航天超微距連接器用鈹銅合金絲的制備與應用

朱興水 朱云芳

超微距高可靠性連接器是現(xiàn)代航天、航空電器中重要電子器件，接觸件是連接器完成電連接功能的核心部件，是由高強高彈鈹銅合金材料加工而成，目前此類材料主要依靠進口美國、日本。據(jù)統(tǒng)計，目前國內軍用各種連接器市場規(guī)模大概100億元，其中航天航空占了30%左右，市場空間大。本文主要探討超微距連接器用鈹銅合金絲材制備加工熱處理過程的生產(chǎn)瓶頸問題，突破合金材料生產(chǎn)過程中熔體潔凈化及錠坯缺陷控制、細晶均質化調控、超細合金絲材的連續(xù)化制備加工技術共性技術，實現(xiàn)高品質鈹銅合金材料的穩(wěn)定化和自主化生產(chǎn)，產(chǎn)品性能與國外同類產(chǎn)品性能相媲美，對于提高現(xiàn)有產(chǎn)品技術水平、打破進口依賴，提升航空航天用銅合金產(chǎn)品的自主保障能力具有重要的實際意義。

1.國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

鈹銅合金是一種時效析出強化的合金，經(jīng)固溶時效處理后具有高的強度、硬度、彈性極限，并且穩(wěn)定性好，具有耐蝕、耐磨、耐疲勞、耐低溫、無磁性、導電導熱性好、沖擊時不會產(chǎn)生火花等一系列優(yōu)點，被譽為“有色彈性材料之王”。可以廣泛用于電子電器、通訊儀器、航空航天、石油化工、冶金礦山、汽車家電、機械制造等多種領域，已成為國民經(jīng)濟建設中不可缺少的重要工業(yè)材料。

由于鈹銅合金中鈹含量大于1.5%時，具有高的強度、硬度、彈性極限，彈滯后性小，耐蝕、耐磨、耐疲勞、耐低溫、無磁性等優(yōu)點，能廣泛地應用于宇航中可靠連接器、航空航天中的高強彈簧墊片等領域。特別隨著近十年我國航天航空事業(yè)的快速發(fā)展，圓形、矩形、超微距等各種形狀尺寸的連接器在航天航空儀器儀表、電子設備中得到廣泛的應用，如下圖1所示。接觸件是連接器完成電連接功能的核心部件，對合金材料的強度、導電、彈性極限、耐蝕、抗應力松弛等性能提出了嚴格的要求。目前，接觸件一般由黃銅、磷青銅材料制成，但高可靠性、高穩(wěn)定性的連接器必須用鈹銅合金材料制成。由表1中幾種合金材料的綜合性能可知，鈹銅合金材料相對于黃銅、磷青銅合金具有無可替代的優(yōu)良綜合性能。目前，航天航空領域的連接器接觸件材料均使用鈹銅合金。

圖1 各種形狀尺寸的連接器

表1 各種彈性銅合金材料綜合性能表

我國按GJB598、GJB599等國軍標生產(chǎn)用于航天、航空領域的高可靠軍用電連接器，廣泛選用進口C17200或國產(chǎn)鈹銅QBe2鈹銅絲、棒或帶材，制作接觸可靠性要求較髙的電連接器彈性接觸件，通常是加工成形后進行時效硬化處理，獲得所需的綜合物理特性。彈性接觸件按截面形狀可分為圓形和方形兩類。圓形插孔選用鈹銅棒或絲材經(jīng)自動或半自動機床車削加工而成。通常車制圓形插孔是釆用打孔、劈槽、收口（或收口后劈槽）， 使之具有彈性。劈槽有側開槽、直開槽等型式。目前越來越多的電連接器正在用一次成形工藝代替過去單工序切削加工，采用一次成形加工插（孔），可在一臺設備上加工成形，裝夾次數(shù)少，加工精度和生產(chǎn)效率均相應提高。

但隨著連接器向著高可靠性、高密度、小型化方向發(fā)展，對接觸件及其材料提出更高的要求。目前我國航天、航空電連接器企業(yè)研制生產(chǎn)的超微矩形電連接器，如圖2所示，俗稱絞線式插針是該連接器的關鍵部件，其性能特點決定了超微矩形電連接器的可靠性。鈹銅合金絲材作為絞線式插針的關鍵首選原材料，絲材尺寸和機械物理性能的穩(wěn)定性直接決定著絞線式插針尺寸大小和使用穩(wěn)定性和可靠性。貴州航天電器是中國絞股式插針連接器的主導研發(fā)單位及生產(chǎn)商，2016年的產(chǎn)值達到了23億元，近幾年以25%的速度在穩(wěn)步增長，為中國的航天、航空工業(yè)發(fā)展作出了很大的貢獻。

