銅及銅合金的性能

1、銅及銅合金的性能成型性對(duì)于選擇合金材料重要的是在沖壓成型過(guò)程中能夠獲得所需要的幾何形狀的能力。按治具的 半徑彎曲90度或是更大的角度，也同時(shí)降低厚度來(lái)幫助彎曲定位，都是連接器沖制上常用 的。當(dāng)合金充分退火后，絕大多數(shù)成形是可利用的，但在此條件下，強(qiáng)度會(huì)降低。固體溶液 的冷軋制和散粒硬質(zhì)合金增加了強(qiáng)度，但卻消耗了成型性能。鑄造方式有效地改變了回火性 能，這可能由于它造成的加工硬化而損害了成型性能，或者由于其厚度降低而導(dǎo)致有助于成 形。連接器技術(shù)之4.2.5成型性一在它們制程中的大量的冷加工所發(fā)展起來(lái)的更高強(qiáng)度的回火 結(jié)構(gòu)也可能在一個(gè)方向上比在另一個(gè)方向上表現(xiàn)出更好的成型性能。當(dāng)可能時(shí)，最大的成形

2、 能力出現(xiàn)在彎曲軸線垂直于卷曲方向。這個(gè)方向是首選的，因?yàn)樗３１攘硪环较虻幕鼗鹉?具有更好的成型性。在這個(gè)方向上的成形稱之為徑向的，因?yàn)樗赋隽穗S彎曲的進(jìn)行金屬流 動(dòng)的方向。對(duì)應(yīng)到平行于軋制方向的彎曲軸線的成形則稱之為緯向的。緯向彎曲上最小的可 接受半徑能比經(jīng)向上更大，特別對(duì)于高溫回火的固溶合金和散布強(qiáng)化合金。在連接器殼體部 分中90度的彎曲常常朝向窄條導(dǎo)向以利用縱向的成型性。窄條能形成而不產(chǎn)生裂縫的沖模 最小范圍為由設(shè)計(jì)者和制造商所共同支持的合金窄條所定義，其中的裂縫定義為一不可接受 的粗糙表面。材料的工作性能可以從彎曲的最小彎曲半徑(MBR)而得知，由窄條厚度(t)所分 割。較小的MBR

3、/t值表明有較好的成型性。連接器技術(shù)之4.2.5成型性一圖表4.5中總結(jié)了所選擇合金的相關(guān)成型性。此圖表表明了 名義上可拉伸強(qiáng)度其其每一合金可接受的最小彎曲(MBR/t value )在其縱向上和橫向上從1 到1.5。在沖壓工具中的實(shí)際性能與此有些不同。此圖表中所示的強(qiáng)度在縱向上較高，這樣 與通常此方向上的成型性較好是一致的。此圖表同樣表明了銅合金的一個(gè)與其獨(dú)立的強(qiáng)度來(lái) 源相關(guān)的總趨勢(shì)。此固體溶解強(qiáng)化合金可提供一較高的強(qiáng)度，從而能使規(guī)定的最小成型性比 固溶合金以及散布強(qiáng)化合金要小，因?yàn)榇顺尚芜^(guò)程與其冷工作下性能的相關(guān)性很小。與此相 似，在一組固溶合金中，如C521，其溶解強(qiáng)度為8%時(shí)能提供比C

4、511更高的強(qiáng)度，而C511 只有C521含有錫的一半(4%)。同樣地分布強(qiáng)度合金有比純銅高得多的強(qiáng)度。連接器技術(shù)之4.2.5成型性一不要忽略在固體溶液中的合金元素其強(qiáng)度可在傳導(dǎo)過(guò)程 中得到增加。凝結(jié)強(qiáng)化合金能提供較高的傳導(dǎo)性且與其他類型的合金相比在高強(qiáng)度下有更好 的成型性。靈活性可從銅模的溶液強(qiáng)化的聯(lián)合中得到，而此銅模與冷加工和沉積變硬結(jié)果將 導(dǎo)致強(qiáng)度、研磨過(guò)程中的成型性之間的獨(dú)特的平衡。此平衡也在圖表4.5中得到反映?？垢g性銅合金通常對(duì)化學(xué)侵襲有較強(qiáng)的抵抗力，所以好經(jīng)常在沒(méi)有保護(hù)鍍層的情況下使用。當(dāng)在苛 刻的環(huán)境下使用時(shí)，如自動(dòng)化應(yīng)用中，銅合金通常在其表面上鍍一層錫或錫料以提高對(duì)腐蝕 的

