KR20020092989A

KR20020092989A - 개선된 압착형 전기 커넥터

Info

Publication number: KR20020092989A
Application number: KR1020027012130A
Authority: KR
Inventors: 멜렉스 에이. 오딜라스
Original assignee: 브러쉬 웰만 인코포레이티드
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2002-12-12
Also published as: EP1263998A1; US6585833B1; WO2001068928A1; AU2001249173A1; CN1422338A; JP2003527730A

Abstract

Be-Cu 합금으로 만들어진 전기 커넥터(10)는 압착부에 먼저 국부적인 어닐링을 하지 않고도 실온에서 압착될 수 있다. 최종 용액 어닐링 후 합금을 적어도 40% 까지 면적 감소에 의한 냉간 가공을 하고, 시효경화 과정에서 합금을 오버 에이징 함으로써, 합금에 충분한 연성과 인장 강도를 줄 수 있다.

Description

개선된 압착형 전기 커넥터{Improved crimpable electrical connector}

전선과 다른 접점들을 연결하기 위한 다양한 종류의 압착 전기 커넥터들이 개발되고 있다. 종래의 압착형 "암(female)" 전기 커넥터(10)의 일례가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 압착되기 전의 커넥터를 도시한 것이며, 도 2는 압착된 후의 커넥터를 도시한 것이다. 일반적으로, 다수의 암 커넥터(10)들은, 그들과 서로 대응하는 형상을 가지는 다수의 "수(male)" 커넥터들과의 연결을 위하여, 터미널 블록(terminal block) 또는 다른 장치에 부착된다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 암 커넥터(10)는 그에 대응하는 수 커넥터의 대응 돌출부를 착탈 가능하게 수용할 수 있도록 소켓(16)에 의해 한정된 스프링부(14)를 구비한다. 또한, 암 커넥터(10)는 커넥터를 전선에 압착함으로써 영구적으로 고정시키기 위한 압착부(16)를 구비한다. 구체적으로, 압착부(16)는, 내부에 삽입된 전선의 끝단이 확실하게 고정되도록 압착시킬 수 있는 중공의 원통부를구비한 압착통(20)에 의하여 형성된다.

도 1 및 도 2에 도시된 압착형 전기 커넥터가 정확하게 작동하기 위해서는, 각 부품들의 정확한 결합이 제시되어야 한다. 먼저, 스프링부(14)는 대응 커넥터와의 영구적 결합을 견딜 수 있을만한 충분한 굽힘 강성을 가져야 한다. 이는 암/수 커넥터들이 신속하게 결합, 분리 및 재결합되는 환경에서도, 스프링부(14)가 대응하는 수 커넥터를 확실하게 고정시킬 수 있도록 충분한 스프링 힘을 발휘하는 데 필요하다. 다음으로, 압착부(16)는 균열(crack) 없이 압착되도록 충분한 연성(延性, ductility)을 가져야 한다. 압착 시에 압착부에 균열이 발생하면, 커넥터를 사용하지 못하게 되어 압착 연결이 불가능해진다.

도 1 및 도 2에 도시된 타입의 커넥터를 제조하는 데 있어서, 고속 자동 성형기가 원하는 최종 직경을 갖는 연속적인 와이어(wire)를 다수의 조각으로 잘라서 공급하면, 이 와이어 조각들을 냉간 단조(냉간 헤딩) 및/또는 기계 가공하여 원하는 형상으로 성형한다. 다음으로, 상기 성형된 조각들은 강성 및/또는 경도를 강화시키기 위하여, 상기 와이어를 이루는 합금의 석출경화(析出硬化, precipitation hardening)에 의하여 열처리되며, 이에 의하여 최종적으로 커넥터 제품이 완성된다.

이와 관련하여, 도 1 및 도 2에 도시된 전기 커넥터들은 주로, 주성분인 구리(Cu)에 대하여 미량인 1%의 니켈(Ni)과, 0.2%의 인(P), 그리고 각각 0.5% 또는 1%의 납(Pb)을 함유한 C19150 또는 C19160과 같은 구리 합금으로 제조된다. 이러한 합금들은 일반적으로 다음과 같은 과정을 통하여 제조된다. (a) 로드(rod)를 완성 직전(ready-to-finish)의 어닐 직경(anneal diameter)으로 냉간 인발(cold drawing)하는 단계, (b) 상기 냉간 인발된 로드를 용액 어닐링(solution annealing)하는 단계, (c) 상기 용액 어닐링된 로드를 최종 직경을 갖도록 냉간 인발하는 단계. 이러한 최종 직경을 갖는 합금들은 아직 상대적으로 연성을 가지는 동안 커넥터 제조자에 의하여 성형이 가능하며, 이후 열처리에 의하여 경화되고 강화될 수 있다. 이러한 종류의 합금들은 사용하는 것은 이들이 전기 전도성, 탄성 및 인장강도의 적합한 조합을 가지기 때문이다.

그러나, 이러한 종류의 열처리 합금들은 상대적으로 나쁜 실온(室溫, room temperature) 연성을 갖는다. 따라서, 이러한 열처리 합금으로 만들어진 커넥터는, 압착 또는 그와 유사한 작용에 의하여 와이어에 부착되기 전에 국부적으로 연화되어, 연화(softening) 없이 압착을 시도할 경우 균열이 발생하거나 깨질 수 있다. 상업적으로, 연화는, 스프링부(14)에서의 전체 열처리 강도를 유지한 상태에서 압착 영역을 담금질하기 위하여, 커넥터의 압착부(16)를 레이저, 전자빔, 유도(induction), 또는 다른 점 가열 방법을 사용하여 압착 바로 전에 국부적으로 재가열함으로써 이루어진다. 이러한 국부 담금질 공정은 그 자체로서 비용이 많이 소요되며, 이러한 디자인의 전기 커넥터들의 사용 비용에 상당한 영향을 미치게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 일반적인 커넥터와 동일한 강도, 탄성 및 전기 전도성을 필수적으로 가지면서, 충분한 실온 연성을 가짐으로써 종래의 커넥터에서 필수적인 국부적인 가열 연화가 필요 없는, 도 1 및 2에 도시된 것과 같은 종류의새로운 전기 커넥터를 제공하는 것이다.

본 발명은 개선된 압착형 전기 커넥터와 이 전기 커넥터에 특히 적합한 구리(Cu)-베릴륨(Be) 합금에 관한 것이다.

본 발명은 다음의 도면들을 통하여 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 첨부도면에서;

도 1 및 도 2는 본 발명에 따라 제조하기 적합한 전기 커넥터들의 구조를 나타낸 것이며,

도 3은 최종 시효경화 조건의 작용으로, 본 발명에 따라 제조되는 전기 커넥터들로 가공했을 때, 본 발명에 따라 제조된 합금들의 압착성과 강성 사이에서의 모순(trade off)을 나타낸 그래프이다.

이상과 같은 목적은, 최종 용액 어닐링(solution annealing) 후 특정 방식으로 냉간 가공 또는 열 처리되면, 전기 커넥터로 사용하기에 충분히 큰 항복 강도와, 국부적인 어닐링과 연화를 위한 재가열 없이도 압착이 가능하도록 여전히 충분한 연성을 가지는, 소정의 구리-베릴륨 합금들의 발견에 기초한 본 발명에 의하여 달성된다.

구체적으로, 본 발명은, 0.15∼0.50 중량 %의 Be과, 0.4∼1.4 중량 %의 Ni 또는 Co 또는 이들 모두와, 0.2∼1.0 중량 %의 Pb을 포함한 구리-베릴륨 합금이 - 영구적인 결합의 유지를 달성하도록 60 및 80 ksi 사이의 0.2% 항복 강도로 시효경화(age hardening) 하면 - 상기 합금이 최종 용액 어닐링 후 40 내지 80%로 냉간 가공되고 오버 에이징(over-aging)에 의해 시효경화가 이루어짐으로써, 또한 국부적인 재가열 없이도 균열 없이도 압착(crimping)이 가능한 충분한 연성을 갖는다는 발견에 기초한 것이다.

