致命的连接器磨损 ---Bob博士对连接器磨损原理的诠释

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2018-10-03

【大比特导读】连接器磨损对连接器的性能影响巨大,因为磨损过程消除了为接触材料提供腐蚀保护的连接表面层。 最常用的接触材料是铜合金,所有这些材料在典型的连接器工作环境中都容易腐蚀。

  连接器磨损对连接器的性能影响巨大,因为磨损过程消除了为接触材料提供腐蚀保护的连接表面层。

最常用的接触材料是铜合金,所有这些材料在典型的连接器工作环境中都容易腐蚀。   连接器磨损有两个主要原因。 最明显的一种情况是,当插头和插座接触面互相滑动接触时,每次咬合过程都会发生磨损。

第二种是连接器使用期间由于微动而产生的磨损。 微动是由机械扰动或热膨胀错配力引起的小尺度运动,从几微米到几十微米。   首先,磨损机制可能非常复杂,因此本文讨论仅限于对连接器磨损过程的一些简单观察。 磨损可以用一个简单的方程式来描述,尽管方程式中参数的含义可能相当复杂。

方程式如下:  V=kFL/H  其中V是磨损体积(在单个磨损体中从界面移除的金属的体积),k是磨损系数,F是施加的载荷(连接器的接触法向力),L是磨损体的位移长度,H是接触金属的硬度。   对F、L和H的解释相对简单。 接触力F是连接器设计参数。 磨损体的长度是咬合时的啮合长度,或微动位移的长度。 接触咬合长度是连接器的设计参数,但微动位移的长度与许多参数有关。 在方程式中,H是接触金属的硬度。 对于这类材料,硬度是确定的。

对于两种不同的金属,它是复合硬度。 在连接器中,两个接触表面光洁度一般相同,如金,但镍底板的厚度和触头材料的硬度可能不同,因此复合硬度是合适的。 然而,对于给定的连接器,F、L和H可以被认为是已知的。

  磨损量V需要一些解释。 连接器磨损量的参数是每一次磨损体中表面厚度的损失。 V=at,其中A是接触界面的面积,t是被移除的材料的厚度。

A取决于几何设计。 磨损是由于针点接触到一个表面,而不是一个厘米直径的球轴承;对于几何设计来说是很重要的。

同样,对于给定的连接器,这种关联也可以被认为是已知的。   但是k是一个许多参数的变化因子。

其中最重要的参数是接触力F、硬度H、接触几何形状、表面粗糙度以及接触表面的润滑状态等。

再次强调,F,H,接触几何设计,和表面粗糙度,对给定的连接器来说是已知的。

润滑状态取决于使用连接器的环境。

我认为,实际上,接触力是连接件的k中最重要的参数,原因如下。

    如图1所示,图示了两个接触面。

需要注意的是,在接触界面的微尺度上,所有的表面都是粗糙的。

为了简单起见,给出了两个接触点或凹凸点。

在下面的讨论中,假设第一个接触点创建接口(图1中的a),并且随着负载的不断增加,使表面更加紧密,接口(b)开始起作用。     在这些条件下,界面(a)比界面(b)经历更多的变形。 由于凹凸不平的接触很小,变形将是塑性的,凹凸不平的径向流动会随着凹凸不平的顶部相互平缓而发生。

这种径向流动破坏了表面膜和表面污染物,并有助于创建所需的金属接触界面。 所创建的金属界面将经历一定程度的冷焊。 简单地说,冷焊意味着金属表面通过凹凸不平的界面相互连接在一起,就像金属键是在金属内部形成的一样。 由于凹凸不平的变形,凹凸不平的金属也被硬化。 在创建接口(b)时也会发生相同的过程,但程度较小。 这意味着界面(a)将比界面(b)更强,因为较大的变形为冷焊创造了更大的接触面积,而且它也经历了更大程度的硬化。   考虑到这些界面特征,当剪应力施加到系统时会发生什么。

由于(a)是较强的界面,施加的应力必须足以破坏(a)处的界面,而(b)处的较弱的界面则随之出现。

从磨损的角度来看,界面断裂是关键。 考虑接口(a)的状态。

经过冷焊和硬化。 事实上,由于界面硬化,(a)可能具有比原有金属本身更高的内聚力,凹凸不平的分离可能发生在原有金属内部,如图1所示,而不是直接发生在界面上。

由此产生的磨损颗粒就是方程式中的磨损体积V。

在(b)处较弱的界面可能在原始界面处或附近断裂,很少发生磨损。 (a)处的磨损过程通常称为粘着磨损,(b)处的磨损过程称为抛光磨损。

如果在放大镜下观察咬合过程中产生的磨损轨迹,在30~50倍放大时,粘着磨损轨迹将显示出磨损颗粒的迹象,并显得有些粗糙,而抛光磨损轨迹将显得光滑和光亮。

如果粘着磨损过程中产生的磨损颗粒经过变形足够硬化,在接触界面上就会充当磨料,即所谓的三体磨料磨损,一种额外的磨损就会产生作用。

  回到k,显然,磨损机制从抛光到粘着磨损的变化将反映在磨损系数k值的显著增加上。

在抛光磨损过程中,k随接触力的增大而增大。

然而,当接触力增加到粘着磨损变得活跃的程度时,k就会不连续地、潜在地显著增加。 接触力的大小导致k的不连续变化将主要取决于连接器的润滑状态。 对于清洁的表面,过渡范围将是几克到几十克,而对于润滑良好的表面,过渡可能不会发生,直到接触力加大到数百克才发生。

    综合考虑连接器的性能。

在可以接受/需要低接触力的应用中,例如在小电流、高pin数的低咬合力和高耐久性应用中,预期的磨损机制是抛光磨损,并且磨损率将很低。

一般来说,功率应用将需要更高的接触力,以满足在电阻和稳定性方面对接触界面的更高要求。 在这种情况下,粘合剂和磨料磨损机制可能更活跃。 这是许多功率连接设计利用多个接触梁的原因之一。 这些系统降低了连接器电阻,因为多个梁是电并联的,并且它们也可以设计成具有较低的接触力,以减少粘合剂和磨料磨损的可能性。   当然,在连接器系统的设计和制造中,磨损问题需要最佳的解决方法。

由于磨损率与硬度成反比,锡成品连接器的磨损率将高于金连接器。

这种关系也说明了为什么通常使用所谓的硬金。 另一个影响黄金成品连接器磨损的设计参数是镍底板。

光洁度的高低会影响连接器在没有磨损的情况下所能承受的磨损次数。

这方面要考虑薄金或闪光金等。 如果发现连接器系统在磨损性能方面不足,则接触润滑剂能够充分提高性能,以满足应用要求。 连接器的设计需要充分考虑磨损问题,否则对连接器性能的影响将是致命的。

 BobMroczkowski博士在电子行业有30多年的经验。

他在AMP公司开始了他的职业生涯,在那里他就连接器的设计和性能提供了咨询。 1990年,他加入了AMP高级开发实验室,并开发了微型电缆连接器和一种新的用于医学超声诊断设备的微型同轴连接器。

Mroczkowski博士于1998年退休,并创建了ConNtextAssociates,这是一家提供连接器咨询服务的公司。

他是McGrawHill电子连接器手册的作者,拥有七项专利。

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