Краткий обзор применения бериллиевой бронзы в электрических разъёмах
Аннотация: В статье рассматриваются классификация сплавов бериллиевой бронзы, марки, применяемые в электрических разъёмах, их химический состав, свойства, а также текущее состояние развития данной отрасли в Китае и за рубежом. Обсуждаются перспективы применения бериллиевой бронзы в отрасли электрических разъёмов и направления её дальнейшего развития.
Ключевые слова: бериллиевая бронза; электрический разъём
1. Введение
Эластичные материалы отличаются широким разнообразием, применяются в различных отраслях, обладают высокой точностью обработки и уникальными свойствами. Медные эластичные сплавы получили широкое распространение в производстве токопроводящих упругих компонентов благодаря своей высокой электропроводности, теплопроводности и хорошим механическим свойствам. В зависимости от уровня упругости такие сплавы делятся на: высокоэластичные, среднеэластичные, низкоэластичные и композитные эластичные сплавы.
В электрических разъёмах упругие материалы играют ключевую роль в обеспечении стабильных усилий вставки и удержания. В настоящее время обычно применяются высокоэластичные медные сплавы, которые могут быть упрочнены термообработкой. Типичным представителем является бериллиевая бронза — сплав с упрочнением путём дисперсионного твердения, обладающий высокой проводимостью и упругостью. Компоненты из бериллиевой бронзы имеют низкую упругую гистерезис и хорошее восстановление формы, благодаря чему материал считается одним из лучших среди упругих медных сплавов.
В данной статье представлена информация о распространённых марках бериллиевой бронзы, их классификация, химический состав, свойства. Также проводится сравнение между отечественным и зарубежным уровнем развития и анализируются перспективы применения бериллиевой бронзы в электрических разъёмах.
2. Обзор исследований бериллиевой бронзы
2.1 Классификация бериллиевой бронзы
После закалки и старения бериллиевая бронза приобретает высокие прочностные характеристики, твёрдость и предел упругости, отличается низкой упругой гистерезисом, хорошей стабильностью, усталостной прочностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью, работоспособностью при низких температурах, немагнитностью, высокой электропроводностью и теплопроводностью, а также не образует искры при ударе. За эти свойства бериллиевая бронза получила прозвище «король цветных упругих материалов».
По эксплуатационным свойствам бериллиевая бронза делится на:
бериллиевая бронза высокой прочности и упругости (содержание Be: 1.6%–2.1%)
бериллиевая бронза с высокой проводимостью (Be: 0.2%–0.7%)
По способу формования различают:
деформируемые сплавы (изготавливаются в виде листов, лент, прутков, трубок и проволоки), применяются в упругих элементах — переключателях, пружинах, контактах и др.
литейные сплавы, обладающие высокой прочностью и твёрдостью, используются в авиастроении, электронике, машиностроении (например, втулки самолётов, буровые головки и т.д.).
2.2 Марки и химический состав
Основное внимание в статье уделено бериллиевой бронзе высокой прочности и упругости. В Китае широко применяется марка QBe2, относящаяся к деформируемым сплавам. Ниже приведено сравнение химического состава с аналогичными зарубежными марками:
Марка | Страна | Be (%) | Ni (%) | Co (%) | Si (%) | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|
QBe2 | Китай | 1.9–2.2 | 0.2–0.5 | – | – | Остальное |
C1720 | Япония | 1.9–2.15 | 0.2–0.25 | 0.35–0.65 | <0.15 | Остальное |
C17200 | США | 1.8–2.0 | ≥0.2 | ≥0.6 | – | Остальное |
Ni и Co выполняют схожие функции: препятствуют переупрочнению во время старения и увеличивают прочность сплава. В японской марке также присутствует Si, который при определённом соотношении с Co образует соединения CoSi, Co₂Si, повышающие прочность. Однако содержание Si должно быть строго ограничено, чтобы избежать образования твёрдых и хрупких эвтектических фаз с бериллием, которые могут ухудшить вязкость материала.
Марка QBe2 получила широкое распространение, но во время механической обработки склонна к налипанию на режущий инструмент, что снижает срок его службы. Для улучшения обрабатываемости в состав сплава стали добавлять свинец (Pb). Свинец практически нерастворим в меди, поэтому при затвердевании образует мелкие включения, которые легко разрушаются во время резания, облегчая образование стружки, снижая налипание и улучшая резание.
