工艺与材料铍青铜热处理工艺研究孙　瑜,封　勇(陕西群力无线电器材厂,陕西　宝鸡　721300) 摘要:文章从理论上阐述了铍青铜固溶处理机理,时效处理机理及实际生产中继电器用铍青铜零件固溶处理和时效处理工艺,最后阐述了此类铍青铜零件在热处理过程中应注意的几个问题。

关键词:铍青铜;固溶处理;时效处理;继电器中图分类号:TG 16612 文献标识码:A 文章编号:1000-6133(2002)03-0033-04收稿日期:2002-07-081　前 言铍青铜具有优异的机械性能、物理性能及化学稳定性,是一种重要的弹性材料,广泛用来制造继电器中的弹性零件及其它重要零件。

铍青铜是适用于热处理的合金。

在固溶状态下,它具有良好的塑性,再经时效后可获得高的强度、硬度、弹性模数、弹性极限、疲劳极限及蠕变抗力,同时还具有满意的导电性、导热性及抗蚀性。

铍青铜性能的优劣,在很大程度上取决于热处理的好坏,且直接影响继电器的性能,因此,研究铍青铜热处理工艺,提高铍青铜零件质量是达到这一目标的首选研究课题。

2　铍青铜固溶处理机理及工艺211　铍青铜的化学成分常用铍青铜牌号的化学成分见表1。

表1　常用铍青铜牌号的化学成分牌　号主要成分/10-2杂质/10-2BeNiCuMg 、Al 、Fe 、Si 、Pb 、PQBe1.91.9～2.20.2～0.5余量总和<0.5QBe2 2.0～2.3<0.4余量总和<0.52.2　铍青铜固溶处理机理图1　Cu 2Be 合金状态图(局部) 由Cu 2Be 合金状态图(图1)可知:铍在铜中有着有限溶解度,可形成具有面心立方晶格的α固溶体、具有体心立方晶格的β固溶体及具有体心立方晶格的γ固溶体,γ固溶体是具有高硬度的合金化合物CuBe 。

在864℃时α固溶体的含铍量达到2.1%,随着温度降低,α固溶体的含铍量逐渐减少,α固溶体的溶解度曲线显著地移向铜边。

当温度为200℃时,α固溶体的含铍量为0.2%。

含铍量为2%～2.5%的合金在高温下是α或α+β(少量),随α固溶度的改变,合金在缓慢冷却时逐渐析出β相,直到β相在575℃发生共析转变生成α+γ相为止。

继续冷却,从α相中不断析出高硬度的γ相。

不管是β相、γ相的析出,还是β相的共析转变,都是一种扩散过程。

如果冷却速度足够快,如淬火,此时扩散来不及进行,上述转变不能发生,合金冷到室温后,保留了高温时的组织,获得了过饱和的α固溶体或α+β。

但这时合金是不稳定的,如果提高温度(时效处理),过饱和的α固溶体便开始脱溶,引起合金的显著强化。

2.3　铍青铜零件固溶处理工艺所谓固溶处理是将铍青铜加热到单相组织状态,保温一段时间,使其组织均匀化,然后快速冷却,使高温组织来不及转变而保存于室温状态。

固溶处理的目的:一是获得均匀的过饱和固溶体,为时效强化做好组织准备;二是压力加工的中间软化;三是消除铸锭或铸件的枝晶偏析。

既能获得足够过饱和度的α固溶体,又能得到细晶粒的组织,是确定固溶处理规范的原则。

铍青铜的固溶处理温度控制在780～800℃,采用在氨气、惰性气体、还原性气氛中加热或在真空炉中加热,以获得光亮表面,采用室温状态下的自来水作为淬火介质较好。

至于淬火加热时间依据材料厚度决定,厚度小于0.2mm的材料,其加热时间为5min;厚度为0.2～0.4mm的材料,其加热时间为8～10min。

3　铍青铜时效处理机理及工艺3.1　铍青铜时效处理机理铍青铜固溶处理后,获得了过饱和的α固溶体及良好的塑性,之后的时效处理会使铍青铜的组织和性能发生显著变化。

时效处理过程实际上是固溶体分解的过程,一方面是从过饱和的α固溶体中不断析出γ相,另一方面是β相也发生分解,从β相中不断析出γ相,引起合金的显著强化。

低温时效时,扩散速度小,发生两相分解,新相质点小而多,强化速率较小,而在较高温度时效时,则因扩散速度增大,新相成核率小,长大快,所以强化速率加大,可见时效温度对时效效果的影响很大。

