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赫达铍铜解析铍青铜材料的加工工艺

来源:广东赫达金属材料有限公司   发布时间:2019-12-26   点击量:752

        铍青铜是一种典型依靠弥散相进行强化的合金,经过热处理后具有极高的强度和硬度,远超其他所有铜合金,甚至可以和高强度钢媲美。除此之外,它还具有较高的弹性、抗疲劳、抗寒、耐腐蚀、较小的弹性滞后、无磁、受冲击无火花产生等优异性能,是现代制造业必不可少的材料,曾为外国限制出口中国的军工类铜合金。虽然铍具有一定的毒性,在加工和使用过程中可能对人体和自然环境造成损害。

        但由于铍铜合金优秀的综合性能,目前仍无法被其他材料取代。近年来,随着电动汽车、电气电子工业及高速铁路网和高速列车建设等领域的飞速发展,作为该领域零件制造的重要原材料,铍青铜在全世界范围的需求量越来越大。随着经济与社会的发展,客户对铍青铜的综合性能和环境友好性提出了更严格的要求,一些新的制备和处理工艺越来越能够满足这些要求。本文研究和总结了铍青铜合金材料的制备和热处理工艺并对其未来加工处理工艺发展方向及应用前景进行了展望。

       

铍青铜材料的性能介绍

         铍青铜合金的力学性能与铍含量有着密切的联系。根据含铍量的不同,可将铍青铜合金分为高强高弹合金和高导电合金;按产品成型方式分为加工合金和铸造合金,加工合金主要用于制造各类精密弹性元件,铸造合金主要应用于航天、电子和机械制造工业。

常用的铍青铜牌号有QBE1.7,QBE2,QBE1.9,QBE2.5它们的化学成分表如表1所示。 

         

         铍青铜合金在析出强化相之前(固溶态)它不仅具有加工成型的良好塑性,而且能够为后续的时效强化做好准备。它的强度和硬度随着含铍量的增加而升高,但铍在铜中有一定的溶解度,当铍达到最大溶解度时,后续时效过程中无法从饱和的α固溶体中析出更多的γ相(γ相是以CuBe化合物为基的固溶体),因此其硬度不再提高。铍青铜零件具还有较高的疲劳寿命,例如铍青铜合金加工而成的微动开关弯曲片、接触簧片等零件的疲劳寿命达到100万次以上。铍青铜合金耐腐蚀性良好,在海水中的腐蚀速率极低((1.1~1.4)×10-2mm/a),且经过腐蚀后其伸长率、强度几乎不发生改变。它还具有冲击无火花、无磁性的特性,在军工武器及航天设备中有重要的应用;例如它应用于航空产品中可以保证航天器的磁洁净度。此外,铍青铜合金有良好的导热性、可焊性,在模具制造等领取应用非常广泛。

         

铍青铜材料的制备工艺

        1、铍青铜合金一般采用铸造工艺进行制备,铸造分为真空铸造和非真空铸造;非真空铸造主要包括倾斜铁模铸造、无流铸造等工艺。其制备过程是首先进行配料熔炼,再浇铸成型,最后根据需求进行后续加工。

        2、铍青铜合金在熔炼过程中需要严格控制熔炼温度、时间等工艺参数,在熔炼温度达到1200~1300℃时进行除渣精炼、脱氧排气等操作。温度为1100~1150℃时进行浇铸可获得较高质量的铍青铜铸锭[6-7]。均匀化退火可以使组织变得更加均匀、性能更加稳定。铍青铜合金在熔炼过程中极易与空气中的氧气发生反应。

        3、在非真空熔炼中要采取防氧化措施。采用木炭和磷铜除气时由于木炭粉在高温下燃烧,无法形成全面有效的保护;采用硼砂、碎玻璃覆盖并通入氩气的除气工艺效果最好;原因是硼砂和玻璃在高温下熔化后形成均匀致密的保护膜来阻止空气侵入。使用真空设备对铍青铜合金进行熔炼可以在防止氧化的同时还能够减少氧化铍的挥发,降低对环境和工人身体的损害。

        

铍青铜合金的热处理处理工艺

        铍青铜合金是依靠析出第二相来改变其性能,因此热处理对它的性能起决定性作用。其热处理过程分为两个大部分,第一个部分是固溶处理,第二部分是时效处理。在某些领域为了使铍青铜零件拥有某种特殊的性能,比如高导电性、可焊性、高耐腐蚀、耐磨性能等,需要对铍青铜合金进行表面处理,其表面电镀是最常用、性能改善最明显的加工处理工艺之一。

1、铍青铜材料的固溶处理工艺

      铍在铜中的溶解度随着温度的升高而增加,在室温时铍的溶解度为为0.16%,在400℃时其溶解度为0.6%,当温度为866℃时其溶解度达到最大(2.7%),形成过饱和的α固溶体。此时随着温度的降低α固溶体中的铍含量逐渐下降,铍的溶解度曲线逐渐偏向铜侧。铍青铜合金达到固溶温度再保温合适时间使铍充分固溶后快速冷却,富铍相来不及析出,从而形成过饱和的α固溶体,这就是铍青铜的固溶原理。为了保证其时效后具有良好的综合性能,铍青铜合金固溶处理参数应该控制在能够使铍充分固溶而又不发生晶粒长大的范围内。固溶温度太低或者时间较短,铍不能充分固溶到铜基体中,将会导致合金的沉淀强化能力降低;固溶处理温度太高容易使晶粒粗化,甚至导致晶界处熔化(过烧),材料脆性增大性能恶化。

2、铍青铜材料的时效处理工艺

      处于固溶态的工件无法直接使用,需经过时效处理后才具有较高的强度、硬度、弹性模数、弹性极限、疲劳极限及蠕变抗力。铍青铜金时效处理的本质是在合适的温度下从过饱和的α固溶体中分解出高度弥散的γ相,形成弥散强化效应,使材料综合力学性能提高。过饱和固溶体分解过程为:过饱和α固溶体→G·P区→γˊ→γ首先铍在晶界处富集形成G·P·区(偏聚区),随着时效温度升高和时效时间增长G·P·区长大并转换成中间过渡相γ′,再进一步转化成稳定的γ相。γ相为金属间化合物,脆而硬,它的弥散分布可加大位错运动阻力,使得铍青铜材料的强度和硬度进一步的提升。铍青铜合金中除了元素Be外,其他元素对铍青铜合金的力学性也能产生影响。

      

铍青铜材料的电镀前处理工艺

        在电子电气领域应用的铍青铜合金零件不仅要求有良好的耐磨性,还需具有优良的导电性能,为此表面需要进行镀银处理[31]。此外,为了美观或其他作用(例如增加可焊性)需要对铍青铜合金进行电镀。

        铍青铜零件电镀处理,能够满足客户对更高性能的追求,是其加工工艺中重要的一部分。

        铍青铜合金中含有易于钝化的铍、镍、钛等元素,即使在常温下也能生成一种肉眼看不到的氧化膜。在热处理过程中,即使是在真空炉中进行的热处理也会发生轻微的氧化。这些氧化膜会引起基体与镀层结合不良,严重时可使镀层出现气泡、蜕皮、麻点等缺陷;此外一旦镀层中含有机物等杂质,易出现较多的微孔,这些微孔和杂质在电解质的作用下形成微电池,造成更严重的腐蚀。电镀前处理可清除氧化膜,传统的前处理工艺效果不佳,且会有酸雾挥发,危害自然环境和工人健康。

       

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