朱兴水 朱云芳

超微距高可靠性连接器是现代航天、航空电器中重要电子器件，接触件是连接器完成电连接功能的核心部件，是由高强高弹铍铜合金材料加工而成，目前此类材料主要依靠进口美国、日本。据统计，目前国内军用各种连接器市场规模大概100亿元，其中航天航空占了30%左右，市场空间大。本文主要探讨超微距连接器用铍铜合金丝材制备加工热处理过程的生产瓶颈问题，突破合金材料生产过程中熔体洁净化及锭坯缺陷控制、细晶均质化调控、超细合金丝材的连续化制备加工技术共性技术，实现高品质铍铜合金材料的稳定化和自主化生产，产品性能与国外同类产品性能相媲美，对于提高现有产品技术水平、打破进口依赖，提升航空航天用铜合金产品的自主保障能力具有重要的实际意义。

1.国内外研究现状和发展趋势

铍铜合金是一种时效析出强化的合金，经固溶时效处理后具有高的强度、硬度、弹性极限，并且稳定性好，具有耐蚀、耐磨、耐疲劳、耐低温、无磁性、导电导热性好、冲击时不会产生火花等一系列优点，被誉为“有色弹性材料之王”。可以广泛用于电子电器、通讯仪器、航空航天、石油化工、冶金矿山、汽车家电、机械制造等多种领域，已成为国民经济建设中不可缺少的重要工业材料。

由于铍铜合金中铍含量大于1.5%时，具有高的强度、硬度、弹性极限，弹滞后性小，耐蚀、耐磨、耐疲劳、耐低温、无磁性等优点，能广泛地应用于宇航中可靠连接器、航空航天中的高强弹簧垫片等领域。特别随着近十年我国航天航空事业的快速发展，圆形、矩形、超微距等各种形状尺寸的连接器在航天航空仪器仪表、电子设备中得到广泛的应用，如下图1所示。接触件是连接器完成电连接功能的核心部件，对合金材料的强度、导电、弹性极限、耐蚀、抗应力松弛等性能提出了严格的要求。目前，接触件一般由黄铜、磷青铜材料制成，但高可靠性、高稳定性的连接器必须用铍铜合金材料制成。由表1中几种合金材料的综合性能可知，铍铜合金材料相对于黄铜、磷青铜合金具有无可替代的优良综合性能。目前，航天航空领域的连接器接触件材料均使用铍铜合金。

图1 各种形状尺寸的连接器

表1 各种弹性铜合金材料综合性能表

我国按GJB598、GJB599等国军标生产用于航天、航空领域的高可靠军用电连接器，广泛选用进口C17200或国产铍铜QBe2铍铜丝、棒或带材，制作接触可靠性要求较髙的电连接器弹性接触件，通常是加工成形后进行时效硬化处理，获得所需的综合物理特性。弹性接触件按截面形状可分为圆形和方形两类。圆形插孔选用铍铜棒或丝材经自动或半自动机床车削加工而成。通常车制圆形插孔是釆用打孔、劈槽、收口（或收口后劈槽）， 使之具有弹性。劈槽有侧开槽、直开槽等型式。目前越来越多的电连接器正在用一次成形工艺代替过去单工序切削加工，采用一次成形加工插（孔），可在一台设备上加工成形，装夹次数少，加工精度和生产效率均相应提高。

但随着连接器向着高可靠性、高密度、小型化方向发展，對接触件及其材料提出更高的要求。目前我国航天、航空电连接器企业研制生产的超微矩形电连接器，如图2所示，俗称绞线式插针是该连接器的关键部件，其性能特点决定了超微矩形电连接器的可靠性。铍铜合金丝材作为绞线式插针的关键首选原材料，丝材尺寸和机械物理性能的稳定性直接决定着绞线式插针尺寸大小和使用稳定性和可靠性。贵州航天电器是中国绞股式插针连接器的主导研发单位及生产商，2016年的产值达到了23亿元，近几年以25%的速度在稳步增长，为中国的航天、航空工业发展作出了很大的贡献。

航空航天用超微距形电连接器在产品可靠性、重量等级上有严格的要求。因此，该在满足传输性能指标要求的情况下，接触件重量轻、尺寸小、体积小是航空航天用超微距矩形电连接器重要的发展方向。这就要求所用到的高强度铜合金弹性材料具有优异的机械性能，并保持良好的导电性。目前国产导体材料尚不能满足航空航天级接触件的要求，芯线导体材料大量依赖进口，致使该材料的制备和应用研究基础薄弱，材料的应用性评价缺乏。

