接插元件彈性銅合金帶材的研究與發(fā)展

1導(dǎo)電彈性元件彈性銅合金是一種導(dǎo)電彈性強(qiáng)材料。同時，它具有較高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和良好的物理性。廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)電彈簧加工中。導(dǎo)電彈性元件的連接器是電器終端之間連接與分離的功能元件,是電子器件的重要組成部分,其關(guān)鍵零件是接觸件,又稱接插元件,它應(yīng)具有導(dǎo)電和彈性元件兩種功能,因此90%使用銅及銅合金,涉及的銅材品種中主要是高精度帶材。2通用接頭零件的柔性銅合金連接2.1帶材的制備工藝錫磷青銅是常用的彈性合金,通過Sn-P元素作用和冷加工硬化可獲得較好的機(jī)械性能,錫磷青銅帶材且具有較高的伸長率,易于加工沖制成各種復(fù)雜形狀的彈性元件,它不僅具有優(yōu)良的彈性性能,且具有耐腐蝕、耐磨、無磁性的特點,是目前銅基彈性合金材料中用量最大、用途最廣的彈性材料。錫磷青銅帶材一般采用冷軋開坯,鑄錠經(jīng)均勻化退火、多次冷軋和中間退火,軋制成不同厚度的帶材。工藝上國內(nèi)與國外的差別在于均勻化退火與銑面的先后順序。Sn原子是與Cu尺寸相差較大,因此錫磷青銅形變硬化率非常高,在冷加工生產(chǎn)過程中中間退火次數(shù)多,生產(chǎn)周期較長。錫磷青銅接插件產(chǎn)品狀態(tài)集中在H、EH和SH,目前從低錫C5111(Sn4%)到高錫C5212(Sn9%)的錫磷青銅都被大量應(yīng)用。由于錫金屬的高成本,材料工作者一直在研制低錫或無錫合金來代替錫磷青銅。錫磷青銅板帶坯采用水平連鑄生產(chǎn),然而水平連鑄帶坯的鑄造晶粒十分粗大,且錫磷青銅極易產(chǎn)生偏析和疏松。鑄坯晶粒的細(xì)化可顯著改善帶坯的偏析和疏松,對提高鑄坯及成品的質(zhì)量十分有效。對此在錫磷青銅添加加稀土細(xì)化晶粒國內(nèi)學(xué)者也研究較多,其次工業(yè)上較為成功的是用于錫磷青銅水平電磁連鑄,使錫磷青銅帶坯的凝固組織大為細(xì)化,反偏析和縮松得到明顯減輕,可縮短均勻化退火時間,大大提高石墨模使用壽命。錫磷青銅導(dǎo)電率主要與Sn、P含量有關(guān),錫含量4-9%且磷0.1-0.2%的錫磷青銅導(dǎo)電率介于11%至19%IACS之間。國內(nèi)錫磷青銅帶材生產(chǎn)技術(shù)基本成熟,市場競爭激烈,已生產(chǎn)該類產(chǎn)品的高精度帶材廠家有福建紫金、寧波興業(yè)、安徽鑫科、山東天圓和江西銅業(yè)等。2.2制作工藝大的缺陷,主要用于競爭食在銅鎳合金中添加鋅制備的鋅白銅,其優(yōu)良的耐蝕性和彈性而成為應(yīng)用廣泛的耐蝕彈性銅合金材料。BZnl5-20在我國宋代即被用作工藝品,隨著科學(xué)進(jìn)步的需要,鋅白銅已作為重要的接插元件使用,也用于電子器件的電磁屏蔽外殼和眼鏡框架等。鋅白銅新材料的近年來國內(nèi)研究比較多,集中在棒線材,帶材主要在C7701(BZn18-26)和C7521(BZn18-18)的工藝改善上。即將實施的新GB/T5231《加工銅及銅合金牌號和化學(xué)成分》將增加9種鋅白銅。相比錫磷青銅、黃銅帶,鋅白銅帶市場需求量少,加工費最高。鋅白銅帶材生產(chǎn)也采用水平連鑄,由于熔點高、導(dǎo)熱性差,拉鑄溫度比錫磷青銅高、結(jié)晶器使用壽命短。鋅白銅工藝上的優(yōu)勢在于不需要粗軋前的均勻化退火,低溫退火不僅改善彈性穩(wěn)定性,而且有提高鋅白銅屈服強(qiáng)度、彈性模量的作用。