时效硬化不仅与时效温度及时间有关,而且与合金的含铍量,尤其是与α固溶体的过饱和度也有密切关系。

时效时硬度极大值及其出现的速率均随过饱和度的增加而增大。

α固溶体的晶粒越大,时效硬化的速率就越小,强化效果就越差,因此,正确选择固溶温度、加热时间及冷却介质,以便获得具有足够过饱和度及细晶粒的α相,对铍青铜的热处理具有重要意义。

3.2　铍青铜零件时效处理工艺时效温度及时间的确定取决于零件的技术要求,针对QBe2材料,在最大强化的情况下,时效温度310～330℃,保温时间90～120min,显微硬度可达到(320～380)HV 0.1。

在较低温度下时效,会获得较低的硬度,时效温度260～280℃,保温时间90～120min,显微硬度可达到(250～320)HV 0.1。

因材料批次不同,铍青铜的化学成分和组织状态会有区别,因此,材料批次更换,时效规范也将有所变动。

故在大量零件时效前,应先做时效规范摸底试验,然后大批量时效,可确保零件质量。

4　铍青铜零件热处理应注意的　几个问题4.1　铍青铜零件固溶处理应注意的问题铍青铜零件固溶处理时,必须注意以下几方面的问题:一方面必须严格控制加热温度、保温时间,因为加热温度过低,富铍相不能充分固溶,这样不仅会降低沉淀硬化效果,而且还容易发生不连续脱溶和晶界反应,从而恶化了材料弹性稳定性,并增大弹性滞后。

加热温度过高,会引起晶粒粗大,甚至过热或过烧,使材料的成型性及力学性能变坏。

另一方面必须严格控制冷却过程,尽量缩短淬冷转移时间,应快速淬入冷却液中,以免时效后性能达不到技术要求。

其次是铍青铜固溶处理保护气氛,铍青铜在空气或氧化性炉气中进行固溶处理时,表面会形成氧化膜,这种氧化膜连续而坚韧,虽然对材料时效强化后的力学性能影响不大,但具有研磨作用,在冷成型时会导致工模具磨损。

为避免氧化,应在真空炉中或在氨气、惰性气体或还原性气氛中加热,以获得光亮热处理的效果。

铍青铜零件的固溶处理也可在空气电阻炉或煤气炉中进行。

淬冷后进行酸洗,去除氧化皮,可得到光亮表面。

铍青铜不能在盐浴炉中进行固溶处理,因为大多数熔盐都会使材料表面发生晶间腐蚀和脱铍。

4.2　铍青铜零件时效处理应注意的问题4.2.1　铍青铜零件挠曲变形的校正铍青铜零件经固溶处理后都有一定的挠曲变形,特别是薄形零件变形将更加严重,但它的塑性很好,容易校平。

