淺談鈹青銅在電連接器上的應(yīng)用

侯錦秋，王櫻霖，孫海航，韓繼先，姜睿智，郝健男

（1.沈陽(yáng)興華航空電器有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)，110144；2.空軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)第三軍事代表室，遼寧沈陽(yáng)，110144）

1 引言

彈性材料的品種繁多，用途廣泛，加工精細(xì)，性能獨(dú)特。銅基彈性合金由于其具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和良好的機(jī)械性能，在各種導(dǎo)電彈性元件中得到廣泛應(yīng)用［1］。按彈性性能強(qiáng)弱，銅基彈性合金可分為：高彈性銅合金、中等彈性銅合金、低彈性銅合金、復(fù)合彈性銅合金。

電連接器的彈性材料是連接器保證其插拔力和保持力穩(wěn)定的關(guān)鍵材料［2］，目前常采用高彈性銅合金。高彈性銅合金可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，典型合金為鈹青銅。鈹青銅是一種典型的沉淀析出強(qiáng)化型高導(dǎo)電高彈性合金，由鈹青銅制造的彈性元件的彈性滯后及彈性不完整性較小，是綜合性能優(yōu)良的重要彈性銅合金材料［3］。

本文介紹了常用鈹青銅合金的分類(lèi)、牌號(hào)、化學(xué)成分、性能等基本知識(shí)，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外鈹青銅的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了鈹青銅在電連接器上的應(yīng)用前景及局限性。

2 鈹青銅合金的研究概況

2.1 鈹青銅分類(lèi)

鈹青銅合金經(jīng)固溶和時(shí)效熱處理后，具有高的強(qiáng)度、硬度和彈性極限，彈性滯后性小，穩(wěn)定性好，并且具有耐疲勞、耐腐蝕、耐磨、耐低溫、無(wú)磁性、高導(dǎo)電導(dǎo)熱性、沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花等一系列優(yōu)良的綜合性能，被譽(yù)為“有色彈性材料之王”［4］。

鈹青銅材料按性能分類(lèi)，基本上分為高強(qiáng)高彈性鈹青銅合金（含鈹量1.6%～2.1%）和高導(dǎo)電銅合金（含鈹量為0.2%～0.7%）［5］；按材料成型方式分為加工合金和鑄造合金［6］。鈹青銅加工用合金一般是通過(guò)壓力加工將其制成板、帶、管、棒、絲等，主要用于制作各類(lèi)彈性元件，如開(kāi)關(guān)、簧片、接觸件等；鈹青銅鑄造合金具有高的強(qiáng)度、硬度，主要用于航空航天、電子和機(jī)械制造工業(yè)，如飛機(jī)的各種軸套、鉆機(jī)鉆頭等。

2.2 牌號(hào)及化學(xué)成分

本文主要探討高強(qiáng)高彈性鈹青銅合金，國(guó)內(nèi)常用的高強(qiáng)度高彈性鈹青銅牌號(hào)為T(mén)Be2，屬于壓力加工鈹青銅，其化學(xué)成分及相近的國(guó)外牌號(hào)見(jiàn)表1。對(duì)比三種牌號(hào)的化學(xué)成分，差別在于美國(guó)、日本牌號(hào)中含有Co元素，我國(guó)牌號(hào)中的Ni成分含量較多。

表1 國(guó)內(nèi)外牌號(hào)及化學(xué)成分對(duì)比

從合金元素對(duì)材料性能影響的角度分析，Ni和Co起著同樣的作用，這兩種元素主要是抑制鈹青銅合金時(shí)效時(shí)產(chǎn)生過(guò)時(shí)效現(xiàn)象，同時(shí)還能增加合金的強(qiáng)度［7］。日本牌號(hào)中還含有Si元素且含量低于一定的值，當(dāng)合金中同時(shí)含有Co和Si時(shí)，在達(dá)到一定比列后可形成CoSi、Co2Si等化合物，提高合金的強(qiáng)度。且硅含量應(yīng)低于一定值，這將防止出現(xiàn)因含量較高時(shí)將與鈹形成又硬、又脆的共晶體，導(dǎo)致材料的韌性大幅度下降的現(xiàn)象［8］。

隨著TBe2的廣泛應(yīng)用，我們發(fā)現(xiàn)，該材料由于其較強(qiáng)的軟化性和粘附性，在加工過(guò)程中更易與刀具表面發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，粘結(jié)物的產(chǎn)生影響切削過(guò)程中刀具的散熱和加工，縮短刀具的使用壽命［9］。近年來(lái)，為了改善鈹青銅的切削加工性能，各國(guó)提出在合金中加入Pb元素。鉛元素的在銅合金中的溶解度大，銅合金在熔體凝固時(shí)，鉛會(huì)沉淀而形成彌散的鉛顆粒。鉛較脆而不硬，在切削時(shí)彌散的鉛顆粒易于斷裂而使切屑斷裂，從而起到碎裂屑、減少粘結(jié)和焊合，以提高切削速度，顯著提高合金的切削性能。

