態(tài)R540時(shí),δ≥4,r/t=0.5;狀態(tài)TR08時(shí),δ≥7,r/t=2(垂直于軋制方向),說(shuō)明延伸率小的反而折彎性能更好。對(duì)于不同的材料,如青銅C14415,狀態(tài)R420,δ≥2,r/t=1,與C18080TR08相比,前者延伸率低,反而比后者更有利于折彎。所以這種認(rèn)識(shí)也是錯(cuò)誤的。3)含銅量越高,導(dǎo)電率越高。對(duì)于純銅而言,這種說(shuō)法是正確的。但是對(duì)于銅合金材料,由于熱處理機(jī)制、合金相的存在狀態(tài)(如電子化合物、固溶體)及合金相的晶格結(jié)構(gòu)不同,反映出的導(dǎo)電率也會(huì)不相同。比較明顯的例子如錫磷青銅,雖然含銅約93.4%,但因銅錫合金為電子化合物,因而導(dǎo)電率13%IACS;黃銅H65,含銅65%,因銅鋅合金為固溶體,導(dǎo)電率卻達(dá)27%IACS。所以這種認(rèn)識(shí)也是錯(cuò)誤的。4防止產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與材料性能相分離插接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不但要滿足它的使用性能要求,還要兼顧它所使用的材料性能,以防止產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與材料性能相悖。如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的折彎半徑,應(yīng)該根據(jù)所選材料的折彎性能r/t(r為折彎半徑,t為材料厚度)確定。再如,若對(duì)產(chǎn)品的導(dǎo)電率高或強(qiáng)度要求較高,那么應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。以下將介紹如何為插接件正確選材。4.1選擇適合自己的折彎材料首先觀察是否有彈性結(jié)構(gòu),若有彈性結(jié)構(gòu),則選擇屈服強(qiáng)度σs較大或彈性模量E較小的材料;若無(wú)彈性結(jié)構(gòu),則選擇屈服強(qiáng)度σs較小和彈性模量E較大的材料。其次,看最大折彎角處的折彎半徑r、折彎角α及產(chǎn)品的材料厚度t,根據(jù)折彎性能參數(shù)r/選擇適合的材料,這里要明確對(duì)折彎有利和不利的因素(材料越薄、越窄、折彎半徑越大對(duì)折彎越有利)。若折彎角度α超過(guò)折彎性能r/t試驗(yàn)中的彎曲角度,有必要進(jìn)行模擬試驗(yàn)方法,即折彎試驗(yàn)來(lái)確定所選材料是否能夠達(dá)到要求。4.2抗應(yīng)力松弛能力在高溫下,材料的屈服強(qiáng)度會(huì)損失一部分,材料不同,最終損失的屈服強(qiáng)度也不同。這里涉及一個(gè)概念:抗應(yīng)力松弛能力,是指將試驗(yàn)材料放在高溫下一段時(shí)間后取出,其屈服強(qiáng)度仍能夠達(dá)到常溫下屈服強(qiáng)度的70%以上的能力?？箲?yīng)力松弛能力高的材料,在高溫下仍能保持很好的彈性;抗應(yīng)力松弛能力低的材料,較高的溫度會(huì)使其彈性大大降低,致使產(chǎn)品失效,所以抗應(yīng)力松弛能力在產(chǎn)品選材時(shí)不容忽視。純銅的抗應(yīng)力松弛能力為25℃,黃銅為75℃,錫磷青銅為125℃。若插接件的工作環(huán)境溫度為100℃,那么應(yīng)該選擇錫磷青銅。4.3確定導(dǎo)電率的方法插接件的溫升與導(dǎo)電率大小成正比,即導(dǎo)電率越高,發(fā)熱少,散熱快,溫升越低。但是若具體計(jì)算電路中插接件的導(dǎo)電率卻極為復(fù)雜,也沒(méi)有相關(guān)資料可查。故一般按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)和產(chǎn)品溫升試驗(yàn)驗(yàn)證的方法確定。綜上所述,為插接件選材要兼顧材料成型和產(chǎn)品使用兩方面,遵循既經(jīng)濟(jì)又適用的原則,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與材料性能相輔相成,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。5健全國(guó)產(chǎn)材料插接件生產(chǎn)工藝插接件尺寸小,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,所以對(duì)銅合金材料力學(xué)性能要求較高,一般國(guó)產(chǎn)材料成型比較復(fù)雜的插接件時(shí),往往會(huì)導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。若是我們?cè)诋a(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇與驗(yàn)收、模具設(shè)計(jì)與制造等方面多加注意,就會(huì)減少不必要的浪費(fèi),并保證了產(chǎn)品的品質(zhì)。下面分析材料開(kāi)裂的原因及改善的措施。5.1折彎線設(shè)置時(shí)平衡線設(shè)計(jì)不設(shè)置1)內(nèi)折彎角為0或過(guò)小,產(chǎn)品要求的折彎性能大于所選材料的折彎性能r/t。增大折彎角或減小材料壁厚可以避免開(kāi)裂。2)未設(shè)計(jì)撕裂槽。