따라서, 본 발명은 반복적인 결합 후에도 소망하는 스프링 수직력을 유지할 수 있는 스프링 엔드와, 압착 전에 압착 영역의 국부적인 어닐링 없이도 균열 없이 압착함으로써 와이어 또는 다른 부품과 결합이 가능한 압착부를 구비하는 새로운 전기 장치를 제공하며, 상기 장치는 0.15∼0.50 중량 %의 Be과, 0.4∼1.4 중량 %의 Ni 또는 Co 또는 이들 모두와, 0.2∼1.0 중량 %의 Pb과, 나머지는 구리 및 기타 혼합물을 포함하는 합금으로 형성되고, 상기 장치는 최종 용해 어닐링 후에 40∼50%만큼 냉간 가공되고 시효경화 과정에서 오버 에이징 됨으로써 상기 전기 장치를 형성하는 합금은 최종적으로 대략 60 및 80 ksi 사이의 0.2% 항복강도를 갖는다. 한편, 상기 전기 장치를 형성하는 합금은, 면적 감소에 의하여 측정된, 대략 20 및 65% 사이의 유연성을 가지는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 대략 30 및 65% 사이의 유연성을 가진다.

전기 커넥터를 형성하는 합금은, 시효경화 과정에서 상기 합금의 인장 강도가 피크 에이징(peak aged) 된 때의 최대 인장 강도의 90% 미만이 되도록 오버 에이징 되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 합금의 최종 용액 어닐링은 대략 1650℉를 넘지 않는 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 특정 실시예에서, 상기 커넥터를 형성하는 합금은 70 ksi의 최소 0.2% 항복 강도와, 대략 30%의 연성을 가진다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 커넥터를 형성하는 합금은 65 ksi의 최소 0.2% 항복 강도와, 대략 50%의 연성을 가진다.

전기 커넥터에 이외에도, 본 발명은 이들 커넥터의 형성에 유용한 와이어 소재(wire stock)와 바 소재(bar stock)를 제공한다. 일 실시예로서, 이러한 소재가 "완성된 크기(finished to size)"로 되며, 단지 상기 소재를 적절한 길이의 조각들로 절단하고 상기 조각들을 소망하는 형상으로 기계 가공하는 커넥터 성형기(fabricator)로 보내지기 전에 압연기(mill)에 의하여 시효경화되는 것을 들 수 있다. 이러한 실시예에서, 본 발명은 연속적인 와이어 또는 바 형상의 와이어또는 바 소재를 제공하며, 상기 소재는 0.15∼0.50 중량 %의 Be과, 0.4∼1.4 중량 %의 Ni 또는 Co 또는 이들 모두와, 0.2∼1.0 중량 %의 Pb과, 나머지는 구리 및 기타 혼합물을 포함하는 합금으로 이루어지며, 상기 합금은 최종 용액 어닐링 후에 40∼80%만큼 냉간 가공되고 시효경화 과정에서 오버 에이징 됨으로써 최종적으로 대략 60 및 80 ksi 사이의 0.2% 항복강도와, 대략 30 및 65% 사이의 연성을 갖는다.

다른 실시예로서, 압연기가 "완성된 크기"로 가공 완료된 소재를 최종 시효경화 없이 성형기에 제공하는 것을 들 수 있다. 이러한 실시예에서는, 커넥터 성형기가 소재를 적절한 길이의 조각들로 자르고, 상기 조각들을 가공 및 기계가공을 포함한 하나 또는 그 이상의 성형 공정을 통하여 최종 형상으로 성형하고, 마지막으로 0.2%의 항복 강도와 연성의 소망하는 조합의 실현을 위하여 상기 성형된 조각들을 본 발명에 따른 오버 에이징에 의하여 열처리한다. 본 실시예에서, 본 발명은 연속적인 와이어 또는 바 형상의 와이어 또는 바 소재를 제공하며, 상기 소재는 0.15∼0.50 중량 %의 Be과, 0.4∼1.4 중량 %의 Ni 또는 Co 또는 이들 모두와, 0.2∼1.0 중량 %의 Pb과, 나머지는 구리 및 기타 혼합물을 포함하는 합금으로 이루어지며, 상기 합금은 최종 용액 어닐링 후에 40% 내지 80% 보다 크게 냉간 가공된다.

마지막으로, 본 발명은 0.15∼0.50 중량 %의 Be과, 0.4∼1.4 중량 %의 Ni 또는 Co 또는 이들 모두와, 0.2∼1.0 중량 %의 Pb과, 총합이 최대 0.5 중량 %인 Fe, Al, Si, Cr, Sn, Zn, Ag, Mn, Zr, Ti 및 Mg 중의 하나 이상과, 나머지는 구리 및 기타 혼합물을 포함하는 Be-Cu 합금을 더 제공하며, 상기 합금은 최종 용액 어닐링후에 40∼80%로 냉간 가공되며, 최종적으로 대략 60 및 80 ksi 사이의 0.2% 항복 강도와 20 및 65% 사이의, 더 바람직하게는 30 내지 65%의 연성을 갖도록 시효경화 과정에서 오버 에이징 된다.

본 발명에 의하면, 베릴륨-구리 합금의 특정 종류로부터 전기 커넥터를 형성함으로써, 압착부와 스프링 모두에 작용되는, 전기 커넥터의 압착부를 국부적으로 어닐링하는 종래 기술의 문제점을 피할 수 있다.

Be-Cu 합금

Be-Cu 합금은 상업적으로 사용 가능한 합금 중 물리적 및 전기적 특성, 특히 인장 강도와 전기 전도성이 좋은 것으로 알려진 주지된 종류의 것을 선정한다. 이에 대해서는, 하크니스(Harkeness) 등이 저술한 "베릴륨-구리 및 다른 베릴륨 함유 합금들"(메탈 핸드북, Vol. 2, 제10판, ⓒ1993 ASM Int'l)을 참조하면 된다. 이러한 금속들의 양호한 물리적 특성은, 다수의 아주 작은 베릴라이드(beryllide) 조각들이 구리 매트릭스(matrix)를 형성하고 합금을 강하게 하는 응집 인력(coherency strain)을 발생시키는 침전 경화(precipitation-hardening) 메커니즘을 통하여 생기게 된다.

주괴("Be-Cu 합금 주조로서")로부터 나오는 Be-Cu 합금으로부터 유용한 제품을 형성하는 것은, 통상적으로 합금에 소망하는 형상과, 조직 구조와 특성들을 주기 위한 일련의 가열 및 가공 공정들과 관련된다. 이러한 공정들은 전체적으로 다음과 같은 구성으로 고찰될 수 있다:

(a) 주괴로부터 생성된 합금의 벌크(bulk) 형상을 제품의 최종 목표 형상으로 변경하고, 또한 합금을 보다 균일 또는 균질의 정제된 조직 구조를 갖도록 정련하기 위한 성형 양생과,

(b) 경화의 원인이 되는 베릴륨-리치(rich) 침전물들을 응집시키고 침전시키기 위한 경화 양생.

통상적으로, 상기 성형 양생은 하나 이상의 가공 공정과 용액 열처리(어닐링) 공정과 관련되어 있다. 가공은 높은 온도("열간 가공") 또는 실온(室溫)과 같은 낮은 온도("냉간 가공") 하에서 모두 이루어질 수 있다. 와이어의 열간 가공은 일반적으로, 거칠고 조성적으로 불균일한 주조 조직을 좀 더 균질의 정제된 조직으로 변화시키는 압출 성형에 의해 행하여진다. 와이어의 냉간 가공은 일반적으로냉간 일발에 의해 행하여진다. 어닐링은 일반적으로 합금을 대략 5분 내지 1시간 정도 1500~1800℉(815~982℃)의 온도로 가열하고, 신속하게 ??칭(quenching)하는 방식으로 행하여진다. 어닐링은 심하게 변형된 냉간 가공된 조직을 재결정(再結晶) 시키며, 많은 양의 베릴륨과 존재할 수 있는 다른 조성물을 침전 경화 전에 준안정의 고형 용액(metastable solid solution)에 담궈 용해시킨다. 합금의 내부 응력도 역시 감소된다. 냉간 가공과 어닐링 모두, 특히 형상의 변화가 큰 경우, 수차례 행해질 수 있다. 최종 용액 어닐링은 완성 직전(ready-to-finish)의 크기에서 이루어진다. 이후 합금은 최정 크기에 도달하도록 선택적으로 냉간 가공된다.