典型的易切削鈹青銅如美國(guó)的C17300和國(guó)內(nèi)的TBe1.9-0.4，兩種牌號(hào)合金的化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表2，二者化學(xué)成分相同。GB／T5231-2012中指出國(guó)內(nèi)牌號(hào)TBe1.9-0.4引用了美國(guó)牌號(hào)C17300，二者無(wú)差別。

表2 易切削鈹青銅化學(xué)成分對(duì)比

2.3 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界上兩大先進(jìn)的鈹銅生產(chǎn)廠家為美國(guó)BrushWellman和日本NGK公司，我國(guó)鈹銅產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，在工業(yè)技術(shù)水平上仍與國(guó)外存在一定的差距［10］。究其原因主要是生產(chǎn)規(guī)模小、生產(chǎn)線技術(shù)與裝備落后、自動(dòng)化程度低等。

我國(guó)鈹銅產(chǎn)業(yè)與國(guó)外同行相比，工藝及裝備上的主要差距如下［11］：

1）熔煉方式

國(guó)外通產(chǎn)采用非真空感應(yīng)熔煉爐，氮?dú)饷摎?，埋管底澆鑄。鑄錠氣孔、夾渣等缺陷少，鑄錠質(zhì)量穩(wěn)定；國(guó)內(nèi)采用真空熔煉，轉(zhuǎn)包傾斜式澆鑄，容易造成吸氣氧化。鑄錠存在氣孔、夾渣較多，鑄錠質(zhì)量不穩(wěn)定。

2）熱軋方式

國(guó)外采用熱軋機(jī)的軋制力較大，采用的鑄錠大，道次加工率大，加工道次少，能很好地保證終軋溫度。熱軋后的材料公差好；國(guó)內(nèi)的熱軋機(jī)的軋制力相對(duì)小，鑄錠小，道次加工率小，加工道次多，溫降快，軋制溫度不能保證。熱軋后的材料公差范圍較大。

3）熱處理

國(guó)外熱處理時(shí)采用罩式光亮退火爐和氣墊式淬火爐，有氣體保護(hù)，材料表面光亮，熱處理后機(jī)械性能穩(wěn)定；國(guó)內(nèi)熱處理時(shí)采用推桿式電阻爐、箱式爐和連續(xù)淬火爐，無(wú)氣體保護(hù)，熱處理后的材料機(jī)械性能不穩(wěn)定。

近年來(lái)，我國(guó)鈹銅制造產(chǎn)業(yè)在科技研發(fā)方面取得顯著的進(jìn)步，許多科技成果已為工業(yè)生產(chǎn)所應(yīng)用。多家大型銅合金生產(chǎn)制造商在現(xiàn)有的壓力加工工藝和裝備進(jìn)行改進(jìn)和改造，提高了材料的精度、外觀質(zhì)量和機(jī)械穩(wěn)定性能等［12］。在新產(chǎn)品研發(fā)方面逐漸出現(xiàn)了替代國(guó)外鈹青銅牌號(hào)C17200和C17300等的國(guó)內(nèi)材料，并投放市場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用。

3 鈹青銅在電連接器上的應(yīng)用前景

電連接器是連接電子、電氣整機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的基礎(chǔ)器件，它的可分離性是區(qū)別于其它元件的特性和本質(zhì)。電連接器中關(guān)鍵的部位為接觸件，電連接器的連接都必須是通過(guò)接觸件的插合接觸來(lái)完成電信號(hào)的正常傳輸，若失去了接觸件的可靠性，連接器將失去其電連接的作用［13］。

在接觸件的選材時(shí)應(yīng)以性能為主要依據(jù)，綜合考慮材料的彈性極限、彈性模量、強(qiáng)度、延伸率、疲勞強(qiáng)度等多方面進(jìn)行綜合考慮。接觸件在設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止剛性插針插拔時(shí)彎曲損失，同時(shí)保證插孔插合時(shí)接觸可靠，防止塑性變形和應(yīng)力松弛，通常選用高強(qiáng)高彈性鈹青銅合金TBe2材料。筆者認(rèn)為，隨著鈹青銅材料的發(fā)展，易切削鈹青銅TBe1.9-0.4將逐步替代TBe2，并得到廣泛應(yīng)用。

不過(guò)，鈹青銅合金的生產(chǎn)成本較高，且Be元素有毒，對(duì)于易切削鈹青銅來(lái)說(shuō)，合金中還加入了Pb元素，這將對(duì)材料的生產(chǎn)條件要求極為嚴(yán)苛，生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的Be、Pb塵埃對(duì)作業(yè)人員的健康有致命的不可治愈的危害，對(duì)環(huán)境污染非常嚴(yán)重［14］，且其生產(chǎn)成本較高，這將在一定程度上制約了其在民用電連接器產(chǎn)品上的應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

鈹青銅合金在軍工電連接器上已得到廣泛的應(yīng)用，未來(lái)易切削鈹青銅是否會(huì)廣泛的應(yīng)用將成為我們研究的關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)，鈹青銅的應(yīng)用范圍仍存在一定的局限性，出于環(huán)保和成本的考慮，對(duì)于民用電連接器接觸件材料的選擇，選出替代鈹青銅的材料，也將成為我們未來(lái)的研究方向。