TW201617460A - 電連接件 - Google Patents

Abstract

一種含有銅鋅合金之電連接件。該銅鋅合金由以下構成(單位為wt%)：28.0至36.0%的Zn，0.5至1.5%的Si，1.5至2.5%的Mn，0.2至1.0%的Ni，0.5至1.5%的Al，0.1至1.0%的Fe，可選地另含最大0.1%的Pb，可選地另含最大0.1%的P，可選地另含不超過0.08%的S，殘餘量的Cu及不可避免之雜質。 根據本發明，在該基質中嵌入有，含鐵鎳錳之混合矽化物。該構造由一α基質構成，其中該嵌入含有5至45vol%的β相以及不超過20vol%的含鐵鎳錳之混合矽化物。此外在該構造中，該等含鐵鎳錳之混合矽化物是呈柱狀形式以及在富含鐵鎳之混合矽化物處是呈球形形態。

Description

電連接件 發明領域

本發明係有關於一種如請求項1之前言所述的含有銅鋅合金之電連接件。

發明背景

無數在安全性、舒適度及性能方面之新的汽車應用唯有透過針對性地使用電子功能及組件方能實現。由於對插接連接器及其材料的要求愈來愈高，故近年來存在採用銅-高性能合金之趨勢。此等析出硬化之銅材料之特徵在於高機械強度、高傳導率及易於變形。以第一代Cu-HP合金(如電導率約高於20MS/m之CuNi3SiMg)為出發點，需要對高強度與高傳導率之特性組合進行進一步最佳化。

一種最佳化途徑是，例如基於46MS/m且強度不超過610MPa之系統CuCrAgFeTiSi，來研發析出硬化之銅合金。此種合金的另一主要優點在於，該材料在不超過200℃之高溫場合下具有極佳之鬆弛強度。該合金類型可應用於汽車、工業電子設備及電信領域。

此外亦採用某類青銅材料，其特徵在於具有最大為3μm之粒徑的微細組織結構。此種材料在顯著提高加工特性的同時 大幅提高機械強度。加工性顯著提高後，加工者便能實現較窄之彎曲半徑。可彎曲性提高後，變形區內之粗糙度遠小於使用標準青銅時之情形。如此便能減小隨後之塗層的層厚，從而大幅降低後續處理時之成本。此種材料之電導率與標準青銅之電導率相同，約為7.5至12MS/m。

另一具有Ni-Co混合矽化物之析出硬化的CuNi1CoSi合金同樣非常適用於將插接連接器小型化以降低成本。此種材料係高強度，具有良好的電導率(29MS/m)及熱導率，且易於處理。

上述材料主要適於在自動衝壓機/自動彎曲機上進行處理，難以對其實施切削加工。

在包含合金CuZn37Pb0.5、CuZn35Pb1、CuZn35Pb2、CuZn37Pb2、CuZn36Pb3及CuZn39Pb3之廉價黃銅材料的材料組合中，亦揭露更多形式為桿件或線材之銅材料，此等桿件或線材非常適於切削式製造插式連接器之插座及插銷，該等銅材料可應用於製造旋轉式插式連接器中之要求較高的場合。

在前述情形下，需要視具體技術要求而採用具有高電導率、高機械強度以及結合此二特性之材料。因此，CuPb1P亦為切削效果良好的自動設備材料，其同時亦具高電導率，約為50MS/m。此種材料尤其適用於插式連接器及其他電子應用。

除混合晶體硬化之合金外，合金範圍亦包括更多析出硬化之材料。屬於上述範圍的例如有CuNi1Pb1P及CuNiPb0.5P，其作為具有高強度、良好之傳導率(至少為32MS/m)及良好之切削性的低合金銅材料。此種材料因其Pb比例而特別適於電工及 電子設備中之切削式製造的插式接點。

採用多元錫青銅CuSn4Zn4Pb4P亦能實現較高之強度及相應之彈性特性，其各具4%之錫、鋅及鉛比例。該錫青銅之冷加工性良好並易於切削。其尤其適用於彈性之電子設備接點。

就當前之合金研發工作而言，總是需要將多種環境直接因素及材料限制考慮在內。因而在針對插接連接器具有適宜之特性組合的替代或補充型合金方面，仍具研發潛力。其中除物理特性外，良好之可加工性亦具重要意義。