5、抵抗能力。在這些實(shí)例中，錫或錫料鍍層也用于接觸鍍層表面。銅合金在其它的應(yīng)用性能 中所覆蓋的東西更為詳細(xì)。作為連接器應(yīng)用的一個(gè)重要性能，是其局部微觀結(jié)構(gòu)的壓力腐蝕?？梢詫⑵涿枋鰹楦g性的 環(huán)境和高彈性的外部拉壓力，將導(dǎo)致對(duì)其的裂縫產(chǎn)生和最終失效。此壓力的存在有一外部根 源，如產(chǎn)生于連接器配合過(guò)程中，以及內(nèi)部根源（如來(lái)自保持導(dǎo)引線的成形及彎曲的殘余應(yīng) 力。）局部失效模式將在其作用顯現(xiàn)于表面時(shí)被覺(jué)察到，并且其沒(méi)有顯著的塑性變形。此裂 縫路徑位于微粒之間（其可相互作用），而裂縫可通過(guò)紋理結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳播。此裂縫可通過(guò)合金 與媒介進(jìn)行傳播漫延。要出現(xiàn)壓力腐蝕就必須有如下三個(gè)條件的存在：合金必須易受到壓力腐蝕

6、的影響。連接器技術(shù)之4.2.6抗腐蝕性其工作環(huán)境使得此特定的合金易受影響。連接器技術(shù)之4.2.6抗腐蝕性拉伸力的存在。連接器技術(shù)之4.2.6抗腐蝕性此相關(guān)的幾種合金對(duì)用于連接器的可接受性如圖表4.6中所總結(jié)。此指數(shù)用于在不同環(huán)境 下整合其性能的分類。這些工作環(huán)境的范圍從輕-中等的工業(yè)環(huán)境到航海的條件以及最惡劣 的暴露于潮濕的氨氣中的條件下。此指數(shù)成線性分布從0到1000。最易受保護(hù)的金屬包括鋅，C260包含有30%的鋅是最易受保護(hù)。其作用是產(chǎn)生限制以達(dá)到一個(gè)良性的環(huán)境。而如只含有15%鋅的C230以及含有僅僅較低鋅和附加的鎳（如C770），其 可顯著的增加對(duì)壓力腐蝕的低抗能力。錫-青銅，鎳-硅

7、和鍍-銅合金都是具有較好的抗腐蝕 能力的銅合金。銅-鎳合金和高銅合金對(duì)化學(xué)侵襲產(chǎn)生的裂縫將有很重要的保護(hù)作用。應(yīng)力松弛/接觸壓力穩(wěn)定性對(duì)于連接器可靠性能的關(guān)鍵是當(dāng)它在工作時(shí)，它保持電性導(dǎo)通（transparent）。然而，當(dāng)受 拉伸應(yīng)力時(shí)，來(lái)源于在彈性端子原料里多微孔性的接觸壓力的降低最終可能導(dǎo)致不可接受的 接觸阻抗。因?yàn)榘l(fā)生多微孔性的制程是由于受熱引發(fā)的，所以高耐用溫度導(dǎo)致它們發(fā)生不同 程度的變化，這依靠于合金和它如何制成。如果端子初始變形超出了彈性變化范圍，那么伴隨任意的原料畸變，接觸壓力在第一次插入 后迅速的發(fā)展取決于彈性端子的彈性回復(fù)。當(dāng)使用時(shí)，彈性變形隨彈性原料依靠時(shí)間和溫度 的多孔

8、性畸變會(huì)部分被回復(fù)，從彈性變形到塑性變形的變化結(jié)果會(huì)降低接觸壓力。這種變化 稱之為應(yīng)力松弛，它隨溫度的增加而增加。然而應(yīng)力松弛不同于發(fā)生在固定不變的端子彈片 上的隨時(shí)間變化而應(yīng)力降低的現(xiàn)象，而應(yīng)下意識(shí)地聯(lián)系到在裝配載荷下隨時(shí)間變化而引起的 幾何形狀的變化（應(yīng)變）。許多合金在室溫條件和微小溫度變化情況下有足夠的實(shí)用性，但當(dāng)工作溫度增加到80-100 度時(shí)，表中可利用的合金性能會(huì)受到更大的限制。應(yīng)力松弛的阻抗會(huì)受固溶合金元素和其 它對(duì)金屬上微量塑性畸變的阻礙而變化，比如細(xì)微的二次散布合金顆粒和凝結(jié)合金顆粒。檢測(cè)不同銅合金的相對(duì)應(yīng)力松弛的阻抗常常是在懸臂彎曲中進(jìn)行的，最初是在檢測(cè)設(shè)備中施 加50%到

