論述電連接器的關(guān)鍵零件之—，接觸件材料應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)研究

接觸件材料品質(zhì)是影響連接器電接觸可靠性的關(guān)鍵因素。開展接觸件材料應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)研究，對(duì)提升電連接器的品質(zhì)水平意義重大。本文在詳細(xì)論述接觸件材料應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)研究目的和內(nèi)容基礎(chǔ)上，指出其實(shí)施要點(diǎn)，并提出了有關(guān)建議。

原上海航天技術(shù)研究院元器件可靠性檢測(cè)中心(808 研究所)高級(jí)工程師，“機(jī)電元件”雜志編委，航天電連接器檢驗(yàn)專家。曾參予神舟飛船、風(fēng)云衛(wèi)星等航天系統(tǒng)工程用電連接器的質(zhì)量檢驗(yàn)、失效分析和可靠性篩選等工作。

電連接器是連接電子、電氣整機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的基礎(chǔ)器件，它的可分離性是區(qū)別于其它元件的特性或本質(zhì)。電連接器技術(shù)研究通常由基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品研發(fā)三部分組成：—是基礎(chǔ)研究，研究電接觸基礎(chǔ)理論及連接器電接觸可靠性，關(guān)注外界可能與行業(yè)發(fā)展相關(guān)的新技術(shù)動(dòng)向(如3D 打印、金屬注射等增材制造新技術(shù))，研究其對(duì)行業(yè)可能產(chǎn)生影響及可能的應(yīng)用前景；二是應(yīng)用基礎(chǔ)研究，研究連接器產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料、制造工藝和檢驗(yàn)方法等應(yīng)用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)注產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)需求，為研發(fā)團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支持，對(duì)產(chǎn)品使用出現(xiàn)問題故障分析，為解決問題提供方案；三是產(chǎn)品研發(fā)，根據(jù)需求進(jìn)行新產(chǎn)品研制。目前我國(guó)連接器大型企業(yè)通過“產(chǎn)、學(xué)、研”結(jié)合，組建含這三部分研究?jī)?nèi)容的協(xié)作團(tuán)隊(duì)，而中小企業(yè)往往僅關(guān)注新產(chǎn)品研發(fā)，前二部分研究能力非常薄弱。

最近筆者應(yīng)邀赴某著名電連接器企業(yè)研發(fā)基地測(cè)試實(shí)驗(yàn)室參觀學(xué)習(xí)和技術(shù)交流。發(fā)現(xiàn)部分研發(fā)試驗(yàn)人員雖學(xué)歷很髙，但對(duì)電連接器零件材料選用和相應(yīng)制作工藝的基礎(chǔ)知識(shí)了解頗少。往往直接引用國(guó)外電連接器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中每個(gè)零件設(shè)計(jì)選材的原由和依據(jù)理解甚少或根本不理解。反思其根源是由于我國(guó)電連接器產(chǎn)品過去以仿制為主，照搬照抄國(guó)外產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，只知道必須這樣做，而不知道為什么要這樣做，缺乏對(duì)電連接器接觸件、絕緣體等關(guān)鍵零件材料應(yīng)用的基礎(chǔ)研究。面對(duì)眾多國(guó)外引進(jìn)用于的電連接器關(guān)鍵材料，我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的等效替代材料創(chuàng)新研究非常薄弱。導(dǎo)致用國(guó)產(chǎn)材料制作的電連接器和國(guó)外同類產(chǎn)品相比是“形似質(zhì)差”。

2018年7月13日工信部副部長(zhǎng)、國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室主任辛國(guó)斌指出：中國(guó)制造業(yè)創(chuàng)新力不強(qiáng)、核心技術(shù)短缺的局面尚未根本改變。工信部對(duì)全國(guó)30 多家大型企業(yè)、130 多種關(guān)鍵基礎(chǔ)材料調(diào)研結(jié)果顯示；32%關(guān)鍵材料在中國(guó)仍為空白，52%關(guān)鍵材料依賴進(jìn)口。其中也涉及到電連接器，我國(guó)高端領(lǐng)域應(yīng)用的電連接器接觸件、絕緣體等關(guān)鍵零件材料長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。每年從歐美、日本和韓國(guó)進(jìn)口的高端銅板帶達(dá)12 千噸以上。

本文重點(diǎn)論述電連接器的關(guān)鍵零件之—，接觸件材料應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)研究。接觸件插合接觸界面和與電線電纜端接界面的不確定性，是影響電接觸可靠性的關(guān)鍵因素。接觸件電接觸界面某些離散區(qū)域的形成，真正接觸并起傳導(dǎo)作用區(qū)域的構(gòu)成，決定了連接器電接觸可靠性。接觸件選材時(shí)應(yīng)以性能要求為依據(jù)，從彈性極限、彈性模量、強(qiáng)度、延伸率、疲勞強(qiáng)度、成型性、導(dǎo)電性、耐蝕性、耐熱性、表面質(zhì)量、尺寸偏差和可焊性等方面進(jìn)行綜合考慮。我國(guó)用于制作高可靠電連接器接觸件的鈹銅等基礎(chǔ)材料一直依靠進(jìn)口。

