连接器第四章接触弹片材料.doc

连接器第四章接触弹片材料:特殊合金性质-连接常用铜合金特点和对比(黄铜锡青铜铍铜镍铜等等)4.3.1 稀释铜合金(Dilute Copper Alloys)稀释铜合金又称高铜合金，指合金元素含量低于4%的铜合金。作为一组，这些铜合金在所有铜合金中具有最高的导电率和极佳的在一般压力和高压力下的耐腐蚀能力。在足够的成形能力下的拉伸强度被限制在低于大约500Mpa拉伸强度，因为其拉伸强度主要由冷卷(请回忆前面提过的主要用于降低成型性能的冷作硬化)。该合金组在相对零温度到80摄氏度(华氏176度)之间提供了很好的对压力松驰的抵抗能力。表4.8总述了合金元素含量低的铜合金的典型特性。按合金中合金元素含量的比率来计算，上述铜合金的相对导电率有所下降。合金元素自己也极大地影响了传导性能，这是其内部电子结构因素的结果。C151是一种也具有最低的合金含量(含0.1%左右的锆)和最高的导电率的二元合金。该合金通过铜锆的易扩散以与冷作硬化结合而生成第二阶段颗粒而使其强度提高。留有固体溶解物里的锆元素含量不超过0.02%。C151的最重要的性能是在高温下仍具有很高的抵抗压力释放的能力，尽管其合金元素含量很低。该合金由于在高温下具有比其它高铜合金，包括凝结强化合金，明显的优良性能，因些该合金等级较高。C151在150摄氏度的高温下保温3000小时后仍具有其初使87%的压力；然而强度比凝结合金要低得多。镁和磷在C155中要反应生成磷化物。这些颗粒在通过从溶液中除去镁和硫而达到高导电率的同时增加了冷作硬化的效应。该合金也需要加入微量的银以在低温回火时提高防止软化的能力。C155应力松弛阻抗在高铜合金中是适度的。低级别的锑和锡(含于低氧铜或磷再氧化的铜) 也能增加软化抗力，如C1443和C145。控制残留的氧对避免生成防止锑元素提高软化阻力的锑氧化物藉非常重要的。这些合金的导电率是很高的，因为留在溶解合金里的合金添加物的含量是很小的。这类合金的压力释放过程并不特别。C194、C195和C197代表了一组基于铁和磷组成物变化的合金。强度提高是因为当这些合金被冷压以生成调剂时用作增加冷用硬化效应的磷化物的扩散(含有钴，钢和镁元素)。强度和导电率是由添加于C195的溶解强化的锡来均衡的。在该组基于合金的磷化钢中，C197提供了最高的导电率，因为C197含有在其形成过程中生成的混合钢和磷化镁。4.3.2锌、锡及改善黄铜(Modified Brasses)铜锌合金在用作制造工作温度(环境温度或焦尔热)适中且成本低的电连接器的铜合金中最出名。在这些合金中，C230(含15%锌)和C260(含30%锌)恐怕是最常用的了。在相同的成型能力下，C230的强度并没C260的高(如表4.5所示)，但是这些低合金组成物提供了更高的导电率。锌黄铜合金(包括C230和C260)的压力释放阻力是适度的(表4.9)，这限制了其使用温度大约在75摄氏度左右(167华氏度)。含有15%或稍少的锌的黄铜合金也更不易受挤压腐蚀裂缝的影响。锡铜合金由于比二元铜锌合金具有更好的强度成型组成物和压力释放阻力以及抵抗压力腐蚀裂缝的能力而显得更具特色。锡加入物在强度上是可靠的，因此在冷作硬化时需要降低组成物的含量；更好的成型性能是该举措最直接的效益。通常含有10%锌和2%锡的合金C425作为降低锡合金成本的替代物应用呈上升趋势。C425的导电率与C260不相上下。C425的导电率也比最重要的锡青铜合金要高(下一节将对此讨论)，但成型性能并设有锡青铜那样好。C425的压力释放阻力也要比上述锌青铜合金好，这允许它应用于达到125摄氏度(257华氏度)高温的环境中。铁，钴，铝及硅等合金加入物和铜锌组成物进一步改善了原本已经高度易成型的基本黄铜合金的一些重要特性。C664(表4.9)中的铁和钴是扩散的粒子加入物并将导致在与C260相同的强度水平下获得更高的成型性能。合金C664很可能在需要更高强度的应用中作为C260的潜在替代物。锌黄铜(C688)的铝和钴等加入物混合了来自对呈现的钴铝合金进行更有效的冷作硬化以获得精炼粒子(10微米以下)的强化功效。该结果是得到一种易成型的合金，该合金提供了不经凝结强化的可得到的最高强度。表4.9列出了相对于其它锌铜合金的铝扩散强度合金的特性。值得注意的是作为冷作硬化的高效能的组成物，需要更少的工作即可达到所需强度，成型性能在横向与纵向是一样的(参阅表4.5)。与随后说明的凝结硬化合金不同，C668合金及大多数其它黄铜合金的压力释放阻力被限制应用于低于100摄氏度(含锡合金C425除外)的条件。4.3.3锡青铜粗糙的锡青铜也指磷青铜，因为加入的磷(含量在0.03到0.35之间)是为了使金属还原和达到更好的流动性。含量在1%到10%之间的锡通过溶解硬化和增加锡元素给予铜的(表4.10)加工硬化率而达成强度提高。商业上最重要的锡青铜合金是C510和C521。C510合金是最常用的锡青铜合金，当更高的强度/成型能力组成物成为必要时，常使用成本稍高的C521合金。后者高出的成本是由加入的金属基本成本和加入的锡影响热加工而提高的成本组成。