發明概要

本發明之目的在於對一種由低鉛或無鉛之銅合金構成的電連接件進行改良。

本發明由請求項1之特徵給出。更多回溯引用之請求項給出本發明之有利的構建方案與改良方案。

本發明包含用於構建一種含有銅鋅合金之電連接件的技術原理。該銅鋅合金由以下構成(單位為wt%)：28.0至36.0%的Zn，0.5至1.5%的Si，1.5至2.5%的Mn，0.2至1.0%的Ni，0.5至1.5%的Al，0.1至1.0%的Fe，可選地另含最大0.1%的Pb，可選地另含最大0.1%的P， 可選地另含不超過0.08%的S，殘餘量的Cu及不可避免之雜質。

根據本發明，在該基質中嵌入有，含鐵鎳錳之混合矽化物。該構造由一α基質構成，其中該嵌入含有5至45vol%的β相以及不超過20vol%的含鐵鎳錳之混合矽化物。此外在該構造中，該等含鐵鎳錳之混合矽化物是呈柱狀形式以及在富含鐵鎳之混合矽化物上是呈球形形態。

實踐意外表明，本發明之合金組成適用於電連接件。根據發明人之德國專利申請公開案DE 10 2007 029 991 A1，此類合金迄今為止僅應用於內燃機、傳動裝置或液壓設備之滑動元件。該專利申請公開案之全部內容皆納入本發明之說明書。該案之有所差別之應用所追求的目標不是一種專用之最佳化的特性組合。而是在馬達應用方面獲得一種特性組合，其在保持足夠韌性特性的同時，使得強度、構造之耐溫性及複雜的耐磨性有所提高。

而本發明基於以下理念：提供一種嵌入有含鐵鎳錳之混合矽化物的銅鋅合金，其特定言之可藉由連續或半連續之連鑄法製成。採用該混合矽化物形成及構造構建方案後，該銅鋅合金具有就其材料類別而言極高的電導率。

該合金在具有必要程度之延展性(即拉伸試驗中之斷裂伸長值)的同時，亦具較高的硬度與強度值。具有此種特性組合之發明標的特別適於電連接件，如旋轉式插接連接器、插接裝置、電夾具，可選地亦可與螺接件相結合。

在該合金之鑄造的前述製造步驟中，首先係析出富鐵 及富鎳之混合矽化物。該等析出物可在進一步生長為具有相當大小且通常呈柱狀之含鐵鎳錳之混合矽化物的過程中，生長起來。此外亦有相當一部分保持較小，呈球形形態且分散在該基質中。該等分散之矽化物被視作基底，以便該β相之穩定化。特定言之，該合金在冷加工時具有較高之延展性。此點在對電連接件進行壓接時尤為重要，因為該材料在壓接過程中需要承受較強之塑性變形。亦即，該材料能夠幾乎以任意的加工度進行捲邊、擠壓或摺疊，而不會形成裂紋。

該材料同樣特別適於切削式製造的電連接件。藉由5vol%的β相便能獲得良好之切削性。β相含量更高但不超過45vol%時，亦會形成期望之短切屑，從而改善切削操作中之切屑形成。β相比例低於5vol%時，在用作自動設備材料的情況下，該切削性會造成較高之切削速率，效果不佳。β相含量大於45vol%時，材料之韌性及構造之耐溫性變差。採用相應製造法製成之合金的最終狀態產生某種β相，其島狀地嵌入由α基質構成之構造中。此類由β相構成之島特別有利於合金之切削性及耐腐蝕性。

特別是10至25vol%之β相比例可實現經切削加工之表面的極佳表面品質。在前述5至45vol%β相之體積範圍內，亦實現相對較小之工具磨損，從而延長工具之使用壽命並降低工具成本。含鐵鎳錳之混合矽化物的比例超過20vol%會提高硬度增幅，從而難以將材料之有利特性適度地加以組合。

該材料之鬆弛強度同樣極為優異，如此便能保持電連接件之彈力。

有鑒於此，本發明之合金的主要優點基於一種在相應 用途方面最佳化之特性組合，其在保持足夠韌性特性的同時，使得強度、構造之耐溫性及電導率有所提高。在相對常見合金之取代鉛含量的基礎上，本發明之材料解決方案亦將環保型無鉛合金方案之必要性考慮在內。該材料亦可針對除對硬度及強度具有較高要求外亦需必要之可塑性之特殊應用，而量身定做。

