铍铜

铍是元素周期表中的排行第四的元素。金属铍具有优良的导热性，对X射线透明且无磁性。铍是一种轻元素（密度1.85 g/cm3，比铝的密度还小1/3），熔化温度为1300°C，具有非常高的杨氏模量。铍的物理特性使其适合高端产品的各种应用。作为金属材料，其用途相对限于航空航天、核工业以及国防应用。铍作为添加剂能够引起其他金属（特别是镍、铝，尤其是铜）的沉淀硬化。这两种合金的发展归功于铍镍或铜，可以在低温下沉淀退火处理引起合金结构硬化。

铍铜合金主要以铜为基础添加铍。高强度铍铜合金含有 0.4% - 2% 的铍以及约 0.3% - 2.7% 的其他合金元素，如镍、钴、铁或铅。高机械强度是通过沉淀硬化或时效硬化实现的。

由于铍熔炼过程中蒸汽对于人体有毒害作用，在中国，铍铜母合金仅仅由新疆，四川等少数几家单位提供铍铜母合金。在国际上，则主要由中亚国家出口相关产品。

铍铜是铜合金体系中综合性能非常优异，同时又非常有特色的一种材料，甚至有些应用还非铍铜莫属。受限于上游母合金的供应和价格因素，铍铜合金的优异性能和应用并没有的到应有的认识和拓展。

铍铜合金相图

• - 高强度，高硬度：这些铍铜合金可以以几乎与纯铜相同的塑性变形状态供应。可以获得高达 400 维氏或布氏硬度，甚至可能更高。深冲零件或具有复杂弯曲的零件成型后，还可以对其进行热处理以获得非常高的机械性能，用于轴承保持架，花键，轴等。铍铜在350-400℃下依然能够保持其强度，也因此是用于铝/锌有色金属压铸/注塑/电焊机电极应用的原因之一；
• - 非常高的拉伸强度：时效强化后高达1500 MPa的抗拉强度，用于垫圈，万向节悬架等；
• - 疲劳强度：在反向弯曲和振动中表现出出色的疲劳强度和出色的抗疲劳性：用于仪表元件的膜片，弹簧，波纹管等以及柔性部件。虽然磷青铜也可以用于弹簧和膜片等应用（也有部分客户因为价格因素用磷青铜替代铍铜），但由于屈服强度更高，铍铜的许用应力实际上比磷铜高得多，因此更耐用，更安全，或者产品更小型化，节省原材料。反过来，由于铜铍弹簧的优异性能，可以使电子产品日益小型化的趋势下一部分原本由磷青铜和白铜制成的整个弹簧触点小型化，同时保持相同或更高的强度。这导致整个零件、周边原材料（例如金属、塑料、树脂、涂层等）以及总产品成本的减少。特定条件下以1.5mm厚度的筋冷加工及沉淀硬化的C17200测试，经过1百万次最小/最大应力循环测试之后，铍铜依然能够达到420MPa的抗拉强度。1亿次循环之后还能达到300MPa的强度！

• - 出色的弹性和导电性：对于电源连接器（板对板）、插拔开关、同轴电缆、传感器和继电器等汽车部件、航空仪器和连接器、电信、家用电器等至关重要。
• - 优异的耐磨性：用于摩擦磨损部件。其优异的耐磨损性归因于其高硬度、自润滑能力、高硬度的薄膜铍氧化物表面的存在及其高导热性。通过适当润滑，铍铜的摩擦系数将显著降低（0.02-0.06），在高应力（500MPa）下效果更为显著，而这是任何其他铜合金无法达到的。因此，铍铜被用于生产重型部件。例如，用作重载轴承和衬套，例如飞机起落架和采矿钻探技术中的一些重型设备。
• - 抗应力松弛：在电子元器件中，随着时间的推移，铍铜和所有材料都会产生一定的应力松弛，而温度则会加剧这种应力松弛。这种松弛比大多数其他铜基合金（尤其是黄铜或磷青铜）低得多。材料在操作过程中必须保持稳定，特别是在长时间承受压力时。因此，在某些应用中需要考虑这一点非常重要。例如，电接触弹簧必须在使用中保持其性能，抗应力松弛强度太低的材料会逐渐失去其接触力。随着时间的推移，这可能会导致接触电阻增加，产生更大的热量，最终可能导致破裂甚至因此导致短路，火灾等隐患。此外，电子元件通常在 150°C 下进行测试，我们的铍铜材料在该温度下的应力下长期保持绝对稳定。
• - 高低温特性：铍铜是一种低温合金，在低温下不会表现出断裂倾向，而反而会改善其性能。由于其保持强度和稳定性的能力，低温条件下的韧性被用于航空航天领域的液氢和液氧应用。低温下铍铜合金也不表现出延性到脆性的转变温度，并且强度（和延展性）往往随着温度下降反而增加。另外，由于铍铜在350-370℃进行时效强化，因此铍铜可以在从低到高很宽的温度范围内工作，特别是非常低的低温，也可以在比普通铜合金通常可接受的温度更高的温度下工作。
• - 高电导率：铍铜具有 22-70% IACS 的高电导率（Ni含量增加会提高电导率，虽然即便如此总电导率也还是不如纯铜），具体取决于合金和状态，结合高弹性和高温时效强化的特点，铍铜广泛用于导电弹簧，导电连接器和电触点材料应用，因为它具有优异的性能组合：高强度、抗疲劳性、导电性、无火花和耐腐蚀性。随着时间的推移，选择类似铍铜的高导电材料对于汽车、航空航天和自动化组件中的开关、传感器和继电器至关重要。由于一直以来在更高温度下工作的电子元气件的组装更加紧凑化和小型化趋势，对高性能铍铜材料的需求还在不断增加。

