铜材品质对接触件性能影响研讨

1引言

铜材是制作连接器导电核心零件—接触件的基础材料，其品质是直接影响连接器接触件电接触可靠性的关键因素。在所有影响因素中，接触件铜材品质是最根本的，也是最基础的。由于我国连接器产品过去以仿制为主，照搬照抄国外产品标准规范，缺乏对电连接器接触件铜材应用基础研究，面对众多进口材料，我国具有自主知识产权、能等效替代进口的材料创新研究非常薄弱。导致用国产铜材制作的连接器往往是“形似质差”。

随着国家供给侧结构性改革深化，人们在充分理解基础材料对保证连接器产品质量重要性同时，也越来越认识到选用国产接触件铜材替代进口的紧迫性。即必须从战略发展分析考虑解决制约我国连接器发展的瓶颈之一，接触件铜材选择和来源问题。

要解决国产接触件铜材选择和来源问题，实现高端电连接器接触件铜材替代进口目标。必须首先深刻认识国产铜材在尺寸精度、表面质量、显微组织、力学性能、物理性能、工艺性能和质量一致性等品质因素与进口同类材料的差距，深刻认识由于铜材品质差距对接触件性能影响。坚持“问题导向、产需结合、协同创新、重点突破”原则，瞄准高端应用领域连接器生产紧缺的接触件铜材，将产业链上下游单位联合起来创建“接触件铜材应用基础研究联盟”，加强接触件铜材应用基础研究，才能改变目前铜材生产与实际应用脱节，造成铜材研究和标准制定流于表面化，铜材品质很难适应不同应用领域的连接器接触件差异化工艺技术要求的现状。

2 接触件铜材应用现状

国军标GJB1216[电连接器接触件总规范规定：最高工作温度125℃接触件一般使用铜合金，没有规定材料类别。有些连接器总规范虽规定插孔接触件选用铍铜或磷青铜，但又规定与详细规范不一致时，以详细规范为准[1]。

连接器现行标准仅规定了接触件的工作直径、镀金层厚度、分离力和保持力等主要技术参数，并未规定铜合金材料牌号、规格和状态。我国连接器行业没有经历正向设计阶段，都是仿制产品，接触件铜材牌号、规格、状态等源于国外标准。

为防止刚性插针插拔时弯曲损伤,插针常选用具有较高机械强度的黄铜(H62、HPb59-1等)制作。为保证弹性插孔插合时接触可靠,防止塑性变形和应力松弛,插孔常选用具有较高弹性极限与疲劳极限和适当弹性模量的锡青铜(QSn4-3、QSn6.5-0.1等)、铍青铜(C17200、QBe2等)或镍硅青铜(C70250等)制作(表1)。 接触件铜材还要求其加工成型性良好、内部弹性均匀、耐蚀性好、导电、导热率高和可焊性好等。

表1 接触件常用铜材一览表

连接器小型化，使制作接触件所选铜带越来越薄、丝材越来越细。目前国产铜材实际生产严重滞后于标准规定，往往是“有标准、无产品”。铜加工企业尚难提供现行行业标准中规定的各牌号的所有规格、状态和性能。表2列出了国产接触件铜材在规格尺寸、表面质量、力学性能、物理性能、工艺性能、显微组织和质量一致性等品质要素和进口同类铜材的主要差距。

表2 国产和进口接触件铜材的主要差距

3 接触件铜材应用研究成果简介

铜合金中添加锌、铝、锡、锰、镍等元素固溶强化提高强度之同时，一般都会

降低导电率。在导电率-抗拉强度关系图中不同合金系铜合金处于不同位置(图1)。

近年来我国洛铜、春雷、博威、斯瑞、兴业盛泰、兴敖达和金江等铜加工骨干企业为实现替代进口目标，瞄准航空、航天、通讯等高端应用领域紧缺的高强度、高电导、高精度的接触件铜材，开展铍铜、钛铜、镍硅铜、镍钴硅铜、铬锆铜、铁铜和碲铜等系列合金熔铸、轧制、热处理、精整等工艺攻关,取得了许多研发和产业化生产成果(表3)。部分铜合金带、丝材已能替代进口，成功应用于高端应用领域连接器。