Cu-Be 합금의 침전 경화("시효경화")는 함금을 최대 경도가 발현되기에 충분한 시간인, 통상 대략 5분에서 6시간 사이의 시간 동안 500~1050℉(260~565℃)로 가열함으로써 이루어진다. 일반적으로, 특정 온도로 용액 어닐링되고 선택적으로 특정의 최종 크기에 도달하도록 냉간 가공된 각각의 Be-Cu 함금은, 최대 경도에 도달하기 위한 고유의 특정한 시간/온도 조합을 가지고 있다. 이는 합금이 너무 적거나 너무 많이 가열되면, 그의 경도와 다른 특성들이 최적 조건보다 작게 된다는 것을 의미한다. 따라서, 이러한 합금들이 최적 시간/온도 조건에서 또는 그에 근접한 조건에서 시효경화되는 경우에는 "피크 에이징(peak aged)"되었다고 할 수 있으며, 너무 적게 또는 너무 많이 가열된 경우에는 "언더 에이징(underaged)" 또는 "오버 에이징(overaged)"되었다고 할 수 있다. 다른 관점에서 보면, 언더 에이징된 Cu-Be합금은 더 가열하면 경도가 더 증가할 수 있지만, 오버 에이징된 Cu-Be 합금은 더 가열하면 오직 연화(軟化)될 뿐이다.

통상적으로, 시효경화는, 오버 에이징을 피하기 위하여 세심하게 주의한다고 하더라도, 필요할 경우 다수의 공정들을 통하여 이루어질 수 있다. 또한, 합금을 가공하는 것은 경화되었을 때보다 연화되었을 때가 더 쉽기 때문에, 시효경화는 합금에 주어지는 최종 형상이 완성된 후에 행하여지는 것이 바람직하다.

Be-Cu 합금은 시효경화 전의 냉간 가공이, 적어도 각 합금의 고유한 소정 최대 경도 레벨까지, 시효경화의 비율과 크기를 모두 증가시킨다는 특성을 나타낸다. 따라서, 상업적 실험 하에서의 경화는, 일반적으로 최종 용액 어닐링 후와 시효경화 전의 냉간 가공을 대략 90%까지의 면적 감소량과 관계 있게 한다. 즉, 가공물의 대략 90% 까지의 단면적 감소는 냉간 가공의 작용에 기인한 것이다.

본 발명의 Be-Cu 합금 화학

본 발명에 따르면, 특정 클래스의 Be-Cu 합금이 사용되는데, 이러한 합금은 하기 구성성분들을 함유하고 있다. 하기 표의 구성성분들의 각 함량은 중량 %로 표시된다.

구성성분	적용가능한 범위	바람직한 범위	더 바람직한 범위
Be	0.15 내지 0.50	0.20 내지 0.40	0.25 내지 0.35
Ni 및/또는 Co	0.40 내지 1.40	0.50 내지 1.25	0.60 내지 0.80
Pb	0.20 내지 1.00	0.20 내지 0.60	0.25 내지 0.50
Cu	나머지	나머지	나머지

상기 거명된 구성성분들 뿐만 아니라, 본 발명에서 사용되는 합금은 통상 불순물로서, 철, 알루미늄, 실리콘, 크롬, 아연, 주석, 은, 망간, 마그네슘, 티타늄 및 지르코늄 중 하나 이상을 전체의 0.50중량 %까지 함유할 수 있다. 또한, 니켈과코발트의 조합이 전형적이기는 하지만 이러한 합금에서 코발트 보다는 니켈이 더 일반적이다.

본 발명에서 사용되는 합금은 "린(lean)" Be-Cu 합금이다. "린"이란 합금이 약 0.50중량 % 이하, 바람직하게는 약 0.40중량 % 이하의 베릴륨 및 약 1.40중량 %, 바람직하게는 약 1.25중량 % 이하의 니켈 및 코발트, 또는 둘다를 함유하는 것을 의미한다. 합금이 약 0.50중량 % 보다 많은 베릴륨을 함유하면 강도가 필요한 정도보다 더 강해지고 연성이 필요한 정도보다 덜해지며, 전기 전도도가 불충분해지고 합금 요소로서는 베릴륨의 가격이 비싸므로 합금 가격이 불필요하게 증가하게 될 것이다. 유사하게 본 발명의 합금이 1.40중량 %보다 많은 니켈과 코발트를 함유하면 과도한 강도, 불충분한 연성 및 감소된 전기 전도도를 초래할 것이다.

피삭성(machinability)을 향상시키기 위해서 본 발명에 의한 합금에 납이 첨가될 수 있다. 납의 양이 통상 약 0.2중량 % 미만으로 불충분하면, 부품-제조 공정 중에 수행되는 기계 가공(machining) 단계에 의해 제조된 칩은 길이가 길고 형태가 실과 같아지고 공구-공작물 계면으로부터 빼내기가 어려워지며 이는 치명적인 공구 손상 또는 가속화된 공구 마모를 초래할 수 있다. 충분한 납이 존재하면 기계 가공 칩이 본래대로 짧은 길이로 잘라져서 쉽게 빼낼 수 있으므로 공구 손상 또는 과도한 마모를 방지할 수 있다. 납이 약 1.00중량 %, 바람직하게는 0.60중량 %를 초과하는 합금은, 압출과 같은 주조 주괴로부터 와이어를 만드는 합금의 고온 작업 도중에 균열이 생기거나 "고온 인열(hot tearing)"되는 경향이 있다.

본 발명의 Be-Cu 합금의 공정

린 Be-Cu 합금은 당업계에 공지되어 있고 예컨대, 미국특허 제4,179,314호(Wikle), 미국특허 제4,551,187호(Church, et al.), 미국특허 제4,599,120(Church, et al.) 및 미국출원 일련번호 제08/738,880 등의 문헌에 기재되어 있으며, 이를 참고자료로 인용한다.

이러한 특허들 각각은 어닐링 및 냉간 가공(cold working)(선택적으로 2회 수행함)을 한 후 시효경화를 수행함으로써 제조된다. 그러나 상기 기술한 위클(Wikle) 특허에서는 최종적인 용액 어닐링 이후의 냉간 가공이 30 내지 40%이하인 반면에, 상기 기술한 다른 특허들에서는 시효경화가 피크 에이징 조건에서 정상적으로 수행된다.

본 발명은 이러한 특허들과는 달리, 합금이 최종적인 용액 어닐링 후에 냉간 가공되는데 그 정도가 과거에 통상 행해지던 정도보다 훨씬 더 큰, 즉 면적 감소의 견지에서 약 40 내지 80%까지이며, 그 이후에 최종 시효경화 단계에서 오버 에이징되는 것(over aged)을 특징으로 한다. 그 결과 얻어진 합금은 항복강도 및 연성의 독특한 조합을 나타냄으로써 그 합금들은 종래기술의 커넥터의 경우에서와 같이 결합(mating)시 영구적인 세트를 견딜 수 있는 반면에 종래 기술의 관례상 행해지던 것과 같이 국소화 어닐링을 달성하기 위한 재가열을 수행하지도 않으면서도 그 압착 부분이 균열없이 압착될 수 있도록 한다.

