銅合金材料在插接件中的應(yīng)用分析

王艷麗， 張玉鐘， 申相虎， 康翠伶

（河南天海電器有限公司， 河南鶴壁 458030）

《QC－T417—2001車用電線束插接器》 中定義：插接件是插頭和插座的統(tǒng)稱； 插頭指插入插座可完成電器連接的插接件； 插座指接受插頭形成電器連接的插接件。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

近年來， 中國經(jīng)濟的崛起帶動了汽車行業(yè)的飛速發(fā)展， 全國各地涌現(xiàn)了一大批汽車插接件生產(chǎn)企業(yè)。 目前， 國內(nèi)的連接器現(xiàn)狀是外資企業(yè)壟斷高端市場， 國內(nèi)企業(yè)只能在低端市場進行自殺式的低價競爭， 使得生產(chǎn)插接件的廠家片面追求低價而忽視產(chǎn)品選材的品質(zhì)， 從而導(dǎo)致類似的產(chǎn)品， 其品質(zhì)卻相差甚遠。

插接件所用的材料是銅合金， 之所以選擇銅合金是因為它具有很多優(yōu)點： ①塑性好易加工； ②無磁性； ③耐腐蝕性強； ④耐久耐用， 可以再生； ⑤優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電體等。

銅合金的種類繁多， 但用于插接件的銅合金大部分為黃銅H65、 H68、 H70。 根據(jù)銅鋅相圖分析知， 含Zn量為30%～32%時， 黃銅中為α單相， 屬于面心立方， 適合于冷變形加工， 有良好的焊接性能和鍍錫能力， 并且此時的含Zn量使黃銅的塑性達到最好， 所以黃銅主要用于插接件中的插頭產(chǎn)品， 又由于它有比較高的導(dǎo)電性和相對低廉的價格， 黃銅也用于結(jié)構(gòu)簡單的插座類產(chǎn)品。 插接件中的插座材料主要選用錫磷青銅QSn6.5－0.1， 原因是錫青銅與其它的青銅相比有較好的綜合力學性能和較高的性價比。 從銅錫相圖上可以看出， 當Sn的含量在5%～6%時， 材料的強度隨著含錫量的增加而增加， 當含錫量大于6%時， 由于合金中出現(xiàn)了硬脆相δ， 使硬度、 強度繼續(xù)增加， 而伸長率則急劇降低， 加上QSn6.5－0.1的彈性及抗應(yīng)力松弛能力均優(yōu)于黃銅，所以QSn6.5－0.1被廣泛用于有彈性結(jié)構(gòu)的插接件。還有一些匯流條式的產(chǎn)品和插片， 對導(dǎo)電率要求較高， 但是結(jié)構(gòu)簡單， 所以一般選用特殊性能的銅合金材料。

由于QSn6.5－0.1的導(dǎo)電率較低， 而黃銅的導(dǎo)電率雖高但彈性較差， 這使一些導(dǎo)電率要求高的有彈性結(jié)構(gòu)的插接件， 如熔斷片插座和繼電器插座不能滿足要求。 加之不斷出現(xiàn)的新產(chǎn)品對材料提出了更高的要求， 再者客戶的要求也越來越高， 這些都為插接件生產(chǎn)廠家提出了新的挑戰(zhàn)， 僅僅停留在目前材料現(xiàn)狀只會坐以待斃， 為插接件開發(fā)新材料才是當務(wù)之急。

2 材料方面存在的問題

我國的插接件產(chǎn)品雖然已經(jīng)比較成熟， 但是還存在很多問題。

1） 品質(zhì)相對進口件較差， 主要原因是產(chǎn)品品質(zhì)差→產(chǎn)品價格低→控制成本→選用材料、 模具等品質(zhì)差等惡性循環(huán)。 表1和表2是對不同廠家提供H65、 狀態(tài)Y、 厚度0.4 mm的帶材， 分別進行力學性能檢驗、 沖制同一插接件產(chǎn)品、 插拔力性能測試等得到的數(shù)據(jù)。

表1 力學性能對比

表2 插接件插拔力對比

由以上數(shù)據(jù)可知， 化學成分和力學性能相近的國內(nèi)外材料， 插接件的插拔力卻明顯是進口材料優(yōu)于國產(chǎn)材料。 其原因主要是在晶粒度大小、 熱處理機制、 雜質(zhì)含量等方面， 國內(nèi)材料都普遍次于進口材料。