图1 铜合金抗拉强度-导电率关系

表3 近年来研制的几种接触件铜材性能和应用

3.1高精度铍铜丝替代进口

铍铜是力学、物理、化学综合性能良好的一种合金。经淬火时效处理后，具有髙的强度、弹性、耐磨性、耐疲劳性和耐蚀性。同时铍铜还具有较高的导电性、导热性、耐寒性和无磁性，碰击时无火花，易于焊接和钎焊，在大气、淡水和海水中耐腐蝕性极好。鉴于鈹铜具有比一般青铜和黄铜更高的强度水平和良好的综合性能，能满足电连接器弹性接触件设计选材的一系列要求，故它是制作线簧插孔、绞线插针等高可靠连接器弹性接触件的首选材料。例如间距0.635mm超微矩形连接器绞线式插针，釆用三股0.06mm铍铜线外包着七股0.038mm铍铜线，绕成的缆束直径仅0.2mm。经280℃、2h时效处理后显微硬度明显提高，与未经时效处理相比，硬度提高70%。目前选用的1/4Y(1/4冷作硬化)状态0.038mm铍铜丝，都选用进口C17200铍铜丝材。

随着5G通讯、无人机、机器人和人工智能等器件的应用发展，微型连接器需求量猛增，由此制作线簧插孔、绞线插针的高精度铍铜丝需求量也迅速增加。感到欣慰的是苏州金江铜业为满足市场需求，研制生产的KINKOU高精度铍铜丝直径≤0.03mm，填补了这一细分领域国内空白。目前已可同品质替代进口，应用于线簧插孔、绞线插针、毛钮扣、弹簧针等高可靠弹性接触件。

3.2钛铜替代铍铜用于微型接触件

虽制作高可靠弹性接触件的铍铜本身无毒对环境没有污染，但铍铜在生产冶炼过程中对环境存在污染。在对环境要求越来越严格的今天，研发铍铜替代材料，一直是业界关注的课题。陕西斯瑞研制的CuTi3.5钛铜，其高强、高弹、导电等机械物理性能可与铍铜相媲美。析出强化型钛铜屈服强度≥1000Mpa，等同17200铍铜强度，导电率13%，具有优良的抗高温应力松驰、高抗疲劳强度、高耐磨耐蚀性，可替代铍铜为微型接触件提供足够的接触力，用于制作手机按键等微型接触件。

3.3改进镍硅铜可镀性能

镍硅铜合金具有良好的强度、导电、耐热、耐高温应力松弛等性能，广泛应用于汽车、消费电子部件。汽车行业因耐腐蚀要求，接触件铜材都需电镀保护，典型镀层结构为含钖镀层。因C70250、C19100镍硅铜中不含Sn，为解决镀材工业废料、角料回收，博威合金研发具有自主知识产权的仿美C19026合金(Sn0.7-1.1%、Ni0.8-1.2%、P0.03-0.07%、Si0.07-0.25%、Zn≤0.5%、Cu余量)。屈服强度≥600Mpa、导电率47%、150℃1000h应力松弛保持率75%、软化温度460-470℃。合金保留了镍硅铜耐高温应力松弛、抗软化性能同时，兼有良好的强度和导电性能，改进了镍硅铜可镀性能。满足市场需要，具有广泛的原材料来源和环保价值。

3.4镍钴硅铜替代铍铜用于高端应用领域接触件

镍钴硅铜合金是在原镍硅铜合金基础上添加少量钴元素细化晶粒，均匀分布Ni-Si、Co-Si颗粒细化。具有比C70250更优的综合性能，更高的屈服强度和导电性，出色的抗应力松弛性，可满足高端应用领域弹性元件要求。兴业盛泰研制的XYK-32镍钴硅铜合金棒、线屈服强度高达850Mpa，可替代铍铜用于电子通讯设备、汽车连接器接触件和弹簧等。