• - 非磁性：C17200合金在1000 高斯场强下的磁导率在 0.997 - 1.003 之间。稳定的磁导率代表了对缓慢传播的磁场的完美透明度（非磁性）。与其他在机械加工或成型过程中会被磁激活的非磁性合金相比，铍铜材料的该特性则不受硬化或冷加工的影响。结合其高强度、断裂韧性和精确的尺寸稳定性，这些特性使得我们的铍铜材料可在磁性仪器外壳、磁性支撑结构、测量设备和其他各种产品中提供了大量出色的服务。

• - 出色的耐腐蚀性：非常适合在海洋和工业环境中使用。铍铜具有良好的耐大气腐蚀性能。尽管它可能会失去光泽，特别是在潮湿的大气中，但这不会影响其机械性能。气态非无水卤素会加速腐蚀。同样，潮湿的氨对铍铜也具有腐蚀性。铍铜在盐雾或雾气中的耐腐蚀性优于铜或磷青铜。铍铜实际上不受电偶腐蚀的影响。作为一种具有高潜力的贵金属，它不会受到工业中最常用的金属（例如钢和铝）的侵蚀。但如果铍铜的暴露表面相对于这些金属较大，则后者反倒是可能会受到电偶腐蚀。不过，铍铜在橡胶工业中会受到硫的腐蚀。此外，经验表明，在铝和锌合金压铸工业中，使用铍铜与熔融锌合金（尤其是铝）接触时会产生极少量的腐蚀。铍铜合金不会像某些黄铜那样受到应力腐蚀或“季节裂纹”。它们具有出色的耐腐蚀疲劳性，并且不会发生氢脆。由于具有耐盐水腐蚀和极高的机械强度（深度可达 8000 米），如果以铍铜作为主要紧固元件，可建立并确保深海电缆与地面通信网络的洲际连接。
• - 比钢高3-5倍的导热能力：经常用于真空，非真空压铸，注塑模具，电焊机电极。在真空压铸中由于快速导热冷却能力可以使得熔体的溢出量减少70%，大幅节省原料和后处理时间，大幅提高生产效益；此外，铍铜弹簧通常是电流传导装置的有源元件。连接器内的铜铍触点可设定插入力并提供足够的力以最小化接触电阻。它还保持必要的拔出力，以确保导体电路的完整性，同时保持电流通过接触弹簧。金属的电阻率产生的内部热量可能会导致使用中的应力松弛，但铍铜的高导热则有利于减小这种失效的风险。
• - 高流动性和良好的铸造性：铍铜的性能部分取决于化学成分，但冷加工和时效硬化也很重要。回火的选择主要取决于半成品必须经历的变形程度或机加工，因为零件的最终性能更多地取决于沉淀热处理，而不是固溶热处理后的冷变形。因此，铍铜材料按照不同的应用可以有丰富的交货状态和热处理工艺以达到目标性能，例如不同温度和时长下的时效热处理。

