铍青铜扼流片的成形工艺

2022-02-27曹连静赵文娟许春龚浩

金属加工(热加工) 2022年2期

曹连静，赵文娟，许春，龚浩

中国电子科技集团公司第五十五研究所江苏南京 210000

1 序言

铍青铜是可热处理的沉淀硬化型合金，因其具有高的硬度、强度极限、弹性极限，高耐磨性、高温稳定性、高的热导率和导电率、高的蠕变抗力和耐蚀性，还具有无磁性、冲击碰撞时无火花等特性，常用于制造电子元器件的接触簧片、屏蔽件、传感器以及各种形式的弹性元件[1，2]。本文研究的铍青铜扼流片就是用于电子元器件的接触簧片，它不仅需要有较高的硬度，能够抵抗一定的振动和冲击，还需要有较高的弹性，以确保使用过程中不发生塑性变形。

2 成形工艺分析

铍青铜扼流片的三维结构如图1所示，零件侧面呈U形，底面有两个直径为2mm的通孔，两侧上端分布着多个展开的齿片。毛坯材料为QBe2，厚度为0.05mm，零件展开长度为13mm，宽度为9mm，成形后内侧尺寸为6mm，相邻齿片的齿顶间距为1～2mm。

图1 铍青铜扼流片的结构

铍青铜扼流片属于异形结构的薄片零件，常规加工较难实现，如果采用冲压成形，一次成形的模具设计难以实现，同时精度也难以保证。本文采用线切割加工展开的外形轮廓，再利用模具进行折弯，可加工获得符合要求的零件。如何将展开外形轮廓加工成最终的形状是工艺流程中的关键点，未经处理的铍青铜材料，回弹量较大，外力卸载后，零件形状不能保持，不利于冷加工成形。通过热处理使材料具有良好的塑性，折弯后保持得到的形状。扼流片作为接触簧片使用，要求自身具有良好的弹性，才能保持与盒体侧面及底面的良好接触，从而实现零件的功能，经热处理后的扼流片塑性强而弹性不足，因此，需要将折弯成形的扼流片再通过热处理来恢复材料的弹性。

在折弯成形前后都要进行合理的热处理，折弯前的热处理用来改变材料的特性，以实现加工过程，折弯后的热处理使零件获得满足使用要求的材料性能。铍青铜扼流片的成形工艺路线如图2所示。具体作用为：①进行热处理，使得铍青铜具有良好的塑性，便于折弯成形。②采用线切割进行展开轮廓及通孔的加工。③利用模具进行折弯成形。④进行热处理来恢复零件的弹性。

图2 成形工艺路线

3 热处理工艺

在折弯成形前后都要进行热处理，在折弯成形前，对硬态的毛坯材料进行固溶淬火处理，使铍青铜软化，具有良好的塑性，便于零件折弯成形。在折弯成形后对扼流片进行时效处理，以恢复零件的弹性，从而获得较好的最终材料性能。

3.1 预处理

铍青铜毛坯料表面存在油污等污染物，为防止高温条件下油污在材料表面烧结出难以去除的黑色氧化皮，因此在热处理前需对材料进行预处理。采用OP乳化剂溶液对材料进行清洗，将溶液加热到70～80℃，浸泡清洗2~3min后取出烘干，可去除材料表面油污。采用电火花线切割加工展开轮廓，铍青铜表面会残留切削液，放电加工过程中会在材料表面产生黑色氧化物[3]。铍青铜切割完成后先用煤油浸泡去除残留的切削液，清水清洗后吹干，再使用10%的氢氧化钠碱性溶液加热到70℃浸泡10s，去除放电过程中产生的黑色氧化物。

3.2 固溶工艺

由图3所示的Cu-Be合金状态图[4]分析铍青铜的固溶工艺机理，可见铍在铜中的溶解度有限，可形成面心立方晶格的α相固溶体、体心立方晶格的β相固溶体及体心立方晶格的γ相固溶体，γ固溶体是具有高硬度的合金化合物CuBe。本文中铍青铜wBe=1.85%～2.1%，合金组织在高温下是α相或α+β相，缓慢冷却时逐渐析出β相，在575℃发生共析转变生成α+γ相。如果冷却速度足够快，使扩散来不及进行，则将保留高温时的组织。

图3 铍-铜二元平衡图（局部）

QBe2铍青铜经不同温度固溶处理后的力学性能[5]见表1（均经320℃时效1h）。由表1可见，QBe2铍青铜强度随固溶温度的升高而增大，但超过800℃力学性能开始下降。当固溶温度高于800℃，铍青铜可能出现液态（见图3），产生过烧，两者结果吻合。当固溶温度过低时，铍原子不能充分固溶于基体中，导致材料组织与晶粒分布不均匀，造成材料塑性降低[6]。试验和生产实践表明，铍青铜的固溶温度以760～800℃为宜，可避免温度过高或过低产生的弊端[7]。本文采用的固溶温度为780℃。

表1 铍青铜不同温度固溶处理后的力学性能

固溶处理的保温时间将直接影响材料性能，保温时间过短，铍原子未能充分固溶到α固溶体中，达不到理想的材料性能；固溶处理的保温时间过长，则会导致晶粒过大以及材料氧化，造成材料力学性能降低、脆性增大。随着固溶处理温度升高，其充分固溶所需的时间就越短，材料有效厚度越薄，所需的保温时间也越短，固溶温度780℃下的常规保温时间见表2[8]，本文采用的保温时间为5min。