2.3其他彈性無鉛產(chǎn)品黃銅帶材用于彈性元件的品種有H68、H65、H62。由于價格便宜、焊接性能好,特別是H68黃銅優(yōu)良的冷塑性和成型型好的特點,在電氣工業(yè)及一般儀表及開關(guān)、接插件還將大量使用。市場上電器接插件規(guī)格H65Y21.46使用也比較廣泛,HV要求110-140?？估瓘?qiáng)度460-520Mpa的H65Y0.2/0.3產(chǎn)品還常用在USB接口。H62硬態(tài)下σb=480Mpa,δ10=10%,g=27%IACS,圖1顯示的是H62TY0.2*305端子產(chǎn)品。黃銅由于成本低,在彈性合金研制中研究較熱門。目前H65高精度接插件黃銅帶生產(chǎn)工藝和在黃銅中添加第三、第四種元素的復(fù)雜黃銅研究成果較多。C68800是較著名的彈性黃銅,中鋁洛陽銅業(yè)有限公司關(guān)于Cu-22.7Zn-3.0A1-0.4Co(C68800)國產(chǎn)化研究、浙江冶金研究院開展的類似Cu-22.7Zn-3.4A1-0.65Ni(C69000)合金研究,成分Zn20.8~22.5,Al2.8~3.3,Ni0.8~1.2,Si0.6~1,Cu余量,性能接近C68800。還有Cu-22.7Zn-3.4A1-0.4Fe和Cu-Zn-Ni-Al等。2.4用于高彈性研究的用銅合金析出強(qiáng)化就是借助形變熱處理工藝,將高溫固溶在銅合金基體中的合金元素,通過快速冷卻形成強(qiáng)化相,經(jīng)后續(xù)冷加工和時效退火工藝,以單質(zhì)或金屬化合物質(zhì)點彌散析出,阻礙合金中位錯的運動,從而使合金強(qiáng)化獲得高彈性;同時,這些質(zhì)點(強(qiáng)化相)從固溶體中析出,減少了基體晶格畸變,降低了內(nèi)部應(yīng)力,合金的導(dǎo)電率也明顯提高。這類高性能的銅合金,除用于接插件外,還用于集成電路的引線框架。這類合金牌號很多,各個國家、不同的制造廠商都有不同的系列,但應(yīng)用最廣的是Cu-Fe-P系合金、Cu-NiSi系合金、Cu-Ni-Sn系合金、Cu-Cr-Zr系合金,其中國內(nèi)對Cu-Fe-P系合金C19400(Cu-2.3Fe-0.1Zn-0.03P)的研制和生產(chǎn)趨于成熟,主要用于高強(qiáng)高導(dǎo)的引線框架材料,而Cu-Ni-Si系合金C70250的研制開發(fā)正在進(jìn)行之中。3接插元件環(huán)境伺服、銅合金材質(zhì)及未來性能要求接插元件主要用于計算機(jī)和汽車工業(yè),下面著重介紹在這兩大領(lǐng)域使用的接插元件環(huán)境服役要求、銅合金牌號及性能要求和未來材料性能改進(jìn)的發(fā)展趨勢。3.1互聯(lián)器件性能的挑戰(zhàn)(1)計算機(jī)彈性零件常用銅合金牌號。(2)計算機(jī)用銅合金材料未來發(fā)展走勢。隨著計算機(jī)、通訊設(shè)備和器件性能的增強(qiáng),對互聯(lián)器件性能的要求將變得更加具有挑戰(zhàn)性。器件無誤的工作要求在整個產(chǎn)品壽命過程中穩(wěn)定的高性能銅合金材料來互連,未來互連技術(shù)的發(fā)展對銅合金材料提出了新的準(zhǔn)則,具體選用準(zhǔn)則見表2。3.2汽車接插件用銅基彈性材料材料的應(yīng)用汽車電器、電子接插件使用的銅合金品種有銅線、銅帶,主要牌號有H65、H62、T2、QSn6.5-0.1、C10500等。(1)汽車接插件分類。汽車接插件可分為線束、端子、插座、開關(guān)類,主要品種見表3。(2)汽車接插件銅合金牌號及性能。