鈹青銅簧片熱處理工藝改進*

王 祥, 劉 超, 張紅娟, 魏雄軍, 鄭躍剛 ,朱光輝

(1.西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068; 2.陜西華燕航空儀表有限公司，陜西 漢中 723102)

0 引 言

飛機金屬結(jié)構(gòu)件和機載設(shè)備之間常通過搭鐵線來實現(xiàn)可靠的低阻抗電連接。為了方便設(shè)備拆裝，通過接地端子實現(xiàn)搭鐵線的快速拆卸。接地端子可拆卸螺母和接地柱之間有鈹青銅簧片連接，既可防止在卸下螺母時掉落丟失，又對可靠接地提供雙重保證。使用中發(fā)現(xiàn)個別接地端子在拆卸過程中，鈹青銅簧片發(fā)生斷裂。

1 斷裂件描述

在安裝搭鐵線時，將螺母從接地柱上擰下，掰開適宜的角度，將搭鐵線套在接地柱上，最后將螺母擰在接地柱上固定住搭鐵線。在拆裝過程中，簧片會發(fā)生彎曲變形，如果韌性不足，很容易在彎曲部位斷裂。斷裂零件見圖1?；善瑥澢疽庖妶D2。

圖1 簧片斷裂件 圖2 簧片彎曲示意圖

2 原因分析

2.1 簧片加工工藝

簧片材料為鈹青銅QBe2，CY狀態(tài)，材料厚度0.3 mm，材料標(biāo)準(zhǔn)YS/T 323-2002，設(shè)計圖紙要求材料紋理方向與彎折方向垂直，彎形后進行時效熱處理?；善庸すに嚍椋耗＞邲_外形和內(nèi)孔，模具彎形，時效。時效溫度320 ℃，保溫2.5 h，空冷。

2.2 斷口分析

將簧片斷裂部位在LEICA S6D體視顯微鏡下對斷口面進行觀察，見圖3。斷口平齊，未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形產(chǎn)生，為脆性斷裂。

圖3 斷面照片

2.3 硬度檢測

將斷裂簧片制作鑲嵌硬度試件，打磨后在顯微硬度計上檢測硬度。維氏硬度HV0.2為410～420。滿足YS/T 323-2002《鈹青銅板材和帶材》標(biāo)準(zhǔn)中CYS狀態(tài)QBe2硬度HV≥360的要求。達到了鈹青銅合金的極限硬度，很容易在彎曲時發(fā)生脆性斷裂。

2.4 零件紋理方向檢測

從斷裂的簧片上制取兩個方向的金相試樣，一件與簧片彎折線平行(與長度方向垂直)，定義為平行試樣。另一件與簧片彎折線垂直(與長度方向平行)，定義為垂直試樣。將兩件試樣用FeCl3+HCl溶液浸蝕后放在LEICA DMR金相顯微鏡下觀察。平行試樣金相組織中晶粒有明顯的方向性，晶粒拉長方向與彎折線平行，形貌見圖4。垂直試樣金相組織中晶粒無明顯的方向性，形貌見圖5。由此可以判定，簧片材料軋制方向與彎折線平行，與設(shè)計圖紙 “材料紋理方向與彎折方向垂直”的要求不符。不能排除紋理方向錯誤是造成簧片斷裂的原因之一。

圖4 平行試樣晶體形貌 圖5 垂直試樣晶體形貌

為了驗證材料紋理方向?qū)善瑥澱坌阅艿挠绊懀肅Y狀態(tài)的原材料加工了兩種紋理方向的簧片零件。第一種紋理方向正確，與彎折線垂直。第二種紋理方向錯誤，與彎折線平行。進行彎折試驗，紋理方向錯誤的簧片彎折1次就斷裂，紋理方向正確的簧片彎折約20次斷裂。對兩種紋理方向的簧片進行320 ℃，保溫2.5 h時效處理后，均彎折1次就斷裂。檢測簧片硬度值HV0.2=380。

試驗表明，CY狀態(tài)鈹青銅，材料紋理方向會影響零件彎曲性能。時效處理后，不同紋理方向的零件彎曲性能沒有明顯區(qū)別。

2.5 簧片使用狀況

接地端子在安裝和拆開過程中，簧片會產(chǎn)生約150°的變形，變形量較大，這就要求簧片有足夠的柔韌性。本批零件安裝時，彎折一次就發(fā)生斷裂，說明零件硬度偏高，柔韌性較差。

通過斷口分析、硬度檢測、紋理方向分析和試驗、使用情況進行綜合分析，可以得出結(jié)論，簧片斷裂的主要原因是：原材料在冷軋變形過程中，晶粒產(chǎn)生明顯的方向性，使材料內(nèi)應(yīng)力增大，強度增強，塑性、韌性降低。簧片零件沒有經(jīng)過固溶處理，直接時效增加硬度后組織仍呈明顯的方向性，有較大的內(nèi)應(yīng)力，加之時效后硬度HV0.2為410～420，為鈹青銅合金的極限硬度，硬度值偏高，導(dǎo)致簧片在彎曲時發(fā)生脆性斷裂。

3 熱處理工藝改進

為了提高簧片的韌性，避免彎曲時發(fā)生斷裂，經(jīng)過工藝試驗，擬采用在零件彎形前增加固溶處理，彎形后降低時效溫度的欠時效工藝。

3.1 固溶處理

簧片用原材料為CY狀態(tài)，即固溶處理后經(jīng)過冷軋加工，硬度較高，同時存在內(nèi)應(yīng)力，不利于彎曲成型，也影響時效性能穩(wěn)定性。應(yīng)在彎折前進行固溶處理。

