淺談接觸件應力松弛的影響因素

聞春國

(四川華豐企業集團有限公司，四川綿陽，621000)

1 引言

隨著半導體工業微型化和高密度的發展趨勢，電子器件變得越來越小。電子元件也隨之越來越小，而且開關、連接器和繼電器的彈性接觸件開始出現各種以前沒有遇到的問題。在電子產品領域，接觸件帶材的寬度變得和材料的厚度一樣狹窄。而且，彈性材料要暴露在更高的應用溫度下，尤其是在汽車應用領域。暴露在這種環境下，能夠保持彈性力就顯得非常重要。

近年來，隨著CAD技術的廣泛應用，人們在設計過程中就減少了預試驗過程。在樣品設計之前，這一過程被視為一個重要的步驟。設計根據的是基本的性能特征如屈服強度、延展性、加工模鍛性和拉拔特性。而且在設計過程中，我們還采用了SS曲線和泊松比(即橫向變形系數)(一般由制造商提供)來計算長時間使用之后的彈性力。

不過，在許多情況下，所得到的彈性力小于根據CAD所預測的值。因為每種情況都有其特殊的影響因素，這些現象以前很少被人們考慮進去。本文主要考慮應力松弛這類一般性的問題。

此外，在彎曲變形情況下，我們還將討論剩余應力所導致的彈性力的下降(即鮑辛格效應)以及如何避免產生這一效應。

2 測試范圍

本研究除了提供所測得的應力松弛數據外，還分析了下列一些導致彈性力降低的因素:(1)沖切方法(如刻蝕和沖壓);(2)軋制方向(0°和90°);(3)沖壓和彎曲方向(平板、逐步彎曲和反向彎曲);(4)寬度。本試驗包括C17530－HT(NGK合金7)(作為鈹－銅余熱淬火軋制材料)和C52100－EH(作為沖壓后不經過任何特殊的熱處理)，涉及各種有關沖壓加工的問題。

例如，接觸件右手側(見圖1)可能具有較低的彈性力。在本文中，我們稱之為反向彎曲－彎曲。

圖1 接觸件圖示和彈性力

當彈性方向與模鍛成型方向相反時，在早期階段就會發生永久性變形，因為其表面存在剩余壓應力，見圖2。這就是所謂的鮑辛格效應(Bausinger Effect)。

除了分析彎曲方向所產生的影響外，我們還將對兩階段彎曲和應力施放熱處理進行評估，以測定其對彈性力和應力松弛的影響。在此，我們還對時效硬化和余熱淬火軋制鈹－銅合金進行了測試，以確定這一方法對這些合金材料是否非常有效。

圖2 彎曲方向和表面應力

圖3 鮑辛格效應

3 試驗樣品和試驗方法

3.1 試驗樣品

試驗采用下列合金:

(1)典型的沉積硬化合金:鈹－銅C17200－1/2 H;

(2)余熱淬火軋制合金:C17200－HM、C17510－HM和C17530－HT;

(3)加工硬化合金:磷青銅C52100－EH。

3.2 試驗樣品的型號和尺寸

試驗采用0.2mm的量規和10mm的寬度。為了研究不同寬度所產生的影響，刻蝕試驗樣品的尺寸采用0.2mm ～6.0mm，見圖 4所示;而沖壓試驗樣品的尺寸則采用0.4mm～10mm，見圖5所示。

圖4 刻蝕試驗樣品的尺寸

圖5 沖壓試驗樣品的尺寸

3.3 試驗樣品的方向

為了確定金屬軋制方向所產生的影響，試驗樣品應取自0°(水平、縱向)和 90°(直角、橫向)。

3.4 試驗樣品的制備

為了評估成型過程中表面殘存應力所產生的影響，我們分別測量了在(1)平板、(2)逐步彎曲、(3)反向彎曲、(4)兩階段彎曲、(5)反向彎曲五種情況下的應力松弛情況。

(1)平板

圖6 平板試驗樣品和彎曲方向

(2)逐步彎曲

在同一方向上給沖壓彎曲處施加適當的壓力，以得到所期望的角度(6°)，包括彈性變形回復。

圖7 逐步彎曲

(3)反向彎曲

在沖壓彎曲處施加適當的負荷，以獲得所期望的角度(6°)，包括彈性變形回復。

圖8 反向彎曲

(4)兩階段彎曲

在與沖壓彎曲方向相反的方向上測試樣品施加適當的負荷，以得到10°以上的彎曲度，然后再進行反向彎曲，以得到所期望的角度(6°)，包括彈性變形回復。

(5)應力釋放熱處理

在反向彎曲之后，將圖8所示的模板放進加熱爐中，無須采用彈性負荷，然后在100℃、200℃、300℃和400℃條件下熱處理30分鐘。

圖9 兩階段彎曲

(5)應力釋放熱處理

在反向彎曲之后，將圖8所示的模板放進加熱爐中，無須采用彈性負荷，然后在100℃、200℃、300℃和400℃條件下熱處理30分鐘。

4 應力松弛的主要影響因素

4.1 沖切方向對應力松弛的影響

從圖10可以看出，C17530－HT合金在0°方向上刻蝕、沖壓加工時，沖壓的應力松弛比刻蝕高出1～2%。

圖10 沖切方向和應力松弛

4.2 軋制方向的影響

圖11 表示C17530－HM合金在平板/逐步彎曲和反向彎曲條件下以0°和90°方向刻蝕時的應力松弛特性。根據這一結果，90°方向時的應力松弛比0°方向時的應力松弛高于1～2%。這一數據僅限于C17530－HT合金。早期研究也顯示出同樣的變化趨勢。