汽車接插件銅合金采用牌號有H65(C2680)、QSn6.5-0.1(C5191)、QSn6.5-0.4,其主要牌號及性能見表4?？傊?接插件用銅基彈性材料合金的性能要求是:材料具有盡可能高的屈服強(qiáng)度,也就是具有高的彈性極限,工作時不能產(chǎn)生塑性變形;材料彈性模數(shù)應(yīng)盡可能的低,以減少插件的阻力,也就是具有優(yōu)良的彈性;材料應(yīng)具有優(yōu)良的抗松弛能力,特別是當(dāng)工作溫度升高時,接插元件的接觸電阻不應(yīng)增大;材料應(yīng)具有盡可能高的電導(dǎo)率、耐觸性、抗氧化性;材料應(yīng)具有優(yōu)的沖壓性能;材料應(yīng)具有低成本;材料不應(yīng)有污染環(huán)境的元素,并且有利于再生和利用;材料規(guī)格向超薄、超細(xì)方向發(fā)展。4微合金化及變形量對合金力學(xué)性能的影響美國契乎斯(CHIEFS)黃銅有限公司研制出一種高強(qiáng)度銅鋅合金,命名為“CHASE6900”,其名義成分為:Cu73.3-Zn22.7-A13.4-Ni0.6,其抗拉強(qiáng)度高于882MPa,該合金易于成型加工,焊接性能優(yōu)良,在導(dǎo)電彈簧、繼電器、開關(guān)等接插件中完全可以取代錫磷青銅。前蘇聯(lián)70年代研制的Cu75-2Al-2.5Ni-0.5Si-0.5Mn余Zn系復(fù)雜黃銅,合金抗拉強(qiáng)度σb=882~980MPa,δ=2%,80年代國內(nèi)研制的HNiAl75-3-2-0.2即Cu-Ni-AlTi合金,成分Cu73%、Ni3~5%、A1.5~3%、0.1~0.3%Ti、Mn0.3~0.6、Si0.3~0.6%和Cr0.3~0.5%合金,抗拉強(qiáng)度達(dá)到1078MPa,文獻(xiàn)指出該合金在50%冷軋加工率狀態(tài)下的力學(xué)性能,σb=833MPa,δ=6%,綜合性能接近前蘇聯(lián)開發(fā)的合金而且高溫性能優(yōu)于鈹青銅,可以在100℃~200℃下使用。英國推出的Cu-Ni-Zn-Mn彈性合金IN629,其名義成分為“Nil5-Mn13-Zn28-Cu余”,其抗拉強(qiáng)度高達(dá)1009MPa,用于繼電器簧片和插座方面優(yōu)于錫磷青銅,對此類合金國內(nèi)的中南大學(xué)的曹昱等人研究Cu-28Zn-15Ni-13Mn合金形變熱處理過程中的組織變化,分析微合金化及變形量對力學(xué)性能的影響及微量元素對銅基合金彈性模量的影響,及冷變形狀態(tài)下合金的疲勞性能。并且在Cu-28Zn-15Ni-13Mn的基礎(chǔ)上添加致密參數(shù)大的硼元素,使合金的彈性性能進(jìn)一步提高。再如,我國上海第一銅帶廠研制的H80-l合全的成分為:Cu-Zn21-A13.5-Ni0.8,其抗拉強(qiáng)度高達(dá)980MPa,河北科技大學(xué)還把把此合金應(yīng)用于防爆彈性合金,被成功地應(yīng)用在某彈藥倉庫的作業(yè)工具上。我國沈陽有色金屬加工廠研制成功的820彈性合金,其抗拉強(qiáng)度為970MPa;上述合全都已在工業(yè)上得到應(yīng)用,在某些應(yīng)用領(lǐng)域還可代替鈹青銅。國內(nèi)湖南冶金材料研究所劉淳研究的LC系列彈性合金,成分Cu-20Zn-8Ni-(1~4)Al性能也接近820和H80-1。北京有色金屬研究總院研究的Cu-20Ni-20Mn合金,其Ni和Mn的各自含量不低于15%,另加少量的Al和Ti,最佳性能σb=1470MPa,σ0.2=1372MPa,HV=480,δ≥2%,E=153GPa,ρ=54×106Ω·cm。