2） 材料選擇混亂， 主要原因是對材料的認識不足， 造成憑主觀意識盲目選材。

3） 資源不足， 缺少檢驗、 試驗、 產(chǎn)品驗證等一系列的原始數(shù)據(jù)， 使相關(guān)研究變得困難， 繼而技術(shù)難以提高。

3 對材料認識的幾個誤區(qū)

由于材料的性能差異， 造成插接件在成型時，經(jīng)常出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。 為了解決并控制開裂問題，工程師們常常會根據(jù)自己對材料性能的片面理解，隨意更換材料， 常常會導(dǎo)致問題不但得不到解決，反而更加嚴重。 所以這里需要澄清一下大家認識上的幾個誤區(qū)。

1） 抗拉強度σb越高材料成型時越易開裂。 抗拉強度是指材料在斷裂前能承受的最大外力時的應(yīng)力。 抗拉強度越大， 說明使材料變形所需的外力也越大， 是模具設(shè)計時要參考的一個指標。 抗拉強度受熱處理機制及晶粒大小的影響， 晶粒度較小時，強度和塑性會同時升高； 晶粒度較大時， 強度稍升高就會帶來塑性的驟然降低。 例如， 材料a： H65Y，σb為454 MPa， δ=15%； 材料b： H65Y， σb為480 MPa， δ=15%。 雖然材料b的抗拉強度較a高， 但是材料b的晶粒度比材料a小， 力學性能也優(yōu)于a， 所以材料a更易開裂。 再比如紫銅T2Y， σb為295～380 MPa， 黃銅H65Y， σb為410～540 MPa， 雖然H65Y的抗拉強度高于紫銅， 但是T2Y卻比H65Y易裂。 所以這種認識是錯誤的。

2） 延伸率δ越低材料成型時越易開裂。 延伸率是衡量材料塑性的一個參數(shù)， 它和抗拉強度屬于兩個相反的指標。 對于同一種材料， 比如青銅C18080，狀態(tài)R480時， δ≥7， r／t=0 （折彎試驗條件： 折彎角90°， 材料厚度t≤0.5， 材料寬度為10 mm， 以下同）； 狀態(tài)R540時， δ≥4， r／t=0.5； 狀態(tài)TR08時，δ≥7， r／t=2 （垂直于軋制方向）， 說明延伸率小的反而折彎性能更好。 對于不同的材料， 如青銅C14415，狀態(tài)R420， δ≥2， r／t=1， 與C18080 TR08相比， 前者延伸率低， 反而比后者更有利于折彎。 所以這種認識也是錯誤的。

3） 含銅量越高， 導(dǎo)電率越高。 對于純銅而言，這種說法是正確的。 但是對于銅合金材料， 由于熱處理機制、 合金相的存在狀態(tài) （如電子化合物、 固溶體） 及合金相的晶格結(jié)構(gòu)不同， 反映出的導(dǎo)電率也會不相同。 比較明顯的例子如錫磷青銅， 雖然含銅約93.4%， 但因銅錫合金為電子化合物， 因而導(dǎo)電率13%IACS； 黃銅H65， 含銅65%， 因銅鋅合金為固溶體， 導(dǎo)電率卻達27%IACS。 所以這種認識也是錯誤的。

4 插接件如何正確選材

插接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計， 不但要滿足它的使用性能要求， 還要兼顧它所使用的材料性能， 以防止產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與材料性能相悖。 如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的折彎半徑， 應(yīng)該根據(jù)所選材料的折彎性能r／t （r為折彎半徑， t為材料厚度） 確定。 再如， 若對產(chǎn)品的導(dǎo)電率高或強度要求較高， 那么應(yīng)盡可能簡化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。 以下將介紹如何為插接件正確選材。

4.1 根據(jù)插接件的結(jié)構(gòu)選擇

首先觀察是否有彈性結(jié)構(gòu)， 若有彈性結(jié)構(gòu)， 則選擇屈服強度σs較大或彈性模量E較小的材料； 若無彈性結(jié)構(gòu)， 則選擇屈服強度σs較小和彈性模量E較大的材料。 其次， 看最大折彎角處的折彎半徑r、折彎角α及產(chǎn)品的材料厚度t， 根據(jù)折彎性能參數(shù)r／t選擇適合的材料， 這里要明確對折彎有利和不利的因素（材料越薄、 越窄、 折彎半徑越大對折彎越有利）。 若折彎角度α超過折彎性能r／t試驗中的彎曲角度， 有必要進行模擬試驗方法， 即折彎試驗來確定所選材料是否能夠達到要求。