根據本發明的一種有利設計方案，該銅鋅合金可含有30.0至36.0%的Zn，0.6至1.1%的Si，1.5至2.2%的Mn，0.2至0.7%的Ni，0.5至1.0%的Al，0.3至0.5%的Fe。

透過縮小範圍來選出一種特別有利的合金組成。從而進一步改善韌性特性及電導率，視情況亦改善最終之應力消除退火。較佳在300℃至400℃之條件下實施該最終之應力消除退火3至4小時。

根據本發明的另一有利設計方案，該銅鋅合金可含有33.5至36.0%的Zn。此類鋅含量仍能實現電連接件所需之韌性特性及良好的電導率。儘可能提高鋅含量會相應降低其他元素之比例，特別是銅比例。在此情形下，該合金會因廉價之鋅的比例較高而具有相應較低的金屬價格。

該合金之電導率較佳可為至少5.8MS/m。尤佳之電導率為至少10MS/m至13MS/m以上。用可比之材料，如含鉛黃銅，是無法實現上述值的。透過適宜之後續處理步驟甚至還能實現13 MS/m以上的值。

有利地，該包含一α基質的構造，其中該嵌入含有5至45vol%的β相以及不超過20vol%的含鐵鎳錳之混合矽化物，該構造可在一後續加工中構建而成，該後續加工包含至少一熱加工及/或冷加工以及可選之進一步退火步驟。在α基質中，就β嵌入物與硬質相而言採用不同的大小分佈，使得該合金實現有利的構造耐溫性，且具備足以用來製造連接件的韌性特性。

實施該後續加工時，該合金較佳可在其後續加工過程中經歷以下步驟：- 在600至800℃之溫度範圍內進行擠壓成形或熱軋，- 較佳藉由拉伸或冷軋來實施的至少一冷加工。

根據本發明的較佳設計方案，該合金亦可在其後續加工過程中經歷以下步驟：- 在600至800℃之溫度範圍內進行擠壓成形或熱軋，- 較佳藉由拉伸或冷軋來實施的至少一冷加工，與在250至700℃之溫度範圍內實施的至少一退火之一組合，退火持續時間較佳為20分鐘至5小時。

透過將藉由拉伸來實施的冷加工，與在250至700℃之溫度範圍內對形式為圓線、異型線材、圓桿、異型桿、空心桿及管件之起始材料實施的一或多個退火，組合在一起，如此便能實現該異質構造的分散分佈。藉此來滿足改善電導率方面的要求。

該β相之比例的大小及分佈情況與該構造之耐溫性的關聯亦具重要意義。此種立方形空間居中之晶體方式在該銅鋅合金中承擔不可或缺之提高強度的功能，故降低β含量並非僅居於 突出地位。藉由工序擠壓成形或熱軋/拉伸或冷軋/中間退火，便能改變該銅鋅合金之構造的相分佈，使得該構造除高強度外亦具足夠的耐溫性、延展性及良好的電導率。

根據較佳設計方案，在該後續加工過程中，在該加工完畢後，接著，在250℃至450℃之溫度範圍內實施至少一應力消除退火，退火持續時間較佳為2至5小時。

在製造流程中，需要藉由一或多個應力消除退火來減小自有應力。在確保該構造具有足夠之耐溫性並確保用作電連接件之起始產品的圓線、異型線材、圓桿、異型桿、空心桿及管件具有足夠的平直度方面，減小自有應力亦具重要意義。

較佳實施例之詳細說明

下面結合圖表對本發明之若干實施例進行詳細說明。此處係對一視作最佳之實施方式進行闡述。但在本發明中，與該實施方式有所不同之其他實施方式同樣適於達成本發明之優點。

此處係藉由擠壓成形或冷硬鑄造來製造本發明之銅鋅合金的鑄坯。合金1之擠壓成形以及合金2及3之冷硬鑄造的化學組成參閱表1。

工序1

˙在670-770℃之溫度條件下將由合金1構成之鑄坯擠壓成形為管件

˙冷加工/中間退火(630-700℃/50分鐘-3小時)/定向/應力消除退火(300-400℃/3小時)之組合

製造完畢後，該等尺寸為30.1x24.7之管件之構造特性值、電導率及機械特性處於表2所示數值的水平。

工序2

˙在650-750℃之溫度條件下將由合金1構成之鑄坯擠壓成形為圓桿

˙冷加工/退火(630-720℃/50分鐘-4小時)/定向/應力消除退火(300-450℃/2-4小時)之組合

製造完畢後，該等直徑為13.40mm、16.35mm及45.50mm之圓桿之構造特性值、電導率及機械特性處於表3所示數值的水平。

工序3

˙在650-730℃之溫度條件下將由合金2及3構成之鑄坯熱軋為軋板

˙以15至25%之加工度對該等板材進行冷軋，視情況結合應力消除退火(300-450℃/2-4小時)

