微振磨损薄镀银电接触寿命的量化分析: 镀层厚度的影响

2024-05-31 09:36:11 来源:《国际线缆与连接》投稿人闻春国编译 点击:3171

1引言

现代汽车的发展越来越需要增加车载电气设备的数量,而确保车辆和乘客安全稳定的系统必须由高质量的元器件组成。诸如电接触件之类的元件是这些系统的非常重要的组成部分。因此,在电接触件中用作接触表面镀覆的材料是许多研究实验室极为关注的问题。长期以来,金一直是这种应用的完美材料,并因其高贵的品质和耐腐蚀性受到了许多研究人员的极大关注。埃文斯、安特勒和德罗兹多维奇是最早研究金得电接触件响应的人之一。尽管金表现出成为电接触件应用完美材料的所有特性,但其极为昂贵的价格很大程度上限制了它的广泛应用。

作为高价金镀层的替代品,人们经常使用低成本的锡镀层。锡作为电接触件材料的实用性引起了人们关注。Malucci对锡界面电接触件表面形成的氧化膜的各种老化机制和范围进行了特征描述。布朗诺维克、诺埃尔和海莫维奇研究了金属间相的形成和与镀锡电接触性能相关的其他现象。

有限和无限寿命行为的确认

(a)

 

使用指数形式量化有限寿命域中的电寿命

(b)

图1 电接触性能量化分析方法图示:(a)电接触件有限和无限寿命行为的确认,(b)使用指数形式量化电接触件有限寿命域中的电寿命

帕克等人对此进行了广泛的研究,重点关注机械和环境影响,如温度和腐蚀过程降低了电寿命(即电接触电阻低于失效阈值时的微振次数)。这些电接触性能研究的一个主要结论是,由于锡所具有的非贵金属性能和较差的耐腐蚀能力,它并不适用于微振磨损条件下的高可靠性电接触件。

最有希望的替代品是银,其性质和价格介于金和锡之间。因此,卡斯曼·鲁道夫和雅各布森(《滑动状态对电接触性能的影响》)、乔姆斯基(《腐蚀性环境的影响》)和伊姆雷尔(《腐蚀性环境中镀层厚度的影响》)等人对镀银电接触件进行了广泛的研究。最近,人们推出了一种定量研究方法,以更好地确定微型接触件在微振磨损条件下的电寿命。电寿命与稳定的微振滑动条件密切相关,如图1所示。

只要保持局部的滑动微振条件,其内部的条形金属/金属区就会正常工作,电接触件界面之间就会保持一个低而稳定的接触电阻和,使之具有无限的电寿命。相比之下,位移振幅超出了这一阈值,它就会处于总体滑动条件下,使之形成了不良的导电氧化物碎屑,导致接触电阻增加,最终形成有限的电寿命。因此,第一步就是确认从局部滑动到总体滑动的跃迁,以建立无限和有限寿命的电接触性能响应之间的边界。第二步就是使用指数形式将有限寿命域中的电寿命用公式进行量化,见图1b。

本研究的目的是通过研究不同银镀层厚度的电接触性能响应来转换和简化这种定量策略。因此,我们将从两个方面进行研究:

1)银镀层厚度如何影响滑动电接触性能跃迁(即无限寿命到有限寿命边界),以及它是如何改变有限总滑移状态下的电接触性能寿命响应?

2)如何通过公式用最为基础的变量来量化微振位移振幅的增大所引起的电接触性能电寿命的降低?

2具体实验步骤

2.1实验配置

我们为电接触性能研究设计并创建了一个原始实验装置。这台设备可以模拟汽车发动机罩内的环境条件。图1是电接触性能实验配置示意图。我们使用电磁振动器并通过柔性条固定的上端支架产生的振荡运动。将上端样品固定在上端支架上,而将第二个电接触件样品固定在下端工作台,电接触件微幅水平位移可在测试过程中用压电负载传感器测量其切向力。使用激光位移传感器控制上端试样的移动,其精度约为0.1μm。在上端支架放置一个配重,以确保电接触件法向力负载(P=3N)。另外,我们采用基于Labview平台的专用软件提供所有必要的电接触性能记录和电接触性能监测数据。

本研究所用实验装置示意图

(a)

 

微振次数分析(总滑移条件)

(b)