在400℃溫度下σb=1000MPa,σ0.2=882MPa,E=143GPa,δ≥2%,彈性后效小于鈹銅QBe2。近年來國內(nèi)外進(jìn)行了大量鈹青銅代用材料Cu-Ni-Sn系合金的研究,如目前被納入美國生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的Cu-Ni-Sn系合金,按照Ni、Sn含量的不同,主要有C72500(Cu-9Ni-2Sn)、CDA725(Cu-9Ni-2.5Sn)、C72600(Cu-4Ni-4Sn)、C72650(Cu-7.5Ni-5Sn)、C72800(Cu-10Ni-8Sn)、C72700(Cu-9Ni-6Sn)和C72900(Cu-15Ni-8Sn)等。由于錫的成本高,國外開發(fā)對低錫或無錫合金也較多。有美國的Cu-4Fe-9.1Al(C61900)、Cu-2.8Al-1.8Si-0.4Co(C63800)、Cu-3Si-1.5Sn-0.1Cr(C65400)、Cu-9Ni-2.3Sn(C72500)及Cu-22.7Zn-3.4A1-0.65Ni(C69000)、Cu-22.7Zn-3.0A1-0.4Co(C68800)、以及日本開發(fā)Cu-22.7Zn-3.4A1-0.4Fe(FAB)Cu-21Zn-3Al-1Ni(CAS81)等合金,強(qiáng)度彈性都與錫磷青銅相近,價格便宜,被用做于錫磷青銅替代材料,制作彈簧、接插件等。日本同和金屬公司開發(fā)了NB-105(Cu-1.0Ni-0.5Sn-0.05P)和NB-109(Cu-1.0Ni-0.9Sn-0.05P),其強(qiáng)度在工作溫度為150℃下降小于5%,已廣泛用作汽車連接器材料。其中國內(nèi)洛銅仿C68800研制合金,名義成分Cu73-4A1-0.6Co余Zn,硬態(tài)σb為710MPa,δ=15%,E=115GMa,g=19%IACS,江西理工大學(xué)也做過Co對鋁黃銅組織和性能影響研究,中南大學(xué)關(guān)于Cu-Zn-Al-Ni合金的組織與性能,合金在成品加工率50%情況下σb=731MPa,σM0.2=620Mpa,E=120GPa,重慶儀表材料研究所和蘇州儀表元件廠研Cu-Ni-Cr-Al-Si,經(jīng)固溶形變時效處理,σ0.02大于1000MPa,還可在250~350℃下使用。山東省冶金研究所研究的Cu-Ni-Al合金,成分4.7~9.4Ni,1~3Al,余量為銅,性能最高時,σb達(dá)842.8MPa,σ0.02達(dá)746.4MPa,δ=7%,而且它比鈹青銅有更高的熱穩(wěn)定性,同時添加Ti元素,提高合金的力學(xué)性能。中南大學(xué)則進(jìn)一步研究的Cu-Ni-Al-Ti時效析出機(jī)理,Ti能抑制晶界反應(yīng)型析出。5錫磷青銅帶材帶材的發(fā)展趨勢我國彈性銅合金帶材投入生產(chǎn)的集中在低溫退火型銅基彈性合金,有黃銅、錫磷青銅和鋅白銅等系列。在我國這類合金生產(chǎn)中還存在以下問題:(1)疲勞性能差和使用壽命短。如國產(chǎn)錫磷青銅的彈性元件,產(chǎn)品服役和彈性測試中材料回彈量偏小,導(dǎo)致無法接觸,使用壽命大約日本的1/3~1/4。(2)帶材使用過程中尺寸不穩(wěn)定,不同批次帶材存在屈服強(qiáng)度性能有高有低現(xiàn)象。(3)帶材殘余內(nèi)應(yīng)力過大,帶材分條后無法高速沖壓。由于彈性銅合金帶材加工硬化率高,板形控制難度較大,錫磷青銅帶材國外采用低溫在線張力改善退火板形。(4)產(chǎn)品晶粒度