9、100%的屈服強(qiáng)度壓力。按最初在制訂的持續(xù)曝光條件下保持的彈性應(yīng)力的百分比數(shù) 來(lái)指定穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。C510的應(yīng)力松弛性能如圖4.10所示。當(dāng)以對(duì)數(shù)坐標(biāo)來(lái)描述時(shí)，應(yīng)力 保持?jǐn)?shù)據(jù)是線性對(duì)應(yīng)的。這個(gè)線性特性允許用推斷法去預(yù)測(cè)更長(zhǎng)遠(yuǎn)的性能。檢測(cè)常常持續(xù)充 足時(shí)間以確保應(yīng)力松弛特性保持線性或者包括任意可能發(fā)生的直線斜率的變化。圖4.10中的例子也表明冷工作的數(shù)量常用在取得強(qiáng)度上的影響穩(wěn)定性（更大強(qiáng)度的回過(guò)火 的H08的穩(wěn)定性比H02要低）。在某些場(chǎng)合，因?yàn)榫哂懈玫拈L(zhǎng)期穩(wěn)定性，低溫回火能在端 子上提供更高的承載能力，甚至低溫回火能使應(yīng)力低于開(kāi)始狀態(tài)。同時(shí)也應(yīng)該注意到其強(qiáng)度 明顯低于初始狀態(tài)，在第一小時(shí)內(nèi)，

10、初值下降得很快也表明了這一點(diǎn)。連接器技術(shù)之4.2. 4應(yīng)力松弛/接觸壓力穩(wěn)定性應(yīng)力松弛特性也可通過(guò)最初在漫延-破裂上發(fā)展起來(lái)的雷斯密爾方法而得出。這種方法需要 在大范圍內(nèi)的雷斯密爾參數(shù)來(lái)決定。該參數(shù)被用來(lái)限制一個(gè)控制曲線，從而估計(jì)保持在任意 時(shí)間和溫度組合條件下的壓力。該方法的一個(gè)缺點(diǎn)是假設(shè)了簡(jiǎn)單機(jī)理反映了在一個(gè)決定參數(shù) 的溫度范圍里的應(yīng)力松弛。因此，從這種方法中可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論；由于應(yīng)力松弛特性受 溫度影響，是以該方法的另一缺點(diǎn)仍在爭(zhēng)論之中。低溫?zé)崽幚砟芴嵘龖?yīng)力松弛阻抗。這種處理主要目的是用來(lái)有效避免強(qiáng)度的改變，就象在調(diào) 質(zhì)退火的軋制H08的回火而產(chǎn)生HR08 一樣。穩(wěn)定性也能是具有方向性

11、的，隨橫向和縱向的 性能不同而在退火中變得更明顯，或經(jīng)冷加工而使該差異更為明顯。在某些特定的溫度下，一些合金元素能比其它元素更具有影響力。這種影響的層次相關(guān)于同 樣的因素，即列在前面由溶解元素加強(qiáng)的因素。錫在增加了基體百分比后有額外的超過(guò)鋅的 對(duì)應(yīng)力松弛的影響力。如圖4.11所示，一種含錫8%的青銅合金（C521）比含錫30%的青黃銅 （C260）具有更大的應(yīng)力松弛阻抗。同時(shí)要注意到錫青銅具有更高的硬度（730MPa的屈服強(qiáng)度 -H08）相對(duì)于C260黃銅（590MPa的屈服強(qiáng)度-H08）。連接器技術(shù)之4.2.4應(yīng)力松弛/接觸 壓力穩(wěn)定性由不同合金元素所提供的溫度穩(wěn)定性也不同。錫青銅能比鋅青銅