图2(a)电接触性能研究所用实验装置示意图;(b)电接触性能微振次数分析(总滑移条件)。

在每次电接触性能试验过程中可以记录和控制的电接触性能参数如下:电接触件相对位移振幅δ*(±0.5~±40μm),电接触件频率f[1~500Hz],电接触件法向力P(0.2~5N),电接触件相对湿度RH(从1%到99%),电接触件温度T(20~160℃)。

2.2接触件形状和接触电阻

本研究中使用的电接触件样品由两个90°交叉的圆柱体组成(图3),每个圆柱体的半径为2.3mm。为了在实验过程中测量电接触件接触电阻,我们采用了四线法。电接触件电流采用I=5A,电接触件电压为5V,而微米级电压表可以测量电接触件接触电压,电接触件精度高达0.01μV。该电接触件系统可测量10-6-103Ω的电阻。达到电接触件接触电阻阈值△Rc=0004Ω时的滑动循环次数就假设为电接触件的寿命(图4)。

样品形状和电阻测量系统

图3电接触件样品形状和电阻测量系统

 

用于确认电寿命Nc的判定标准

图4 用于确认电接触件电寿命Nc的判定标准

2.3研究的材料和试验条件

对于相同的电接触性能试验配置,我们已经测试了电接触性能同质接触情况(即类似的上下交叉圆柱体)。其界面结构由4wt.%的锡(CuSn4)青铜合金基底组成,在该基底上沉积2μm的电解镍中间层,以限制铜的扩散。在此电接触性能标准结构上,使用专用电解工艺沉积四种不同厚度的纯银(即e=1.3、2、4和5μm),使其扩散层厚度低于0.05μm。所有电接触性能测试对所采用的试验条件相同:电接触件温度23℃,电接触件相对湿度10%,电接触件频率30Hz,电接触件法向力3N。考虑赫兹弹性假说,这导致最大压力Po=780MPa,电接触件半径约为43μm。该电接触件压力非常高,使得电接触件的可塑性被激活,从而扩大了电接触面积,并降低电接触件峰值压力。

3结果

3.1从有限电寿命到无限电寿命的跃迁

如前所述,量化电接触性能的第一步就是确认标志从电接触件有限电寿命响应向无限电寿命响应跃迁的PS/GS跃迁振幅。图5是厚度为1.3μm的银镀层电寿命随施加位移振幅的电接触性能变化曲线。根据渐近外推法,可以推断出一个δ*ilt =±4μm的电接触性能阈值振幅(即无限寿命振幅)。

1.3μm银镀层寿命变化曲线

图5 1.3μm银镀层电接触件寿命变化曲线

遗憾的是,由于需要很长的电接触性能试验,我们不可能对更厚的电接触镀层进行等效研究。然而,在之前的分析中,已经证明了电接触件寿命跃迁对应于从部分滑动到总滑动的稳定滑动跃迁。为了解决这种电接触位移跃迁,我们采用了VDA(即可变位移振幅)测试方法,见图6a所示。假设给定的电接触几何形状和电接触法向力,电接触位移振幅从非常小的局部滑移条件逐渐增加,直到完全建立总体滑移条件。在电接触性能研究中,电接触阶跃位移增量固定在Δδ*=1μm,而稳定型阶段则形成于ΔNc=15000次微振。以这种方式,通过确定电接触件表征切向力比f=Q*/P变化的不连续性,以及通过计算能量,我们就可以在单个电接触性能试验中确定滑动跃迁振幅δ*t_VDA

A = Ed/(4.δ*.Q*) (1)

对于Ed,摩擦在电接触微振过程中要耗散能量,见图2b所示。事实证明,当这一能量比高于一个常数值At=0.2时,电接触件在总滑动条件下运行。对1.3μm银镀层的电接触性能分析得出跃迁值δ*t_VDA=±5μm,见图6b。

VDA方法图示

(a)

 

应用VDA测试程序绘制Q*/P =f(δ*)和A=f(δ*),以确定δ*t_VDA滑动跃迁

(b)

图6 (a)VDA方法图示;(b)应用VDA测试电接触性能程序绘制Q*/P =f(δ*)和A=f(δ*),以确定δ*t_VDA滑动跃迁。

这让人们很容易高估稳定型跃迁振幅。通过比较VDA和参照CDA(即恒定位移振幅)电接触性能测试,表明可以使用以下校正公式外推出稳定的跃迁振幅(δ*t):

稳定的跃迁振幅(δ*t)(2)

