连接器第四章接触弹片材料

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1、连接器第四章 接触弹片材料:电连接器铜合金性能-选择铜合金的因素4.2 电连接器合金性能4.2.1 合金的选择因素材料性能与电连接器的功能性要求间的关系可参阅表 4.1 所总结。大多数重要材料与功 能相关的性能包括导电率、强度及伸缩系数。通过减少接触压力（伸缩现象）和抗腐蚀力来 影响可靠性。可成型性及尺寸控制影响满足电连接器产品功能性需要合金的机械加工可靠进 行的能力。与导电性有关的决定性因素是电连接器是试图传输电流（通常几十安培）还是试图传输 电信号（通常 1 安培以下）。正如所预测的，高导电率合金更有利于电能传输应用以避免产 生大量的焦耳热，但在电压必须受预定的电路损耗时，它们可能对信号传

2、输更为有利。合金产生的强度及伸缩系数决定了电连接器配合时接触弹片的接触正压力。经常，对提 高接触压力的有效性压力可通过变曲得到。从弹性臂端子（见第6.3.1节）得到的正压力（Fn） 的关系可表示为：Fn=a modulusX deflectionX a stress（4.1）几何上因素（如梁的宽度、厚度、及长度）使该等式最终成立。弯曲伸缩系数可遵循胡 克定理提供的悬臂弹性而用于决定接触压力（这就是说，所加的弯曲压力不能超过比例限 度）。该比例限度随着其它屈服强度的增加而倾向于增加，并因此受合金及其过程影响。因 而，在给定材料厚度的情况下，高强度合金通常能提供更高的接触压力。施加压力超过其弹 性

3、限度会导致微结构的变形。最终结果是如果弹性移动仅仅通过伸缩应力产生则接触压力小 于将要达到的（最大接触压力）。连接器的可靠性需要连接器处于工作状态过程中，接触压力保持稳定，或至少不会低于 所允许的极限值。当接触弹片处于长期的应力状态下时，即使应力是在弹性范围以内，微量 塑性变形依然会发生。一些初始的弹性应力和张力可以被塑性变形所取代，这样会导致接触 力减小。（一种解释为应力释放的现象）。冶金过程中的微塑性变形是受温度影响的，并且， 当工作温度处于80 100C时铜合金的微塑性变形会变得很明显。某些合金对温度的影响具 有较高的抵抗力。多个连接器并联时，接触力的稳定性明显增加。为了让插入力处于一个

4、合 理的水平中，接触力可以被设计得接近于允许的极限值，这是为了保持可靠的电性连续性。 然而，这种情况下的工作过程中，初始力的降低必须保持在范围允许的最小值。对于可靠的连接器性能还需要满足一个额外的要求，那就是其合金的成份必须能够防止 在工作环境中受到的化学腐蚀。如有必要，铜合金会镀上一层金属以增加对受污染的空气及 化学物质的抵抗能力。折弯加工是连接器成型过程中最常见的工步。端子料带材料存在一个在加工过程中不至 于断裂的极限范围，该极限是选择端子合金及其回火方式的关键之一。在某些连接器的组成 部分要防止伴随成型加工所生成的不规则的粗糙部的产生。如果镀层出现很明显的起皱现象，就会影响表层金属的连续

5、性，但不至于一起基材铜合金的破损，所以这种起皱现象在连 接器的特定部位上发生或许是可取的。同样与成型加工相关的是对受成型过程或成型后热处理过程弹性回复影响的尺寸的控 制。这可依照经验或者由铜合金料带供货商所提供的信息来调整治具，以实现对尺寸的控制。在以下的章节里，将选择性的讨论合金的性质，尤其是前文所提到的对连接器性能很重 要的性质。首先要讨论的是最具有区别特性的合金传导率及其强度。一般来讲，强度越高的 合金其传导率越低。4.2.2 传导率/焦耳热铜合金的电性传导率是以一种独特的方式即占纯铜标准 （International Annealed Copper Standard, IACS）的百分