隨著國(guó)家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革深化，人們?cè)诔浞掷斫饣A(chǔ)材料對(duì)保證電連接器產(chǎn)品質(zhì)量的重要性同時(shí)，也越來(lái)越認(rèn)識(shí)到選用國(guó)產(chǎn)材料替代進(jìn)口的緊迫性。因?yàn)檫M(jìn)口材料雖目前能完全滿足連接器技術(shù)要求，但往往受價(jià)格和交貨期，特別是受國(guó)際形勢(shì)影響較大。而選擇國(guó)產(chǎn)材料雖短期內(nèi)部分質(zhì)量—致性和可靠性指標(biāo)尚不能達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，但從戰(zhàn)略發(fā)展分析考慮必須解決制約我國(guó)電連接器發(fā)展的瓶頸之一，即解決國(guó)產(chǎn)材料選擇和來(lái)源問題。

筆者作為—名上世紀(jì)六、七十年曾致力于導(dǎo)彈、火箭等航天金屬材料國(guó)產(chǎn)化研究的老專家。每當(dāng)親臨電連接器企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，看到許多關(guān)鍵零件材料都依賴進(jìn)口十分拗心。我認(rèn)為關(guān)鍵基礎(chǔ)材料和芯片一樣也是國(guó)家核心技術(shù)，是—個(gè)國(guó)家強(qiáng)大具有實(shí)力的象征。強(qiáng)國(guó)必須從關(guān)鍵基礎(chǔ)材料抓起，它是一項(xiàng)耗資巨大、見效慢，但意義不亞于飛船、商飛、高鐵的國(guó)家系統(tǒng)工程。

2.1接觸件材料強(qiáng)化理論的應(yīng)用研究

接觸件在設(shè)計(jì)選材和工藝制造過程中應(yīng)首先熟知其材料強(qiáng)化常用的幾種機(jī)理：

1)冷變形強(qiáng)化

冷變形強(qiáng)化又稱冷作硬化，金屬材料在再結(jié)晶溫度下的變形稱冷變形。冷變形后材料即被強(qiáng)化，強(qiáng)化程度隨變形度、變形溫度及材料本身性質(zhì)而不同。同一材料、同一溫度下冷變形時(shí)，變形度越大強(qiáng)度越高，但塑性隨變形度增加而降低。變形強(qiáng)化受合金塑性限制，當(dāng)變形度高到一定程度合金會(huì)出現(xiàn)開裂使材料報(bào)廢。表1列出接觸件常用黃銅、青銅合金帶材按GB/T2059-2017規(guī)定的機(jī)械性能。

表1 接觸件常用黃銅、青銅合金帶材機(jī)械性能(GB/T2059-2017)

表1 中狀態(tài)代號(hào)說(shuō)明；O60 退火、H01 1/4 冷硬、H02 1/2 冷硬、H04 冷硬、H06 特硬、H08 彈硬。由表1 可見，相同規(guī)格、牌號(hào)的銅合金帶材抗拉強(qiáng)度和硬度，，隨冷作硬化變形量增加而提高，而塑性相應(yīng)降低。連接器常選用C5191(QSn6.5-0.1)、QSn4-3等錫青銅制作插孔接觸件。相同規(guī)格的C5191(QSn6.5-0.1)、QSn4-3 等錫磷青銅具有比H62、HPb59-1 等黃銅更高抗拉強(qiáng)度和硬度。但錫青銅添加錫成本增加，且導(dǎo)電率較低、反復(fù)折彎性能較差。為此國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)了C42500、C41125、PW33520(C42230)等髙性能、低成本替代產(chǎn)品，其中我國(guó)研發(fā)的PW33520 合金屈服強(qiáng)度570Mpa、導(dǎo)電率34%，是原C5191 兩倍，能滿足高傳輸、低溫升要求。壞方向折彎性能也比原C5191優(yōu)秀明顯。錫含量比原C5191 低，可回收鍍錫、鍍鎳角料。對(duì)比錫磷青銅綜合性能優(yōu)異、性價(jià)比高。

冷變形使合金內(nèi)部晶粒大小和取向變化(圖1)，位錯(cuò)大量增殖，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中相互作用形成割階、纏結(jié)，阻礙位錯(cuò)進(jìn)一步發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而提高材料強(qiáng)度。

冷軋帶材在平行于軋制方向的塑性較好，但在鈑金折彎中，折痕垂直于軋制方向的折彎性能較好。但因合金成分和制造工藝不同，也有與壓延方向垂直的(橫向)的折彎方向折彎加工性能更好的合金。連接器沖壓接觸件(端子)一般都存在與壓延方向垂直的(橫向)的折彎，因此，通常用比較銅合金帶材橫向折彎加工性來(lái)判斷材料的折彎加工性優(yōu)劣。

圖1 冷軋前后合金晶粒度變化

圖2 溶質(zhì)元素的固溶會(huì)引起晶格畸變

2)固溶強(qiáng)化

合金元素固溶到基體金屬中形成固溶體時(shí)，合金強(qiáng)度、硬度一般都會(huì)提髙，稱為固溶強(qiáng)化。溶質(zhì)元素的固溶會(huì)引起晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)提高合金的抗應(yīng)力松弛性能是有幫助的(圖2)。但固溶強(qiáng)化元素不能無(wú)限制添加，一方面是因?yàn)樗性氐墓倘?，都?huì)不同程度地降低銅的導(dǎo)電率，另一方面，更重要的是元素添加量過多會(huì)惡化合金的加工性能。

