鈹青銅簧片的熱處理變形控制

顧忠華，趙仁祥，金貴東

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

鈹青銅簧片的熱處理變形控制

顧忠華，趙仁祥，金貴東

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

鈹青銅簧片類彈性彎曲零件熱處理時(shí)效后，產(chǎn)生翹曲、扭曲、變形等熱處理質(zhì)量問題。通過分析鈹青銅簧片原材料狀態(tài)、機(jī)械制造成形應(yīng)力和時(shí)效過程中的應(yīng)力轉(zhuǎn)變，研究其翹曲、扭曲、變形機(jī)理。根據(jù)鈹青銅的時(shí)效特性進(jìn)行相應(yīng)的熱處理工藝試驗(yàn)，通過手工校正、裝模時(shí)效等方法得出鈹青銅簧片彎曲角度與時(shí)效變形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后提出了新的工藝方法，將簧片彎曲角度手工校正到特定角度后裝模時(shí)效，有效控制了鈹青銅簧片熱處理時(shí)效變形，極大提高了零件合格率。

鈹青銅；簧片；變形；時(shí)效

引 言

鈹青銅具有高的硬度，高的強(qiáng)度極限、彈性極限和良好的耐磨性，耐寒、耐腐蝕、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好，無磁性，沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花等優(yōu)良性能，被廣泛用于航空航天、軍事電子等行業(yè)[1]。

鈹青銅是一種典型的沉淀硬化型合金[2]，零件必須經(jīng)過熱處理后才能獲得各項(xiàng)優(yōu)良性能。但鈹青銅的時(shí)效硬化過程有其特殊性，如時(shí)效過程是一個(gè)快速過程，且會(huì)產(chǎn)生體積收縮，極易因溫度不均勻、應(yīng)力、冶金質(zhì)量等因素而對(duì)零件的外形尺寸和精度產(chǎn)生很大的影響，若工藝過程控制不當(dāng)，熱處理后往往達(dá)不到圖紙尺寸要求而造成零件報(bào)廢。為此，針對(duì)鈹青銅簧片彈性零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求，開展了相應(yīng)的熱處理工藝研究，探索出了一套控制熱處理變形的工藝規(guī)范。

1 典型鈹青銅簧片的質(zhì)量問題及原因分析

簧片除了單件使用外，在很多場合為成組使用?；善诔山M裝配后，一般要求排列整齊，高度一致，方能達(dá)到設(shè)計(jì)使用需求。如果簧片開口大小不一，本體扭曲各不相同，組裝后必然是參差不齊，只有每個(gè)簧片尺寸角度一致，才能滿足技術(shù)指標(biāo)。因此生產(chǎn)過程中，在工藝技術(shù)方面，不但要實(shí)現(xiàn)簧片本身必須具備的良好彈性，還要保證高精度的尺寸，從而做到批量簧片零件形狀一致。

1.1 鈹青銅簧片零件典型結(jié)構(gòu)和質(zhì)量問題

鈹青銅簧片典型結(jié)構(gòu)見圖1，作為通用彈性接觸件，此類零件的形狀基本類似，技術(shù)要求基本相同，生產(chǎn)中應(yīng)用的工藝方法也具備通用性。生產(chǎn)過程中熱處理時(shí)效后幾乎不能滿足圖紙技術(shù)要求，主要質(zhì)量問題為：本體翹曲或扭曲、折彎處R角大小不一、開口收縮或漲大。

圖1 典型鈹青銅簧片結(jié)構(gòu)

1.2 原因分析

鈹青銅時(shí)效硬化的特點(diǎn)：鈹青銅時(shí)效硬化時(shí)在銅合金基體上析出硬的鈹化合物相，這種硬相的密度比基體高，高溫形成的硬相在時(shí)效過程中引起輕微的體積收縮，體積收縮大約為0.6%，線收縮為0.2%。

