浅谈铍青铜在电连接器上的应用
时间：2023-05-31 14:10:34 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
侯锦秋，王樱霖，孙海航，韩继先，姜睿智，郝健男
（1.沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁沈阳，110144；
2.空军装备部驻沈阳地区第三军事代表室，辽宁沈阳，110144）
弹性材料的品种繁多，用途广泛，加工精细，性能独特。铜基弹性合金由于其具有优良的导电、导热性能和良好的机械性能，在各种导电弹性元件中得到广泛应用［1］。按弹性性能强弱，铜基弹性合金可分为：高弹性铜合金、中等弹性铜合金、低弹性铜合金、复合弹性铜合金。
电连接器的弹性材料是连接器保证其插拔力和保持力稳定的关键材料［2］，目前常采用高弹性铜合金。高弹性铜合金可进行热处理强化，典型合金为铍青铜。铍青铜是一种典型的沉淀析出强化型高导电高弹性合金，由铍青铜制造的弹性元件的弹性滞后及弹性不完整性较小，是综合性能优良的重要弹性铜合金材料［3］。
本文介绍了常用铍青铜合金的分类、牌号、化学成分、性能等基本知识，对比了国内外铍青铜的发展现状，讨论了铍青铜在电连接器上的应用前景及局限性。
2.1 铍青铜分类
铍青铜合金经固溶和时效热处理后，具有高的强度、硬度和弹性极限，弹性滞后性小，稳定性好，并且具有耐疲劳、耐腐蚀、耐磨、耐低温、无磁性、高导电导热性、冲击时不产生火花等一系列优良的综合性能，被誉为“有色弹性材料之王”［4］。
铍青铜材料按性能分类，基本上分为高强高弹性铍青铜合金（含铍量1.6%～2.1%）和高导电铜合金（含铍量为0.2%～0.7%）［5］；
按材料成型方式分为加工合金和铸造合金［6］。铍青铜加工用合金一般是通过压力加工将其制成板、带、管、棒、丝等，主要用于制作各类弹性元件，如开关、簧片、接触件等；
铍青铜铸造合金具有高的强度、硬度，主要用于航空航天、电子和机械制造工业，如飞机的各种轴套、钻机钻头等。
2.2 牌号及化学成分
本文主要探讨高强高弹性铍青铜合金，国内常用的高强度高弹性铍青铜牌号为TBe2，属于压力加工铍青铜，其化学成分及相近的国外牌号见表1。对比三种牌号的化学成分，差别在于美国、日本牌号中含有Co元素，我国牌号中的Ni成分含量较多。
表1 国内外牌号及化学成分对比
从合金元素对材料性能影响的角度分析，Ni和Co起着同样的作用，这两种元素主要是抑制铍青铜合金时效时产生过时效现象，同时还能增加合金的强度［7］。日本牌号中还含有Si元素且含量低于一定的值，当合金中同时含有Co和Si时，在达到一定比列后可形成CoSi、Co2Si等化合物，提高合金的强度。且硅含量应低于一定值，这将防止出现因含量较高时将与铍形成又硬、又脆的共晶体，导致材料的韧性大幅度下降的现象［8］。
随着TBe2的广泛应用，我们发现，该材料由于其较强的软化性和粘附性，在加工过程中更易与刀具表面发生粘结现象，粘结物的产生影响切削过程中刀具的散热和加工，缩短刀具的使用寿命［9］。近年来，为了改善铍青铜的切削加工性能，各国提出在合金中加入Pb元素。铅元素的在铜合金中的溶解度大，铜合金在熔体凝固时，铅会沉淀而形成弥散的铅颗粒。铅较脆而不硬，在切削时弥散的铅颗粒易于断裂而使切屑断裂，从而起到碎裂屑、减少粘结和焊合，以提高切削速度，显著提高合金的切削性能。
典型的易切削铍青铜如美国的C17300和国内的TBe1.9-0.4，两种牌号合金的化学成分对比见表2，二者化学成分相同。GB／T5231-2012中指出国内牌号TBe1.9-0.4引用了美国牌号C17300，二者无差别。
表2 易切削铍青铜化学成分对比
2.3 发展现状
目前，世界上两大先进的铍铜生产厂家为美国BrushWellman和日本NGK公司，我国铍铜产业起步相对较晚，在工业技术水平上仍与国外存在一定的差距［10］。究其原因主要是生产规模小、生产线技术与装备落后、自动化程度低等。
我国铍铜产业与国外同行相比，工艺及装备上的主要差距如下［11］：
1）熔炼方式
国外通产采用非真空感应熔炼炉，氮气脱气，埋管底浇铸。铸锭气孔、夹渣等缺陷少，铸锭质量稳定；
国内采用真空熔炼，转包倾斜式浇铸，容易造成吸气氧化。铸锭存在气孔、夹渣较多，铸锭质量不稳定。
2）热轧方式
国外采用热轧机的轧制力较大，采用的铸锭大，道次加工率大，加工道次少，能很好地保证终轧温度。热轧后的材料公差好；
国内的热轧机的轧制力相对小，铸锭小，道次加工率小，加工道次多，温降快，轧制温度不能保证。热轧后的材料公差范围较大。
3）热处理
国外热处理时采用罩式光亮退火炉和气垫式淬火炉，有气体保护，材料表面光亮，热处理后机械性能稳定；
国内热处理时采用推杆式电阻炉、箱式炉和连续淬火炉，无气体保护，热处理后的材料机械性能不稳定。
近年来，我国铍铜制造产业在科技研发方面取得显著的进步，许多科技成果已为工业生产所应用。多家大型铜合金生产制造商在现有的压力加工工艺和装备进行改进和改造，提高了材料的精度、外观质量和机械稳定性能等［12］。在新产品研发方面逐渐出现了替代国外铍青铜牌号C17200和C17300等的国内材料，并投放市场进行应用。
电连接器是连接电子、电气整机系统广泛使用的基础器件，它的可分离性是区别于其它元件的特性和本质。电连接器中关键的部位为接触件，电连接器的连接都必须是通过接触件的插合接触来完成电信号的正常传输，若失去了接触件的可靠性，连接器将失去其电连接的作用［13］。
在接触件的选材时应以性能为主要依据，综合考虑材料的弹性极限、弹性模量、强度、延伸率、疲劳强度等多方面进行综合考虑。接触件在设计时，为了防止刚性插针插拔时弯曲损失，同时保证插孔插合时接触可靠，防止塑性变形和应力松弛，通常选用高强高弹性铍青铜合金TBe2材料。笔者认为，随着铍青铜材料的发展，易切削铍青铜TBe1.9-0.4将逐步替代TBe2，并得到广泛应用。
不过，铍青铜合金的生产成本较高，且Be元素有毒，对于易切削铍青铜来说，合金中还加入了Pb元素，这将对材料的生产条件要求极为严苛，生产时产生的Be、Pb尘埃对作业人员的健康有致命的不可治愈的危害，对环境污染非常严重［14］，且其生产成本较高，这将在一定程度上制约了其在民用电连接器产品上的应用。
铍青铜合金在军工电连接器上已得到广泛的应用，未来易切削铍青铜是否会广泛的应用将成为我们研究的关键问题。同时，铍青铜的应用范围仍存在一定的局限性，出于环保和成本的考虑，对于民用电连接器接触件材料的选择，选出替代铍青铜的材料，也将成为我们未来的研究方向。
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