通过采用这种电接触校正程序,在表1中计算并汇编了不同的电接触跃迁振幅。

令人惊讶的是,无论银镀层的厚度如何,都观察到类似的电接触跃迁振幅(δ*ilt =δ*t =4μm)。这一方面将在后面的讨论章节做深入讨论。

3.2银镀层厚度对有限耐久域的影响

现在分析的重点是电接触件有限寿命领域。图7a对比了在恒定δ*±12μm位移振幅条件下两种不同厚度的银镀层(即e=1.3和3μm)接触电阻的变化。

两种镀层厚度在类似δ*=±12μm位移振幅下的接触电阻随微振次数的变化情况

(a)

 

有限寿命域(+/-4μm<δ*<+/-25μm)中研究的银镀层厚度寿命曲线NC=f(δ*)

(b)

图7(a)两种镀层厚度在类似δ*=±12μm位移振幅下的接触电阻随微振次数的变化情况;(b)有限寿命域(+/-4μm<δ*<+/-25μm)中研究的银镀层厚度寿命曲线NC=f(δ*)。

正如我们预期的那样,最厚的镀层显示出最长的电寿命。这一分析在图7b中进行了概括。图中描述了不同厚度的银镀层在不同位移振幅条件下的电寿命。所得电接触件寿命曲线汇聚于一个类似的电接触阈值位移振幅值(即阈值位移振幅值=±4μm),证实了先前对稳定PS/GS跃迁的研究。不过,在阈值位移振幅值以上,在有限的电接触总滑动域中,可以清楚地看出银镀层越厚,电寿命越长。

表1 与银镀层的电寿命相关的电接触性能定量数据

与银镀层的电寿命相关的定量数据

e:镀层厚度“平均寿命”标准

如图8a所示,量化有限电寿命的第一个策略是计算两个电接触振幅值δ*X和δ*Y之间的平均寿命。显然,在该区间研究的所有条件都必须处于稳定的电接触总滑移条件下。因此,最小电接触位移值必须高于δ*ref,以限制电接触性能试验持续时间,而最高极限必须选择足够小,以便对各种镀层进行比较。在电接触性能研究中,两个位移边界分别固定在δ*X=+/-12μm(对应于Ncx)和δ*Y=+/-20μm(对应于Ncy)。然后,我们用以下公式计算出平均电寿命。

平均电寿命(3)

图8b比较了作为银镀层厚度函数的Nc的变化情况。我们观察到具有两种不同磨损现象特征的不连续变化。在阈值残余厚度e<er_m≈1.66μm以下(阶段I),其寿命非常短。当残余厚度大于1.66μm时,我们观察到镀层厚度与镀层寿命之间存在着线性相关性(阶段II)。我们可以据此推导出一个预测电寿命的基本公式(4):

预测电寿命,式中,预测电寿命(4)

式中,Km=8.89X105(次/μm),而er_m=1.66μm。

“平均寿命方法”图示

(a)

 

平均寿命值Ncm(±12μm≤δ*<±20μm)随银镀层厚度的变化情况

(b)

图8(a)“平均寿命方法”图示;(b)平均寿命值Ncm(±12μm≤δ*<±20μm)随银镀层厚度的变化情况。

从这项研究中我们得出一个有趣的结论:为了有效,银镀层必须比阈值(er_m)厚,否则,其电寿命将非常短。此外,超过这一阈值厚度,则可以假设其电寿命随着镀层厚度的增大而呈直线上升。

“平均寿命方法”的一个主要关注点是提供一个稳定而有代表性的对位于滑动跃迁边界正上方的有限寿命域描述。不过,它需要大量的测试,这可能会大大增加这种研究的试验持续时间和成本。为了解决这一问题,我们提供一种替代策略,以确定给定单个δ*ref参照位移振幅值的电阻寿命,见图9a。该参照位移振幅需要明显大于δ*ilt,以实现总滑移有限寿命条件,但也要足够小,以提供各种镀层之间具有代表性的对比。在本研究中,我们考虑参照位移振幅等于δ*ref =+/-14μm。

该值可定义为跃迁振幅加上10μm整个滑动分量之和。

滑动分量之和(5)

“参照寿命方法”图示

(a)

 

参照寿命值Ncref=Nc(δ=±14μm)与银镀层厚度变化(根据图7计算)函数关系图

(b)