如果在整個(gè)時(shí)效過程中，整個(gè)零件均勻變形，密度也均勻變化，整個(gè)零件的形狀將不會(huì)改變，這種均勻變形，在設(shè)計(jì)時(shí)將體積收縮考慮進(jìn)去不會(huì)有問題，但如果是不均勻變形，零件形狀就會(huì)改變[3]。

引起不均勻時(shí)效硬化變形主要有以下2個(gè)原因：

1)溫度均勻性：在時(shí)效過程中，若零件加熱的溫度均勻性較差，將導(dǎo)致零件各處的時(shí)效硬化時(shí)間不同步，從而因存在體積收縮而產(chǎn)生零件變形。

2)應(yīng)力：根據(jù)Lechatelier定理，有壓應(yīng)力時(shí)，時(shí)效效應(yīng)增強(qiáng)對(duì)變形會(huì)起部分作用，有拉應(yīng)力時(shí)，則效果相反。彎曲的零件時(shí)效時(shí)，體積收縮在彎曲部分內(nèi)弧變形最大，沿厚度方向外弧依次減小。如彎成90°的薄帶在時(shí)效中因內(nèi)弧收縮更大而產(chǎn)生小于90°的彎角[3]。

由上述鈹青銅時(shí)效硬化的特點(diǎn)可知，若簧片內(nèi)部各處存在不均勻且各向異性的殘余應(yīng)力，時(shí)效后將產(chǎn)生翹曲或扭曲變形。經(jīng)跟蹤鈹青銅簧片的生產(chǎn)過程得知，鈹青銅簧片固溶淬火處理后產(chǎn)生了較大的扭曲變形，為保證沖壓成型時(shí)平整，進(jìn)行了拍打整形，從而在簧片內(nèi)部產(chǎn)生了各向異性的殘余應(yīng)力，這就是鈹青銅簧片產(chǎn)生翹曲或扭曲的原因。

2 變形控制及試驗(yàn)過程

2.1 時(shí)效過程中翹曲或扭曲變形的控制

鈹青銅薄帶的供貨態(tài)一般為固溶態(tài)，固溶淬火時(shí)薄帶易產(chǎn)生翹曲變形。為保證供貨態(tài)的平整及提高強(qiáng)度與彈性極限，生產(chǎn)廠家通常在淬火后進(jìn)行一定的冷變形。根據(jù)變形量的不同，薄帶供貨態(tài)一般分為CY、CY2、CY4三種。CY、CY2態(tài)由于冷變形硬化程度較高，強(qiáng)度及彈性較高，塑性較差，不利于直接折彎成形。CY4態(tài)材料具有較好的塑性，一般可直接進(jìn)行折彎成形，時(shí)效后達(dá)到高強(qiáng)度、高彈性，故采用CY4態(tài)，成形后進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理。

通過選用CY4態(tài)材料，零件時(shí)效處理后未產(chǎn)生翹曲或扭曲變形，只是成形角度或大或小，很難滿足圖紙要求。

2.2 時(shí)效過程中零件折彎部位角度的精確控制

簧片采用CY4態(tài)沖壓或液壓折彎成形后，回彈較大，且同一批料回彈大小不一，差異較大，主要表現(xiàn)為折彎R角不一。經(jīng)分析，這是由鈹青銅簧片的生產(chǎn)工藝決定的，廠家提供的CY4態(tài)材料內(nèi)部存在各向異性的內(nèi)應(yīng)力。因此，通過采用修模方式來消除異?；貜?，達(dá)到成形零件尺寸一致幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。在此情況下，為保證時(shí)效后零件尺寸(主要為成形角度)滿足圖紙要求，保證其尺寸一致性，進(jìn)行了相應(yīng)的工藝試驗(yàn)。

