關(guān)于對連接器磨損的簡單剖析！

連接器磨損對連接器的性能影響巨大，因為磨損過程消除了為接觸材料提供腐蝕保護(hù)的連接表面層。最常用的接觸材料是銅合金，所有這些材料在典型的連接器工作環(huán)境中都容易腐蝕。

連接器磨損有兩個主要原因。最明顯的一種情況是，當(dāng)插頭和插座接觸面互相滑動接觸時，每次咬合過程都會發(fā)生磨損。第二種是連接器使用期間由于微動而產(chǎn)生的磨損。微動是由機(jī)械擾動或熱膨脹錯配力引起的小尺度運(yùn)動，從幾微米到幾十微米。

首先，磨損機(jī)制可能非常復(fù)雜，因此本文討論僅限于對連接器磨損過程的一些簡單觀察。磨損可以用一個簡單的方程式來描述，盡管方程式中參數(shù)的含義可能相當(dāng)復(fù)雜。方程式如下：

V = k F L/H

其中V是磨損體積（在單個磨損體中從界面移除的金屬的體積），k是磨損系數(shù)，F(xiàn)是施加的載荷（連接器的接觸法向力），L是磨損體的位移長度，H是接觸金屬的硬度。

對F、L和H的解釋相對簡單。接觸力F是連接器設(shè)計參數(shù)。磨損體的長度是咬合時的嚙合長度，或微動位移的長度。接觸咬合長度是連接器的設(shè)計參數(shù)，但微動位移的長度與許多參數(shù)有關(guān)。在方程式中，H是接觸金屬的硬度。對于這類材料，硬度是確定的。對于兩種不同的金屬，它是復(fù)合硬度。在連接器中，兩個接觸表面光潔度一般相同，如金，但鎳底板的厚度和觸頭材料的硬度可能不同，因此復(fù)合硬度是合適的。然而，對于給定的連接器，F(xiàn)、L和H可以被認(rèn)為是“已知的”。

磨損量V需要一些解釋。連接器磨損量的參數(shù)是每一次磨損體中表面厚度的損失。V=at，其中A是接觸界面的面積，t是被移除的材料的厚度。A取決于幾何設(shè)計。磨損是由于針點接觸到一個表面，而不是一個厘米直徑的球軸承;對于幾何設(shè)計來說是很重要的。同樣，對于給定的連接器，這種關(guān)聯(lián)也可以被認(rèn)為是“已知的”。

但是k是一個許多參數(shù)的變化因子。其中最重要的參數(shù)是接觸力F、硬度H、接觸幾何形狀、表面粗糙度以及接觸表面的潤滑狀態(tài)等。再次強(qiáng)調(diào)，F(xiàn)，H，接觸幾何設(shè)計，和表面粗糙度，對給定的連接器來說是“已知的”。潤滑狀態(tài)取決于使用連接器的環(huán)境。我認(rèn)為，實際上，接觸力是連接件的k中最重要的參數(shù)，原因如下。

如圖1所示，圖示了兩個接觸面。需要注意的是，在接觸界面的微尺度上，所有的表面都是粗糙的。為了簡單起見，給出了兩個接觸點或凹凸點。在下面的討論中，假設(shè)第一個接觸點創(chuàng)建接口（圖1中的a），并且隨著負(fù)載的不斷增加，使表面更加緊密，接口（b）開始起作用。

在這些條件下，界面（a）比界面（b）經(jīng)歷更多的變形。由于凹凸不平的接觸很小，變形將是塑性的，凹凸不平的徑向流動會隨著凹凸不平的頂部相互平緩而發(fā)生。這種徑向流動破壞了表面膜和表面污染物，并有助于創(chuàng)建所需的金屬接觸界面。所創(chuàng)建的金屬界面將經(jīng)歷一定程度的“冷焊”。簡單地說，“冷焊”意味著金屬表面通過凹凸不平的界面相互連接在一起，就像金屬鍵是在金屬內(nèi)部形成的一樣。由于凹凸不平的變形，凹凸不平的金屬也被硬化。在創(chuàng)建接口（b）時也會發(fā)生相同的過程，但程度較小。這意味著界面（a）將比界面（b）更強(qiáng)，因為較大的變形為“冷焊”創(chuàng)造了更大的接觸面積，而且它也經(jīng)歷了更大程度的硬化。

