连接器技术之 4.1.3 合金种类及其治炼技术

4.1.3 合金种类及其治炼技术

   合金也根据其比纯铜更可靠的占优的冶金学机械特性在表4.2 中进行分

组。而且，每种合金不同地反应了制造某种特性(该特性能区别该合金)的化合

物的过程。

铜合金占优的冶金强化机理包括固体溶解强化、二次散布强化和凝结强

化等。一些合金通过多种途径化合强化。固体溶解合金指那些主要被广泛地

溶解于合金里的元素强化的合金。当某一合金元素超出溶解极限时便产生了

尺寸由粗糙(1 微米以上)到中等大小(几十分之一微米)再到很细(几百分之一

微米)的**阶段的粒子。提高强度的*大功臣是尺寸为亚微米的细小颗粒。

*大的颗粒一般来源于铸件。具有中等尺寸的颗粒来源于热机械过程。二次

散布强化合金包括通过增加冷加工效应来提高强度的中等尺寸颗粒。凝结强

化合金把其强度归功于由促进其形成的热处理特殊顺序生成的细小颗粒的特

性。

固体溶解合金．含有锌，锡，硅，铝及镍的铜合金构成了大多数商业上

的固体溶解强化合金。这些合金主要另外由一到二种元素组成。锡，硅和铝

等额外元素提供了*大的强度。锌和镍必须加入比锡和硅更多的剂量以达到

相同的强化功效，但它们有合金中也具有更大的溶解度。经过固体溶解强化

的合金具有与铜相同的原子晶体结构并且当对某部分进行微观分析时会发现

其呈现单一阶段微观结构。

把固体溶解合金象典型的冲压那样变成片状的碾磨过程包括重复多次的

受控冷压过程和热压或铸造环境的回火过程。 图4.2举例说明了由a

read-to-finish 的回火环境得到的固体溶解合金的典型冷压弯曲过程(该图描述

了C260，一种含30%锌的黄铜合金)。这些弯曲用作定义在制造合金调剂中所

需的弯曲强度值。就象厚度减小延伸性下降一样，冷压增加了合金的强度但

也会伴随着更低的延展性。

单独的固体溶解合金元素的强度增加主要包括三个重要因素：（1）由加

入元素的原子半径与铜原子半径不合适和相对铜的电子结合（原子价）引起

的强度提高效应；（2）合金元素溶解的多少及（3）其对从冷压操作到*终回

火条件的冷作硬化率的影响。图4.3列出了三种商业合金中的锌和锡对合金

强度的单独影响。这些合金包括含10%铜的锌黄铜器(C220)和含5%铜及8%

锡的青铜各为(C510 和C521)，该合金常与非合金铜(C110)作比较。如果在回

火和冷作硬化条件下对含5%铜的合金和含8%锡的合金作比较就会发现两者

的强度比含10%锌的合金的强度提高的多得多。如果根据每种合金中合金元

素的百分比含量来作比较，就会发现各种合金的强化效应具有更大的差异（由

于更厚的锡比锌含有更低的原子百分比）。

图4.3 显示，若达到相同的强度，8％锡合金所要求的冷轧次数较少。拉

伸度及可成型性等其它方面因此随强化合金在高强度时更加可靠。因为铜合

金需要更多次的冷轧，所以对锡-铜合金而言，冷轧铜达到相同的强度，其可

成型性更差。各种合金各自的可成型性将在本章后面讨论。

固溶合金中的合金元素引入了其它替换性特性。其中商业性合金的导电

性只有非合金铜的一半，更多关于合金处理对导电性影响的说明将在第4.2.1

节讨论，对抗腐蚀性的影响将在4.2.5 节将论。

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通常来讲，固溶合金在中等强度作用下的可成型性较好，对腐蚀及导电