随着航空航天器中电子元件数量和质量要求的不断提高，向这些电子元件传输电力和信号的连接器也向着高可靠性、轻质、耐腐蚀的方向发展，且需求量日益增加。这些性能特点决定了该类元器件在制备工艺及材料选择方面具有较高的要求。多年来，我国在该领域研究和生产力量薄弱，致使目前国内尚无该产品的自主生产能力，连接器接触件材料都大量进口美国和日本，由此引发的高成本和供给不确定情况十分严峻。

2. 铍铜丝材制备的难点及采取的措施

① 高性能铍铜合金成分优化设计

拟选择高强高弹型Cu-Be系合金为研究对象。Be元素的含量将直接决定合金的综合性能。选择的Be含量为1.5-2.2wt%。铍铜中除了Be元素外，主要合金元素是镍或钴。由Cu-Co二元相图表明钴在铜中的固溶度随着温度下降而减少，它还与Be生成CoBe和Co5Be21两种化合物，都溶于固溶体，CoBe具有很高的硬度，αH=443kg·mm-2。钴还能阻碍合金加热时晶粒长大，延迟固溶分解，抑制时效过程晶界择优析出，延长产生过时效时间，提高合金的抗应力松弛性能。Ni能与Be形成NiBe化合物，高温时溶于α固溶体中，当温度降低时NiBe的溶解度明显减小，所以此类合金能因化合物NiBe的沉淀而硬化。研究表明，Ni的作用与Co相类似，但是不如Co好。Sn能溶于铍铜合金的α固溶体，并减缓合金的相变过程。在铍铜合金中加入0.2-0.9%的锡，能延迟固溶体分解，显著抑制晶界的不连续沉淀，防止过时效，提高时效硬化效果。Ag能提高铍铜合金时效后室温的强度，又使合金保持有高的电导率。Fe 能细化晶粒，固溶于α固溶中的铁能延迟过饱和固溶体的分解，抑制晶界反应。但当铁含量过多时，会减小合金的沉淀强化效果。作为铜合金“维生素”，在铜合金添加适量的稀土元素能与合金中的合金元素或杂质元素发生相互作用，能纯化基体细化组织，提高合金的强度。在前期研究工作和热力学计算的基础上，拟对合金成分进行综合设计，并根据本项目的实际指标要求优化得到最佳合金成分。

② 合金熔体洁净化及锭坯缺陷控制

由于Be元素在大气环境下容易发生氧化，形成氧化铍粉尘，对人体和环境均产生不利影响。另外，对于Cu-Be-X合金而言，其液固线温度差较小，在铸造过程中铸锭容易出现明显的缩孔，缩孔的程度随着铸锭尺寸的增大而更加明显，严重降低铜合金铸锭质量和影响后续合金的热变形加工以及成材率。因此，本项目在Cu-Be合金熔铸过程中，采用高纯度的原材料在真空环境下熔炼，在熔炼过程中添加复合精炼剂（如氟化钙、冰晶石等）对熔体进行精炼除杂，通过调整熔炼温度、时间等熔铸工艺参数来净化熔体，保证熔体的洁净化。同时为了防止合金元素发生氧化和熔体吸气，通入氩气进行气体保护。为了保证合金铸造过程中铸锭出现严重的缩孔、疏松等缺陷的出现，采用特殊结构的保温帽，使铸造缺陷尽可能转移至冒口处，前期研究表明通过保温帽的使用能显著提高合金铸锭质量。通过以上措施和工艺方法对Cu-Be系合金熔体进行洁净化和铸锭的缺陷进行有效控制，形成一套高品质铜合金铸坯制备成型技术，为航空航天高可靠性用铍青铜合金材料的国产化生产提供了质量合格的铜合金铸锭。