銅合金固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度、硬度同時(shí)，塑性仍保持在良好水平上。鋅固溶到銅中形成各種規(guī)格二元黃銅。鋅在固態(tài)銅中溶解度不象一般合金系隨溫度降低而減小，相反是隨溫度降低而增加，當(dāng)溫度降至456℃時(shí)，鋅在銅中溶解度增至最大為39%，進(jìn)一步降低溫度，鋅在銅中溶解度隨溫度降低而減小。H62 黃銅含38%鋅，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、加工塑性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐蝕性。廣泛用于制作插針接觸件。HPb59-1鉛黃銅，在含40%Zn 的黃銅中加1～2%Pb，不僅無(wú)害，還能使切屑易脫落，提高合金切削加工性。被譽(yù)為易切黃銅，也被常用于制作插針。

3)沉淀強(qiáng)化(時(shí)效強(qiáng)化)

在固溶度隨溫度降低而減小的合金系中，當(dāng)合金元素含量超過一定限度后，淬火可獲得過飽和固溶體。在較低溫度加熱(即時(shí)效)，過飽和固溶體將發(fā)生分解，析出彌散相并引起合金強(qiáng)化，稱為沉淀強(qiáng)化(或時(shí)效強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化)。經(jīng)時(shí)效熱處理使基體中第二相顆粒呈細(xì)小彌散分布，除增加強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能外，還同時(shí)提高其導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率。是目前最常用的高性能銅合金強(qiáng)化方法。

作為髙可靠連接器彈性接觸件常用材料的鈹青銅，是力學(xué)、物理、化學(xué)綜合性能良好的一種合金。鈹在銅中極限溶解度為2.7%(864℃)，隨溫度下降而急劇降低，在300℃降至0.02%。故鈹青銅經(jīng)淬火時(shí)效進(jìn)行沉淀強(qiáng)化后，具有髙的強(qiáng)度、彈性、耐磨性、耐疲勞性和耐蝕性。表2 列出了按YS/T323-2012 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的QBe2 鈹青銅帶固溶處理后不同冷作硬化處理和再補(bǔ)充沉淀(時(shí)效)處理后機(jī)械性能。

表2 鈹青銅帶機(jī)械性能(YS/T323-2012)

表中代號(hào)說(shuō)明：TB00 固溶處理、TD01 固溶處理+冷加工至1/4 硬、TD02 固溶處理+冷加工至1/2 硬、TD04 固溶處理+冷加工至冷硬、TF00 固溶處理+沉淀處理、TH01固溶處理+冷加工至1/4 硬+沉淀處理、TH02 固溶處理+冷加工至1/2 硬+沉淀處理、TH04 固溶處理+冷加工至冷硬+沉淀處理。由表2 可見，鈹青銅具有比黃銅和其他青銅更高的強(qiáng)度和硬度，特別是補(bǔ)充沉淀(時(shí)效)處理后強(qiáng)度和硬度可比固溶處理后提高近一倍。例如制作0.635mm 間距超微矩形電連接器的絞線式插針，釆用三股0.06mm鈹銅線外包著七股0.038mm 鈹銅線，繞成的纜束直徑僅0.2mm。經(jīng)280℃、2h 時(shí)效處理后顯微硬度明顯提高，與未經(jīng)時(shí)效處理相比硬度提高70%，使絞線式插針針頭性能穩(wěn)定不易磨損。

4)過剩相強(qiáng)化

過量合金元素加入基體金屬， 一部分溶入固溶體，超過極限溶解度部分不能溶入，形成過剩的第二相，簡(jiǎn)稱過剩相。過剩相對(duì)合金一般都有強(qiáng)化作用。其強(qiáng)化效果與過剩相本身性能有關(guān)，過剩相強(qiáng)度、硬度越髙，強(qiáng)化效果越大。但硬脆的過剩相超過一定限度會(huì)使合金變脆，機(jī)械性能反而降低。

過剩相強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化有相似處；過剩相強(qiáng)化時(shí)，強(qiáng)化相較粗大，用金相顯微鏡低倍即能觀察到。而沉淀強(qiáng)化時(shí)，強(qiáng)化相極為細(xì)小、彌散度大，一般用金相顯微鏡觀察不到。過剩相強(qiáng)化在有色合金中廣泛應(yīng)用，幾乎所有在退火狀態(tài)使用的兩相合金都應(yīng)用過剩相強(qiáng)化。

5)細(xì)化組織強(qiáng)化

細(xì)化組織是金屬材料常用的強(qiáng)韌性方法之一，對(duì)單相合金是指晶粒細(xì)化，對(duì)多相合金是指基體相細(xì)化及過剩相細(xì)化。細(xì)化組織可提高材料室溫強(qiáng)度、塑性和韌性。鑄造合金可釆用變質(zhì)處理細(xì)化組織，即在澆注前在金屬熔液中加入微量被稱為變質(zhì)劑元素或化合物，影響金屬熔液結(jié)晶為細(xì)密組織。

圖3、圖4 為錫磷青銅普通工藝和細(xì)化晶粒工藝的顯微組織對(duì)比。變形合金可釆用變形及再結(jié)晶方法組織細(xì)化。銅合金帶材或絲材通過冷軋、冷拉和中間再結(jié)晶退火，使規(guī)格變得越來(lái)越薄和越來(lái)越細(xì)之同時(shí)組織細(xì)化?？估瓘?qiáng)度有所提高，而塑性適當(dāng)降低。用于智能化連續(xù)沖壓、電鍍生產(chǎn)接觸件(端子)的銅合金帶材晶粒度和晶粒均勻度，將影響材料機(jī)械強(qiáng)度和折彎性能。細(xì)化晶?？筛纳沏~合金帶材的折彎性能。