4.2 根據(jù)插接件的工作環(huán)境溫度選擇

在高溫下， 材料的屈服強度會損失一部分， 材料不同， 最終損失的屈服強度也不同。 這里涉及一個概念： 抗應(yīng)力松弛能力， 是指將試驗材料放在高溫下一段時間后取出， 其屈服強度仍能夠達到常溫下屈服強度的70%以上的能力。 抗應(yīng)力松弛能力高的材料， 在高溫下仍能保持很好的彈性； 抗應(yīng)力松弛能力低的材料， 較高的溫度會使其彈性大大降低， 致使產(chǎn)品失效， 所以抗應(yīng)力松弛能力在產(chǎn)品選材時不容忽視。 純銅的抗應(yīng)力松弛能力為25 ℃， 黃銅為75 ℃， 錫磷青銅為125 ℃。 若插接件的工作環(huán)境溫度為100 ℃， 那么應(yīng)該選擇錫磷青銅。

4.3 根據(jù)插接件所在的電路中允許的溫升選擇

插接件的溫升與導(dǎo)電率大小成正比， 即導(dǎo)電率越高， 發(fā)熱少， 散熱快， 溫升越低。 但是若具體計算電路中插接件的導(dǎo)電率卻極為復(fù)雜， 也沒有相關(guān)資料可查。 故一般按照設(shè)計經(jīng)驗估計和產(chǎn)品溫升試驗驗證的方法確定。

綜上所述， 為插接件選材要兼顧材料成型和產(chǎn)品使用兩方面， 遵循既經(jīng)濟又適用的原則， 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與材料性能相輔相成， 實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。

5 對材料開裂的原因分析

插接件尺寸小， 結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜， 所以對銅合金材料力學性能要求較高， 一般國產(chǎn)材料成型比較復(fù)雜的插接件時， 往往會導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。 若是我們在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、 材料選擇與驗收、 模具設(shè)計與制造等方面多加注意， 就會減少不必要的浪費， 并保證了產(chǎn)品的品質(zhì)。 下面分析材料開裂的原因及改善的措施。

5.1 插接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

1） 內(nèi)折彎角為0或過小， 產(chǎn)品要求的折彎性能大于所選材料的折彎性能r／t。 增大折彎角或減小材料壁厚可以避免開裂。

2） 未設(shè)計撕裂槽。 當折彎線在輪廓線以外時，如圖1所示， x應(yīng)不小于r （內(nèi)折彎半徑） 值； 當折彎線在輪廓線以內(nèi)或與輪廓線重合時， 應(yīng)設(shè)計撕裂槽， 如圖2示， 但也存在x應(yīng)不小于r。 類似的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖3所示。

5.2 模具加工缺陷

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的情況下， 若模具加工某處存在缺陷， 則會在產(chǎn)品的同一個部位產(chǎn)生裂紋等缺陷； 如果是材料本身的原因， 則會在整個折彎處均會產(chǎn)生裂紋， 因此應(yīng)嘗試更換成型該工序的模具部件， 如果裂紋消除， 則說明是模具加工缺陷造成的裂紋。 如圖4所示， 更換沖頭后裂紋消失。

5.3 材料的力學性能差

成型較復(fù)雜的插接件時， 若材料性能較低， 則容易造成開裂。 例如一個插座采用QSn6.5－0.1材料，出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象， 后查該材料的性能檢驗數(shù)據(jù)為σb=543～546 MPa， σs=510 MPa， 延伸率δ=17%～18%，雖符合驗收標準要求， 但此批材料抗拉強度和延伸率都同時偏低， 說明材料晶粒粗大， 通過熱處理使抗拉強度升高， 但同時曲強比增大， 塑性降低， 導(dǎo)致材料易裂。 后選用同種材料， 性能為σb=587～592 MPa， σs=508 MPa， 延伸率δ=27%～29%， 由數(shù)據(jù)可見該材料晶粒度細小， 同時抗拉強度和延伸率較高， 性能大大提高， 故開裂問題解決。