12、用在更高溫度的場(chǎng)合。如圖 4.11所示，C260處在邊緣，因?yàn)楸３衷?000小時(shí)（折合5周的使用時(shí)間）后，只有低于7 5%的應(yīng)力存在。青銅在使用溫度上受到限制，不得超過(guò)75至100度，而錫青銅和錫黃銅可 達(dá)125度。一些散布層次的高強(qiáng)度合金比黃銅具有更好的穩(wěn)定性，如圖4.12所示，但C15 1是例外的。在從中溫(105-125度)到高溫(150-175度)的最大的應(yīng)力松弛阻抗對(duì)于結(jié)晶合金是可利用的。以150度調(diào)質(zhì)退火的錫青銅與鍍銅的比較來(lái)看表明了這種影響。兩種所示的回火合金 都具有相近的導(dǎo)電率。強(qiáng)度延展特性，包括屈服強(qiáng)度及彈性系數(shù)，作為區(qū)分各種合金成份的一種尺度而應(yīng)用于特殊連接 器的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

13、由于連接器常見(jiàn)的應(yīng)力形式為彎應(yīng)力，因此彎曲應(yīng)力也要作為合金的一種機(jī) 械特性而附加考慮。拉伸及彎曲應(yīng)力特性是合金加工中十分重要的考考慮因素。各種各樣銅 合金的彈性系數(shù)均有略微不同，彈性的恒定并不是取決于各合金自身受到加工過(guò)程的影響， 而是由其材料形成時(shí)結(jié)晶組織所固定的彈性系數(shù)來(lái)決定的。連接器技術(shù)之4.2.3強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度按照拉伸特性所選擇的連接器用合金按照其相關(guān)電性傳導(dǎo)率列示于圖4.7。圖中 多數(shù)結(jié)晶合金均運(yùn)用回火工藝而獲得380 700MPA的拉伸強(qiáng)度，其傳導(dǎo)率一般低于35%IA CS，而較為離散的合金其傳導(dǎo)率卻較大，一般在50%IACS以上，其強(qiáng)度只比那些集中點(diǎn)代 表的合金略低。凝結(jié)強(qiáng)化合金和

14、與其具有相同傳導(dǎo)率的溶液強(qiáng)化合金相比其具有最高的強(qiáng) 度，和二次散布合金相比具有較高的強(qiáng)度但是傳導(dǎo)率較低。連接器技術(shù)之4.2.3強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度/接觸壓力對(duì)于最初的材料選擇和對(duì)它們從供貨商得來(lái)的規(guī)格，可延展性能是足夠 的。然而，彈性端子常常是懸臂梁，所以(and )彎曲應(yīng)力一應(yīng)變特性基本上是適用的。依靠 材料性能上的限制是否被超出，或者當(dāng)使用錯(cuò)誤的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)時(shí)，接觸壓力可能被錯(cuò)誤地 預(yù)測(cè)。連接器技術(shù)之4.2.3強(qiáng)度如圖4.9所示的青銅在接觸彈片(contact spring)受壓超過(guò)了性能極限時(shí)的拉伸、壓縮 和彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線。這些曲線的限制(Dert-ermination)在合適的指定的ASTM

15、方法下會(huì) 被覆蓋。彎曲包括暴露表面的拉伸和壓縮特性，并且這些特性間不存在必然性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 因此，彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線將對(duì)在缺少拉伸和壓縮數(shù)據(jù)時(shí)接觸壓力的預(yù)測(cè)會(huì)更有益。如例亦 260所示的那樣，壓縮曲線在強(qiáng)度上比拉伸曲線更高，但這個(gè)相對(duì)的順序不能被認(rèn)為是一般 性的。連接器技術(shù)之4.2.3強(qiáng)度而且，對(duì)于冷軋制材料的管理，彎曲歪斜反應(yīng)常常是相當(dāng)直接的。如圖4.9也表明了 C 260的各向異性。當(dāng)彈性端子組件被對(duì)齊普通(或垂直)長(zhǎng)條(strip s)旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，可以期 待從合金中得到更高的接觸壓力。而且在垂直方向上，拉伸曲線比壓縮曲線更高，在橫向方 向上則剛好相反。長(zhǎng)條在橫向和縱向上的相對(duì)強(qiáng)度也由合金與