2.2.1 沖壓成形件直接進(jìn)行裝模時(shí)效

(1) 工藝試驗(yàn)方案及結(jié)果

對(duì)產(chǎn)生不同回彈量的鈹青銅簧片分別進(jìn)行單級(jí)時(shí)效與雙級(jí)時(shí)效的裝模真空熱處理，時(shí)效模具見圖2(a)。單級(jí)時(shí)效工藝為320 ℃ × 2 h，雙級(jí)時(shí)效工藝為190 ℃ × 1.5 h + 320 ℃ × 2 h。

試驗(yàn)方法：選取2組各3件R角回彈大小不同的簧片，一件成形R角為特定角度(設(shè)定為α)，一件成形R角明顯小于α，一件成形R角明顯大于α。將2組簧片裝夾合模后，用螺釘擰緊，采用兩種工藝分別時(shí)效。

圖2 鈹青銅簧片裝模時(shí)效效果

試驗(yàn)結(jié)果見圖2(b)，經(jīng)上述兩種工藝裝模時(shí)效后，零件表面光潔明亮，但變形各不相同：1)存在回彈(R角大于α)的零件均產(chǎn)生了收縮，且R角小于圖紙要求。R角越大，收縮越大，且簧片本體產(chǎn)生了向內(nèi)翹曲。2)R角小于α，裝模時(shí)效后零件的R角均產(chǎn)生了漲大，且大于圖紙要求，簧片本體產(chǎn)生了向外翹曲。3)只有R角為α的零件，角度變化較小，簧片本體基本平直。

采用預(yù)時(shí)效對(duì)控制零件變形的改善作用很小，具體變形情況詳見表1。

表1 不同R角簧片裝模時(shí)效后變形情況

(2) 時(shí)效變形機(jī)理分析

上述現(xiàn)象是由鈹青銅的時(shí)效特性引起的，鈹青銅的時(shí)效過程是一個(gè)快速過程，時(shí)效過程中，伴隨著體積收縮，外力作用對(duì)時(shí)效變形有明顯的收放效應(yīng)。當(dāng)受到外力作用時(shí)，受到壓應(yīng)力的部位，壓應(yīng)力與收縮應(yīng)力方向相同，相互疊加，時(shí)效變形效應(yīng)增強(qiáng)，即收縮增強(qiáng)；受到拉應(yīng)力的部位，拉應(yīng)力與收縮應(yīng)力方向相反，相互抵消，時(shí)效變形效應(yīng)減弱，即收縮減弱。

R角大于α的零件，因存在回彈，裝模夾緊后R處及本體受到較大的外力作用，內(nèi)R處受到壓應(yīng)力，外R處受到拉應(yīng)力，即向內(nèi)的彎曲應(yīng)力，時(shí)效過程中折彎R處產(chǎn)生較大收縮，造成零件R角由原來的大于圖紙尺寸變?yōu)樾∮趫D紙尺寸，而在角度收縮時(shí)，本體需自由伸展，向鄰近空間擴(kuò)展，但本體夾緊在模具內(nèi)無法自由伸縮，形成內(nèi)應(yīng)力，拆模后，應(yīng)力釋放，導(dǎo)致本體向內(nèi)翹曲，R角小于α的零件反之亦然。只有R角為α的零件，在裝模時(shí)效過程中，R處幾乎不受外力，時(shí)效收縮時(shí)，不產(chǎn)生扭曲、擠壓應(yīng)力，零件在兩模板間的界面內(nèi)自由伸展，拆模后還能保持原來的R角且本體不發(fā)生翹曲。裝模時(shí)效后，簧片所受壓應(yīng)力和拉應(yīng)力是影響簧片變形大小和方向的至關(guān)重要的因素。

2.2.2 手工校正后再進(jìn)行時(shí)效

(1) 工藝試驗(yàn)方案及結(jié)果

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)R角為α的零件進(jìn)行裝模時(shí)效，變形能得到較好的控制。而CY4態(tài)鈹青銅簧片塑性較好，很容易進(jìn)行手工校正，因此，在零件裝模前將零件R角手工校正到α，然后再進(jìn)行時(shí)效。