圖3 普通工藝顯微組織（左）與 圖4 細(xì)化晶粒工藝顯微組織（右）

2.2用于接觸件的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電銅合金材料應(yīng)用研究

銅合金中添加鋅、鋁、錫、錳、鎳等元素固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度之同時(shí)，一般都會(huì)降低導(dǎo)電率。在導(dǎo)電率-抗拉強(qiáng)度關(guān)系圖中不同合金系銅合金處于不同位置(圖5)。

圖5 銅合金抗拉強(qiáng)度一導(dǎo)電率關(guān)系

用于接觸件的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電銅合金應(yīng)用研究主要有以下三方面：

1)高導(dǎo)電方向銅合金的應(yīng)用研究

高導(dǎo)電銅合金板帶一般要求屈服強(qiáng)度500MPa 以上，導(dǎo)電率80%IACS 左右。主要應(yīng)用于大電流連接場(chǎng)合，如基站電源連接器、新能源汽車連接器和智能手機(jī)連接器。智能手機(jī)內(nèi)部搭載的連接器通電量呈增加趨勢(shì)，每芯通電量由原來(lái)0.3A 增至1.5～3.0A，由此要求銅合金在保持較高強(qiáng)度水平同時(shí)具有高導(dǎo)電性。USB TYPE-C 公端端子原選用導(dǎo)電率12%的C52100 錫磷青銅發(fā)熱，改用導(dǎo)電率65%的高導(dǎo)電銅鎳硅合金可抑制發(fā)熱和溫升。

2)平衡方向銅合金的應(yīng)用研究

一般銅合金導(dǎo)電性越好，要維持高強(qiáng)度越難。平衡方向銅合金板帶主要應(yīng)用于對(duì)材料強(qiáng)度及導(dǎo)電率均有一定要求的場(chǎng)合，一般要求屈服強(qiáng)度650MPa 以上，導(dǎo)電率65%IACS 左右。例如重載連接器和USB TYPE-C 母端端子要求高導(dǎo)電性和良好的耐插拔性，由于用戶設(shè)計(jì)理念不同，有的重視導(dǎo)電性，有的重視屈服強(qiáng)度，故高導(dǎo)電銅鎳硅合金有二種類型供用戶選用；導(dǎo)電率65%、屈服強(qiáng)度650MPA，或?qū)щ娐?0%、屈服強(qiáng)度490MPA。

3)高強(qiáng)度方向銅合金的應(yīng)用研究

高強(qiáng)度銅合金板帶一般要求屈服強(qiáng)度900MPa 以上，導(dǎo)電率20%IACS 左右。主要用于信號(hào)連接部分，如VCM 彈片、耳機(jī)彈片、SIM 卡連接器等。某廠家的智能手機(jī)厚度五年內(nèi)變薄20%以上，由此使得裝配在手機(jī)內(nèi)部多數(shù)板對(duì)板連接器也扁平化、細(xì)間距化，手機(jī)其它所有連接器同樣都要求小型化。原選用黃銅、錫磷青銅的機(jī)械強(qiáng)度和折彎工藝成形性能難以滿足越來(lái)越苛嚴(yán)要求，改用銅鎳硅合金或鈦銅等髙性能銅合金才能滿足髙強(qiáng)度、良好的折彎加工性和髙導(dǎo)電等特性要求。相同形狀的端子選用銅鎳硅合金或鈦銅制造和原用錫磷青銅相比，銅鎳硅合金可提髙12%接觸壓力，而鈦銅則可提高22%接觸壓力。

2.3用于接觸件的銅合金抗應(yīng)力松弛及耐熱性能研究1)抗應(yīng)力松弛性能研究

金屬應(yīng)力松弛是指在恒定高溫承載狀態(tài)下，總應(yīng)變(彈性應(yīng)變加塑性應(yīng)變)保持不變，而應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低的現(xiàn)象稱為松馳。松弛和蠕變是一個(gè)問題兩個(gè)方面；材料在恒定高溫下工作，當(dāng)保持應(yīng)力恒定就產(chǎn)生蠕變，當(dāng)保持應(yīng)變恒定就產(chǎn)生松馳。用于接觸件的銅合金抗應(yīng)力松弛性能，是決定材料能否可靠應(yīng)用的重要技術(shù)特性。電連接器常因插孔接觸件材料應(yīng)力松馳，造成接觸不良或瞬間斷電等失效故障。

國(guó)內(nèi)外大型銅合金生產(chǎn)企業(yè)對(duì)此都開展深入系列研究，并為用戶提供各種恒定高溫承載狀態(tài)下，不同牌號(hào)材料的應(yīng)力松馳曲線。圖6 為KMD 公司提供的C70250 銅鎳硅合金(CuNi3Si)沉淀強(qiáng)化狀態(tài)、強(qiáng)度等級(jí)R620(抗拉強(qiáng)度620-760Mpa)、不同恒定高溫下的應(yīng)力松馳曲線。