이러한 유익한 결과는 도 3에 더욱 명확히 도시되어 있다. 도 3은 실시예1 내지 38을 수행함에 있어서 얻어진 결과들을 그래프로 도시하였다. 실시예1 내지 38에서는 본 발명에 따라 제조된 전기 커넥터를 0.2% 항복강도, 연성(%면적 감소)및 압착성에 대해 테스트하였다. 그 실시예 모두 전기 커넥터가 최종 용액 어닐링 이후 40 내지 80%까지 냉간 가공되어 본 발명에서 원하는 화학조성을 갖는 합금으로부터 제조된 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 합금들은 시효경화 과정과는 무관하게 균일하게 약 60ksi 이상의 0.2% 항복강도, 그리고 20 내지 65%, 더 바람직하게는 30 내지 65%의 연성을 나타낸다. 그러나 약 60 내지 80ksi 사이의 항복강도를 갖으며 또한 시효경화동안에 오버 에이징된 그러한 합금들만이 균열 없이 실온에서 압착될 수 있다. 다른 합금들 - 언더 에이징 되거나 피크 에이징 되거나 상기 80ksi까지 시효경화 된 - 은, 그 외에 화학적 측면, 어닐링 과정 및 냉간 가공 과정의 견지에서는 동일하다고 하더라도 균열 없이 압착되지 못한다.

본 발명의 전기 커넥터를 형성하기 위해 사용되는 Be-Cu 합금의 가공은 종래 선행기술 가공과 실질적으로 같은 방식으로 행해질 수 있다. 그러나 최종 용액 어닐링 후의 냉간 가공(커넥터를 성형하기 위해 행해지는 냉간 성형 또는 냉간 헤딩(cold heading)에 의한 부가적인 냉간 가공을 제외한 것)은 면적 감소의 견지에서 약 40 내지 80%로 한정되어야 하며, 더 바람직하게는 약 50 내지 70%, 가장 바람직하게는 60%이어야 한다. 냉간 가공이 약 40% 미만이면, 예컨대 와이어를 냉간 헤딩과 같은 적당한 형상으로 기계적 작업을 하는 것이 어렵게 되고 오버 에이징력이 부적합하게 될 것이다. 냉각 가공이 80% 이상이면, 오버 에이징 속도가 매우 빨라지며, 이것으로 인해 항복강도가 원하는 스프링 성능 및 연성을 얻기 위해 요구되는 최소한의 값보다 적게 될 위험이 있다. 압착성 또한 부적합하게 될 수 있다.

재차 언급하지만, 상기 문단에 기재된 냉간가공은 합금을 냉간 헤딩 또는 냉간 형성과 같은 전기 커넥터로 최종 성형하는 것에 관련된 부가적인 냉간가공은 배제하는 것으로 이해되어야 한다.

시효경화에 관해서, 실질적으로 상기 기재된 합금의 오버 에이징을 수행할 수 있는 어떤 조건들이 사용될 수 있다. 예컨대, 시효경과는 약 900°F 내지 1000°F(480℃ 내지 540℃), 더 바람직하게는 950°F 내지 975°F(515℃ 내지 525℃)의 온도에서, 3 내지 9시간, 더 바람직하게는 5 내지 7시간동안(가공 시간을 단축시키려면 더 높은 온도로 하면 되고 온도를 낮추려면 가공 시간을 길게 하면 됨) 간편하게 수행될 수 있다. 바람직하게는 오버 에이징은 피크 에이징시 달성되는 최대 인장강도인 95% 이하의 인장강도를 가지며 더 바람직하게는 피크 에이징시 달성되는 최대 인장강도인 약 90% 이하의 인장강도를 가지도록 하는 방식으로 수행된다.

이와 관련하여 우리가 이해하여야 하는 것은, 본 발명에 따른 오버 에이징된 Be-Cu 합금이, 약 50% IACS, 더 바람직하게는 60% IACS 이상의 전기 전도도를 나타내며, 이 전기 전도도는 피크 에이징되거나 언더 에이징된 같은 화학 조성의 합금의 전기 전도도보다 통상 더 높다는 사실이다. 예컨대 하기 표2의 합금 B가 3 내지 5시간동안 600°F에서 언더 에이징되는 경우 약 48% IACS 이하의 전기 전도도를 나타내는 반면, 7시간동안 1000°F에서 오버 에이징되는 경우 약 64% IACS의 전기 전도도를 나타낸다. 유사하게 합금 A가 3 내지 5시간동안 600°F에서 언더 에이징되는 경우 약 42% IACS 이하의 전기 전도도를 나타내는 반면에, 합금 D가 5시간동안 950°F에서 오버 에이징되는 경우 약 71% IACS의 전기 전도도를 나타낸다. 따라서상기 논의된 바와 같은 언더 에이징된, 피크 에이징된, 그리고 오버 에이징된 Be-Cu 합금을 구분하는 전통적인 방법을 사용할 뿐만 아니라, 이러한 합금들의 전기 전도도들 역시 그들의 시효경화 조건의 한 기준으로서 이용할 수 있다.

또한 이해하여야 할 점은 공작물이 최종 형상으로 냉각 형성되거나 기계가공된 이후에 본 발명에 따라 오버 에이징이 일반적으로 행해질 것이라는 점이다. 그러나 원한다면 오버 에이징은 최종 성형 전에 수행할 수도 있다. 또한 원한다면 시효경화가 단계 내에서 언더 에이징 또는 피크 에이징 조건에서 행해지는 하나 이상의 예비적 시효경화 단계와 함께 수행되며 그 다음에 오버 에이징 조건 하에서 최종 시효경화를 수행할 수 있다. 예컨대 공작물이 800°F 내지 900°F(430℃ 내지 480℃)에서 약 5시간동안 처리된 다음에 900°F 내지 1000°F(480℃ 내지 540℃), 더 바람직하게는 950°F 내지 975°F(515℃ 내지 525℃)에서 약 5시간동안 이차 시효경화 열처리될 수 있다. 원한다면 최종 형상으로의 공작물 기계가공을 제1차 또는 제2차 시효경화 단계 사이에서 수행할 수 있다. 예컨대 최종 완료된 직경(finished diameter) 내의 와이어 부분 또는 막대는 냉각 헤딩 또는 다른 기계가공 운전 이후이지만 최종 기계가공 전의 시점에서 언더 에이징 또는 피크 에이징된 후 본 발명에 따라 최종 기계가공 이후이지만 압착 전의 시점에서 오버 에이징시킬 수 있다.

최종적으로, 비록 공작물의 최종 어닐 온도를 유지할 필요는 없지만, 1500 내지 1800°F(815 내지 982℃)의 정상적인 어닐 온도 범위 중 낮은 부분의 온도가 바람직하다. 즉, 약 1650°F 미만의 온도가 바람직하고 약 1550°F의 온도가 더욱바람직하다.

인장강도 대 연성

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에서 관심을 두는 유형의 Be-Cu 합금들에 있어서 항복강도 및 연성(면적 감소에 의해 측정된)은 실질적으로 서로 반비례 관계에 있다. 그러므로 본 발명이 특정 응용분야에 적용되는 때에는 그 응용에 적합한 0.2% 항복강도 및 연성의 조합을 갖는 특정 합금을 신중히 선택하여야 한다.

특정 전기 커넥터의 작동 특성은, 그것의 스프링 엔드(end)에서 발휘되는 스프링 힘 및 그것의 압착 엔드에서 나타나는 압축력의 견지에서, 그 커넥터를 형성하는 합금의 성질 뿐만 아니라 그 커넥터 그 자체의 기하학에 의해서도 좌우된다. 따라서 본 발명을 특정 응용물에 적용할 때에는 합금을 제조하기 위해 선택되는 공정 파라미터들(즉, 화학적 측면, 용액 어닐링 온도, 냉각 가공 및 오버 에이징 온도 및 시간)을 선택함에 있어서, 그 합금의 결과된 항복강도가 그 커넥터의 스프링 엔드에서의 형상 및 예측된 평향도에 의해 결정된 소정의 최소값보다 크지만 그 커넥터의 압착 엔드에서의 연성이 균열을 막기에는 불충분한 상기 최대 강도값보다는 낮도록 선택하여야 한다.