Типичные марки легкообрабатываемой бериллиевой бронзы — китайская QBe1.9-0.4 и американская C17300, имеют идентичный химический состав:
Марка | Be (%) | Ni+Co (%) | Ni+Co+Fe (%) | Pb (%) | Al (%) | Si (%) | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
QBe1.9-0.4 | 1.8–2.0 | ≥0.2 | ≤0.6 | 0.2–0.6 | ≤0.2 | ≤0.2 | Остальное |
C17300 | 1.8–2.0 | ≥0.2 | ≤0.6 | 0.2–0.6 | ≤0.2 | ≤0.2 | Остальное |
Согласно китайскому стандарту GB/T 5231-2012, марка QBe1.9-0.4 эквивалентна C17300.
2.3 Текущее развитие
Ведущими мировыми производителями бериллиевой бронзы являются Brush Wellman (США) и NGK (Япония). Китай начал развивать эту отрасль позже и пока отстаёт по уровню технологий. Основные причины: малая масштабность производства, устаревшее оборудование, низкий уровень автоматизации.
Ключевые отличия между Китаем и зарубежными странами:
Плавка:
Зарубежные компании используют индукционные печи без вакуума, дегазацию азотом и нижнее литьё — меньше дефектов, стабильное качество слитков.
В Китае используется вакуумная плавка с наклонным разливом — высок риск окисления и газонасыщения, слитки с дефектами.
Горячая прокатка:
Зарубежные прокатные станы имеют высокую силу давления, позволяют прокатывать крупные слитки за меньшее количество проходов с хорошим контролем температуры.
В Китае — прокатное оборудование слабее, прокат идёт с большим числом проходов, быстрое снижение температуры, контроль хуже — результат: большой разброс по допускам.
Термообработка:
За рубежом применяют колпаковые печи с защитной атмосферой и воздушно-подушечные закалочные печи — поверхность яркая, свойства стабильные.
В Китае — сопротивляющие, камерные и непрерывные печи без защитного газа — свойства нестабильны.
Тем не менее, в последние годы китайская отрасль достигла значительного прогресса, многие крупные производители модернизировали оборудование и процессы, улучшив точность, внешний вид и стабильность механических свойств. Началось производство отечественных аналогов марок C17200 и C17300, которые уже применяются в промышленности.
3. Перспективы применения бериллиевой бронзы в электрических разъёмах
Электрический разъём — это базовый компонент, широко используемый в электронных и электрических системах. Его ключевая особенность — разъёмность. Основной рабочий элемент — контакт, именно он обеспечивает передачу электрического сигнала. При потере надёжности контакта разъём теряет свою функцию.
Выбор материала для контакта должен основываться на показателях: предел упругости, модуль упругости, прочность, удлинение, усталостная прочность и т.д. Чтобы предотвратить пластическую деформацию, изгиб и релаксацию напряжений при многократном соединении, предпочтение отдаётся сплавам с высокой прочностью и упругостью — таким как QBe2.
По мнению авторов, с развитием технологий всё большее применение будет находить легкообрабатываемая марка QBe1.9-0.4, постепенно заменяя QBe2.
Однако производство бериллиевой бронзы остаётся дорогим, а бериллий токсичен. В легкообрабатываемых сплавах используется также свинец, что предъявляет высокие требования к условиям производства. Пыль бериллия и свинца оказывает тяжёлое и необратимое воздействие на здоровье человека и сильно загрязняет окружающую среду, что ограничивает применение этих сплавов в гражданской электронике.
4. Заключение
Бериллиевая бронза уже широко используется в военных электрических разъёмах. Вопрос о возможности широкого применения легкообрабатываемых марок в будущем требует дальнейших исследований. Вместе с тем, с учётом экологических и экономических факторов, поиск безопасных и доступных альтернатив для гражданских разъёмов также станет важным направлением будущих исследований.
Авторы:
Хоу Цзиньцю, Ван Иньлинь, Сунь Хайхан, Хань Цзисянь, Цзян Жуйчжи, Хао Цзяньнань
Компания Shenyang Xinghua Aviation Electric Co., Ltd.
Третье военное представительство департамента вооружения ВВС в районе Шэньяна