圖6 KMD 公司提供的C70250 R620 沉淀強(qiáng)化狀態(tài)應(yīng)力松馳曲線

2)耐熱性能研究

合金室溫強(qiáng)度決定于金屬的原子結(jié)合力和對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。要提髙合金的熱強(qiáng)度，首先必須提髙金屬原子之間結(jié)合力。金屬原子之間結(jié)合力可從合金熔點(diǎn)、再結(jié)晶起始溫度、自擴(kuò)散激活能和彈性模量等物理參數(shù)得到判斷。為提髙銅合金耐熱性，進(jìn)行合金化時(shí)添加的合金元素不宜顯著降低合金熔點(diǎn)，應(yīng)具有較髙的擴(kuò)散激活能。

用于接觸件的銅合金材料，通常用測(cè)量在相同溫度、長(zhǎng)時(shí)間加熱接觸壓力變化(應(yīng)力松弛)來(lái)衡量其耐熱性。據(jù)日本JX 公司介紹；加熱150℃持續(xù)1000 小時(shí)后連接器的接觸壓力和加熱前的接觸壓力進(jìn)行比對(duì)，黃銅只有8%、磷青銅只有50%，都大幅下降。而銅鎳硅合金還有80～90%、鈦銅更高可保持95%以上的接觸壓力。

汽車上所用各種連接器接觸件材料耐熱性要求比智能手機(jī)更高。汽車內(nèi)部各部位的溫度環(huán)境；發(fā)動(dòng)機(jī)室120℃、發(fā)動(dòng)機(jī)表面135℃、儀表板表面120℃、車內(nèi)地板105℃、后甲板117℃、人乘坐汽車無(wú)空調(diào)時(shí)實(shí)際車內(nèi)部分溫度可達(dá)120℃。車載連接器根據(jù)車內(nèi)位置的耐熱性(防止應(yīng)力松弛、受熱不變形)要求，接觸件原選用黃銅、磷青銅已無(wú)法滿足使用要求，現(xiàn)改用耐應(yīng)力松弛性能更佳的鈦銅或銅鎳硅合金材料。

2. 4鈹銅及其替代材料的應(yīng)用研究

鈹銅具有比一般青銅和黃銅更高的強(qiáng)度水平。鈹銅接觸件承受高應(yīng)力時(shí)能無(wú)屈服變形或斷裂,維持長(zhǎng)期的高應(yīng)力狀態(tài)而不松弛,在有限的空間內(nèi)能提供最大的力。并具有高的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率、優(yōu)良的抗腐蝕性、良好的工藝性能。退火或冷軋狀態(tài)帶材任何方向都能沖壓成形。故航空、航天等高可靠電連接器彈性接觸件一般均選用鈹銅制作，部分電連接器產(chǎn)品總規(guī)范明確規(guī)定接觸件應(yīng)選用鈹銅材料。

表3 進(jìn)口C17200 和國(guó)產(chǎn)QBe2 鈹銅的化學(xué)成分

表3列出了進(jìn)口17200和國(guó)產(chǎn)QBe2鈹銅化學(xué)成分。由表3可見：進(jìn)口17200主要成分中添加鎳同時(shí)還添加鈷，而國(guó)產(chǎn)QBe2只含鎳不含鈷。鈷和鎳在周期表位置相鄰，化學(xué)性質(zhì)相近，添加進(jìn)鈹銅中的作用和效果基本相同，能降低鈹在固態(tài)銅中的溶解度，抑制相變過程，延緩淬火及時(shí)效過程中過飽和固溶體的分解，并有細(xì)化α固溶體晶粒作用。鈷是較稀缺元素，價(jià)格比鎳約高三倍。從合金化機(jī)理分析；國(guó)產(chǎn)QBe2能否與添加鈷的進(jìn)口C17200作用相當(dāng)，尚需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。能否用添加其它元素達(dá)到與添加鈷相同，甚至比添加鈷更好的效果，是一個(gè)很值得研究的應(yīng)用課題。

另外鈹銅生產(chǎn)冶煉過程對(duì)環(huán)境存在污染，今后在國(guó)際上是否會(huì)逐步禁用，一直是電連接器行業(yè)內(nèi)許多領(lǐng)導(dǎo)和專家關(guān)注的問題。為此，筆者曾專門向我國(guó)最大的鈹銅研制生產(chǎn)企業(yè)(寧夏東方集團(tuán)公司鈹銅分公司)咨詢；答復(fù)是當(dāng)今世界上還沒有對(duì)鈹銅合金在使用的禁止和限制上有任何法律規(guī)定。但從今后發(fā)展趨勢(shì)分析，因鈹銅在生產(chǎn)冶煉過程中對(duì)環(huán)境存在污染，在環(huán)保要求苛嚴(yán)格的今天，研發(fā)鈹銅替代材料一直是業(yè)界關(guān)注的課題。近年來(lái)加上鈹銅的價(jià)格因素，世界各大銅加工企業(yè)相繼研發(fā)了銅鎳錫系、銅鎳硅系、鈦銅合金系列等替代材料，雖其綜合性能仍無(wú)法與鈹銅合金媲美，但現(xiàn)已有部分應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品。

為縮小與國(guó)外鈹銅及其替代材料應(yīng)用的基礎(chǔ)研究差距，實(shí)現(xiàn)用國(guó)產(chǎn)鈹銅及其替代材料等效替代進(jìn)口的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，由國(guó)家層面科研機(jī)構(gòu)組織開展鈹銅及其替代材料應(yīng)用的基礎(chǔ)研究是一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。