다시 말하면 합금의 연성은 그것의 강도와 연관이 있는데, 특정 설계를 위해 선택된 합금은 지나치게 강하면 안된다. 왜냐하면 강도가 지나치게 강하면 국소적인 어닐링 없이 제조되는 경우 연성이 압착 엔드에서 균열을 방지하기에는 불충분하기 때문이다. 그러므로 특정 응용 목적으로 사용하기 위해 합금을 선택할 경우에는(상기 기재된 화학적 측면 및 공정 조건 둘다를 포함하여), 항복강도가, 커넥터스프링 엔드에서는 적절한 스프링 성능에 필요한 상기 최소값보다는 높아야 하지만, 커넥터의 압착 엔드에서는 불충분한 연성을 초래할 수 있는 최대값보다는 낮은 합금으로 신중히 선택하여야 한다.

특정 커넥터 설계에 이용될 합금의 허용가능한 항복강도의 최소값은 현존하는 커넥터 설계에 대해 현재 실시하고 있는 것과 같은 종래의 방식으로 결정할 수 있다. 그런 다음에, 합금의 항복강도의 최대값은 본 발명에 따라 도 3에 도시된 바와 같은 플롯을 발전시킴으로써 그 설계에 관해 결정될 수 있다. 특히, 심사숙고된 특정 커넥터 설계에 특이적인 도 3의 것과 유사한 어떤 플롯을 이용하면 그 설계에 있어 가능하면서도 적합한 항복강도 및 연성(% 면적 감소로 측정된) 범위를 지정할 수 있을 것이다. 또한 이 플롯을 제작하면서 개발된 데이타들을 이용하면, 이러한 성질들의 특정 조합을 달성하기 위해 필요로 되는 합금 파라미터들의 특정 조합(화학적 측면, 용액 어닐링의 조건, 냉각 가공 및 오버 에이징)을 지정할 수 있을 것이다. 이러한 제약 범위 내에서 합금 제조 파라미터들의 특정 조합을 선택하여 그 설계에 적합한 항복강도 및 연성의 최적 조합을 얻을 수 있다.

이와 관련하여 본 발명은 하기와 같은 케이스 A 및 케이스 B의 두가지 다른 상황에서 전기 커넥터를 설계함에 있어 광범위하게 적용될 것이다.

<케이스 A>

이 커넥터 설계는 이미 현존하는 것이며, 커넥터를 제조하기 위해서 더 비싼 합금을 사용하거나 더 비싼 합금/공정 조합에 의존한다. 본 발명의 합금이 그 현존하는 설계에 현재 사용되는 합금 대신 직접 사용되며 이는 일차적으로 비용 절감을위한 것이다. 본 발명의 합금에서는 제외된 비-발명적 합금을 사용하면, 특정된 합금의 기본 비용과 "구역 어닐링(zone annealing)"에 추가되는 비용에서 본 발명과 차이를 나타내기 때문에 본 발명은 비용 절감이 가능한 것이다. 사용자는 스프링 기하구조나 압착 부분의 기하구조를 변경하지 않을 것이다. 이 경우에 본 발명을 적용하는 접근 방법은 항복강도를 두 한계점 사이의 범위 내, 즉 스프링 힘이 그 현존하는 커넥터 설계의 스프링 말단에 부적합해지기 시작하는 최소한의 항복강도(YS)보다는 높지만(즉, 그 현존하는 설계로부터 분리된 종래 합금의 최소 YS 값보다는 높은), 연성이 그 현존하는 커넥터의 스프링 말단에서 균열 없이 압착을 유지하는 데에 부적합해지는 최대 YS 값보다는 낮은 범위내로 할 수 있도록 하는 합금 및 그 공정(Ni 함량, 완성 직전의 어닐링 온도, 최종 크기로의 냉각 가공, 최종 시효경화 조건)을 선택하는 것이다. 상기 후자의 YS 한계점은 본 발명에서만 특유한 점이며 압착 말단에서 구역 어닐링하여야만 하는 종래기술의 합금과는 무관하다. 최종 시효경화 처리는 (1) "냉간 헤딩된" 그리고 에이징된 커넥터의 경우에는 그 커넥터들이 제조된 후이지만 압착하기 전의 시점에서, 또는 (2) 사전-에이징 된 고체 와이어 또는 로드(rod)로부터 기계 가공된 커넥터의 경우 커넥터 제조 및 그에 뒤따르는 압착전의 시점에서 적용될 수 있다.

<케이스 B>

설계(design)는 "신규"하고, 종래의 커넥터보다 비용 감소 및/또는 커넥터 성능 개선을 가능하게 하는 본 발명의 합금 및 공정의 이점을 사용하는 신규의 커넥터를 창조하기 위한 것이다. 여기에서, 더욱 전통적인 설계 공학적 접근이 적용된다:

(1) 예를 들어, 인쇄 회로 기판 또는 결합 장치(mating device) 상 또는 그 사이와 같이, 보다 큰 전기 또는 전자 부품에서의 연결을 위하여 할당되는 공간에 의하여 결정되는 커넥터 설계상 크기 제한을 수립한다.

(2) (a) 의도하는 사용 조건 -- 할당된 공간에서 스프링의 최대 허용 편향, 진동/충격(기계적 부하)에 대한 필요 저항, 승온(응력 이완) 등 하에서 회로의 본래상태(integrity)를 유지하기 위한 최소 수직 힘(minimum normal force); (b) 동시 다중 접촉 연결을 용이하게 하기 위하여, 초과해서는 안되는 최대 삽입 강도(maximum insertion force); (c) 예상되는 전기 전류량/전력을 과잉 온도 상승 없이 다루기 위한 최소 전기 전도도; (d) 커넥터 제조를 허용하는 최소 연성 -- 스프링 빔에서 특정 가혹도(severity, 스프링 빔 두께에 대한 굴곡(bend)의 지름, R/t)의 굴곡을 형성하거나 특정 가혹도의 압착 말단을 남겨두기 위한 능력(주 -- 압착 가혹도는 리드 와이어 크기 대 홀 크기, 진동에 기인하여 압착에서 신호의 본래상태의 손실에 대하여 저항하는데 필요한 "견인력(pull strength)", 조립력(assembly force), 장시간 열 노출 등에 의하여 결정되는 바와 같이, 압착 설계에 의하여 사용될 것이다); 및 (e) 경쟁적 시장-부과 비용 제한(합금 및 공정 선택)의 관점에서 커넥터의 성능 요건을 정의한다.

(3) 고전적인 기계 방정식에 기초하여 통상적으로 이용 가능한 고전적인 기계 스프링 설계 방정식 또는 유한 요소 컴퓨터 모델을 사용하여, 설계-결정되는 스프링 빔 단면 크기 및 편향에 대한 최소 실온 수직력을 제공하기 위한 최소 항복강도(yield strength: YS)를 확립한다. 이러한 YS의 최소 값을 달성할 수 있는 합금의 "짧은 목록(short list)"를 선택하고, 부적합한 전도도, 온도 저항, 및/또는 연성이 있는 그러한 경쟁적 합금 및 고비용의 합금을 제거함으로써 발명의 범위 내에서 목록을 단일 물질로 더욱 좁힌다.

예를 들어, 하기의 가공 실시예 1 내지 38(이들은 크기 및 모양의 관점에서 동일하다) 작업의 전기 커넥터의 설계시, 적합한 스프링 성능을 보장하기 위하여 스프링 말단의 특정 기하 및 크기는 커넥터의 이 부분을 형성하는 합금이 70 내지 75ksi의 최소 항복 강도를 갖는 것을 결정한다. 도 3의 데이터로부터, 압착 시 균열이 생기는 것을 방지하기 위하여 면적 감소의 관점에서 커넥터의 압착부가 그의 특정 설계에 의하여 약 30%의 최소 연성을 갖는 합금으로부터 형성되는 것이 필요함이 결정되었다. 또한, 도 3은 연성이 약 30% 아래로 떨어지지 않는 것을 보장하기 위하여, 오버 에이징 후, 스프링 말단에서의 최대 항복 강도가 약 80 내지 약 85ksi를 초과해서는 안 된다는 것을 나타낸다.