图9 (a)“参照寿命方法”图示;(b)参照寿命值Ncref=Nc(δ=±14μm)与银镀层厚度变化(根据图7计算)函数关系图。

图9b比较了不同镀层厚度下获得的电寿命。我们再一次观察到两种不同磨损现象的不连续变化。当阈值残余厚度e<er_ref≈1.5μm时,其寿命可忽略不计(阶段I)。高于er_ref时,电寿命随镀层厚度呈线性增加(阶段II)。由此,我们得出如下等效寿命公式:

等效寿命,式中,等效寿命(6)

式中,Kret =7.98X105(次/μm),er_ref =1.5μm。

基于参照位移δ*ref的分析,我们得出了与根据平均值分析推导的等效结论。我们定义了一个类似的公式,涉及等效系数值,即er_ref≈er_m和Kref≈Km。这种相关性表明,快速“参照寿命”策略,其模式非常稳定,完全可以说明有限寿命域的全局电接触寿命。

4 讨论

对无限寿命边界的分析表明,无论镀层厚度如何,δ*ilt在±4μm附近保持不变。这一结果令人颇为惊讶,因为考虑到界面的塑性应变,δ*ilt跃迁振幅应该与镀层厚度存在函数关系。实际上,滑动跃迁处的总位移可以表达为弹性和塑性位移贡献量之和。

弹性和塑性位移贡献量之和(7)

滑动跃迁时无量纲球面/平面微振次数对比:——弹性(Mindlin)公式;——弹-塑性公式(结合了弹性和运动学的塑性剪切应变变形)。

图10 滑动跃迁时无量纲球面/平面微振次数对比:——弹性(Mindlin)公式;——弹-塑性公式(结合了弹性和运动学的塑性剪切应变变形)。

弹性贡献主要受控于主体结构的弹性变形,可以通过Mindlin公式来表示。相比之下,塑性贡献可以定义为在整个镀层厚度上积分的塑性剪切应变。假设界面剪切应变为常数γP,则可以推出下列公式(8):

界面剪切应变(8)

由此,我们可以得出公式(9):

界面剪切应变(9)

因此,镀层越厚,塑性应变就越大,δ*ilt跃迁就越大。可以考虑用不同的假设来解释为什么我们的实验分析没有验证这种趋势:

● 所研究的镀层与接触面积相比非常薄(小于10%)。这就可以解释为什么我们检测不到预期的塑性应变,而且跃迁振幅似乎也不受影响。

● 循环塑性应变的应用会引起银镀层的塑性硬化过程。这种硬化可能会增加镀层的表观刚度,使得塑性应变变得很小,可忽略不计。

这两个假设可能都与银界面响应有关。现在需要结合优化实验分析和数值模拟进行更深入的研究。

有限寿命响应

对有限电接触寿命域(即有限电接触寿命域)的研究表明,界面磨损受控于一个不连续的过程。当所谓的残余银镀层厚度e低于1.5μm时,电寿命非常短(阶段I)。大于此阈值厚度时,我们观察到电寿命相与镀层厚度呈现线性变化。这表明,界面磨损受控于一个渐进的磨损过程(阶段II)。

第二阶段

电接触失效前(N=2.5X103次微振):SEM和EDX半定量分析

(a)

 

电接触失效后(N=3X105次微振),3D表面形貌,SEM和EDX半定量分析

电接触失效后(N=3X105次微振),3D表面形貌,SEM和EDX半定量分析

(b)

图11 2μm银镀层在δ*ilt=±14μm磨损条件下的微振斑痕:(a)电接触失效前(N=2.5X103次微振):SEM和EDX半定量分析,(b)电接触失效后(N=3X105次微振),3D表面形貌,SEM和EDX半定量分析

图11显示在参照试验条件下(δ*fer=±14μm),在2μm银镀层发生电接触失效前后出现的微振斑痕。3D表面轮廓显示其典型的“U”形微振磨损形态,代表了界面的渐进磨损过程。SEM和EDX分析对比证实了之前的研究。这表明,电接触劣化与界面中氧化物碎片没有直接关系。实际上,在接触件失效前,我们在微振磨斑中检测到大量的氧原子。电接触失效似乎是由界面(即碎屑层)中贵金属银元素的逐渐减少导致的:接触界面的银逐渐被亚层的镍和铜元素及其相应的氧化物所取代。由此推断,第二阶段寿命响应中的电寿命可以通过下列评判标准来表示:

当[Ag]接触件<[Ag]≈5at%时,

Nc: ΔR>ΔRc=4X103Ω (10)