2.5接觸件材料應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究

我國(guó)用于制作接觸件的銅合金絲材、帶材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外有明顯差距。雖然參照ASTM B197/197M 01 修訂的鈹銅絲行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YS/T571-2009，與原YS/T571-2006 相比，雖力學(xué)性能增加了1/4 硬(Y4)、3/4 硬(Y1)的性能，并提高了冷加工狀態(tài)的性能范圍，增加了部分拉抗強(qiáng)度上限。但檢測(cè)鈹銅絲材力學(xué)性能直徑要大于、等于0.1mm，小于0.1mm 不作規(guī)定。參照ASTM B194-2008 修訂的鈹銅帶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YS/T323-2012，雖帶材厚度為0.05～1.5mm，但小于、等于0.25mm 抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度不作規(guī)定。

連接器小型化，使制作接觸件所選銅帶越來(lái)越薄、絲材越來(lái)越細(xì)，目前國(guó)產(chǎn)鈹銅帶材、絲材實(shí)際生產(chǎn)嚴(yán)重滯后于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，往往是“有標(biāo)準(zhǔn)、無(wú)產(chǎn)品”。國(guó)產(chǎn)鈹銅生產(chǎn)企業(yè)尚難提供現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各牌號(hào)的所有規(guī)格、狀態(tài)和性能。例如繞制間距0.635mm 超微矩形電連接器絞線式插針纜束，選用1/4Y(1/4 冷作硬化)狀態(tài)0.038mm鈹銅絲，只得選用進(jìn)口C17200 鈹銅絲材。

日本JX、NGK 等銅材生產(chǎn)廠十分重視接觸件材料應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究，除詳細(xì)向用戶提供高性能銅合金化學(xué)成分和不同供應(yīng)狀態(tài)機(jī)械性能和顯微組織外，還提供材料應(yīng)力松馳、疲勞、耐熱性、折彎、可焊性等系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和推薦應(yīng)力場(chǎng)合，指導(dǎo)用戶準(zhǔn)確選材。日本JX、德國(guó)KMD 公司對(duì)銅合金帶材折彎性能有深入系統(tǒng)研究。研究認(rèn)為：銅帶生產(chǎn)中晶粒細(xì)化可提高銅帶折彎性能，銅合金彎曲性能在常規(guī)銅合金元素控制和金相組織控制基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步增加晶粒度和晶粒均勻度的工藝控制。為此,國(guó)外對(duì)銅合金帶材晶粒細(xì)化控制在晶粒平均直徑10μm 左右。而我國(guó)銅合金帶材標(biāo)準(zhǔn)GB/B2059-2017僅規(guī)定部分銅合金帶材(軟狀態(tài))晶粒度要求，最小的晶粒平均直徑為15μm。

美國(guó)金屬材料協(xié)會(huì)2014 年更新了ASTM B820-14a“測(cè)定銅及銅合金帶材可成形性的彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)方法”，該標(biāo)準(zhǔn)已釆用彎曲試驗(yàn)后使用放大儀器觀察，試樣彎曲外表面無(wú)裂紋的判定方法。早在2004 年該標(biāo)準(zhǔn)已將判定的放大倍數(shù)由5 倍提高至30 倍，出現(xiàn)爭(zhēng)議時(shí)使用150 倍金相橫截面進(jìn)一步判定。而我國(guó)根據(jù)lSO7438.2005“金屬材料彎曲試驗(yàn)”，制訂的GB/T232-2010“金屬材料彎曲試驗(yàn)方法”，釆用彎曲試驗(yàn)后不使用放大儀器觀察，試樣彎曲外表面無(wú)可見裂紋的判定方法。和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在銅合金接觸件材料應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法研究方面仍有許多空白和不足。

2.6接觸件材料在智能制造中的應(yīng)用研究

連接器生產(chǎn)方式的進(jìn)步正在改變?nèi)藗兊馁|(zhì)量觀念和控制方式。過去接觸件材料主要依靠原材料入廠理化性能復(fù)驗(yàn)和生產(chǎn)過程中附帶工藝試片事后檢驗(yàn)保證質(zhì)量?，F(xiàn)在智能制造系統(tǒng)供應(yīng)商構(gòu)建了成千上萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)，人工智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)能幫助連接器生產(chǎn)企業(yè)，通過軟件繪制經(jīng)驗(yàn)曲線對(duì)連接器接觸件材料理化性能、成本和可靠性有很好的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)制造出更好的連接器。接觸件(端子)自動(dòng)高速?zèng)_壓系統(tǒng)能自動(dòng)計(jì)算出力的曲線上每個(gè)點(diǎn)最優(yōu)化寬度，在沖制接觸件(端子)過程中實(shí)時(shí)顯示。監(jiān)控系統(tǒng)在包絡(luò)曲線內(nèi)調(diào)整，若材料力學(xué)性能異?；蚰＞吲浜喜划?dāng)，使曲線偏離或超出包絡(luò)曲線后會(huì)自動(dòng)停機(jī)。由于銅合金帶材沖制接觸件(端子)廢料有的高達(dá)60%，為廢料循環(huán)回收利用，國(guó)內(nèi)外銅合金生產(chǎn)企業(yè)為下游企業(yè)提供高品質(zhì)、高精度銅合金帶材沖壓件。