16、制程所控制。彈性系數(shù)合金化處理和加工過(guò)程只是稍微會(huì)影響銅合金的拉伸與壓縮彈性性能。手冊(cè) 中的彈性系數(shù)的數(shù)值范圍是在高銅合金和鋅黃銅直到C230上加壓117MPa，和在C260與錫 青銅上加壓110MPa所得到的。例如對(duì)于鎳銀合金和C725加壓124-138MPa，含鎳合金比后 者具有更高一點(diǎn)的彈性系數(shù)。低硬度合金也具有比其它合金更高的彈性系數(shù)，即對(duì)于老化回 火的鍍銅和C7205具有131-138MPa的值。制程在兩方面影響彈性系數(shù)。冷軋制回火的穩(wěn)定韌化依靠合金和回火，易于增加彈性系 數(shù)5-7MPa。制程也改變了彈性性能的方向。彈性常數(shù)直接是銅合金之類原料的三次方，不 象導(dǎo)電率只是平方。例如C7

17、025有經(jīng)向和緯向上分別具有131MPa和140MPa的彈性系數(shù)。銅合金的電性傳導(dǎo)率銅合金的電性傳導(dǎo)率是以一種獨(dú)特的方式即占純銅標(biāo)準(zhǔn)（InternationalAnnealed Copper Standard， IACS）的百分比來(lái)描述。在早于一個(gè)世紀(jì)以前當(dāng)純銅標(biāo)準(zhǔn)剛建立時(shí)，IACS百分?jǐn)?shù)值是用來(lái)表示純銅的純度。隨著冶金技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)發(fā)出許多具有商業(yè)價(jià)值的具有更高傳導(dǎo)率的銅合金。C110的IACS百分比值為101，它是商業(yè)純銅。純度測(cè)量的基本原理是先測(cè)出其電阻率再經(jīng)由除以172.4從微毆轉(zhuǎn)換成IACS百分比值。連接器用的銅合金其電性傳導(dǎo)率IACS值一般在595%范圍內(nèi)。IACS值小于30%的銅

18、合金其傳導(dǎo)率適合于信號(hào)及小電流傳輸?shù)倪B接器。以傳輸電力為主的連接器其IACS值一般要超過(guò)70%。表4.4中列出了常用的連接器合金的傳導(dǎo)率數(shù)值。與穩(wěn)定的溶液相比，合金的傳導(dǎo)率會(huì)隨著各種其他金屬成份的減少而增加。插圖4.6描繪了向穩(wěn)定溶液中分別加入鎳、錫、鋅三中雜質(zhì)后所得不同傳導(dǎo)率的曲線。每組合金曲線體現(xiàn)了相應(yīng)商業(yè)合金的最小傳導(dǎo)率主要取決于合金中的主要合金成份（當(dāng)然亦包括含量較少的一些雜質(zhì)元素）。某些元素如錫和鎳的存在會(huì)使傳導(dǎo)率大為降低。鋅雜質(zhì)對(duì)合金傳導(dǎo)率的影響不是很明顯。經(jīng)完全退火處理的合金其電性傳導(dǎo)率亦會(huì)降低，但這種影響較?。↖ACS值在23%范圍內(nèi)的較為典型），而經(jīng)回火處理的合金其電性傳導(dǎo)率受到的影響明顯得多。連接器技術(shù)之4.2.2傳導(dǎo)率，焦耳熱溶解元素的凝結(jié)會(huì)導(dǎo)致較高的傳導(dǎo)率（如合金中鎳與硅結(jié)合形成的硅溶液，鐵從銅一鐵合金中結(jié)晶出來(lái)）。插圖4.7將連接器合金按照傳導(dǎo)率（或強(qiáng) 度）分類描述，同時(shí)也顯示了這些合金各自的增加強(qiáng)度的不同方法。連接器技術(shù)之4.2.2傳導(dǎo)率，焦耳熱銅合金的電性傳導(dǎo)率及熱傳導(dǎo)率之間是通過(guò)LORENZ法則聯(lián)系起來(lái)的， 如插圖4.8示。該法則從所建立的超導(dǎo)體金屬模型上獲得，它指出電性傳導(dǎo) 率與熱傳導(dǎo)率之間通過(guò)LORENZ系數(shù)相互聯(lián)系。有了這一法則，合金的熱傳 導(dǎo)率就可以通過(guò)測(cè)量電性傳導(dǎo)率或電阻率而方便地得到。在室溫環(huán)境中，低