航空航天用超微距形電連接器在產(chǎn)品可靠性、重量等級上有嚴格的要求。因此，該在滿足傳輸性能指標要求的情況下，接觸件重量輕、尺寸小、體積小是航空航天用超微距矩形電連接器重要的發(fā)展方向。這就要求所用到的高強度銅合金彈性材料具有優(yōu)異的機械性能，并保持良好的導電性。目前國產(chǎn)導體材料尚不能滿足航空航天級接觸件的要求，芯線導體材料大量依賴進口，致使該材料的制備和應用研究基礎薄弱，材料的應用性評價缺乏。

隨著航空航天器中電子元件數(shù)量和質量要求的不斷提高，向這些電子元件傳輸電力和信號的連接器也向著高可靠性、輕質、耐腐蝕的方向發(fā)展，且需求量日益增加。這些性能特點決定了該類元器件在制備工藝及材料選擇方面具有較高的要求。多年來，我國在該領域研究和生產(chǎn)力量薄弱，致使目前國內尚無該產(chǎn)品的自主生產(chǎn)能力，連接器接觸件材料都大量進口美國和日本，由此引發(fā)的高成本和供給不確定情況十分嚴峻。

2. 鈹銅絲材制備的難點及采取的措施

① 高性能鈹銅合金成分優(yōu)化設計

擬選擇高強高彈型Cu-Be系合金為研究對象。Be元素的含量將直接決定合金的綜合性能。選擇的Be含量為1.5-2.2wt%。鈹銅中除了Be元素外，主要合金元素是鎳或鈷。由Cu-Co二元相圖表明鈷在銅中的固溶度隨著溫度下降而減少，它還與Be生成CoBe和Co5Be21兩種化合物，都溶于固溶體，CoBe具有很高的硬度，αH=443kg·mm-2。鈷還能阻礙合金加熱時晶粒長大，延遲固溶分解，抑制時效過程晶界擇優(yōu)析出，延長產(chǎn)生過時效時間，提高合金的抗應力松弛性能。Ni能與Be形成NiBe化合物，高溫時溶于α固溶體中，當溫度降低時NiBe的溶解度明顯減小，所以此類合金能因化合物NiBe的沉淀而硬化。研究表明，Ni的作用與Co相類似，但是不如Co好。Sn能溶于鈹銅合金的α固溶體，并減緩合金的相變過程。在鈹銅合金中加入0.2-0.9%的錫，能延遲固溶體分解，顯著抑制晶界的不連續(xù)沉淀，防止過時效，提高時效硬化效果。Ag能提高鈹銅合金時效后室溫的強度，又使合金保持有高的電導率。Fe 能細化晶粒，固溶于α固溶中的鐵能延遲過飽和固溶體的分解，抑制晶界反應。但當鐵含量過多時，會減小合金的沉淀強化效果。作為銅合金“維生素”，在銅合金添加適量的稀土元素能與合金中的合金元素或雜質元素發(fā)生相互作用，能純化基體細化組織，提高合金的強度。在前期研究工作和熱力學計算的基礎上，擬對合金成分進行綜合設計，并根據(jù)本項目的實際指標要求優(yōu)化得到最佳合金成分。

② 合金熔體潔凈化及錠坯缺陷控制

由于Be元素在大氣環(huán)境下容易發(fā)生氧化，形成氧化鈹粉塵，對人體和環(huán)境均產(chǎn)生不利影響。另外，對于Cu-Be-X合金而言，其液固線溫度差較小，在鑄造過程中鑄錠容易出現(xiàn)明顯的縮孔，縮孔的程度隨著鑄錠尺寸的增大而更加明顯，嚴重降低銅合金鑄錠質量和影響后續(xù)合金的熱變形加工以及成材率。因此，本項目在Cu-Be合金熔鑄過程中，采用高純度的原材料在真空環(huán)境下熔煉，在熔煉過程中添加復合精煉劑（如氟化鈣、冰晶石等）對熔體進行精煉除雜，通過調整熔煉溫度、時間等熔鑄工藝參數(shù)來凈化熔體，保證熔體的潔凈化。同時為了防止合金元素發(fā)生氧化和熔體吸氣，通入氬氣進行氣體保護。為了保證合金鑄造過程中鑄錠出現(xiàn)嚴重的縮孔、疏松等缺陷的出現(xiàn)，采用特殊結構的保溫帽，使鑄造缺陷盡可能轉移至冒口處，前期研究表明通過保溫帽的使用能顯著提高合金鑄錠質量。通過以上措施和工藝方法對Cu-Be系合金熔體進行潔凈化和鑄錠的缺陷進行有效控制，形成一套高品質銅合金鑄坯制備成型技術，為航空航天高可靠性用鈹青銅合金材料的國產(chǎn)化生產(chǎn)提供了質量合格的銅合金鑄錠。