視需要而定地，在各處理步驟之間增設表面銑削操作。

工序4

˙在650-730℃之溫度條件下將由合金2及3構成之鑄坯熱軋為軋板

˙以15至25%之加工度對該等板材進行退火(650℃/3小時)及冷軋，視情況結合應力消除退火(300-450℃/2-4小時)

視需要而定地，在各處理步驟之間增設表面銑削操作。

工序5

˙在650-730℃之溫度條件下將由合金2及3構成之鑄坯熱軋 為軋板

˙以15至65%之加工度對該等板材進行冷軋/退火(630-720℃/50分鐘-4小時)之組合

視需要而定地，在各處理步驟之間增設表面銑削操作。

特定言之，就依照工序5所製成之合金2及3的規格而言，可透過在250至450℃溫度條件下額外實施應力消除退火來進一步提高電導率特性值。

就上述實施例而言需要特別指出的是，所有5個工序中之β含量皆為5-20%。更多試驗表明，β含量較佳為5-30%。其中，該在製造完畢後嵌入由α基質構成之構造中的島狀β相，可能在外觀方面略有不同。β相含量進一步減小時會出現(確切言之)彼此隔開之島，該等島在與α基質微晶之分界處可能形成某種形式之楔形充填結構。

Claims (10)

1. 一種含有銅鋅合金之電連接件，該銅鋅合金由以下構成(單位為wt%)：28.0至36.0%的Zn，0.5至1.5%的Si，1.5至2.5%的Mn，0.2至1.0%的Ni，0.5至1.5%的Al，0.1至1.0%的Fe，可選地另含最大0.1%的Pb，可選地另含最大0.1%的P，可選地另含不超過0.08%的S，殘餘量的Cu及不可避免之雜質，其特徵在於，在該基質中嵌入有，含鐵鎳錳之混合矽化物，該構造由一α基質構成，其中該嵌入含有5至45vol%的β相以及不超過20vol%的含鐵鎳錳之混合矽化物，在該構造中，該等含鐵鎳錳之混合矽化物是呈柱狀形式以及在富含鐵鎳之混合矽化物處是呈球形形態。
2. 如請求項1之電連接件，其特徵在於：30.0至36.0%的Zn，0.6至1.1%的Si， 1.5至2.2%的Mn，0.2至0.7%的Ni，0.5至1.0%的Al，0.3至0.5%的Fe。
3. 如請求項2之電連接件，其特徵在於：33.5至36.0%的Zn。
4. 如請求項1至3之其中一項之電連接件，其特徵在於，該合金之電導率為至少5.8MS/m。
5. 如請求項4之電連接件，其特徵在於，該合金之電導率為至少10MS/m。
6. 如請求項5之電連接件，其特徵在於，該合金之電導率為至少13MS/m。
7. 如請求項1至6之其中一項之由銅鋅合金構成之電連接件，其特徵在於，該包含一α基質的構造，其中該嵌入含有5至45vol%的β相以及不超過20vol%的含鐵鎳錳之混合矽化物，該構造係在一後續加工中構建而成，該後續加工包含至少一熱加工及/或冷加工以及可選之進一步退火步驟。
8. 如請求項7之由銅鋅合金構成之電連接件，其特徵在於，該合金在其後續加工過程中經歷以下步驟：-在600至800℃之溫度範圍內進行擠壓成形或熱軋，-至少一冷加工。
9. 如請求項7之由銅鋅合金構成之電連接件，其特徵在於，該合金在其後續加工過程中經歷以下步驟： -在600至800℃之溫度範圍內進行擠壓成形或熱軋，-至少一冷加工與在250至700℃之溫度範圍內實施的至少一退火之一組合。
10. 如請求項8或9之由銅鋅合金構成之電連接件，其特徵在於，在該後續加工過程中，在該加工完畢後，接著，在250至450℃之溫度範圍內實施至少一應力消除退火。