為測試裝模時(shí)效的作用，時(shí)效采用裝模時(shí)效和自由態(tài)(不裝模)時(shí)效兩種方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝模時(shí)效后每個(gè)零件各部位基本緊貼模具，各尺寸完全滿足圖紙要求，見圖3(a)。而自由態(tài)時(shí)效后，零件的R角產(chǎn)生了不同程度的變化，見圖3(b)，無法滿足圖紙要求。因此，對(duì)于鈹青銅簧片類折彎成形件，在時(shí)效前采用手工將R角校正到α，然后裝模時(shí)效，時(shí)效后零件的尺寸精度能滿足圖紙要求，時(shí)效后變形情況詳見表2。

時(shí)效方法校正前R角校正后R角時(shí)效后R角變形時(shí)效后本體變形裝模時(shí)效>α=αR角基本不變<α=αR角基本不變=α=αR角基本不變簧片本體基本沒有翹曲或扭曲自由態(tài)時(shí)效>α=α>α但好于校正前<α=α<α但好于校正前=α=αR角基本不變簧片本體基本沒有翹曲或扭曲

(2) 變形控制機(jī)理分析

上述試驗(yàn)結(jié)果說明：鈹青銅零件自由態(tài)時(shí)效時(shí)，因零件手工校正在R角各處產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不同，時(shí)效過程中應(yīng)力釋放產(chǎn)生了不同程度的時(shí)效變形效應(yīng)，從而導(dǎo)致時(shí)效完成后簧片R角部位產(chǎn)生變形。但采用裝模時(shí)效的方法能有效消除零件內(nèi)部殘余應(yīng)力引起的時(shí)效變形，這是因?yàn)槭止ばＵa(chǎn)生的殘余應(yīng)力在時(shí)效加熱過程中，隨著溫度的升高而不斷釋放，這是一個(gè)緩慢的過程，隨著殘余應(yīng)力的釋放，簧片本體開始緩慢變形，夾模限制了簧片的變形，產(chǎn)生定形效應(yīng)，最終有效控制住簧片因殘余應(yīng)力釋放而導(dǎo)致的變形。

3 結(jié)束語

鈹青銅折彎簧片的熱處理固溶時(shí)效工藝已經(jīng)非常成熟，能很好地滿足硬度要求并實(shí)現(xiàn)簧片的彈性性能，但控制時(shí)效變形是今后工作的重點(diǎn)。本文針對(duì)鈹青銅簧片類折彎成形件，選用有代表性結(jié)構(gòu)的折彎簧片，采用CY4態(tài)彎曲成形，在時(shí)效前手工校正到特定角度，然后裝模時(shí)效，時(shí)效后零件基本沒有變形，有效地控制了時(shí)效硬化過程中的變形，可供同類型零件的時(shí)效變形控制參考。在今后的研究工作中，對(duì)時(shí)效硬化過程中簧片所受應(yīng)力的分析和控制是控制其變形的關(guān)鍵。

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顧忠華(1975-)，男，工程師，主要從事雷達(dá)用金屬材料熱處理工藝研究工作。

Deformation Control Methods of Beryllium BronzeBlade Springs in Heat Treatment Process

GU Zhong-hua，ZHAO Ren-xiang，JIN Gui-dong

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology， Nanjing 210039, China)

Beryllium bronze blade springs will warp, contort or distort after aging treatment. The state of the material of beryllium bronze, the machining stress, and the stress transition during aging treatment are analyzed to study the principles of these problems. Heat treatment experiments are carried out according to the aging character of beryllium bronze.The relationship between the bending angle of beryllium bronze blade springs and the aging deformation is obtained by aging in die after artificial correction. Finally, a new method is established, the deformation of aging treatment is controlled effectively by aging in die after artificial correction, and the acceptance rate is also improved greatly.

beryllium bronze; blade spring; deformation; aging

2013-06-08

TG406

A

1008-5300(2013)06-0048-03