③合金鑄錠多道次鍛造和擠壓

由于銅合金坯料與擠壓筒之間存在很大的外摩擦，容易造成金屬流動不均勻，導致擠壓后合金出現(xiàn)組織性能不均勻和擠壓效應等問題，嚴重影響合金的后續(xù)加工和使用。因此，擬采用鍛造+擠壓復合熱成形工藝，通過多道次、多變向鍛造變形，使鑄錠縱向和徑向粗大柱狀晶轉變?yōu)榈容S晶組織、粗大的等軸晶得到有效地破粹和細化，鑄錠獲得更加細小的等軸晶組織，改善擠壓后合金組織性能的均勻性。在此基礎上再進行合理的熱擠壓變形，可以獲得更加均勻、細小的組織。因此，項目通過掌握始鍛溫度、加工變形率、變形道次等鍛造工藝參數(shù)和擠壓溫度、擠壓比、擠壓速度、擠壓道次等擠壓工藝參數(shù)對合金組織性能均勻性的影響，形成一套銅合金棒材鍛造+擠壓復合熱成形控制技術，突破傳統(tǒng)單獨進行擠壓成形造成的組織性能不均勻的瓶頸問題，有利于項目中對組織大小、均勻性的控制。

④ 超細合金絲材的連續(xù)化制備加工工藝

研究合金的在線固溶工藝、形成沉淀相的時效處理條件，時效前冷加工過程等因素對析出物的形成和長大的影響機理，探索上述工藝對合金組織性能影響作用的內在關聯(lián)，并進一步優(yōu)化工藝條件，匹配出具有高強高導高彈的合金特性。連續(xù)固溶處理具有高溫快速固溶處理的技術特點，能同時滿足鈹青銅合金超細絲材對溶質元素固溶度、晶粒度及均勻性、表面質量多重要求，有效降低超細絲表面的擦傷、劃傷及氧化等缺陷，提升銅合金絲材的表面質量，是本項目的一大技術特色，該項技術具有明顯的先進性。

⑤ 高性能鈹銅合金材料冷加工工藝

材料經(jīng)中間退火處理后，通過冷變形增加合金中的位錯密度，對合金棒材進行多道次冷拉拔實現(xiàn)減徑并提高組織均勻性，研究冷變形程度對合金組織性能的影響及對時效析出行為的作用。在保證不產(chǎn)生加工缺陷的前提下，在材料的塑性范圍內盡可能提高合金道次變形量，保證整個線材橫斷面均發(fā)生塑性變形，實現(xiàn)合金最終組織的均勻細小。根據(jù)預研，鈹青銅棒材冷拉總變形量控制在50%-80%，道次變形量控制在10-25%，經(jīng)過多次冷拉后獲得所需要尺寸的棒材，這一工藝基本可行，但須進一步優(yōu)化。為了保證合金超細絲連續(xù)化加工，不斷絲的前提下，盡可能的提高合金的道次變形量和總變形量，有利于后續(xù)超細絲材料的微觀組織的控制。

⑥ 高性能鈹銅合金材料雙級時效處理技術

根據(jù)鈹銅合金時效過程中組織性能結果表明，在時效過程中合金容易在晶界處擇優(yōu)析出不連續(xù)析出物，嚴重影響合金的機械性能、腐蝕等性能。造成晶界不連續(xù)析出的最主要原因在于晶界反應激活能小于晶內反應激活能，即在相同溫度條件下，原子在晶界處擴散要比在基體中體擴散的阻力更小。如何減小原子在基體中擴散的阻力是抑制晶界反應的關鍵。因此，本項目擬采用雙級時效熱處理技術來協(xié)同控制合金的晶界反應的發(fā)生和析出相的粗化，選擇合適的高、低溫時效處理雙級時效處理制度研究對不連續(xù)析出和連續(xù)析出組織形態(tài)特征的協(xié)同控制的影響規(guī)律，確定出合理的雙級時效處理工藝制度，顯著提高合金強度和抗應力松弛性能，以及降低合金的彈性后效，滿足航天航空高可靠性連接器對鈹銅合金材料微觀組織的要求。

3.鈹銅合金絲材的應用前景

首先在航天航空領域中，鈹銅合金絲材作為高可靠性連接器的接觸件用材是公認的，盡管新材料在不斷地開發(fā)與應用，但到現(xiàn)在，還沒有一個綜合性能與之相當?shù)奶娲烦霈F(xiàn)，且隨著生產(chǎn)制造工藝的進步和發(fā)展，其質量與制造成本都將得到大幅提升和改善。特別超微距連接器，今后將擴展至國防軍工行業(yè)的應用越來越多，市場應用將有個快速的增長。目前一般使用的絲材直徑在0.10-0.05MM， 但隨著超微距化的發(fā)展，今后將需要直徑0.05-0.03MM的絲材，對鈹銅生產(chǎn)商提出更加高的制造難度，希望廣大的有色金屬制造專家學者，為這個關系到國防戰(zhàn)略的小絲線研究提供更深入的研究成果，從而大大提升我國的綜合國力，為人類的和平發(fā)展作出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]鈹銅合金熔鑄工藝及設備的發(fā)展"董超群，<寧夏工程技術> 2004年3月第3卷第1期，

[2]Compositional ariation and precipitate structures of Copper-beryllium single crystals grown by the Bridgman Technique" W.C. Crone ， Journal of Crystal Growth 218（2000）381-389

項目基金：該項目得到湖州市科技計劃的資助