③合金铸锭多道次锻造和挤压

由于铜合金坯料与挤压筒之间存在很大的外摩擦，容易造成金属流动不均匀，导致挤压后合金出现组织性能不均匀和挤压效应等问题，严重影响合金的后续加工和使用。因此，拟采用锻造+挤压复合热成形工艺，通过多道次、多变向锻造变形，使铸锭纵向和径向粗大柱状晶转变为等轴晶组织、粗大的等轴晶得到有效地破粹和细化，铸锭获得更加细小的等轴晶组织，改善挤压后合金组织性能的均匀性。在此基础上再进行合理的热挤压变形，可以获得更加均匀、细小的组织。因此，项目通过掌握始锻温度、加工变形率、变形道次等锻造工艺参数和挤压温度、挤压比、挤压速度、挤压道次等挤压工艺参数对合金组织性能均匀性的影响，形成一套铜合金棒材锻造+挤压复合热成形控制技术，突破传统单独进行挤压成形造成的组织性能不均匀的瓶颈问题，有利于项目中对组织大小、均匀性的控制。

④ 超细合金丝材的连续化制备加工工艺

研究合金的在线固溶工艺、形成沉淀相的时效处理条件，时效前冷加工过程等因素对析出物的形成和长大的影响机理，探索上述工艺对合金组织性能影响作用的内在关联，并进一步优化工艺条件，匹配出具有高强高导高弹的合金特性。连续固溶处理具有高温快速固溶处理的技术特点，能同时满足铍青铜合金超细丝材对溶质元素固溶度、晶粒度及均匀性、表面质量多重要求，有效降低超细丝表面的擦伤、划伤及氧化等缺陷，提升铜合金丝材的表面质量，是本项目的一大技术特色，该项技术具有明显的先进性。

⑤ 高性能铍铜合金材料冷加工工艺

材料经中间退火处理后，通过冷变形增加合金中的位错密度，对合金棒材進行多道次冷拉拔实现减径并提高组织均匀性，研究冷变形程度对合金组织性能的影响及对时效析出行为的作用。在保证不产生加工缺陷的前提下，在材料的塑性范围内尽可能提高合金道次变形量，保证整个线材横断面均发生塑性变形，实现合金最终组织的均匀细小。根据预研，铍青铜棒材冷拉总变形量控制在50%-80%，道次变形量控制在10-25%，经过多次冷拉后获得所需要尺寸的棒材，这一工艺基本可行，但须进一步优化。为了保证合金超细丝连续化加工，不断丝的前提下，尽可能的提高合金的道次变形量和总变形量，有利于后续超细丝材料的微观组织的控制。

⑥ 高性能铍铜合金材料双级时效处理技术

根据铍铜合金时效过程中组织性能结果表明，在时效过程中合金容易在晶界处择优析出不连续析出物，严重影响合金的机械性能、腐蚀等性能。造成晶界不连续析出的最主要原因在于晶界反应激活能小于晶内反应激活能，即在相同温度条件下，原子在晶界处扩散要比在基体中体扩散的阻力更小。如何减小原子在基体中扩散的阻力是抑制晶界反应的关键。因此，本项目拟采用双级时效热处理技术来协同控制合金的晶界反应的发生和析出相的粗化，选择合适的高、低温时效处理双级时效处理制度研究对不连续析出和连续析出组织形态特征的协同控制的影响规律，确定出合理的双级时效处理工艺制度，显著提高合金强度和抗应力松弛性能，以及降低合金的弹性后效，满足航天航空高可靠性连接器对铍铜合金材料微观组织的要求。

3.铍铜合金丝材的应用前景

首先在航天航空领域中，铍铜合金丝材作为高可靠性连接器的接触件用材是公认的，尽管新材料在不断地开发与应用，但到现在，还没有一个综合性能与之相当的替代品出现，且随着生产制造工艺的进步和发展，其质量与制造成本都将得到大幅提升和改善。特别超微距连接器，今后将扩展至国防军工行业的应用越来越多，市场应用将有个快速的增长。目前一般使用的丝材直径在0.10-0.05MM， 但随着超微距化的发展，今后将需要直径0.05-0.03MM的丝材，对铍铜生产商提出更加高的制造难度，希望广大的有色金属制造专家学者，为这个关系到国防战略的小丝线研究提供更深入的研究成果，从而大大提升我国的综合国力，为人类的和平发展作出更大的贡献。

参考文献：

[1]铍铜合金熔铸工艺及设备的发展"董超群，<宁夏工程技术> 2004年3月第3卷第1期，

[2]Compositional ariation and precipitate structures of Copper-beryllium single crystals grown by the Bridgman Technique" W.C. Crone ， Journal of Crystal Growth 218（2000）381-389

项目基金：该项目得到湖州市科技计划的资助