동일한 방식으로, 스프링 부에서의 합금이 단지 약 65ksi의 최소 항복 강도를 갖는 것이 가능하게 하는, 상이하면서 요구조건이 적은 설계 표준으로 가공 실시예 39 내지 41의 커넥터들을 제조하였다. 다음에서 논의되는 바와 같이, 이러한 커넥터들은 최종 강도로 오랫동안 압연되어 오버 에이징 되고, 형성 후 더 이상 열처리하지 않은, 와이어의 냉간 헤딩에 의하여 형성된다. 하기 표 4로부터 알 수 있듯이, 압착부의 기하학적 특징은 스프링 말단(즉, 압연 에이징 된 와이어 기반 물질) 항복 강도가 82ksi만큼 높은 범위이고, 균열 없이 압착되도록 적합한 연성이유지될 수 있는 그러한 것이다.

따라서, 도 3에서 연성과 항복 강도 사이의 모순(trade off) 때문에, 항복 강도 및 연성의 어떠한 배합도 본 발명에 따라 제조되는 모든 커넥터에 적합할 수는 없을 것이다. 그럼에도 불구하고, 다양한 스프링 특성 및 압착성이 있는 커넥터는 본 발명에 따라, 종래의 공정에서 필수적인 국부적 어닐링 없이, 목적하는 동작 특성 및 설계를 보유하는 커넥터를 형성하기 위해 사용되는 합금을 적합하게 선택함으로써 달성될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면 종래에는 이용할 수 없었던 배합 특성을 갖는, Be-Cu 합금으로부터 형성되는 신규의 전기 커텍터를 만들 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 최종 용액 어닐링 후 냉각 가공 및 시효경화를 종래에 수행된 조건과는 상이한 조건 하에서 수행하는, 신규의 상기 합금 제조 공정이 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 종래에 공지되지 않은 신규의 와이어 및 바(bar) 소재(stock) 제품을 만들 수 있다.

실시예

더욱 완벽하게 본 발명을 설명하기 위하여, 하기 가공 실시예를 수행하였다. 이들 가공 실시예에서, 일련의 합금을 제조하였고, 이들 합금은 하기 표 2에 나타낸 화학적 조성을 갖는다:

합급 성분, 중량 %

합금	Be	Ni	Sn	Zr	Pb	Cu
A	0.32	0.79	<0.005	0.022	0.56^＊	나머지
B	0.24	0.75	0.022	0.21	0.51^＊	나머지
C	0.25	1.28	<0.005	0.18	0.53^＊	나머지
D	0.29	1.26	<0.005	0.23	0.32^＊	나머지
E	0.27	1.24	<0.005	0.22	0.30^＊	나머지
F	0.26	0.79	<0.005	0.17	<0.003	나머지

* 0.30% 내지 0.56%의 Pb를 함유하는 합금 A 내지 E는 기계가공 시 바람직하게 짧고, 부서진 칩이 나오는 반면, 단지 미량의 Pb만을 함유하는 대조 합금 F는 바람직하지 않게 길고, 줄 같은 칩과 함께 기계 가공된다.

실시예 1 내지 38

상기 합금 A 내지 F를 사용하여 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 전기 커넥터를 제조하였다. 이들 커넥터에 대한 설계 표준에 따르면, 적합한 스프링 힘을 보장하기 위하여 최종 직경 0.097인치 및 최소 70 내지 75ksi의 0.2% 항복 강도가 요구된다. 각각의 경우에, 합금은 공칭 2인치 또는 6인치 직경의 주괴로 주조된다. 주괴는 가열 압출되고, 와이어로 냉간 인발되며, 선택사항으로서 1700℉(930℃)에서 매개 용액 어닐링이 6인치 직경의 주괴로부터 제조된 와이어 상에서 수행된다. 그렇게 형성된 와이어는 이후, 완성 직전 직경에서 용액 어닐링되고, 이후 다양한 양에 의하여 0.097인치의 최종 직경으로 냉간 인발된다.

그렇게 형성된 와이어는 이후, 세그먼트로 다시 분할되고, 세그먼트는 와이어 양단에서 원통형 입구를 형성하기 위하여 냉간 헤딩된다. 이후, 각각의 수 커넥터의 일 말단은 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 콜릿(collet)-모양의 스프링 요소에 대한 슬롯을 형성하기 위하여 기계 가공된다. 이후, 그렇게 기계 가공된 부분을 시효경화한다. 시효경화 후, 각 부분(part)의 냉간 헤딩된 다른 말단을 실온에서 압착함으로써 리드 와이어에 연결한다. 이렇게 형성된 압착부는 이후, 균열 여부를 검사받는다.

이들 실시예의 냉간 헤딩된 파트 일부는 사전-에이징 기계 가공 중에 적은 강도에 기인한 절삭력으로부터의 변형 또는 잔류 응력에 의하여 "플레어링(flare)"하는 경향이 있다. 따라서, 실시예 13-A 내지 15-A 및 35-E 내지 38-E에서, 시효경화는 기계가공 전에 수행되는 제1단계 및 기계가공 이후이지만 압착 이전에 수행되는 제2단계의 두 단계로 수행한다.

수득한 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 편의를 위하여, 균열 없는 압착에 이르지 못한 특정 커넥터에 대한 파라미터는 기울인 굵은 글씨체로 나타내었다.

실시예 1 내지 38의 전기 커넥터 특성

실시예 번호 및 합금	RF 어닐링 (F)	냉간 가공 (%)	에이징 처리	0.2% YS (ksi)	UTS (ksi)	% 면적 감소	균열 없는 압착?
1-A	1550	40	950F/2hr	*81.6*	96.5	52.9	NO
2-A	1550	40	950F/3hr	79.4	97.2	40.8	YES
3-A	1550	40	950F/5hr	72.6	90.8	39.2	YES
4-A	1550	40	950F/7hr	70.3	90.1	43.4	YES
5-A	1550	40	975F/3hr	72.9	87.9	55.0	YES
6-A	1550	40	975F/5hr	70.2	82.4	56.3	YES
7-A	1550	40	975F/7hr	70.1	86.5	53.7	YES
8-A	1550	40	975F/9hr	66.5	81.1	53.7	YES
9-A	1550	80	950F/3hr	*107.0*	115.5	17.1	NO
10-A	1550	80	950F/5hr	*96.0*	111.1	23.7	NO
11-A	1550	80	950F/7hr	*96.8*	109.0	24.9	NO
12-A	1550	80	975F/5hr	*98.1*	110.0	30.4	NO
13-A	1550	40	900F/5hr＋900F/3hr^＊＊	78.4	93.2	42.5	YES
14-A	1550	40	900F/5hr＋950F/3hr^＊＊	75.9	91.1	41.1	YES
15-A	1550	40	900F/5hr＋975F/3hr^＊＊	75.7	87.1	31.8	YES
16-A	1550	80	800F/5hr	*100.6*	113.5	20.9	NO
17-A	1550	80	800F/5hr	*100.7*	111.4	34.0	NO
18-B	1550	40	900F/5hr	*92.8*	102.2	32.5	NO
19-B	1550	80	975F/5hr	68.7	80.4	51.2	YES
20-B	1550	40	*600F/1hr*	67.8	74.1	52.9	NO
21-B	1550	40	*600F/3hr*	66.8	75.3	56.4	NO
22-B	1550	40	*600F/5hr*	66.6	76.4	55.8	NO
23-B	1550	40	*600F/7hr*	68.0	76.9	60.8	NO
24-B	1550	60	*600F/1hr*	72.7	79.3	57.5	NO
25-B	1550	60	*600F/3hr*	72.0	80.3	59.3	NO
26-B	1550	60	*600F/5hr*	71.8	81.8	58.9	NO
27-B	1550	60	*600F/7hr*	71.9	82.6	57.2	NO
28-B	1550	80	*600F/1hr*	78.3	83.9	54.5	NO
29-B	1550	80	*600F/3hr*	77.5	84.9	52.3	NO