铍青铜时效是一个应力增加、强化的过程,它和碳素钢淬火后的回火过程有本质区别,碳素钢淬火后回火是一个应力减少、软化的过程。

所以,铍青铜零件固溶处理后必须先整形,然后夹紧于配套夹具中时效,可以获得符合要求的平整度。

4.2.2　铍青铜零件时效后硬度不符合技术要求的挽救经对时效处理机理进行分析可知,时效处理效果取决于时效温度(见图2)和时效时间(见图3)。

铍青铜时效后硬度主要取决于时效温度,虽然随着时效时间的加长硬度也在不断上升,但上升比较缓慢。

而随着时效温度的升高,硬度升高很快。

因此说铍青铜对时效温度很敏感,时效过程中应严格控制温度,此观点已被实际生产所证实。

实际生产中,若铍青铜零件时效处理后硬度偏低,可适当提高温度重新处理。

从图2硬度随时效温度变化曲线可知,当时效温度在330～350℃范围内时,硬度达到最大值,之后随着时效温度的升高,硬度呈下降趋势,这种现象为铍青铜的过时效现象。

若实际生产中铍青铜时效处理后硬度偏高,不符合技术要求,就可以采用过时效处理方法将硬度降至技术要求的范围内。

过时效处理也存在一个缺点:若在无保护气氛下进行,表面氧化较严重,会给酸洗增加难度。

图2　QBe2硬度随时效温度变化曲线(时效时间90min )图3　QBe2硬度随时效时间变化曲线(时效温度300℃)4.2.3　铍青铜零件的表面质量铍青铜零件热处理后的表面质量不但取决于淬火及时效的加热气氛,还取决于淬火前的表面状态。

在一定温度下,铍青铜表面可形成具有保护性的氧化铍薄膜,随着温度升高,薄膜厚度也增加。

如果材料表面光滑,可获得牢固的、致密的、连续的氧化铍薄膜,能防止进一步氧化。

如果表面粗糙,有疏松的较厚的氧化膜,则会引起严重氧化。

因此,当表面质量不好时,可在酸洗后固溶处理。

当铍青铜零件表面有脏物和印有指纹时,还可能引起电化学腐蚀现象。

在淬火加热时,电化学腐蚀产物会引起铍青铜更进一步的氧化。

另外,电化学腐蚀坑对形成连续氧化膜的不良影响会使氧化加剧。

因此,淬火前良好的去油、不用汗手触摸零件是十分重要的。

4.2.4　铍青铜零件的质量检验广泛用来衡量铍青铜热处理质量的指标是硬度,厚度在0.5mm 以上,且平整度很好的零件硬度,可在维氏硬度计上测量;厚度在0.5mm 以下或形状不规则的零件硬度,可在显微硬度计上测量。

硬度试样应镶于低熔点材料中,并经磨光及抛光后测量硬度,否则会因试样表面不平而引起较大的测量误差。

5　结 论①铍青铜是适合于热处理的合金,固溶处理及随后的时效处理可以显著提高合金的机械性能。

②铍青铜固溶处理是一个应力松弛、软化的过程,经固溶处理后塑性很好。

③铍青铜时效处理是一个应力增加、强化的过程,经时效处理后有很好的弹性。

④在保护气氛下进行固溶处理、时效处理,可以得到光亮表面,当材料表面质量不好时,可先酸洗后再固溶处理或时效处理。

⑤对尺寸要求较严格的零件,固溶处理后、时效处理前的校正十分重要。

⑥可通过过时效处理方法挽救时效处理后硬度高于技术要求的零件,在气氛保护条件下处理可得到光亮表面。

(上接第22页)图6　固定端电连接器导线密封4.4　灌 封根据工程技术手册及在试验中得出的结论,空气在7000V 左右即电离,因此连接器在使用时需要密封。

高压连接器的灌封工艺很考究,接触件与电缆处的接点必须与绝缘安装板粘结,而绝缘体又必须与连接器的外壳粘结。

接触件插入绝缘安装板前必须使用粘结剂,然后采用环氧树脂或硅密封化合物在固定连接器和自由端连接器的尾部灌封,放置在有加热装置的真空容器中排气,直到气体除去,并在一个合适的温度下保持一定的时间,使其固化。

一般来说,灌封是用户在使用时所要做的工作,在此不多作说明。

5　结 论采用带有“圆锥台、圆锥孔”机构的软、硬组合安装板结构及表面镀金的圆柱形接触件,通过使用PRO/EN GIN EER 软件进行计算机辅助设计的无空气间隙的高压连接器已取得了成功,现部分型号产品已批量供货。

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