5.4 材料狀態(tài)選擇不合理

材料的性能不但與材料的牌號有關(guān)， 還會因材料的狀態(tài)不同而相差甚遠， 材料不同的狀態(tài)即由不同的熱處理機制得到， 國家標準中規(guī)定材料狀態(tài)由漢語拼音的首位字母表示， 如R表示軟態(tài)、 Y表示硬態(tài)、 T表示特硬態(tài)等。 若材料牌號確定， 而硬態(tài)不能滿足產(chǎn)品的成型要求， 改選硬態(tài)軟的材料即可減小裂紋產(chǎn)生的傾向。

5.5 模具設(shè)計不合理

若以上方法均不能解決材料開裂的問題， 也可考慮采用優(yōu)化模具設(shè)計的方法控制裂紋的產(chǎn)生。 由于材料在成型過程中， 材料的加工硬化程度逐漸增高， 若變形最大的工步在最后， 則開裂的可能性較大， 那么可以考慮將變形最大的工步放在前面。 另外， 可考慮增加成型工步， 如折彎175°， 如果原來是0°→90°→175°， 可以調(diào)整為0°→45°→90°→120°→150°→175°， 這樣會大大降低材料開裂的可能性。

6 新型材料

近幾年使用新型材料的插接件不斷出現(xiàn)， 說明常用材料存在不足， 要想改進產(chǎn)品品質(zhì)， 必須用新型材料來彌補， 插接件正在迎來材料方面的挑戰(zhàn)。

6.1 銅錫合金C4252

C4252是在銅－鋅元素的基礎(chǔ)上， 又添加了錫、鎳、 鐵等元素， 又稱錫黃銅。

從圖5中可以看出， C4252力學性能與青銅C510相近， 導(dǎo)電率卻與黃銅C260相近。 另外C4252的抗應(yīng)力松弛能力與青銅相同， 均為125℃。 可謂綜合了青銅和黃銅的優(yōu)點， 彌補了兩者的不足， 并且筆者經(jīng)過實踐， 從產(chǎn)品成型、 插拔力、 溫升試驗方面與黃銅、 青銅進行了對比， 進一步驗證了C4252的優(yōu)越性能。 因此它適合于導(dǎo)電率要求較高的有彈性結(jié)構(gòu)的插接件， 缺點是由于它屬于進口材料， 價格較高。

6.2 Cu－Ni－Si合金C7025

Cu－Ni－Si合金屬于時效強化型合金， 特點是具有很高的強度， 卻仍能夠維持較高的導(dǎo)電性。 Cu－Ni－Si合金種類繁多， 其中典型的代表是C7025。 其力學性能見表3， 導(dǎo)電率為40%IACS， 抗應(yīng)力松弛能力為75 ℃， 一般用于插接件中的雙層件結(jié)構(gòu)。

表3 C7025室溫狀態(tài)下的力學性能

6.3 高性能銅合金C19720和C18080

有的插接件， 不但要求有很高的導(dǎo)電性， 還要求有一定的彈性和較高的抗應(yīng)力松弛能力， 此時就需要選用高性能銅合金。 這里推薦C19720和C18080兩種合金，一般適用于成型結(jié)構(gòu)簡單，以及工作環(huán)境溫度較高的片形或叉形插接件（見圖6）。

由圖7可知， C19720和C18080的導(dǎo)電率均為80%IACS， 但是C18080比C19720的強度更高。 由圖8可知， 紫銅的導(dǎo)電率雖然比C19720的略高， 但是強度卻比C19720低很多。 在抗應(yīng)力松弛能力方面，紫銅為25 ℃， C19720為125 ℃， C18080為200 ℃。由此可見， C19720和C18080屬于在強度和抗應(yīng)力松弛能力方面均優(yōu)于紫銅的高性能銅合金。

7 結(jié)束語

我國生產(chǎn)的銅合金材料性能普遍較差， 進口銅合金材料品質(zhì)雖高但是價格較貴， 國內(nèi)的插接件受價格的制約， 不得不選用國產(chǎn)材料， 導(dǎo)致國產(chǎn)插接件的品質(zhì)低于進口插接件， 多用于低檔車型。 再者， 關(guān)于插接件的相關(guān)研究資料很少，銅合金材料在插接件上的應(yīng)用研究更是少之又少， 這使插接件的品質(zhì)提升陷入困境。 筆者將幾年來工作中積累的一些經(jīng)驗總結(jié)出來， 希望能夠起到拋磚引玉的作用。 由于資料和經(jīng)驗有限， 難免有疏漏之處， 在此請讀者諒解。