圖11 軋制方向和應力松弛

4.3 彎曲方向的影響

圖12 表示C17530－HT合金在平板、逐步彎曲和反向彎曲條件下以90°方向刻蝕時的應力松弛特性。根據這一結果，塑鍛成型樣品的應力松弛高于平板樣品的3～4%;而采取反向彎曲時，其剩余應力下降幅度就更為嚴重。

圖12 成型方向和應力松弛

4.4 寬度的影響

圖13 表示C17530－HT合金在沖壓90°方向上的應力松弛特性。根據這一結果，當寬度與厚度之比達到或超過2時，寬度就可能對應力松弛不產生任何影響。

圖13 寬度和應力松弛

4.5 沖壓接觸臂的預期應力松弛

典型的接觸臂采用一種與實際使用彎曲方向截然不同的成型彎曲方向沖壓90°。在這些情況下，應力松弛現象變得更為糟糕，竟然達到理想狀態下的兩倍，尤其是加工硬化淬火C52100－EM合金，在反向彎曲的條件下經過長期使用之后其彈性力明顯減小，見圖13所示。

圖14 接觸臂的加工條件和應力松弛(C52100 HT)

圖15 接觸臂的加工條件和應力松弛(C52100 EH)

4.6 鮑辛格效應(Bausinger Effect)

為了對鮑辛格效應進行補償，我們對兩階段彎曲和應力釋放熱處理進行了測試。圖16表明，逐步彎曲在非熱處理材料合金中可以得到一種最高的彈性力，而圖16和圖18則分別顯示反向彎曲所得到的是最差的彈性力和應力松弛現象。

應力釋放熱處理在100℃(30分鐘)的條件下可以有效地獲得較高的彈性力，并可以明顯地改善鈹－銅余熱淬火軋制材料的應力松弛。加工硬化材料沒有出現這一情況，見圖17和圖19所示。

圖16 彈性力和彎曲方法

圖17 彈性力和接觸臂的加工條件

圖18 應力松弛和彎曲方法

圖19 應力松弛和接觸臂的加工條件

5 結論

5.1 應力松弛的影響

與刻蝕(在 C17530－HT合金150℃，1000小時)相比，采用沖壓工藝會使應力松弛增大了1～2%。

90°方向比0°方向的應力松弛現象更為嚴重，其相差約為1～2%(C17530－HT)。沖壓彎曲過程導致C17530－HT合金應力下降4%左右，C17530－EH下降6%。不過，反向撓曲以形成彎曲方向又導致C17530－HT合金下降了2%，C17530－EH進一步下降了15%。這樣就導致彈性力比設計值更低。

當彈性接觸臂的寬度/厚度之比超過2時，寬度對應力松弛所產生的影響目前還沒有完全為人們所了解。

當這些因素集中發生于實際沖壓件時，應力松弛的下降幅度可能會達到理想狀況下的兩倍。根據本研究得出，在最壞的情況下C17530－HT合金下降10～15.8%，而C17530－EH合金則下降24.6% ～ 47.2%。

5.2 鮑辛格效應

由于在沖壓之后緊接著便進行沉積熱處理，鈹－銅合金C17200－1/2H具有與計算值相當的彈性力。

雖然，加工硬化材料在沖壓和300℃(30分鐘)熱處理之后不需要進行任何熱處理，但應力釋放也可以有效地補償這些合金的鮑辛格效應。因為由沖壓彎曲過程中所產生的接觸臂表面的剩余應力在這一熱處理溫度下會得到釋放。不過，超過200℃之后，其應力松弛會大幅下降。由此可見，這一方法不是非常有效。

當采用兩階段彎曲時，由于鮑辛格效應的存在，反向彎曲后的樣品的彈性力稍微低一點。因此，必須采用應力釋放熱處理。同樣，由于添加了加工硬化處理，應力松弛比以前變得稍微嚴重一點。所以，在設計階段就必須考慮這一因素。

6 結束語

本文研究影響彈性負荷的一系列因素。所采用的材料為鈹－銅合金，因為沉積硬化材料包括時效硬化材料。我們還列出作為加工硬化材料的磷青銅，以便進行材料對比。此外，我們還討論了試驗樣品的制備方法、樣品方向、彎曲方向以及彈性接觸臂的彎折。

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