易切削鈹青銅的應用研究

侯錦秋，韓繼先，王 璐，姜睿智

(沈陽興華航空電器有限責任公司，遼寧 沈陽 110144)

鈹青銅是以鈹為基本合金元素的銅基合金，鈹銅合金的性能隨鈹含量而改變，按性能可劃分為兩大類，即高強度高彈性鈹青銅合金(鈹含量為1.6%～2.1%)、高導電銅合金(鈹含量為0.2%～0.7%)[1-2]。高強度高彈性鈹青銅合金是一種典型依靠彌散相進行強化的合金，經(jīng)熱處理后具有高的強度、硬度和彈性極限，彈性滯后小，穩(wěn)定性好，并且具有耐疲勞、耐腐蝕、耐磨、耐低溫、無磁性、高導電導熱性、沖擊時不產(chǎn)生火花等一系列優(yōu)良的綜合性能，被譽為“有色彈性材料之王”[3]。

TBe2是一種常用的高強度高彈性鈹青銅合金[4]，該材料具有良好的綜合性能，已廣泛應用于制作各種高級彈性元件和電子元件，大大提高了構(gòu)件的工作可靠性、穩(wěn)定性，延長了其使用壽命。但該材料在加工的過程中，因其較強的熱軟化性和粘附性，更易與刀具表面發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，粘結(jié)物的產(chǎn)生影響切削過程中刀具的散熱和加工，縮短刀具的使用壽命[5-6]。

近年來，為了改善鈹青銅合金的切削加工性能，以適應精密零件的精度要求，各國開發(fā)了一種含鉛0.2%～0.6%的高強鈹青銅，我國的牌號為TBe1.9-0.4，其各項性能等同于普通高強度高彈性鈹青銅合金，但合金的切削系數(shù)由原來的20%提高到60%。

本文通過對比TBe2和TBe1.9-0.4兩種牌號鈹青銅合金的理化性能、疲勞性能和切削性能，對易切削加工鈹青銅合金的應用前景進行展望。

1 理化性能

鈹青銅TBe2和TBe1.9-0.4化學成分符合GB/T 5231—2012的要求，2種牌號的化學成分對比見表1。本次選用規(guī)格為φ5 mm的棒材進行試驗，拉伸試驗按GB/T 228.1—2010執(zhí)行，試驗過程如圖1a所示。導電率試驗按GB/T 351—2019執(zhí)行，試驗過程如圖1b所示。2種牌號鈹青銅試驗測得的理化性能結(jié)果見表2，拉伸曲線如圖2所示。經(jīng)試驗驗證，TBe2和TBe1.9-0.4兩種牌號鈹青銅的理化性能結(jié)果相近。

表1 2種牌號的化學成分

表2 理化性能結(jié)果

2 切削性能

切削加工性能是指材料進行切削加工的難易程度[7]。在不同情況下，可用不同的指標衡量材料的切削加工性。材料加工性能的衡量指標包括如下幾點：1)以已加工表面質(zhì)量衡量切削加工性，凡容易獲得較好的加工表面質(zhì)量(包括表面粗糙度、冷作硬化程度及殘余應力等)的材料，其切削加工性能好，反之較差；2)以切屑控制或斷屑難易衡量切削加工性能，凡切屑容易控制或容易斷屑的材料，其切削加工性能較好，反之則較差。針對同一種材料，材料切削加工性能的因素包括切削速度、進給量和切削深度[8]，稱之為切削三要素或切削用量。

為了對比TBe1.9-0.4和TBe2兩種鈹青銅材料的切削加工性能，本試驗的設計思路如下：首先保持進給量和切削深度不變，通過試驗驗證出TBe2鈹青銅材料的許用切削速度。在許用切削速度、進給量不變的條件下，探究不同切削深度下材料的切削加工性能，確定可承受的最大切削深度。最終保持切削速度、進給量、切削深度三要素不變，分別加工2種材料，通過對比車削加工后零件的表面粗糙度和斷屑情況，判斷2種材料的切削加工性能。