考慮到這些界面特征，當(dāng)剪應(yīng)力施加到系統(tǒng)時會發(fā)生什么。由于（a）是較強(qiáng)的界面，施加的應(yīng)力必須足以破壞（a）處的界面，而（b）處的較弱的界面則隨之出現(xiàn)。從磨損的角度來看，界面斷裂是關(guān)鍵?？紤]接口（a）的狀態(tài)。經(jīng)過“冷焊”和硬化。事實上，由于界面硬化，（a）可能具有比原有金屬本身更高的內(nèi)聚力，凹凸不平的分離可能發(fā)生在原有金屬內(nèi)部，如圖1所示，而不是直接發(fā)生在界面上。由此產(chǎn)生的磨損顆粒就是方程式中的磨損體積V。在（b）處較弱的界面可能在原始界面處或附近斷裂，很少發(fā)生磨損。（a）處的磨損過程通常稱為粘著磨損，（b）處的磨損過程稱為拋光磨損。如果在放大鏡下觀察連接器咬合過程中產(chǎn)生的磨損軌跡，在30~50倍放大時，粘著磨損軌跡將顯示出磨損顆粒的跡象，并顯得有些粗糙，而拋光磨損軌跡將顯得光滑和光亮。如果粘著磨損過程中產(chǎn)生的磨損顆粒經(jīng)過變形足夠硬化，在接觸界面上就會充當(dāng)磨料，即所謂的三體磨料磨損，一種額外的磨損就會產(chǎn)生作用。

回到k，顯然，磨損機(jī)制從拋光到粘著磨損的變化將反映在磨損系數(shù)k值的顯著增加上。在拋光磨損過程中，k隨接觸力的增大而增大。然而，當(dāng)接觸力增加到粘著磨損變得活躍的程度時，k就會不連續(xù)地、潛在地顯著增加。接觸力的大小導(dǎo)致k的不連續(xù)變化將主要取決于連接器的潤滑狀態(tài)。對于清潔的表面，過渡范圍將是幾克到幾十克，而對于潤滑良好的表面，過渡可能不會發(fā)生，直到接觸力加大到數(shù)百克才發(fā)生。

綜合考慮連接器的性能。在可以接受/需要低接觸力的應(yīng)用中，例如在小電流、高pin數(shù)的低咬合力和高耐久性應(yīng)用中，預(yù)期的磨損機(jī)制是拋光磨損，并且磨損率將很低。一般來說，功率應(yīng)用將需要更高的接觸力，以滿足在電阻和穩(wěn)定性方面對接觸界面的更高要求。在這種情況下，粘合劑和磨料磨損機(jī)制可能更活躍。這是許多功率連接設(shè)計利用多個接觸梁的原因之一。這些系統(tǒng)降低了連接器電阻，因為多個梁是電并聯(lián)的，并且它們也可以設(shè)計成具有較低的接觸力，以減少粘合劑和磨料磨損的可能性。

當(dāng)然，在連接器系統(tǒng)的設(shè)計和制造中，磨損問題需要最佳的解決方法。由于磨損率與硬度成反比，錫成品連接器的磨損率將高于金連接器。這種關(guān)系也說明了為什么通常使用所謂的硬金。另一個影響黃金成品連接器磨損的設(shè)計參數(shù)是鎳底板。光潔度的高低會影響連接器在沒有磨損的情況下所能承受的磨損次數(shù)。這方面要考慮薄金或閃光金等。如果發(fā)現(xiàn)連接器系統(tǒng)在磨損性能方面不足，則接觸潤滑劑能夠充分提高性能，以滿足應(yīng)用要求。連接器的設(shè)計需要充分考慮磨損問題，否則對連接器性能的影響將是致命的。