3.5高精度铬鋯铜合金带材产业化生产工艺攻关

铬鋯铜是高电导、中强度材料，通过铜中添加铬、锆熔铸合金化后热处理和冷加工相结合方法获得最佳力学和物理性能。其特点是高导电导热、高硬度、耐磨和减磨性好，具有良好的抗电蚀性和高温抗氧化性。

博威、斯瑞、兴业盛泰和春雷等研发的铬鋯铜带广泛应用于5G通讯基站、大电流、新能源汽车连接器弹性插孔和引线框架。特别是兴业盛泰为满足新一代集成电路引线框架急需的高导耐热和抗折弯性优良的铬锆铜带材，开展了高电导、中强度铬鋯铜合金带材关键技术开发和产业化生产课题研究。在非真空大规格铸锭均质化、成分均匀稳定化、多重形变热处理和高精度加工技术等方面都有所突破。

3.6 铁铜合金新材料应用基础研究

博威、洛铜和春雷等研制生产的C19400 Cu-Fe-P系中强、中导时效强化铜材，屈服强度410-530Mpa、导电率≥60%、Hv120-150、抗高温软化470℃3min硬度不小于原始80%。具有优良加工成形性、电镀性和可焊性，既可冲压，又可蚀刻加工，通过低应力板形管控，已经IC、手机客户认证，部分替代进口。主要用于汽车连接器接触件、引线框架、手机中板、LED等部件。

3.7 碲铜新材料应用基础研究

新能源汽车快速充电电流200-600A，要求充电桩连接器插针接触件材料中等强度、灭电弧型、高导热性、良好的热应力松弛性。博威、洛铜和兴敖达等研制生产的C14500(Te0.4-0.7、P0.004-0.012)易切削碲铜，具有优良的导电、导热、抗腐蚀性和抗电蚀性，同时具有极好的易切削性和冷热加工性。已成功应用于充电桩连接器插针接触件和新能源汽车、太阳能发电站连接器接触件。

4 铜材品质对接触件性能影响

接触件合理选材和设计结构是保证连接器电接触可靠性的重要前提。 在不同环境下使用的连接器接触件插合后接触电阻由收缩电阻、膜层电阻和导体电阻三部分组成，铜材品质对组成接触电阻的这三部分电阻都有影响(图2)。收缩电阻除正压力还取决于设计结构(尺寸精度)外，正压力、表面物理特征(细晶结构)和表面粗糙度都与铜材品质有关;膜层电阻取决于铜材的耐蝕性和防护镀层质量;导体电阻取决于材料类别，如标准规定1mm的镀金接触件接触电阻;铜合金5mΩ、铁合金15mΩ。

4.1 厚度(直径)偏差

下面用带材冲制方形插孔和丝材车制圆形插孔的片簧(图3)为例，说明厚度偏差对连接器针孔插合接触正压力的影响。片簧可看作一端固定的县臂梁(图4)，从另一自由端施加压力F，片簧产生位移f，这种模型可用下式计算：

公式1：f=4F·l³/E·b·t³

公式2：F=f·E·b·t³/4·l³

式中：f片簧弯曲位移、F接触正压力、l片簧长度、t片簧厚度、b片簧宽度、E弹性模量。

由公式可知：在同样压力下，片簧位移与弹性模量和片簧厚度的三次方成反比关系。弹性模量增大，位移减小。反之，在同样位移下，片簧能承受的接触正压力与弹性模量和片簧厚度的三次方成正比关系。上述公式直接反映，初始带材冲压或丝材打孔后的插孔片簧厚度偏差对接触正压力作用成三次方影响。带材厚度更薄或丝材直径更小时，低的厚度(直径)偏差对保证连接器片簧插孔接触件使用稳定性意义更大。

图3 圆形插孔(侧开槽)片簧