실시예 번호 및 합금	RF 어닐링 (F)	냉간 가공 (%)	에이징 처리	0.2% YS (ksi)	UTS (ksi)	% 면적 감소	균열 없는 압착?
30-B	1550	80	*600F/5hr*	78.3	86.1	58.9	NO
31-B	1550	80	*600F/7hr*	79.5	87.3	41.7	NO
32-C	1700	84	950F/5hr	77.8	86.7	43.9	NO
33-D	1700	60	*800F/3hr*	*112.9*	126.1	데이터없음	NO
34-D	1700	60	*900F/5hr*	*110.5*	119.1	데이터없음	NO
35-E	1550	60	800F/5hr＋950F/5hr^＊＊	*82.1*	91.9	45.2	NO
36-E	1550	40	800F/5hr＋975F/5hr^＊＊	74.1	85.7	53.1	YES
37-E	1550	60	800F/5hr＋975F/5hr^＊＊	75.0	86.9	42.3	YES
38-E	1550	80	800F/5hr＋975F/5hr^＊＊	59.9	72.5	56.2	NO
*C19150* *(비교)*			사용자가 약 750F/3hr 내지 5hr에서 시효경화	70-90	85-105	데이터없음	NO(압착 이전에 구역 어닐링 필요)

** 냉간 헤딩 이후이지만 기계가공 이전에 수행되는 제1 시효경화 및 기계가공 이후이지만 압착 이전에 수행되는 제2 시효경화의 두 단계 일괄 열처리

실시예 39 내지 41

실시예1 내지 38의 기하와는 다소 상이하고, 공칭 직경이 0.097인치가 아니라 0.131인치인 전기 커넥터를 상기 표 2의 합급 B로부터 제조하였다. 이와 같이 상이한 크기 및 기하 때문에, 이들 전기 커넥터의 최종 특성 요건은 스프링 힘 및 압착성의 관점에서 실시예 1 내지 38의 전기 커넥터보다 덜 가혹하다. 예를 들어, 이들 커넥터를 형성하는 합금의 최소 0.2% 항복 강도는 특정 스프링 설계에 대한 스프링 힘 요건을 덜 요구하기 때문에 70내지 75ksi가 아니라, 단지 약 60ksi 내지 65ksi이다. 더구나, 실시예 39 내지 41의 커넥터는 최종 항복 강도 및 연성에 대한 시효경화(오버 에이징)가 부분 제조 후 열 처리에 의해서라기 보다는 여전히 코일 형태의 합금으로 달성된다는 점에서 실시예 1 내지 38과는 다소 상이한 공정에 의하여 제조된다.

따라서, 이들 커넥터의 제조에 있어서, 합금 B는 가열 압출되고, 완성 직전 직경까지 냉각 인발되며, 1550℉에서 용액 어닐링되고, 이후 0.131인치의 최종 직경에 대하여 50% 냉각 인발되며, 코일 형태로 시효경화되고, 기계적으로 교정되며(straighten), 적합한 길이의 단편으로 절삭되고, 압착 말단용으로 각 커넥터 중 일 말단에 콜렛-형태의 스프링 요소를 형성하고, 각 커넥터의 반대편 말단에 블라인드 홀(blind hole)을 형성하기 위하여 냉각 헤딩없이 원통형의 커넥터로 기계가공된다.

실시예 1 내지 38의 경우에서와 같이, 실시예 39 내지 41의 커넥터는 또한 압착부의 국부적 어닐링 없이 실온에서 압착하여 리드 와이어에 연결하고, 이렇게 형성된 압착은 이후, 크랙 여부를 검사한다. 다음과 같은 결과를 얻었다:

실시예 39 내지 41의 전기 커넥터 특성

실시예 번호 및 합금	RF 어닐링 (F)	냉각 가공 (%)	에이징 처리	0.2% YS (ksi)	UTS (ksi)	% 면적 감소	크랙 없는 압착?
39-B	1550	50	975F/5hr	79.0	94.0	데이터없음	YES
40-B	1550	50	975F/5hr	82.0	91.0	데이터없음	YES
41-B	1550	50	1000F/7hr	64.7	80.0	데이터없음	테스트하지 않음
*C19150* *(비교)*			사용자가 약 750F/3hr 내지 5hr에서 시효경화	70-90	85-105	데이터없음	NO(압착 이전에 구역 어닐링 필요)

도 3과 관련하여 상기 설명한 바와 같이, 상기 결과는 지시된 화학적 성질의Be-Cu 합금이, 40 내지 80%의 냉각 가공시 시효경화의 이력에 관계없이 균일하게 약 60ksi 이상의 0.2% 항복 강도 및 20 내지 65%, 더욱 전형적으로는 30 내지 65%의 연성을 나타냄을 보여준다. 그러나, 약 60 내지 80ksi의 항복 강도를 갖고, 또한 시효경화 중 오버 에이징된 합금만은 실온에서 균열 없이 압착된다. 다른 합금-즉, 80ksi를 초과하여 언더 에이징, 피크 에이징 또는 시효경화된 합금-은 이들 합금이 화학적 성질, 어닐링 이력 및 냉각 가공 이력에서 동일하더라도, 균열 없이 압착되지 않는다. 이는 스프링 특성 및 균열 없는 압착의 바람직한 배합을 나타내는 전기 커넥터가, 종래의 상기 커넥터 제조 공정에서 요구되는 국부적 어닐링에 대한 필요성 없이, 상기 합금으로부터 형성되는 것을 가능하게 한다.

또한, 상기 결과는 상기 개시에 따라 제조된 대부분의 합금이 어닐링 없이 균열 없는 압착 및 허용 가능한 항복 강도를 이루더라도, 공정 변수의 어떤 배합은 이러한 결과를 얻는데 매우 가혹할 수 있음을 보여준다. 예를 들어, 실시예 9-A 내지 12-A와 실시예 2-A 내지 8-A 및 실시예 19-B의 비교는 80% 냉각 가공이 합금 A에 대해서는 매우 가혹하지만, 합금 B에 대해서는 그렇지 않음을 보여준다. 유사하게, 실시예 36 내지 38-E는 80%의 냉각 가공이 합금 E에 대해서는 매우 가혹함을 나타낸다. 이들 예에서, 냉간 가공은 약 75% 또는 70% 또는 60% 이하의 낮은 수준으로 제한되어야 한다. 따라서, 본 발명의 일부 구체예에서, 냉간 가공은 45 내지 75%, 또는 심지어 50 내지 70%, 가장 전형적으로는 약 60%로 수행된다.

이것은 단지 허용가능한 항복 강도에서 균열 없는 압착성의 목적하는 결과를 이루기 위하여 본 발명의 특정 구체예를 수행하기 위하여 사용된 각 파라미터에 대하여 적합한 값을 선택하는데 주의하여야 함을 설명한다. 이는 목적하는 결과를 이루기 위하여 적합한 파라미터 배합이 통상적으로 선택되어야 하는 그 밖의 야금학 분야와 다르지 않다. 당업자는, 관련 파라미터의 일반적인 논의가 안내되지만 보증되는 것은 아니며, 통상적인 실험이 본 발명을 그의 다양하고 상이한 구체예에 적용하는데 필요할 수 있음을 이해한다. 가공 실시예를 포함하는 상기 논의에 기초하여, 당업자는 본 발명을 그의 범위 전부에 적용하는데 어려움이 없다.