當(dāng)折彎線在輪廓線以外時(shí),如圖1所示,x應(yīng)不小于r(內(nèi)折彎半徑)值;當(dāng)折彎線在輪廓線以內(nèi)或與輪廓線重合時(shí),應(yīng)設(shè)計(jì)撕裂槽,如圖2示,但也存在x應(yīng)不小于r。類似的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖3所示。5.2在折彎處產(chǎn)生的缺陷在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的情況下,若模具加工某處存在缺陷,則會(huì)在產(chǎn)品的同一個(gè)部位產(chǎn)生裂紋等缺陷;如果是材料本身的原因,則會(huì)在整個(gè)折彎處均會(huì)產(chǎn)生裂紋,因此應(yīng)嘗試更換成型該工序的模具部件,如果裂紋消除,則說(shuō)明是模具加工缺陷造成的裂紋。如圖4所示,更換沖頭后裂紋消失。5.3材料加工后強(qiáng)度成型較復(fù)雜的插接件時(shí),若材料性能較低,則容易造成開(kāi)裂。例如一個(gè)插座采用QSn6.5-0.1材料,出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象,后查該材料的性能檢驗(yàn)數(shù)據(jù)為σb=543~546MPa,σs=510MPa,延伸率δ=17%~18%,雖符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求,但此批材料抗拉強(qiáng)度和延伸率都同時(shí)偏低,說(shuō)明材料晶粒粗大,通過(guò)熱處理使抗拉強(qiáng)度升高,但同時(shí)曲強(qiáng)比增大,塑性降低,導(dǎo)致材料易裂。后選用同種材料,性能為σb=587~592MPa,σs=508MPa,延伸率δ=27%~29%,由數(shù)據(jù)可見(jiàn)該材料晶粒度細(xì)小,同時(shí)抗拉強(qiáng)度和延伸率較高,性能大大提高,故開(kāi)裂問(wèn)題解決。5.4材料狀態(tài)的同一性材料的性能不但與材料的牌號(hào)有關(guān),還會(huì)因材料的狀態(tài)不同而相差甚遠(yuǎn),材料不同的狀態(tài)即由不同的熱處理機(jī)制得到,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定材料狀態(tài)由漢語(yǔ)拼音的首位字母表示,如R表示軟態(tài)、Y表示硬態(tài)、T表示特硬態(tài)等。若材料牌號(hào)確定,而硬態(tài)不能滿足產(chǎn)品的成型要求,改選硬態(tài)軟的材料即可減小裂紋產(chǎn)生的傾向。5.5工步的變形若以上方法均不能解決材料開(kāi)裂的問(wèn)題,也可考慮采用優(yōu)化模具設(shè)計(jì)的方法控制裂紋的產(chǎn)生。由于材料在成型過(guò)程中,材料的加工硬化程度逐漸增高,若變形最大的工步在最后,則開(kāi)裂的可能性較大,那么可以考慮將變形最大的工步放在前面。另外,可考慮增加成型工步,如折彎175°,如果原來(lái)是0°→90°→175°,可以調(diào)整為0°→45°→90°→120°→150°→175°,這樣會(huì)大大降低材料開(kāi)裂的可能性。6新材料近幾年使用新型材料的插接件不斷出現(xiàn),說(shuō)明常用材料存在不足,要想改進(jìn)產(chǎn)品品質(zhì),必須用新型材料來(lái)彌補(bǔ),插接件正在迎來(lái)材料方面的挑戰(zhàn)。6.1抗應(yīng)力松弛能力C4252是在銅-鋅元素的基礎(chǔ)上,又添加了錫、鎳、鐵等元素,又稱錫黃銅。從圖5中可以看出,C4252力學(xué)性能與青銅C510相近,導(dǎo)電率卻與黃銅C260相近。另外C4252的抗應(yīng)力松弛能力與青銅相同,均為125℃?？芍^綜合了青銅和黃銅的優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)了兩者的不足,并且筆者經(jīng)過(guò)實(shí)踐,從產(chǎn)品成型、插拔力、溫升試驗(yàn)方面與黃銅、青銅進(jìn)行了對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證了C4252的優(yōu)越性能。因此它適合于導(dǎo)電率要求較高的有彈性結(jié)構(gòu)的插接件,缺點(diǎn)是由于它屬于進(jìn)口材料,價(jià)格較高。6.2cuni-si導(dǎo)電合金Cu-Ni-Si合金屬于時(shí)效強(qiáng)化型合金,特點(diǎn)是具有很高的強(qiáng)度,卻仍能夠維持較高的導(dǎo)電性。CuNi-Si合金種類繁多,其中典型的代表是C7025。其力學(xué)性能見(jiàn)表3,導(dǎo)電率為40%IACS,抗應(yīng)力松弛能力為75℃,一般用于插接件中的雙層件結(jié)構(gòu)。6.3金的導(dǎo)電率和抗應(yīng)力松弛能力有的插接件,不但要求有很高的導(dǎo)電性,還要求有一定的彈性和較高的抗應(yīng)力松弛能力,此時(shí)就需要選用高性能銅合金。這里推薦C19720和C18080兩種合金,一般適用于成型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,以及工作環(huán)境溫度較高的片形或叉形插接件(見(jiàn)圖6)。由圖7可知,C19720和C18080的導(dǎo)電率均為80%IACS,但是C18080比C19720的強(qiáng)度更高。由圖8可知,紫銅的導(dǎo)電率雖然比C19720的略高,但是強(qiáng)度卻比C19720低很多。在抗應(yīng)力松弛能力方面,紫銅為25℃,C19720為125℃,C18080為200℃。由此可見(jiàn)