含锡量高的青铜必须铸成条状，因此防止大部分成本，热压碎成为了可能。源于更高的锡的允许范围的强化处理被低导电性所抵销，如表4.10所显示的。因而锡铜合金不适用于高电流接触，而应用于电信号传输上更好。锡铜对伸缩的抵抗力直到接近125度都有良好的特性。对更高温度时的稳定性要求已促进了锡铜合金向凝结强化合金的转化。锡铜合金有良好的成型性。例如，因为对强度的冷处理要求更少，C521比C510能提供更好的成型性。因此，对于相同的强度C521的应力松弛阻抗力比C510更优。典型地，通过提高冷处理次数对C510的强化处理稍微减小了其伸缩抵力，但可通过减轻退火度得到提高。与其说锡铜的应力腐蚀抵抗力受到影响不如说锡的抵抗力提高。在个观点上，锡铜与锌铜的区别在于锌抵抗力的提高对 应力腐蚀敏感性提高有极深地影响。4.3.4 铝与硅铜铝铜包括含有硅、铁、钴、或其它附加于铜-铝基材的元素的合金。用于电连接器上的硅铜合金，含有锡及其它附加于铜硅基材中的元素。该组合金中对电连接器有重要商业意义的例子如表4.11所示。C638，含有铝及更少量的钴和硅，可以同时提供很高的强度及良好的成型性。精细散布的钴硅化物，具有很小的粒子，包含在该合金中对其硬度有一定影响。该合金在拉力达到近700Mpa时仍保持了相对成型性。C638的应力松弛阻抗力比较适中，限制其利用的温度为75度左右或更低。C654是一种固溶且经过冷轧的合金，其能提供与C510在125度（最高的推荐应用温度）时相同的应力松弛阻抗力。C654的成型性在690Mpa拉力作用下比C510更优，尽管其导电性大约只有后者的一半。与C510一样，C654实质上不受应力腐蚀分裂的影响。4.3.5锡与含锌的铜镍合金大多数重要的用在电连接器上的铜-镍固溶合金有C725，C762，C770。其中，C725因为中等强度条件下良好的成型性，适中温度时良好的伸缩性，以及很好的腐蚀抵抗力而应用最多（表4.12）。4.3.6凝结强化合金温度升高时，高强度、良好成型性、优良的应力松弛阻抗力、以及适中的导电性最有利的适中结合，从那些能够通过热处理得到强化的合金中实现。该组合金突出的特性在第4.2.2节中已经讨论。主要的凝结铜合金以铍（与钴或镍结合）或镍（与硅或锡结合）。这些合金与电连接器相关的可能用到的性能总结在表4.13中。所有铜合金中能够加热处理到最高强度的含铍合金是C172。钴的加入是为了通过高温溶合退火步骤中形成粒子周围的钴铍化合物而控制微粒的大小。在其最高强度及应力松弛阻抗力时，钴有很差的成型性。在需要最高性能的情况下，合金料带（the alloy strip）在热处理达到其最高强度前，首先从溶化处理或溶化处理状态下的冷轧回火形成部件。经常，冷轧余热淬火料带，用于表示强度与成型性之间的平衡。应力松弛阻抗力也考虑冷轧料带的优点但是其不如高强度状况下稳定。正如第4.2.2节中所提到的，因为需要移走热处理过程中形成的铍氧化物，也可能为避免变形而需要移走设备，故部件热处理会产生附加的加工成本，在性能与最终的决定条件（final aged condition）总结在图4.4中。C175，C172中稀释铍的形式，在压延回火（mill-hardened tempers）过程能提供更高的导电性，但缺少可成型性。为了降低金属成本而实质上不影响金属的性能，C175已被C1751所替代，而C1751中的镍被钴所替换。C175中铍与钴的容量进一步减少到一定程度已经被作为C1741介绍过，C1741只有在压延条件下才是可用的。但是后者在强度轻微下降的同时，却有更好的成型性。加入铜镍基材合金中的硅通镍硅氧化物的凝线导致足够硬度的合金。访组中的合金C7025（其也包含有镁）及C7026因为在适中导电性时有良好的强度/成型性而有贵金属性。C7025对温度升高有相适配的抵抗力和其它可与稀释铍铜相竞争的性能。C7025的应力腐蚀抵抗力与高抵抗力的磷铜合金。加入铜-镍基材中的锡，根据合金的成份和热处理，能提供与C172几乎相同的强度。该组中最强的含锡合金是C729。这些合金主要的强化处理是一种被称为旋节分解（spinodal decomposition）的精炼凝结。该组合金中镍与锡的含量范围从最高的C729（15%的镍及8%的锡）到C7265（8%的镍及5%的锡）。更为稀释的成份，如4%镍-4%锡（C726），和9.5%镍-2.3%相对的锡（C725）不能通过凝结热处理得到强化。C729据报告在高温工作环境中可提供非常好的应力松弛阻抗，例如暴露在200度环境中1000小时能保持90%的初始压力。而C7625经过相同的条件强度有轻微降低，稳定性也有些下降，同时可保持80%的压力。C7265与C729是该组中最常用的合金。但是，因为制程及金属成份的成本，使得它们很成本很高；且后者因为较差的热性能通常通过粉末压合来加工。像铍铜一样，镍-锡合金在冷轧回火（为了增加形成后的寿命）及压延回火也是可用的。4.4 相关成本因素对选定的高容量（high-volume）的商业铜合金的定价如图4.14所示，