铜及铜合金的性能

1、铜及铜合金的性能成型性对于选择合金材料重要的是在冲压成型过程中能够获得所需要的几何形状的能力。按治具的 半径弯曲90度或是更大的角度，也同时降低厚度来帮助弯曲定位，都是连接器冲制上常用 的。当合金充分退火后，绝大多数成形是可利用的，但在此条件下，强度会降低。固体溶液 的冷轧制和散粒硬质合金增加了强度，但却消耗了成型性能。铸造方式有效地改变了回火性 能，这可能由于它造成的加工硬化而损害了成型性能，或者由于其厚度降低而导致有助于成 形。连接器技术之4.2.5成型性一在它们制程中的大量的冷加工所发展起来的更高强度的回火 结构也可能在一个方向上比在另一个方向上表现出更好的成型性能。当可能时，最大的成形

2、 能力出现在弯曲轴线垂直于卷曲方向。这个方向是首选的，因为它常常比另一方向的回火能 具有更好的成型性。在这个方向上的成形称之为径向的，因为它指出了随弯曲的进行金属流 动的方向。对应到平行于轧制方向的弯曲轴线的成形则称之为纬向的。纬向弯曲上最小的可 接受半径能比经向上更大，特别对于高温回火的固溶合金和散布强化合金。在连接器壳体部 分中90度的弯曲常常朝向窄条导向以利用纵向的成型性。窄条能形成而不产生裂缝的冲模 最小范围为由设计者和制造商所共同支持的合金窄条所定义，其中的裂缝定义为一不可接受 的粗糙表面。材料的工作性能可以从弯曲的最小弯曲半径(MBR)而得知，由窄条厚度(t)所分 割。较小的MBR

3、/t值表明有较好的成型性。连接器技术之4.2.5成型性一图表4.5中总结了所选择合金的相关成型性。此图表表明了 名义上可拉伸强度其其每一合金可接受的最小弯曲(MBR/t value )在其纵向上和横向上从1 到1.5。在冲压工具中的实际性能与此有些不同。此图表中所示的强度在纵向上较高，这样 与通常此方向上的成型性较好是一致的。此图表同样表明了铜合金的一个与其独立的强度来 源相关的总趋势。此固体溶解强化合金可提供一较高的强度，从而能使规定的最小成型性比 固溶合金以及散布强化合金要小，因为此成形过程与其冷工作下性能的相关性很小。与此相 似，在一组固溶合金中，如C521，其溶解强度为8%时能提供比C

4、511更高的强度，而C511 只有C521含有锡的一半(4%)。同样地分布强度合金有比纯铜高得多的强度。连接器技术之4.2.5成型性一不要忽略在固体溶液中的合金元素其强度可在传导过程 中得到增加。凝结强化合金能提供较高的传导性且与其他类型的合金相比在高强度下有更好 的成型性。灵活性可从铜模的溶液强化的联合中得到，而此铜模与冷加工和沉积变硬结果将 导致强度、研磨过程中的成型性之间的独特的平衡。此平衡也在图表4.5中得到反映。抗腐蚀性铜合金通常对化学侵袭有较强的抵抗力，所以好经常在没有保护镀层的情况下使用。当在苛 刻的环境下使用时，如自动化应用中，铜合金通常在其表面上镀一层锡或锡料以提高对腐蚀 的

5、抵抗能力。在这些实例中，锡或锡料镀层也用于接触镀层表面。铜合金在其它的应用性能 中所覆盖的东西更为详细。作为连接器应用的一个重要性能，是其局部微观结构的压力腐蚀。可以将其描述为腐蚀性的 环境和高弹性的外部拉压力，将导致对其的裂缝产生和最终失效。此压力的存在有一外部根 源，如产生于连接器配合过程中，以及内部根源（如来自保持导引线的成形及弯曲的残余应 力。）局部失效模式将在其作用显现于表面时被觉察到，并且其没有显著的塑性变形。此裂 缝路径位于微粒之间（其可相互作用），而裂缝可通过纹理结构进行传播。此裂缝可通过合金 与媒介进行传播漫延。要出现压力腐蚀就必须有如下三个条件的存在：合金必须易受到压力腐蚀

6、的影响。连接器技术之4.2.6抗腐蚀性其工作环境使得此特定的合金易受影响。连接器技术之4.2.6抗腐蚀性拉伸力的存在。连接器技术之4.2.6抗腐蚀性此相关的几种合金对用于连接器的可接受性如图表4.6中所总结。此指数用于在不同环境 下整合其性能的分类。这些工作环境的范围从轻-中等的工业环境到航海的条件以及最恶劣 的暴露于潮湿的氨气中的条件下。此指数成线性分布从0到1000。最易受保护的金属包括锌，C260包含有30%的锌是最易受保护。其作用是产生限制以达到一个良性的环境。而如只含有15%锌的C230以及含有仅仅较低锌和附加的镍（如C770），其 可显著的增加对压力腐蚀的低抗能力。锡-青铜，镍-硅

7、和镀-铜合金都是具有较好的抗腐蚀 能力的铜合金。铜-镍合金和高铜合金对化学侵袭产生的裂缝将有很重要的保护作用。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

8、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，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

9、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，

10、初值下降得很快也表明了这一点。连接器技术之4.2. 4应力松弛/接触压力稳定性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 一样。稳定性也能是具有方向性

11、的，随横向和纵向的 性能不同而在退火中变得更明显，或经冷加工而使该差异更为明显。在某些特定的温度下，一些合金元素能比其它元素更具有影响力。这种影响的层次相关于同 样的因素，即列在前面由溶解元素加强的因素。锡在增加了基体百分比后有额外的超过锌的 对应力松弛的影响力。如图4.11所示，一种含锡8%的青铜合金（C521）比含锡30%的青黄铜 （C260）具有更大的应力松弛阻抗。同时要注意到锡青铜具有更高的硬度（730MPa的屈服强度 -H08）相对于C260黄铜（590MPa的屈服强度-H08）。连接器技术之4.2.4应力松弛/接触 压力稳定性由不同合金元素所提供的温度稳定性也不同。锡青铜能比锌青铜

12、用在更高温度的场合。如图 4.11所示，C260处在边缘，因为保持在1000小时（折合5周的使用时间）后，只有低于7 5%的应力存在。青铜在使用温度上受到限制，不得超过75至100度，而锡青铜和锡黄铜可 达125度。一些散布层次的高强度合金比黄铜具有更好的稳定性，如图4.12所示，但C15 1是例外的。在从中温(105-125度)到高温(150-175度)的最大的应力松弛阻抗对于结晶合金是可利用的。以150度调质退火的锡青铜与镀铜的比较来看表明了这种影响。两种所示的回火合金 都具有相近的导电率。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。

13、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。连接器技术之4.2.3强度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380 700MPA的拉伸强度，其传导率一般低于35%IA CS，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

14、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。连接器技术之4.2.3强度弯曲强度/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，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。连接器技术之4.2.3强度如图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

15、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。如例亦 260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。连接器技术之4.2.3强度而且，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 C 260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

16、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 火的镀铜和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C7

17、025有经向和纬向上分别具有131MPa和140MPa的弹性系数。铜合金的电性传导率铜合金的电性传导率是以一种独特的方式即占纯铜标准（InternationalAnnealed Copper Standard， IACS）的百分比来描述。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

18、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他金属成份的减少而增加。插图4.6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。连接器技术之4.2.2传导率，焦耳热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，铁从铜一铁合金中结晶出来）。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的不同方法。连接器技术之4.2.2传导率，焦耳热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