마지막으로, 불순물은 또한 균열 없는 압착성이라는 바람직한 특성을 나타내는 제품을 완성하는데 어떠한 역할을 할 수 있다고 여겨진다. 따라서, "린(lean)" Be-Ni-Cu 합금의 열 안정성을 강화하기 위한 미국 특허출원번호 SN 08/738,880호(이의 개시는 또한 참조로서 포함된다)에서 나타난 지르코늄 또는 티타늄이 오버 에이징 침전 경화 반응을 느리게 하는 경향이 있다. 본 발명에서 사용되는 합금에서 지르코늄 또는 티타늄이 실질적으로 미량보다 많이, 예를 들어, 최대 0.5 중량 %, 바람직하게는 표 1의 불순물 농도까지 존재한다면, 오버 에이징에 의하여 충분하게 낮은 강도를 얻는데, 약 80%까지의 더 높은 냉간 가공으로/없이 더 높은 오버에이징 온도, 더 긴 오버에이징 시간이 필요할 수 있다. 예를 들어, 합금 A, 실시예 2-A 내지 8-A 및 13-A 내지 15-A와 비교하여 합금 B, 실시예 18-8 및 19-B를 참조할 수 있다.

이상에서는, 본 발명의 단지 몇몇의 구체예만이 기재되어 있지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 많은 변형이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 2가 본 발명의 커넥터에 대한 단지 하나의 기하를 도시하더라도, 다른 기하가사용될 수 있는 것으로 인식되어야 한다. 커넥터가 압착을 통하여 와이어 또는 다른 성분과 확실히 결합할 수 있도록 설계된 압착부 및 커넥터에 의하여 발휘되는 스프링 힘에 의하여 결합 커넥터와 확실히 결합할 수 있도록 설계된 스프링부를 갖고 있는 한, 커넥터 설계는 본 발명에 적합하다. 모든 그러한 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되고, 이는 하기 청구의 범위에 의하여 제한된다.

Claims

반복적인 결합 후에도 소망하는 스프링 수직력을 유지할 수 있는 스프링부와, 압착 전에 국부적인 어닐링을 하지 않고도 균열 없이 압착함으로써 와이어 또는 다른 부품과 결합이 가능한 압착부를 구비하며,

0.15∼0.50 중량 %의 Be과, 0.4∼1.4 중량 %의 Ni 또는 Co 또는 이들 모두와, 0.2∼1.0 중량 %의 Pb과, 나머지는 구리 및 기타 혼합물을 포함하는 합금으로 형성된 전기 장치로서,

상기 전기 장치는 최종 용해 어닐링 후에 40∼50%만큼 냉간 가공되고, 시효경화 과정에서 오버 에이징 됨으로써, 상기 전기 장치를 형성하는 합금은 최종적으로 대략 60 및 80 ksi 사이의 0.2% 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전기 장치를 형성하는 합금은, 면적 감소에 의하여 측정된, 20 및 65% 사이의 연성을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 전기 장치를 형성하는 합금은, 면적 감소에 의하여 측정된, 30 및 65% 사이의 연성을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전기 장치를 형성하는 합금은 최대 피크 에이징 된 인장 강도의 95% 미만으로 오버 에이징된 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
제 1 항에 있어서,

상기 전기 장치를 형성하는 합금은 최대 피크 에이징 된 인장 강도의 90% 미만으로 오버 에이징 된 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
제 1 항에 있어서,

상기 합금은,

0.2∼0.4 중량 %의 Be과, 0.50∼1.25 중량 %의 Ni 또는 Co 또는 이들 모두와, 0.2∼0.6 중량 %의 Pb과, 총합이 최대 0.5 중량 %인 Fe, Al, Si, Cr, Sn, Zn, Ag, Mn, Zr, Ti 및 Mg 중의 하나 이상과, 다른 기타 혼합물과, 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
제 6 항에 있어서,

상기 합금은 0.25∼0.5 중량 %의 Pb을 함유하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
제 1 항에 있어서,

상기 전기 커넥터는 압출 성형된 와이어 또는 바 인 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
제 8 항에 있어서,

상기 전기 커넥터의 상기 압착부는 냉간 성형 및/또는 기계가공에 의하여 형성된 중공의 원통부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
반복적인 결합 후에도 소망하는 스프링 수직력을 유지할 수 있는 스프링부와, 압착 전에 국부적인 어닐링을 하지 않고도 균열 없이 압착함으로써 와이어 또는 다른 부품과 결합이 가능한 압착부를 구비하며,

(a) 0.15∼0.50 중량 %의 Be과, 0.4∼1.4 중량 %의 Ni 또는 Co 또는 이들 모두와, 0.2∼1.0 중량 %의 Pb과, 총합이 최대 0.5 중량 %인 Fe, Al, Si, Cr, Sn, Zn, Ag, Mn, Zr, Ti 및 Mg 중의 하나 이상과, 나머지는 구리 및 기타 혼합물을 포함하는 Be-Cu 합금을 압출, 선택적으로 중간 어닐링, 및 냉간 인발하여 완성 직전의 직경을 갖는 와이어를 형성하고,

(b) 상기 와이어를 최종 용액 어닐링하고,

(c) 상기 와이어를 대략 40∼80% 면적 감소에 의하여 냉간 가공하고,

(d) 상기 와이어를 오버 에이징 하여, 상기 와이어를 형성하는 합금의 0.2 항복 강도가 60 및 80 ksi 사이가 되도록 하고, 상기 와이어를 형성하는 합금의 최종 인장 강도가 피크 에이징 되었을 때의 상기 합금의 최대 최종 인장 강도의 95% 미만이 되도록, 상기 와이어를 시효경화함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 실온 압착형 전기 커넥터.
제 10 항에 있어서,

상기 와이어는 조각들로 제공되며,

최종 용액 어닐링 후 시효경화 완료 전에, 상기 와이어 조각들의 일단 또는 양단에는 냉간 헤딩에 의해 중공의 원통부가 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
제 11 항에 있어서, 상기 합금은 0.2∼0.6 중량 %의 Pb을 함유하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
0.15∼0.50 중량 %의 Be과, 0.4∼1.4 중량 %의 Ni 또는 Co 또는 이들 모두와, 0.2∼1.0 중량 %의 Pb과, 총합이 최대 0.5 중량 %인 Fe, Al, Si, Cr, Sn, Zn, Ag, Mn, Zr, Ti 및 Mg 중의 하나 이상과, 나머지는 구리 및 기타 혼합물을 포함하는 Be-Cu 합금으로서,

상기 합금은 최종 용액 어닐링 후에 40∼80% 면적 감소에 의하여 냉간 가공되며, 이후 상기 합금의 인장 강도가 피크 에이징 된 인장 강도의 95% 미만이 되도록 오버 에이징 됨으로써, 60 및 80 ksi 사이의 0.2% 항복 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 Be-Cu 합금.
제 13 항에 있어서, 최소 65 내지 80 ksi의 0.2% 항복 강도와, 면적 감소에 의하여 측정된 30 내지 65%의 연성을 갖는 것을 특징으로 하는 합금.
연속적인 와이어 또는 바 형상의 와이어 또는 바 소재로서,

상기 소재는 0.15∼0.50 중량 %의 Be과, 0.4∼1.4 중량 %의 Ni 또는 Co 또는 이들 모두와, 0.2∼1.0 중량 %의 Pb과, 나머지는 구리 및 기타 혼합물을 포함하는 합금으로 이루어지며,

상기 합금은 최종 용액 어닐링 후에 40∼50%만큼 냉간 가공되고, 시효경화 과정에서 오버 에이징 됨으로써, 최종적으로 60 및 80 ksi 사이의 0.2% 항복강도와, 대략 30~65%의 연성을 갖는 것을 특징으로 하는 와이어 또는 바 소재.
연속적인 와이어 또는 바 형상의 와이어 또는 바 소재로서,

상기 소재는 0.15∼0.50 중량 %의 Be과, 0.4∼1.4 중량 %의 Ni 또는 Co 또는 이들 모두와, 0.2∼1.0 중량 %의 Pb과, 나머지는 구리 및 기타 혼합물을 포함하는 합금으로 이루어지며,

상기 합금은 최종 용액 어닐링 후에 40% 내지 80% 보다 크게 냉간 가공되는 것을 특징으로 하는 와이어 또는 바 소재.