另一方面,这表明只要氧化物碎片层中的贵金属银元素的原子浓度高于阈值[Ag],那就可以满足电接触电阻标准。此外,电寿命和镀层厚度之间的线性相关性可用阿查德(Archard)定律来证明,参见图9。考虑到银磨损率常数KA,银镀层磨损量可用下列公式(11)来表示:

银镀层磨损量(11)

式中,ΣW的阿查德荷载参数可定义为法向力和总滑动距离的乘积。

法向力和总滑动距离的乘积(12)

式中,δ*g为试验过程中的有效滑动振幅,见图2b。微振磨损过程中涉及的总体银量(包括两个沉头)由下列公式给出:

V=2.A.e (13)

式中,A为微振试验过程中的微振面积。在电接触失效时将公式(11)和(13)组合起来得出公式(14):

电接触失效时(14)

Nc和e之间的这种线性相关性(公式6)证实,在第二阶段,电寿命与从微振界面逐渐消失的银元素的损耗有关。

第一阶段

第一阶段的响应解释起来更为复杂。我们所观察到的偏移表明,低于阈值厚度er,磨损不再受控于一个渐进过程,而是由快速的灾难性的失效过程。这种典型的演变过程以前在薄的硬质镀层的微振磨损研究中已经观察到。如图6所示,当剩余镀层厚度变得太薄时,拉伸和剪切接触载荷会使得亚层界面(即本研究的银/镍界面)应力过大,并促使镀层中的银和镍瞬时发生灾难性的分离。为了对这一现象进行量化,笔者引入了“有效镀层厚度”的概念,即渐进磨损过程中所涉及的有效镀层厚度,以便对镀层寿命提供一个现实可行的预测。

有效磨损厚度概念示意图

有效磨损厚度概念示意图

图12 有效磨损厚度概念示意图

这一有效镀层厚度可定义为标称镀层厚度“e”和残余镀层厚度“er”之间的差值。因此,镀层的使用寿命可表示如下:

镀层的使用寿命镀层的使用寿命(15)

显然,亚层界面越强,其残余厚度就越薄,故其寿命就越长。对于非常强的界面来说,其有效厚度等于标称厚度,因此镀层寿命可以使用公式(14)来表示。因此,考虑到采用由有效镀层厚度引起的校正措施,公式(6)和(15)就完全相同了。

5结论

文章介绍了一种简单快速的方法使镍镀银电寿命可通过公式来量化分析。利用这种实验策略,我们推导出了以下几个方面。

-可通过公式使用两个基本变量实现无限寿命域到有限寿命域的电寿命转换(图13);

δ*ilt:局部滑动下保持接触的位移振幅阈值,低于该阈值,则由于在内部条形区域中保持导电的金属/金属交互作用而产生无限的电寿命。

Ncrer:为参照位移振幅定义的一种“参照”微振循环寿命。它可以表征有限寿命总滑移条件下的微振响应(有限寿命总滑移条件下的微振响应)。

电寿命与微振位移振幅函数关系定量分析:确定两个关键因素δ*ilt和Ncref,即微振磨损下接触件无限和有限电寿命。

图13 电寿命与微振位移振幅函数关系定量分析:确定两个关键因素δ*ilt和Ncref,即微振磨损下接触件无限和有限电寿命。

-应用这一定量方法可以得出一个结论,δ*ilt值似乎与银镀层厚度无关。因为银镀层的塑性应变相对于接触件和测试设备引起的弹性贡献来说比较小。

-有限寿命域中的电寿命受控于界面磨损过程和从微振界面中银元素的消失。与许多镀层系统一样,我们可以启动一个两步磨损过程:低于阈值镀层厚度(er),接触应力促进Ag/Ni界面的灾难性分离。镀银层从界面上迅速消失,并且其电寿命非常短。超过这一厚度阈值,银的损耗就受制于一种渐进磨损过程。假设我们考虑的是“有效镀层”厚度变量,而不是标称镀层厚度,那么,这一过程可以使用一个基本的阿查德磨损公式进行量化。因此,电寿命可表示如下:

E>er => Nc→0,

E<er => Nc=K.eeff,eeff =e-er

式中,残余厚度er与Ag/Ni亚界面强度存在函数关系,而K系数于银镀层界面磨损率存在函数关系。现在需要进一步研究将优化实验和FEM仿真结合起来,以建立电寿命和银/银界面微振磨损过程之间的量化相关性。

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