TE 等連接器著名企業(yè)，手機(jī)連接器等已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高效、低成本的大批量連續(xù)生產(chǎn)。通過人工智能技術(shù)平臺(tái)實(shí)時(shí)利用連接器生產(chǎn)過程的大量數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)柔性監(jiān)控生產(chǎn)過程。通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算預(yù)測(cè)連接器工作狀態(tài)和可靠程度。我國(guó)博威合金深入研究用戶應(yīng)用環(huán)境需求，在國(guó)內(nèi)定制開發(fā)銅合金帶材處于領(lǐng)先水平。筆者在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)看到博威合金研制的部分銅合金帶材已能替代進(jìn)口。航天電器通過智能制造接觸件車間原繞線、點(diǎn)焊工種消失，工人由原60 名減至15 名，產(chǎn)品合格率卻由原80%提升至95%。絞線式自動(dòng)生產(chǎn)線作為“智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目”通過現(xiàn)場(chǎng)審核。

但目前連接器行業(yè)總體智能制造水平低，多數(shù)企業(yè)接觸件生產(chǎn)處于工業(yè)2.0 機(jī)械化時(shí)代。如何整合資源結(jié)構(gòu)重組，使其實(shí)現(xiàn)通過人工智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用生產(chǎn)過程產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，參予接觸件材料行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)制定，將新標(biāo)準(zhǔn)信息引入到系統(tǒng)中，輸入新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接觸件材料理化性能等基本要素做出應(yīng)用。提升接觸件材料從數(shù)據(jù)到知識(shí)、從知識(shí)到?jīng)Q策的能力，這是今后接觸件材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究的重要內(nèi)容。

3.1改革研究體制

連接器接觸件材料應(yīng)用的基礎(chǔ)研究是一項(xiàng)耗資大、見效慢的系統(tǒng)工程，必須國(guó)家層面組織“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”五方面大協(xié)作，任何企業(yè)單方面都無(wú)能力勝任這項(xiàng)工作。要開發(fā)出能與美國(guó)Brushwellman、日本NGK 等著名品牌抗衡的國(guó)產(chǎn)鈹銅及其替代材料，必須從整體的特性、功能、目標(biāo)出發(fā)，緊密結(jié)合應(yīng)用去研制設(shè)計(jì)系統(tǒng)各組成部分的參數(shù)和性能，以求得最佳組合。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)共同的創(chuàng)新目標(biāo)，必須通過改革現(xiàn)行機(jī)制，將產(chǎn)業(yè)鏈上的材料研究、生產(chǎn)與應(yīng)用等單位組成接觸件材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究聯(lián)盟。以改變目前材料生產(chǎn)與材料應(yīng)用脫節(jié)，造成材料研究和標(biāo)準(zhǔn)制定流于表面化，材料很難適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的差異化工藝技術(shù)要求的現(xiàn)狀。

要從管理意識(shí)和體制上保證對(duì)接觸件材料應(yīng)用的基礎(chǔ)研究人、財(cái)、物的投入，使有志之士能靜下心來(lái)，化數(shù)年、乃至數(shù)十年時(shí)間去從事這項(xiàng)研究。未來(lái)電連接器企業(yè)除加工用戶定制的專用接觸件外，通用接觸件完全可通過互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)服務(wù)平臺(tái)提供。該平臺(tái)應(yīng)有國(guó)際認(rèn)同感的創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境和激發(fā)創(chuàng)新活力的政策支撐。

3.2培育研究團(tuán)隊(duì)

實(shí)現(xiàn)電連接器行業(yè)由“速度”到“品牌”、由“制造”到“創(chuàng)造”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，必須借助國(guó)家強(qiáng)基工程、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)和智能制造等利好政策，培育一批熟知電連接器設(shè)計(jì)、材料和工藝的專業(yè)、跨界和系統(tǒng)人才，適應(yīng)在國(guó)家層面構(gòu)建連接器接觸件產(chǎn)業(yè)鏈從設(shè)計(jì)要求提出、材料研發(fā)、工藝制造到質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估的系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究合作平臺(tái)和工作機(jī)制需要。

該團(tuán)隊(duì)除由連接器接觸件產(chǎn)業(yè)鏈原材料生產(chǎn)企業(yè)、高等院校、科研單位、連接器(接觸件)生產(chǎn)企業(yè)、使用單位、行業(yè)協(xié)會(huì)和國(guó)家主管部委等各方專業(yè)人才外，還應(yīng)由掌握接觸件智能生產(chǎn)理論、方法、技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用等縱向和經(jīng)濟(jì)、管理、標(biāo)準(zhǔn)、法律等橫向跨界和系統(tǒng)人才支撐。以促進(jìn)接觸件材料及試驗(yàn)方法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)合作研究，爭(zhēng)取在電連接器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制訂中有更多話語(yǔ)權(quán)。

3.3數(shù)據(jù)共享合作共贏

進(jìn)入上世紀(jì)八十年代，美國(guó)電連接器各大企業(yè)，除做必要試驗(yàn)外，已不再進(jìn)行大規(guī)?？煽啃栽囼?yàn)，原因是隨著生產(chǎn)方式進(jìn)步，可靠性由質(zhì)保體系現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)資料來(lái)確定。智能化生產(chǎn)過程質(zhì)量控制產(chǎn)生大量理化、工作狀態(tài)、故障和失效歷史數(shù)據(jù)是十分珍貴的資源。與可靠性關(guān)聯(lián)的故障具有隨機(jī)性，隨機(jī)規(guī)律的準(zhǔn)確性(精度)與樣本數(shù)成正比。社會(huì)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。建立和完善產(chǎn)品從原材料、工藝制造到最終使用的數(shù)據(jù)利用，對(duì)可靠性分析能起到了事半功倍效果。