6、比来描述。在早于一个世纪以前当纯铜标准刚建立时，IACS百分 数值是用来表示纯铜的纯度。随着冶金技术的进步，开发出许多具有商业价值的具有更高传 导率的铜合金。C110的IACS百分比值为101,它是商业纯铜。纯度测量的基本原理是先测 出其电阻率再经由除以172.4从微殴转换成IACS百分比值。连接器用的铜合金其电性传导 率IACS值一般在595%范围内。IACS值小于30%的铜合金其传导率适合于信号及小电 流传输的连接器。以传输电力为主的连接器其IACS值一般要超过70%。表4.4中列出了常 用的连接器合金的传导率数值。与稳定的溶液相比,合金的传导率会随着各种其它金属成份 的减少而增加。插图4

7、.6 描绘了向稳定溶液中分别加入镍、锡、锌三中杂质后所得不同传导 率的曲线。每组合金曲线体现了相应商业合金的最小传导率主要取决于合金中的主要合金成 份（当然亦包括含量较少的一些杂质元素）。某些元素如锡和镍的存在会使传导率大为降低。 锌杂质对合金传导率的影响不是很明显。经完全退火处理的合金其电性传导率亦会降低,但 这种影响较小（IACS值在23%范围内的较为典型），而经回火处理的合金其电性传导率 受到的影响明显得多。溶解元素的凝结会导致较高的传导率（如合金中镍与硅结合形成的硅溶液，铁从铜铁 合金中结晶出来）。插图4.7将连接器合金按照传导率（或强度）分类描述，同时也显示了 这些合金各自的增加强度

8、的不同方法。铜合金的电性传导率及热传导率之间是通过LORENZ法则联系起来的，如插图4.8示。 该法则从所建立的超导体金属模型上获得，它指出电性传导率与热传导率之间通过 LORENZ 系数相互联系。有了这一法则，合金的热传导率就可以通过测量电性传导率或电 阻率而方便地得到。在室温环境中，低的电性传导率对应于低的热传导率。可以推理得出，奥姆加热器用低 电性传导率的合金作成，当给其加入较大电流时，由于其热传导率亦较小热量不易散发而产 生大量热能。对于具有相同传导率及相关基本组成成份的合金来说，各成份的比例关系十分 重要。LORENZ 系数与温度有关，而且各种合金成份的电传导率和热传导率与温度变化的

9、关 系不完全一致。举个例子说明，不含合金成份的铜，当温度升高时，其电性传导率比热传导 率要降低得多得多，而对于铜的合金成份，其电性传导率随温度升高而降低的同时，某些热 传导率却会随温度的升高而升高，LORENZ系数可在1020%的精度范围内将热传导率从 电性传导率(或电阻率)中区别出来。4.2.3 强度延展特性，包括屈服强度及弹性系数，作为区分各种合金成份的一种尺度而应用于特殊 连接器的设计当中。由于连接器常见的应力形式为弯应力，因此弯曲应力也要作为合金的一 种机械特性而附加考虑。拉伸及弯曲应力特性是合金加工中十分重要的考考虑因素。各种各 样铜合金的弹性系数均有略微不同，弹性的恒定并不是取决于

10、各合金自身受到加工过程的影 响，而是由其材料形成时结晶组织所固定的弹性系数来决定的。拉伸强度 按照拉伸特性所选择的连接器用合金按照其相关电性传导率列示于图 4.7。 图中多数结晶合金均运用回火工艺而获得 380700MPA 的拉伸强度，其传导率一般低于 35%IACS，而较为离散的合金其传导率却较大，一般在50%IACS以上，其强度只比那些 集中点代表的合金略低。凝结强化合金和与其具有相同传导率的溶液强化合金相比其具有最 高的强度，和二次散布合金相比具有较高的强度但是传导率较低。弯曲强度/接触压力 对于最初的材料选择和对它们从供货商得来的规格，可延展性能 是足够的。然而，弹性端子常常是悬臂梁，

11、所以(and)弯曲应力一应变特性基本上是适用的。 依靠材料性能上的限制是否被超出，或者当使用错误的应力应变数据时，接触压力可能被错 误地预测。如图 4.9 所示的青铜在接触弹片 (contact spring) 受压超过了性能极限时的拉伸、压缩 和弯曲应力应变曲线。这些曲线的限制(Dert-ermination)在合适的指定的ASTM方法下会被 覆盖。弯曲包括暴露表面的拉伸和压缩特性，并且这些特性间不存在必然性的对应关系。因 此，弯曲应力应变曲线将对在缺少拉伸和压缩数据时接触压力的预测会更有益。如例子C260 所示的那样，压缩曲线在强度上比拉伸曲线更高，但这个相对的顺序不能被认为是一般性的。而

