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铍铜合金的时效变形
作者:管理员    发布于:2014-05-19 15:10:31    文字:【】【】【
摘要:铍铜合金的时效变形
      

何谓变形?
时效硬化(又称时效,脱溶强化,或简称为热处理)是为充分提高铍铜合金的强度和硬度而作的升温热处理。铍铜的时效硬化状态,是在机加工或冲制成零件以后,进行热处理的。工厂强化的铍铜合金,以时效硬化的状态供贷。在成型以后无需进一步热处理,没有变形的问题。当时效硬化处理是在零件成型以后进行的。就会发生尺寸或形状的变化。

什么原因导至铍铜零件的变形?
铍铜在时效硬化过程中包含了一种冶金脱溶过程,即一种硬的铍化合相从铜合金母体中析出。该硬化相的密度较母体的高,在升温时效其形成的过程中导致体积的轻微变化。体积的变化是负的,即密度提高,对于高强铍铜合金(合金25,M25和165),其体积变化约为-0.6%,相对来说,高强铍铜合金其尺寸的线性变化为-0.2%。这一数值是近似的,因为合金的状态,还有时效的温度和时间对体积的变化均有轻微的影响。
高导铍铜合金(合金3及10),因其铍含量较低,时效过程中的体积变化几乎为零。这些低铍合金没有时效变形的问题。
如果时效过程中,零件的体积变化是均匀的,其密度是均匀地提高,则对零件的整体外形没有影响。这种均匀的变化,可以在尺寸设计的计算中予以考虑,不会出现大的问题。另一方面,如果体积变化是不均匀的,就会发生变形问题。有几种因素会导致铍铜零件的不均匀时效硬化。
时效大尺寸或长形零件时,温度的不均匀性是可能变形的一个根源。然而,由冲压或机加工成型的小零件,即使其时效温度非常均匀,也会出现变化问题。
机加工成型操作,例如,车铣、冲压、弯曲、压花、校直等造成的残余应力,是这些小零件时效过程可能发生变形的最大的原因。例如,一个平整的带材,成形为一个简单的弯曲,如图1所示,在其弯曲的内侧承受压力,而在外侧承受拉力。
由于铍铜时效硬化时伴随着体积的收缩(密度提高),依据Lechatelier定律,压应力的存在将局部地促进或增强时效效应。相反,拉应力则将抑制时效过程。带有弯曲的零件进行时效时,在弯曲半径的内侧,其时效效应(由此,其体积收缩)最大,透过带材的厚度到弯曲半径的外侧,其时效效应逐渐减小。在时效过程中,由于弯曲内侧出现较大的体积收缩导致了图1中的90o弯曲角的增加。 平面的零件较其它形状的零件更容易出现时效变形的问题,这是因为设计中缺乏提高其刚性的因素,而且随尺寸的加长,其变形的倾向性加大。和弯曲角发生变化一样,时效变形会导致弯曲、扭曲、皱缩和波浪形。
虽然时效变形是发生在时效处理期间的初期,但是加热速度对变形无效果,时效硬化后的冷却速度对于变动也没有影响。

如何控制零件的变形?
合金及其状态的选择,装夹具,时效硬化的条件,以及冲压成型的调整,可以用以控制零件的变形。
选用一种工厂强化的铍铜合金。由金田公司对其施行了时效硬化处理,连同时效变形问题都一起解决了。用户在冲压或机加工零件以后,无需进行额外的热处理,工厂强化的状态,可提供一定范围的强度和成型性的合金。工厂强度处理的合金25,称为合金190及Brushform290。
多数的时效变形问题是由于应力分布不均匀而发生。用以控制这一问题的技术是随零件的形状而变换。大尺寸的零件,包括长棒和管,在时效时,可将它们固紧在钢性的梁(杆)上或夹紧在两个平板之间,避免金属的移动。而对于其它形状的零件,可以通过紧紧地封装在砂土中来定型。较小的杯突状冲压零件,可以通过套装来固紧。但是,由于零件设计的复杂性,其紧固方式并非万能的。薄的平面零件有时候可以自行紧固,包括通过设计内平面的加强筋图案。
状态的选择又提供了控制变形的加一种方法。改变状态,也意味着时效以后,获得一组不同的性能。对于冷加工状态的大尺寸棒材的变形问题,往往采用退火态的棒材来代替,其结果要好些。在这种情况下,冷加工带来的残余应力完全被排除掉了,在有些时候,可以通过改善残余应力的均匀性来解决变形问题。例如,为尽量减小时效的变形,在满足其成型性要求的情况下,尽量选取最硬状态的铍铜合金。
成型操作本身,也可以用以促进应力分布的更为均匀。如图1所示,一个简单的直角弯曲是通过金属的塑性变形产生的。弯曲的外侧承受拉力,内侧为压力。换一种方式,获取同样的弯曲图案,零件可在开始时弯曲到超过直角,而后弯回到要求的角度,如图3所示的两个步骤。
反向(第二次)弯曲操作,将在外侧产生压力,(初始成型时,产生拉力),相反,内侧产生拉力,通过两次相继的弯曲步骤产生的相反的应力状态,某种程度上将互相“抵消”,或者减少了总的不均匀性。
大的弯曲半径将减小应力的不均匀性。然而,非常大的弯曲半径时,冲制成型后的弹性回弹,会导致在弯曲内侧和外侧的残余应力转换了符号。在这种情况下,时效变形的方向,与小弯曲半径时所见的正好相反。冲压模具也会是产生残余应力的根源,导致变形问题。钝的工具或者过大的模具间隙,在冲制的边缘产生高的残余应力,加剧了变形。尤其是对于非常窄的零件。
如果应力,或者更重要的是,应力的不均匀性不能排除了,可以调整时效硬化的条件,以减少变形。在较高温度下时效硬化(相应缩短时间)将减少变形。高温时效也会降低合金可以达到的峰值强度或硬度。举个例子,如果合金25的时效温度从315℃的标准温度提高到370℃,其时效时间则将从2±1小时,降低到30±3分钟,其峰值强度则减少约10kg/m.m2(10Mpa)。在370℃时效时的变形明显地减少了,但是减少的幅度取决于零件的初始应力状态。
时效硬化之前,进行消除应力处理,可能减少某些残余应力,但是这并不能始终有效地排除时效变形。通过消除应力,降低了残余应力的水平,但是残余应力的不均匀性依然存在。
时效周期中,过程的控制(受批量、设备和零件形状的影响)以及所要求的强度水平,将确定最佳的时效硬化温度。所选择的温度应尽可能减少变形。随着任何过程的变化,应当先进行小试样的试验。在改变时效硬化的温度和时间时,先试验一下工艺条件。

结论
铍铜零件在时效硬化过程中的变形,通常是由于不均匀残余应力造成的。这种变形可通过以下方法来减少或排除:
1. 改用工厂硬化状态的合金;
2. 选用成型性满足要求的最硬态的合金;
3. 在时效硬化过程中装夹具紧固;
4. 排除零件内的应力;
5. 保证均匀的应力分布;
6. 提高时效硬化温度,并缩短在该温度下的时效时间; 

脚注信息
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