易切削铍青铜的应用研究

侯锦秋，韩继先，王 璐，姜睿智

(沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁 沈阳 110144)

铍青铜是以铍为基本合金元素的铜基合金，铍铜合金的性能随铍含量而改变，按性能可划分为两大类，即高强度高弹性铍青铜合金(铍含量为1.6%～2.1%)、高导电铜合金(铍含量为0.2%～0.7%)[1-2]。高强度高弹性铍青铜合金是一种典型依靠弥散相进行强化的合金，经热处理后具有高的强度、硬度和弹性极限，弹性滞后小，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”[3]。

TBe2是一种常用的高强度高弹性铍青铜合金[4]，该材料具有良好的综合性能，已广泛应用于制作各种高级弹性元件和电子元件，大大提高了构件的工作可靠性、稳定性，延长了其使用寿命。但该材料在加工的过程中，因其较强的热软化性和粘附性，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[5-6]。

近年来，为了改善铍青铜合金的切削加工性能，以适应精密零件的精度要求，各国开发了一种含铅0.2%～0.6%的高强铍青铜，我国的牌号为TBe1.9-0.4，其各项性能等同于普通高强度高弹性铍青铜合金，但合金的切削系数由原来的20%提高到60%。

本文通过对比TBe2和TBe1.9-0.4两种牌号铍青铜合金的理化性能、疲劳性能和切削性能，对易切削加工铍青铜合金的应用前景进行展望。

1 理化性能

铍青铜TBe2和TBe1.9-0.4化学成分符合GB/T 5231—2012的要求，2种牌号的化学成分对比见表1。本次选用规格为φ5 mm的棒材进行试验，拉伸试验按GB/T 228.1—2010执行，试验过程如图1a所示。导电率试验按GB/T 351—2019执行，试验过程如图1b所示。2种牌号铍青铜试验测得的理化性能结果见表2，拉伸曲线如图2所示。经试验验证，TBe2和TBe1.9-0.4两种牌号铍青铜的理化性能结果相近。

表1 2种牌号的化学成分

表2 理化性能结果

2 切削性能

切削加工性能是指材料进行切削加工的难易程度[7]。在不同情况下，可用不同的指标衡量材料的切削加工性。材料加工性能的衡量指标包括如下几点：1)以已加工表面质量衡量切削加工性，凡容易获得较好的加工表面质量(包括表面粗糙度、冷作硬化程度及残余应力等)的材料，其切削加工性能好，反之较差；2)以切屑控制或断屑难易衡量切削加工性能，凡切屑容易控制或容易断屑的材料，其切削加工性能较好，反之则较差。针对同一种材料，材料切削加工性能的因素包括切削速度、进给量和切削深度[8]，称之为切削三要素或切削用量。

为了对比TBe1.9-0.4和TBe2两种铍青铜材料的切削加工性能，本试验的设计思路如下：首先保持进给量和切削深度不变，通过试验验证出TBe2铍青铜材料的许用切削速度。在许用切削速度、进给量不变的条件下，探究不同切削深度下材料的切削加工性能，确定可承受的最大切削深度。最终保持切削速度、进给量、切削深度三要素不变，分别加工2种材料，通过对比车削加工后零件的表面粗糙度和断屑情况，判断2种材料的切削加工性能。

加工零件图样如图3所示，切削加工过程包括前外圆和后外圆的加工。不同切削工艺参数下切削试验结果见表3，最终确定出2种材料统一的切削工艺参数为：切削速度2 000 r/min，进给量0.02 m/r，切削深度为2 mm。在统一的切削工艺参数下，分别对比TBe1.9-0.4和TBe2两种铍青铜材料的表面粗糙度(见表4)和切削屑形貌(见图4)。采用TBe1.9-0.4铍青铜材料进行切削加工时，成型性能良好，表面粗糙度满足要求。TBe2在加工后外圆时零件发生变形，表面粗糙度差；TBe1.9-0.4与TBe2相比出现短小弯曲的碎屑易切断。

表3 切削试验结果

表4 表面粗糙度试验结果

2种合金切削屑呈不同形貌，是因为TBe1.9-0.4与TBe2相比合金成分增加了铅元素，铅元素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，在切削加工时弥散的铅颗粒易于断裂而使切削屑断裂，从而起到碎裂屑、减少粘结和焊合以提高切削速度的作用。弥散的铅颗粒较软，可以使刀头磨损减少到最低，且铅颗粒的熔点较低，从而在刀头和屑的接触局部受热而瞬间熔化，有助于改变切屑的形状，起到润滑的作用[9-10]。

TBe1.9-0.4的切削屑呈短小弯曲的碎屑，说明切削过程较平稳，切削力波动小，容易切断，机械加工时不易出现缠结刀具、磨损刀具的情况，所加工的零件表面粗糙度较小。TBe2的切削屑呈螺旋状，说明材料在切削过程中受到阻力，造成弯曲变形，其内部的附加应力大，所加工零件的表面粗糙度较大，故对刀具的磨损严重。

通过切削试验验证和机理分析可证明：TBe1.9-0.4的切削加工性能优于TBe2。

3 疲劳性能

因铍青铜材料是仪器仪表工业中用来制造弹性元件的重要材料，这些元器件大多要接受成百上千次的反复操作，元器件的可靠性能在很大程度上取决于材料的疲劳性能。为了验证TBe1.9-0.4与TBe2两种铍青铜材料的疲劳性能，将2种材料按图5所示加工成试验件，并按GJB 1216—1991进行机械寿命试验，检测机械寿命前后的接触电阻和插拔力。机械寿命前后试验结果见表5，2种合金在机械寿命前后的接触电阻和插拔力均无明显变化。

表5 接触件试验结果

4 结语

通过对易切削铍青铜TBe1.9-0.4进行理化性能、切削性能、疲劳性能的验证，并以TBe2作为对照组，得出结论：TBe1.9-0.4与TBe2相比，材料的理化性能相近，TBe1.9-0.4成品试验件可满足使用要求，且TBe1.9-0.4的切削性能优于TBe2。

TBe1.9-0.4可作为一种易切削加工弹性材料应用推广，该材料的应用将提高切削加工的效率，减少对刀具的磨损，节约生产成本。但TBe1.9-0.4合金中因有Be、Pb两种元素的加入，对生产条件要求极为苛刻，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，在市场上采购存在一定的困难[11]，这将在一定程度上制约该材料的应用范围。