性有不同程度的替换。与固溶合金形成竞争的是二次散布合金（dispersed

second-phase alloy），它在中等强度作用下能够提供更好的导电性，并且凝结

强化合金在导电性、强度及成型性有更好的结合。

二次散布合金 该组合金通过加强对亚微米粒子而不是粒子冷处理的反

应而具有更优的强度。冷处理会在包含有一定比例拉伸力的金属结构内部产

生线性分离（lineardefects）。相同数量的二次散布合金粒子与普通固溶强化合

金（solid solution-strengthenedalloy）粒子相比，二次散布合金粒子会促进更多

欠缺的产生。因运行而产生的欠缺越多，通过它们间相互干扰所产生的连续

变形抵抗力就越大，即增加了它们的强度。

二次散布强化对提高强度的作用是因为热加工过程而不是来自于铸造过

程。选定可使合金元素形成固溶合金的临界退火温度，失去退火条件（strip

annealing conditions）也须调整到不再溶化已处理合金元素而可以再结晶，尽

管该退火方式也能用于再溶化所需要的合金元素。

对固溶合金而言，传送原料带的回火度由冷轧通过对经过退火的准备镀

层的量的控制而得到。二次散布粒子同时也通过延迟粒子在退火过程中的增

长而精炼微粒构造，因此而促进合金的强度及经常促进其可成型性。

图4.4 显示了两种不同二次散布铜合金工件的硬化曲线。一种主要包含

2.3%的铁及数量更少的磷和锌，而另一种包含了22%的锌以及更少的铝和钴

（C688）。铜铁合金成份超过了铁在铜中的溶解度，且在退火过程中形成铁粒

子。这些分散粒子的主要影响是提高经冷处理后的铜合金矩阵的强度。该影

响通过比较C194 与非铜合金C110 的冷轧曲线而更加明显。大约不到0.01%

的铁保留在固溶合金中，这些散布的铁粒子减小了铜的导电性。

铜-22%的锌铜（C688）含有钴-铝金属间化合散布阶段，该过程对精炼粒

子到10μm 以下尤其有效。相反，10 到25μm 的粒子是典型的**阶段，固

溶合金。零件的硬化率也固有意地加入C688 粒子而得到提高。C688 与锌铜

二元合金及相同数量的锌（C240）的曲线比较说明了这个效果（图4.4）。对

相关的那些经单独溶解而强化的二次散布合金而言，较少冷处理零件通常需

要达到相同的强度，因此，二次散布合金在相对强度下通常更容易成形。

二次散布合金可提供很宽的导电率范围（请参阅第4.4.1 节）。C688 与该

组其它合金相比其导电率更低，尽管其硬度很高。散布保持在铜基材合金中

的铝与钴说明了为什么合金的导电率较低。从该组合金中同时将较好的成型

性与适当的高强度结合起来是可行的，它们性能的结合接近于凝结强化合金

的这些特性。连接器技术之 4.1.3 合金种类及其治炼技术

凝结强化合金 可以在凝结强化合金中得到提高的过于精炼的二次散布

粒子通过阻止线性原子的分离运动而直接影响合金强度（对经强化了的冷处

理零件中的二次散布合金的主要影响）。它们的封闭空间，有时通过可伸缩的

不适当扩大阻止产生塑形的影响范围弹性区域的辅助，对它们的强化效果是

有影响的。这种不适当的弹性源于铜与合金元素之间原子大小的不同，因为

后者原子簇在以铜原子为主的合金原子矩阵中形成了粒子。

仅仅有一小部分铜合金可以得到凝结强化。它们与其它合金相比突出的

特性在于：在温升时合金元素的高溶解性，及低温热处理时更低的溶解性。

通过持续的热处理充分利用它们的双重溶解特性，设计这些合金进程发展更

精细的二次散布合金。��此，处理过程在相对的高温下通常包含料带退火，

并伴随快速冷却，以尽可能地溶解溶合。该处理以后，通过低温且更长时间

的临界退火（或增加处理）产生所需要的精炼凝结粒子分布。

商业上重要的凝结强化合金是与金皮或铭元素，或双层镍与银或锡，或

铅的合金。尽管数量很少，凝结强化合金在要求更多的电连接器应用上仍是

一组重要的合金，优良的成型性、对高温下伸缩的高抵抗力、以及良好的抗

腐蚀性是该组合金的特殊性质，而导电性则可以从相对较低，与*强的铍铜

相比，到适当较高的数值，与铜铭合金相比。

凝结强化（或提高寿命）处理可以通过电连接器的加工或通过合金的研

磨进行。决定选择一种或是另一种取决于商业上对强度及冲压成型性这种特

殊的热处理加工性能，及与室内执行该*后强化处理相关的成本对研磨处理

合金的更高成本的要求。通过优化的处理溶液加上冷却条件可以得到*高的

可能强度。其成型性随强化处理强度的增加而降低。因而，大多数对几何形

状有要求的部件在材料处理前预先成形。凝结硬化处理前后的屈服强度如图

4.5 所示。冷轧回火热处理，而不仅仅是溶解处理，导致*后合金强度的增加。

导电性及强度随铜原子矩阵在合金成份中因二次强化铍化物的形成而逐渐衰

竭。

但更经常的是，凝结硬化处理过程通过料带加工作为*后的制程，在该

状况下材料是指研磨硬化材料。这些研磨处理的回火在强度与成型性之间形

成一种平衡；合金典型地被处理为在*高强度以下从而提供比完全凝结强化

条件下更好的成型性。图4.5所示的这种研磨硬化回火显示了与合理有用的

成型性的关系。

通过研磨硬化回火（mill hardenedtempers）有两个优点：（1）潜在降低加

工成本及（2）更好控制尺寸（dimension）。热处理过程中没有氧化物移动，

附加的操作及挑选酸性物质处理即可以避免。在凝结过程中特定的体积变化

可能改变尺寸。成形部件上残余的压力促进凝结反应的进行，同时拉力促进

凝结产生的体积膨胀。这种影响在商业上通过对热处理时部件的压迫，或成

型可补偿预期变形的尺寸而得到控制。大多数凝结强化合金，包括金皮铜和

铜-镍基材合金，因为该理由而经常利用研磨硬化条件下（mill-hardened

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