加工零件圖樣如圖3所示，切削加工過程包括前外圓和后外圓的加工。不同切削工藝參數(shù)下切削試驗結(jié)果見表3，最終確定出2種材料統(tǒng)一的切削工藝參數(shù)為：切削速度2 000 r/min，進給量0.02 m/r，切削深度為2 mm。在統(tǒng)一的切削工藝參數(shù)下，分別對比TBe1.9-0.4和TBe2兩種鈹青銅材料的表面粗糙度(見表4)和切削屑形貌(見圖4)。采用TBe1.9-0.4鈹青銅材料進行切削加工時，成型性能良好，表面粗糙度滿足要求。TBe2在加工后外圓時零件發(fā)生變形，表面粗糙度差；TBe1.9-0.4與TBe2相比出現(xiàn)短小彎曲的碎屑易切斷。

表3 切削試驗結(jié)果

表4 表面粗糙度試驗結(jié)果

2種合金切削屑呈不同形貌，是因為TBe1.9-0.4與TBe2相比合金成分增加了鉛元素，鉛元素在銅合金中的溶解度大，銅合金在熔體凝固時，鉛會沉淀而形成彌散的鉛顆粒。鉛較脆而不硬，在切削加工時彌散的鉛顆粒易于斷裂而使切削屑斷裂，從而起到碎裂屑、減少粘結(jié)和焊合以提高切削速度的作用。彌散的鉛顆粒較軟，可以使刀頭磨損減少到最低，且鉛顆粒的熔點較低，從而在刀頭和屑的接觸局部受熱而瞬間熔化，有助于改變切屑的形狀，起到潤滑的作用[9-10]。

TBe1.9-0.4的切削屑呈短小彎曲的碎屑，說明切削過程較平穩(wěn)，切削力波動小，容易切斷，機械加工時不易出現(xiàn)纏結(jié)刀具、磨損刀具的情況，所加工的零件表面粗糙度較小。TBe2的切削屑呈螺旋狀，說明材料在切削過程中受到阻力，造成彎曲變形，其內(nèi)部的附加應力大，所加工零件的表面粗糙度較大，故對刀具的磨損嚴重。

通過切削試驗驗證和機理分析可證明：TBe1.9-0.4的切削加工性能優(yōu)于TBe2。

3 疲勞性能

因鈹青銅材料是儀器儀表工業(yè)中用來制造彈性元件的重要材料，這些元器件大多要接受成百上千次的反復操作，元器件的可靠性能在很大程度上取決于材料的疲勞性能。為了驗證TBe1.9-0.4與TBe2兩種鈹青銅材料的疲勞性能，將2種材料按圖5所示加工成試驗件，并按GJB 1216—1991進行機械壽命試驗，檢測機械壽命前后的接觸電阻和插拔力。機械壽命前后試驗結(jié)果見表5，2種合金在機械壽命前后的接觸電阻和插拔力均無明顯變化。

表5 接觸件試驗結(jié)果

4 結(jié)語

通過對易切削鈹青銅TBe1.9-0.4進行理化性能、切削性能、疲勞性能的驗證，并以TBe2作為對照組，得出結(jié)論：TBe1.9-0.4與TBe2相比，材料的理化性能相近，TBe1.9-0.4成品試驗件可滿足使用要求，且TBe1.9-0.4的切削性能優(yōu)于TBe2。

TBe1.9-0.4可作為一種易切削加工彈性材料應用推廣，該材料的應用將提高切削加工的效率，減少對刀具的磨損，節(jié)約生產(chǎn)成本。但TBe1.9-0.4合金中因有Be、Pb兩種元素的加入，對生產(chǎn)條件要求極為苛刻，生產(chǎn)時產(chǎn)生的Be、Pb塵埃對作業(yè)人員的健康有致命的不可治愈的危害，對環(huán)境污染非常嚴重，在市場上采購存在一定的困難[11]，這將在一定程度上制約該材料的應用范圍。