鈹青銅固溶處理是在保護介質(zhì)中加熱到一定溫度并保溫后快冷，能使富鈹相充分固溶于銅基體中，從而獲得最大濃度的過飽和固溶體。固溶處理后材料不僅具有良好的塑性，可進行加工成型。最重要的是能為后續(xù)的時效強化做好準(zhǔn)備。鈹青銅固溶溫度對塑性和強度及時效后的性能影響較大。若固溶溫度過高或過低，都會使得鈹青銅變脆，塑性降低。工藝試驗選擇固溶溫度790 ℃±5 ℃，保溫14～17 min。

鈹青銅在空氣或氧化性氣氛中進行固溶加熱處理時，表面會形成氧化膜，影響最終零件表面質(zhì)量。為避免氧化應(yīng)在真空爐或氨分解、惰性氣體、還原性氣氛(如氫氣、一氧化碳等)中加熱，從而獲得光亮的熱處理效果。

工藝試驗使用氨氣爐保護法進行固溶處理。氨氣在高溫下可以分解出氮和氨，有利于抑制零件高溫下的氧化反應(yīng)。氨氣爐的爐膛是開放式，加熱到接近熱處理溫度時，給爐膛內(nèi)通入氨氣，氨氣會向外泄露，需要點火燃燒，否則氨氣彌散在空氣中，刺激性大，影響人員健康。

因為是開放式爐膛，溫度測量和控制較難。在爐膛到溫后，需要用熱電偶測量爐膛內(nèi)的實際溫度，滿足要求時才能加工，不滿足時需要進行調(diào)整。

檢測爐溫滿足要求時，零件用銅絲綁扎，在爐膛上架一個鐵棍，綁扎的銅絲穿在鐵棍上，開始加熱。保溫結(jié)束后，抽出鐵棍，零件在重力作用下從爐膛內(nèi)落入下面的水槽，進行冷卻。冷卻轉(zhuǎn)移時間僅有1 s左右。

圖5 固溶前材料紋理方向 圖6 固溶后材料紋理方向

3.2 固溶對材料紋理方向的影響

鈹青銅在高溫固溶過程中，發(fā)生再結(jié)晶，晶粒重新形核長大，獲得各向分布均勻的單相α固溶體，消除了晶粒的方向性(即材料的紋理方向)，減小了材料的內(nèi)應(yīng)力，提高了材料的塑性和韌性。

3.3 時效工藝

鈹青銅固溶淬火后必須經(jīng)過時效處理才能獲得最佳化學(xué)、物理及組織性能。時效過程是過飽和的α固溶體共格脫溶過程，其強化效果取決于時效析出的γ相形貌。當(dāng)時效溫度一定時，過長的時效時間會引起強化相聚集，降低強化效果；當(dāng)時效時間一定時，提高時效溫度能加快時效進程，但過高的時效溫度會促使時效析出物呈塊狀聚集，降低強化效果。時效溫度和時效時間的最佳組合才能獲得良好的時效強化效果。鈹青銅時效工藝包括欠時效、正常時效、過時效等。

簧片零件硬度太高容易在彎折時斷裂，為了確定合適的時效參數(shù)，對固溶后的零件，選擇不同的時效溫度和保溫時間進行試驗。時效采用小型空氣爐進行。加熱到溫度后零件入爐，保溫結(jié)束后，取出零件，空冷。試驗參數(shù)和時效后彎曲效果見表1。

經(jīng)過彎曲試驗比較，確定250 ℃，保溫2 h的欠時效工藝參數(shù)。

表1 時效工藝參數(shù)

3.4 簧片熱處理工藝

經(jīng)過固溶時效試驗，最終確定熱處理工藝為790 ℃±5 ℃固溶，保溫14～17 min，250 ℃，保溫2 h時效。

鈹青銅在高溫固溶過程中，發(fā)生再結(jié)晶，晶粒重新形核長大，獲得各向分布均勻的單相α固溶體，消除了晶粒的方向性，減小了材料的內(nèi)應(yīng)力，提高了材料的塑性和韌性。因為固溶處理可以消除鈹青銅材料晶粒的方向性，所以在下料、沖壓時可以不用關(guān)注原材料的紋理方向，簡化了生產(chǎn)管理流程和要求。

同時在滿足使用要求的條件下，采用欠時效工藝，將簧片的硬度由HV≥360調(diào)整為HV240～300，降低了材料硬度，提高了材料的韌性，可消除材料彎曲時發(fā)生斷裂的問題。

改進后的加工工藝為模具沖外形和內(nèi)孔，固溶，模具彎形，時效。在彎形前增加了固溶處理。

3.5 生產(chǎn)驗證

按照改進后的工藝加工了兩批共500件簧片，抽取10件彎折200次，未發(fā)生斷裂情況，滿足使用要求。

4 結(jié) 論

(1) 鈹青銅簧片硬度值偏高，沒有經(jīng)過固溶處理，是彎曲時斷裂的主要原因。

(2) 對簧片增加固溶處理，并采用欠時效工藝，將硬度值調(diào)整為HV0.2240～300，有效的解決了簧片斷裂問題。

(3) 鈹青銅固溶處理后具有良好的塑性,可進行冷加工變形。在選擇固溶時效工藝時，要分析零件的使用狀態(tài)和要求，確定硬度或彈性指標(biāo)，有針對性的選取合適的固溶時效參數(shù)，才能滿足使用需要。