接插元件彈性銅合金帶材的研究與發展

1導電彈性元件彈性銅合金是一種導電彈性強材料。同時，它具有較高的導電性、導熱性和良好的物理性。廣泛應用于各種導電彈簧加工中。導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,其關鍵零件是接觸件,又稱接插元件,它應具有導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雜形狀的彈性元件,它不僅具有優良的彈性性能,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,在冷加工生產過程中中間退火次數多,生產周期較長。錫磷青銅接插件產品狀態集中在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,然而水平連鑄帶坯的鑄造晶粒十分粗大,且錫磷青銅極易產生偏析和疏松。鑄坯晶粒的細化可顯著改善帶坯的偏析和疏松,對提高鑄坯及成品的質量十分有效。對此在錫磷青銅添加加稀土細化晶粒國內學者也研究較多,其次工業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。錫磷青銅導電率主要與Sn、P含量有關,錫含量4-9%且磷0.1-0.2%的錫磷青銅導電率介于11%至19%IACS之間。國內錫磷青銅帶材生產技術基本成熟,市場競爭激烈,已生產該類產品的高精度帶材廠家有福建紫金、寧波興業、安徽鑫科、山東天圓和江西銅業等。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,其優良的耐蝕性和彈性而成為應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,隨著科學進步的需要,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。鋅白銅帶材生產也采用水平連鑄,由于熔點高、導熱性差,拉鑄溫度比錫磷青銅高、結晶器使用壽命短。鋅白銅工藝上的優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定性,而且有提高鋅白銅屈服強度、彈性模量的作用。2.3其他彈性無鉛產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黃銅優良的冷塑性和成型型好的特點,在電氣工業及一般儀表及開關、接插件還將大量使用。市場上電器接插件規格H65Y21.46使用也比較廣泛,HV要求110-140。抗拉強度460-520Mpa的H65Y0.2/0.3產品還常用在USB接口。H62硬態下σb=480Mpa,δ10=10%,g=27%IACS,圖1顯示的是H62TY0.2*305端子產品。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工藝和在黃銅中添加第三、第四種元素的復雜黃銅研究成果較多。C68800是較著名的彈性黃銅,中鋁洛陽銅業有限公司關于Cu-22.7Zn-3.0A1-0.4Co(C68800)國產化研究、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化相,經后續冷加工和時效退火工藝,以單質或金屬化合物質點彌散析出,阻礙合金中位錯的運動,從而使合金強化獲得高彈性;同時,這些質點(強化相)從固溶體中析出,減少了基體晶格畸變,降低了內部應力,合金的導電率也明顯提高。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,其中國內對Cu-Fe-P系合金C19400(Cu-2.3Fe-0.1Zn-0.03P)的研制和生產趨于成熟,主要用于高強高導的引線框架材料,而Cu-Ni-Si系合金C70250的研制開發正在進行之中。3接插元件環境伺服、銅合金材質及未來性能要求接插元件主要用于計算機和汽車工業,下面著重介紹在這兩大領域使用的接插元件環境服役要求、銅合金牌號及性能要求和未來材料性能改進的發展趨勢。3.1互聯器件性能的挑戰(1)計算機彈性零件常用銅合金牌號。(2)計算機用銅合金材料未來發展走勢。隨著計算機、通訊設備和器件性能的增強,對互聯器件性能的要求將變得更加具有挑戰性。器件無誤的工作要求在整個產品壽命過程中穩定的高性能銅合金材料來互連,未來互連技術的發展對銅合金材料提出了新的準則,具體選用準則見表2。3.2汽車接插件用銅基彈性材料材料的應用汽車電器、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。總之,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度,也就是具有高的彈性極限,工作時不能產生塑性變形;材料彈性模數應盡可能的低,以減少插件的阻力,也就是具有優良的彈性;材料應具有優良的抗松弛能力,特別是當工作溫度升高時,接插元件的接觸電阻不應增大;材料應具有盡可能高的電導率、耐觸性、抗氧化性;材料應具有優的沖壓性能;材料應具有低成本;材料不應有污染環境的元素,并且有利于再生和利用;材料規格向超薄、超細方向發展。4微合金化及變形量對合金力學性能的影響美國契乎斯(CHIEFS)黃銅有限公司研制出一種高強度銅鋅合金,命名為“CHASE6900”,其名義成分為:Cu73.3-Zn22.7-A13.4-Ni0.6,其抗拉強度高于882MPa,該合金易于成型加工,焊接性能優良,在導電彈簧、繼電器、開關等接插件中完全可以取代錫磷青銅。前蘇聯70年代研制的Cu75-2Al-2.5Ni-0.5Si-0.5Mn余Zn系復雜黃銅,合金抗拉強度σb=882~980MPa,δ=2%,80年代國內研制的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,抗拉強度達到1078MPa,文獻指出該合金在50%冷軋加工率狀態下的力學性能,σb=833MPa,δ=6%,綜合性能接近前蘇聯開發的合金而且高溫性能優于鈹青銅,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”,其抗拉強度高達1009MPa,用于繼電器簧片和插座方面優于錫磷青銅,對此類合金國內的中南大學的曹昱等人研究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,及冷變形狀態下合金的疲勞性能。并且在Cu-28Zn-15Ni-13Mn的基礎上添加致密參數大的硼元素,使合金的彈性性能進一步提高。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,其抗拉強度高達980MPa,河北科技大學還把把此合金應用于防爆彈性合金,被成功地應用在某彈藥倉庫的作業工具上。我國沈陽有色金屬加工廠研制成功的820彈性合金,其抗拉強度為970MPa;上述合全都已在工業上得到應用,在某些應用領域還可代替鈹青銅。國內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。近年來國內外進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技術標準的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Cu-22.7Zn-3.4A1-0.4Fe(FAB)Cu-21Zn-3Al-1Ni(CAS81)等合金,強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了NB-105(Cu-1.0Ni-0.5Sn-0.05P)和NB-109(Cu-1.0Ni-0.9Sn-0.05P),其強度在工作溫度為150℃下降小于5%,已廣泛用作汽車連接器材料。其中國內洛銅仿C68800研制合金,名義成分Cu73-4A1-0.6Co余Zn,硬態σb為710MPa,δ=15%,E=115GMa,g=19%IACS,江西理工大學也做過Co對鋁黃銅組織和性能影響研究,中南大學關于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842.8MPa,σ0.02達746.4MPa,δ=7%,而且它比鈹青銅有更高的熱穩定性,同時添加Ti元素,提高合金的力學性能。中南大學則進一步研究的Cu-Ni-Al-Ti時效析出機理,Ti能抑制晶界反應型析出。5錫磷青銅帶材帶材的發展趨勢我國彈性銅合金帶材投入生產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中還存在以下問題:(1)疲勞性能差和使用壽命短。如國產錫磷青銅的彈性元件,產品服役和彈性測試中材料回彈量偏小,導致無法接觸,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定,不同批次帶材存在屈服強度性能有高有低現象。(3)帶材殘余內應力過大,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)產品晶粒度