• - 按照要求分切的特定状态的带材/卷材
• - 型/棒材（圆棒，方棒，扁条等）
• - 管材（可定制）
• - 丝材（最小0.03mm）
• - 铸造及轧制板材

• - ISO/EN符号体系: CuBe, CuBePb, CuBe1.7, CuNiBe
• - ISO/EN数字体系：CW101C, CW102C, CW100C, CW110C
• - UN(ASTM)体系： C17200， C17300，C17000，C17510， C17530

• - 退火态（A，全软）
• - 1/4H
• - 1/2H
• - H（全硬）

对于铍铜加工，必须牢记以下几点：

• - 这种合金加工硬化非常快，每次切削都必须穿透到前一次切削加工硬化的表面以下；出于实际目的，0.2 mm的深度被认为是最小的单次加工量。
• - 铍铜是一种沉淀硬化合金，加工过程中延长加热可能启动硬化效果。因此，在加工过程中保持零件冷却非常重要。
• - 铍的氧化物具有很强的磨蚀性。因此，在加工已氧化的零件时，刀具应始终深入到金属中，以避免刮擦表面氧化物。但另一方面，这层氧化物也是铍铜合金高耐磨的有力保障。
• - 铍铜在沉淀硬化过程中会存在平均0.6 % 的体积收缩，0.2 % 的线性收缩；对于需要精密加工公差的零件，必须牢记这一点，并且最终加工应在沉淀硬化后进行。
• - 最后，对于工具的压力和支撑的刚性，必须牢记铍铜的屈服强度仅为钢的 60%。
  

• - 软钎焊：软焊料的熔点相对较低，低于250°C。因此，可以在沉淀硬化之后进行焊接而不会导致铍铜的性能发生变化。然而，焊接前金属表面必须绝对干净。
• - 硬钎焊：就强度而言，采用银钎焊可产生更好的效果。熔点为 780°C 的共晶银铜合金理论上允许在固溶退火温度下进行钎焊。但这是一项非常精细的操作，通常使用的钎料合金应在 600 - 650°C 之间熔化。最典型的熔点为 625°C，流动点为 635°C（成分：50%Ag、15.5%Cu、16.5%Zn 和 18%Cd）。因为这些温度低于固溶退火温度，必须将在该温度下的时间减少到最短，以便在沉淀硬化后达到最佳的性能。
• - 电阻焊：铍铜可以点焊，也可以焊接和搭焊。缝焊难度较大。当焊接处于非时效条件下时，由于电导率和导热率较低，可以获得最佳结果。焊接电流应比低碳钢高50%左右，但时间应较短。如果要将铍铜与另一种金属连接，必须特别注意电极的选择（形状和材料）以及焊接条件的精确控制。
• - 电弧焊：电弧焊可以通过使用钨电极的 TIG 方法或使用自耗电极的 MIG 方法来完成。TIG 方法特别受关注，因为它不使用任何焊剂，加热效果仅限于相对较小的区域，并且惰性气体可保护金属免遭氧化。铍铜出现的焊接问题源于该合金的两个特性：1. 由于铍铜是沉淀硬化型合金，焊接时的加热或多或少会破坏沉淀热处理的效果，因此，如果需要最佳性能，则需要重新进行时效处理。2. 氧化铍非常难熔并且很容易形成。因此绝对有必要避免氧化物的存在或其形成。
• - 电子束钎焊：电子束焊接对于精细工作特别有意义，因为操作引起的变形是最小的。由于焊接是在真空下进行的，因此避免了待连接材料的任何氧化。

- 铍铜零件的制造商经常需要提供具有电镀表面的零件。在电镀之前，金属必须经过酸洗并且必须绝对干净。这是必要的，因为热处理通常会产生一些表面氧化，从而阻止镀层的粘附。建议对待镀零件进行热处理后进行硫酸浴。然而，这种酸洗会在金属表面留下微红色沉积物，必须通过机械方法（例如翻滚）或化学方法（使用 20% 的硝酸水溶液在很短的时间内去除）来消除该沉积物避免攻击金属。酸洗后必须进行彻底冲洗和干燥。

• - 对于必须具有低接触电阻、对高频电流具有良好的表面导电性等的电触点，通常需要镀贵金属（金或银）。对于这种类型的电镀，通常会沉积一层薄薄的镍作为扩散阻挡层。该沉积物应该很薄，大约 0.5 - 1 微米，特别是如果零件在操作中受到弯曲，因为镍层特别脆弱。