表2 铍青铜固溶保温时间

高温铍青铜如果不能快速冷却，就会弥散析出高硬度的γ相铍化物（见图3），使材料变硬，还可能造成材料开裂。因此，通常需要在3s内将固溶加热的铍青铜放入淬火冷却介质中搅动，使其快速冷却，否则将达不到理想的固溶效果[9]。固溶介质采用室温的纯净水，冷却效果好，同时经济环保。

因此，将铍青铜的固溶温度选择为780℃，保温时间为5min，将达到固溶时间的材料从炉中取出后，迅速放入低于20℃的水介质中搅拌冷却。

3.3 时效工艺

时效处理是将固溶处理后已经折弯成形的零件加热到一定温度，保温后空冷的工艺过程。在扼流片制备过程中，时效的主要目的是提高铍青铜的弹性，将决定扼流片零件的最终材料性能，时效后的性能取决于时效温度和时效时间两个因素。QBe2铍青铜经不同温度时效处理后的力学性能[5]见表3（均经780℃固溶处理）。时效强化的机制是从过饱和固溶体中析出高度弥散的γ相，从而提高铍青铜的强度、硬度和弹性等性能。可见时效温度低于320℃时，γ相析出不充分。时效温度高于340℃时，γ相发生聚集和长大，造成力学性能下降。

表3 铍青铜不同温度时效处理后的力学性能

图4所示为时效温度与时间对铍青铜硬度的影响[9]（材料经790℃固溶，＜18℃水淬），可见时效温度为310～340℃、保温1h以上，可获得较高的硬度。从图4还可以发现时效温度越高，达到最高硬度所需的时间就越短，在合理温度范围内，选择较高的时效温度能有效缩短工艺时间。

图4 时效温度与时间对硬度的影响

铍青铜扼流片的弹性是影响使用的关键性能指标，通过试验研究时效温度和时间对铍青铜弹性模量的影响（材料经780℃固溶，＜20℃水淬）。当保温时间为1.5h时，分别测试铍青铜时效温度为310℃、320℃、330℃、340℃时的弹性模量，发现弹性模量随时效温度升高呈先增大后减小的趋势，时效温度为330℃时达到最大值，随后开始下降。当时效温度为330℃，分别测试铍青铜时效时间为30min、60min、90min、120min时的弹性模量，铍青铜的弹性模量随时效时间同样呈先增大后减小的趋势，时效时间为90min时达到最大值，随后开始下降。

综合考虑时效温度和时间对各项性能的影响，将铍青铜扼流片时效温度选择为330℃，保温时间选择为1.5h。

4 展开轮廓加工

4.1 变形控制

铍青铜扼流片的展开轮廓采用线切割加工，因为材料厚度较薄，所以控制加工过程中的变形是加工过程的关键。本文将铍青铜薄片夹在上下两块铝板中，铝板与铍青铜接触表面需确保平整无缺陷，利用平行压板在两侧将上下夹板紧固，可有效保持毛坯材料在加工过程中保持平整，同时可防止材料在加工过程中变形。

4.2 通孔的加工

扼流片上有两个直径2mm的通孔，外形轮廓切割完成后再加工，薄片零件装夹定位比较困难，若采用钻孔还会造成零件变形。本文采用在同一次装夹定位中，由线切割机床切割成形通孔，可解决二次装夹定位的难题，同时有效地避免了常规钻孔造成的加工变形。在毛坯料上预制穿丝孔，切割过程中通过预制穿丝孔将钼丝穿过，实现内部的通孔切割加工。通孔与展开轮廓在一次装夹下加工成形，有效保证了孔相对外形的位置精度。预制孔选择在热处理前使用钻床加工，是因为固溶淬火后的材料硬度会增加，使可加工性变差。

4.3 切割效率提升

切割加工时同时切割夹板与工件，但切割夹板属于无效加工，将损耗切割效率。在保证足够强度的前提下尽可能选择薄的夹板，本文中选用的夹板厚度为3mm。可利用夹板一次装夹多层毛坯，一次切割多层零件。但当毛坯堆叠的厚度过大时，切削液难以进入，会造成加工表面质量下降，还有可能造成上下尺寸偏差。本文选用的堆叠层数为30层，在保证加工精度的前提下可有效提高加工效率。

综上所述，展开轮廓的加工工艺为：①夹板装夹多层堆叠的毛坯料。②钳工加工穿丝孔。③线切割机床切割通孔及展开外形。

5 折弯工艺

铍青铜扼流片的结构比较复杂，将扼流片的折弯工艺流程分为两步骤进行。

第一步，将工件两侧折弯呈90°，使工件呈U形，保证内侧尺寸6mm。

第二步，折弯两侧顶部的齿片。

第一步的折弯模具结构如图5所示。模具分为上面的凸模和下面的凹模两部分，凸凹模材料选用CrWMn钢，热处理硬度60HRC。铍青铜薄片在模具内较易滑移，折弯模具的设计关键点在于工件的定位。将切割好的工件放在模具的凹模上，并在凹模上对应扼流片的圆孔位置安装两个圆形销钉，利用两个销钉形成定位。下压凸模将工件压弯成U形，获得折弯后的内侧尺寸为6mm，移除销钉可快速取下零件。第二步是将两侧顶部的齿片折弯。顶部齿片的作用是与器件接触，因此对齿片弯折角度要求不高，使用镊子将一侧的齿片依次向两边拨开，使齿片形成分散开的两排即可。此时被折弯到一侧的齿片角度并不一致，可能影响齿片的接触，需再进行一次折弯，将一侧齿片的角度控制一致。用扁口镊子将拨开后的一排齿片夹紧、弯折，可保证一侧齿片角度的一致性。采用上述方法分别对4组齿片进行折弯，均得到了符合使用要求的齿片。