12、且，对于冷轧制材料的管理，弯曲歪斜反应常常是相当直接的。如图 4.9 也表明了 C260的各向异性。当弹性端子组件被对齐普通(或垂直)长条(strip s)旋转方向时，可以期待 从合金中得到更高的接触压力。而且在垂直方向上，拉伸曲线比压缩曲线更高，在横向方向 上则刚好相反。长条在横向和纵向上的相对强度也由合金与制程所控制。弹性系数 合金化处理和加工过程只是稍微会影响铜合金的拉伸与压缩弹性性能。手册 中的弹性系数的数值范围是在高铜合金和锌黄铜直到C230上加压117MPa,和在C260与锡 青铜上加压110MPa所得到的。例如对于镍银合金和C725加压124-138MPa,含镍合金比后 者具有更

13、高一点的弹性系数。低硬度合金也具有比其它合金更高的弹性系数，即对于老化回 火的铍铜和C7205具有131-138MPa的值。制程在两方面影响弹性系数。冷轧制回火的稳定韧化依靠合金和回火，易于增加弹性系 数 5-7MPa 。制程也改变了弹性性能的方向。弹性常数直接是铜合金之类原料的三次方，不象导电率只是平方。例如C7025有经向和纬向上分别具有131MPa和140MPa的弹性系数。4.2.4 应力松弛/接触压力稳定性对于连接器可靠性能的关键是当它在工作时，它保持电性导通（transparent）。然而，当 受拉伸应力时，来源于在弹性端子原料里多微孔性的接触压力的降低最终可能导致不可接受 的接触阻

14、抗。因为发生多微孔性的制程是由于受热引发的，所以高耐用温度导致它们发生不 同程度的变化，这依靠于合金和它如何制成。如果端子初始变形超出了弹性变化范围，那么伴随任意的原料畸变，接触压力在第一次 插入后迅速的发展取决于弹性端子的弹性回复。当使用时，弹性变形随弹性原料依靠时间和 温度的多孔性畸变会部分被回复，从弹性变形到塑性变形的变化结果会降低接触压力。这种 变化称之为应力松弛，它随温度的增加而增加。然而应力松弛不同于发生在固定不变的端子 弹片上的随时间变化而应力降低的现象，而应下意识地联系到在装配载荷下随时间变化而引 起的几何形状的变化（应变）。许多合金在室温条件和微小温度变化情况下有足够的实用性

15、，但当工作温度增加到80-100度时， 表中可利用的合金性能会受到更大的限制。应力松弛的阻抗会受固溶合金元 素和其它对金属上微量塑性畸变的阻碍而变化，比如细微的二次散布合金颗粒和凝结合金颗 粒。检测不同铜合金的相对应力松弛的阻抗常常是在悬臂弯曲中进行的，最初是在检测设备 中施加 50%到 100%的屈服强度压力。按最初在制订的持续曝光条件下保持的弹性应力的百 分比数来指定稳定性标准。C510的应力松弛性能如图4.10所示。当以对数坐标来描述时， 应力保持数据是线性对应的。这个线性特性允许用推断法去预测更长远的性能。检测常常持 续充足时间以确保应力松弛特性保持线性或者包括任意可能发生的直线斜率的

16、变化。图4.10中的例子也表明冷工作的数量常用在取得强度上的影响稳定性（更大强度的回过 火的H08的稳定性比H02要低）。在某些场合，因为具有更好的长期稳定性，低温回火能在 端子上提供更高的承载能力，甚至低温回火能使应力低于开始状态。同时也应该注意到其强 度明显低于初始状态，在第一小时内，初值下降得很快也表明了这一点。应力松弛特性也可通过最初在漫延-破裂上发展起来的雷斯密尔方法而得出。这种方法 需要在大范围内的雷斯密尔参数来决定。该参数被用来限制一个控制曲线，从而估计保持在 任意时间和温度组合条件下的压力。该方法的一个缺点是假设了简单机理反映了在一个决定 参数的温度范围里的应力松弛。因此，从这种方法中可能得出错误的结论；由于应力松弛特 性受温度影响，是以该方法的另一缺点仍在争论之中。低温热处理能提升应力松弛阻抗。这种处理主要目的是用来有效避免强度的改变，就象 在调质退火的轧制H08的回火而产生HR08 样。稳定性也