目前接觸件產(chǎn)業(yè)鏈上僅少數(shù)國(guó)企或外資企業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了接觸件工業(yè)3.0 的智能化大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，借助大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺(tái)，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)處理生產(chǎn)過程獲取的大量數(shù)據(jù)，自動(dòng)精準(zhǔn)控制接觸件的接觸電阻、分離力等質(zhì)量參數(shù)。今后將有更多企業(yè)和單位通過智能化改造參予接觸件材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究，但前提條件是必須創(chuàng)造企業(yè)誠(chéng)信氛圍，打破“各自為政、相互保密”現(xiàn)狀，建立“數(shù)據(jù)共享、合作共贏”新機(jī)制。

3.4跨界聯(lián)合開展等效替代進(jìn)口材料系統(tǒng)研究

必須堅(jiān)持“問題導(dǎo)向、產(chǎn)需結(jié)合、協(xié)同創(chuàng)新、重點(diǎn)突破”原則，瞄準(zhǔn)我國(guó)軍用電連接器生產(chǎn)緊缺的接觸件等關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，由政府牽頭建立“官、產(chǎn)、學(xué)、研、用”結(jié)合的材料創(chuàng)新聯(lián)盟或研發(fā)平臺(tái)。通過政策和資金扶植，組織產(chǎn)業(yè)鏈上的生產(chǎn)、科研、應(yīng)用等單位聯(lián)合攻關(guān)，不斷試制-應(yīng)用-改進(jìn)-再應(yīng)用-再改進(jìn)，直至實(shí)現(xiàn)完全替代進(jìn)口材料目標(biāo)。這是一項(xiàng)國(guó)家牽頭才能完成，需經(jīng)歷目標(biāo)確定、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、初步試驗(yàn)、擴(kuò)大試驗(yàn)和生產(chǎn)應(yīng)用等六階段的系統(tǒng)工程。

首先要明確系統(tǒng)所達(dá)到的目標(biāo)、工作內(nèi)容和具體要求。目標(biāo)是要使國(guó)產(chǎn)接觸件材料合金含量、添加元素、制造工藝和性能參數(shù)，趕上或超過進(jìn)口材料的生產(chǎn)質(zhì)量水平，能等效替代進(jìn)口。經(jīng)專家對(duì)系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)成果評(píng)審選出最優(yōu)方案。經(jīng)國(guó)家主管部委可行性論證、申請(qǐng)立項(xiàng)、落實(shí)經(jīng)費(fèi)和組織招標(biāo)，選取國(guó)內(nèi)最優(yōu)的接觸件材料生產(chǎn)企業(yè)和電連接器生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合開展接觸件材料應(yīng)用的初步試驗(yàn)。經(jīng)權(quán)威電連接器質(zhì)量和可靠性檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)初步試驗(yàn)的材料及其加工的接觸件質(zhì)量作出評(píng)價(jià)。再由承擔(dān)初步試驗(yàn)的接觸件材料生產(chǎn)企業(yè)提供新試材料擴(kuò)大試驗(yàn)，給國(guó)內(nèi)更多的航空、航天、軍用、信息、交通、能源等領(lǐng)域高可靠電連接器生產(chǎn)企業(yè)試用，驗(yàn)證接觸件材料應(yīng)用研究成果。由權(quán)威電連接器質(zhì)量和可靠性檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)綜合擴(kuò)大驗(yàn)證試驗(yàn)的材料及其加工的接觸件作出質(zhì)量評(píng)價(jià)和改進(jìn)建議。并報(bào)請(qǐng)國(guó)家有關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行材料應(yīng)用研究成果鑒定。

建議

學(xué)習(xí)借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)集成創(chuàng)新的成功經(jīng)驗(yàn)，將互聯(lián)網(wǎng)理念擴(kuò)展電連接器生產(chǎn)和服務(wù)領(lǐng)域，促進(jìn)電連接器生產(chǎn)企業(yè)的分工和專業(yè)化，建議接觸件材料科技、生產(chǎn)、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)檢等單位組建“接觸件材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究聯(lián)盟”，并相應(yīng)創(chuàng)建能應(yīng)用接觸件材料基礎(chǔ)研究成果，實(shí)現(xiàn)通用接觸件工業(yè)3.0 自動(dòng)化大規(guī)模量產(chǎn)的的孵化基地兼物流配送中心?？赏ㄟ^國(guó)家有關(guān)部委組織可行性立題論證，調(diào)研接觸件材料生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀，摸清與進(jìn)口材料差距，招標(biāo)確定承擔(dān)項(xiàng)目單位。并由國(guó)家投資對(duì)承擔(dān)項(xiàng)目單位現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備和檢測(cè)手段改造，逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)接觸件材料等效替代進(jìn)口的目標(biāo)。為有利于接觸件生產(chǎn)過程廢料回收利用，建議該基地選址最好在銅合金生產(chǎn)企業(yè)附近。