超薄QBe2CY彈簧片時(shí)效后顯微硬度值偏低原因分析及改進(jìn)方法

許東，彭麗娟

近年來，彈簧片需求數(shù)量的不斷增加及滾動(dòng)組批投產(chǎn)的生產(chǎn)策略，加工數(shù)量猛增，各種規(guī)格零件的年投產(chǎn)數(shù)量在6000～8000片之間。由于該彈簧片作為某產(chǎn)品重要用途的彈性元件，要求非常薄，厚僅為0.2mm，同時(shí)外形要求一致性好，無翹曲，具有適合的剛度。彈簧片形狀如圖1所示。

彈簧片的顯微硬度值技術(shù)要求極嚴(yán)，每爐批次時(shí)效處理后的顯微硬度要求達(dá)330～360HV。彈簧片每爐批次時(shí)效處理后出現(xiàn)較大比例顯微硬度值偏低現(xiàn)象，如果不解決顯微硬度值偏低的問題，將勢必影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)品生產(chǎn)成本。為此，我們對(duì)影響彈簧片顯微硬度值偏低的因素，如時(shí)效工藝參數(shù)、工裝厚薄尺寸及冷卻方式等進(jìn)行分析及試驗(yàn)，試圖從中找到提高彈簧片顯微硬度值的方法。

1.試驗(yàn)內(nèi)容

（1）試驗(yàn)用材料及主要試驗(yàn)設(shè)備 試驗(yàn)選用材料0.2mm厚的QBe2鈹青銅CY態(tài)冷變形大于81%的板材為研究對(duì)象；時(shí)效設(shè)備采用北京機(jī)電研究所生產(chǎn)的WZDT—45型；輔助工具專用仿形工裝。

（2）材料的化學(xué)成分及性能要求 試驗(yàn)用QBe2CY鈹青銅的化學(xué)成分與性能見表1。

（3）材料的顯微硬度值 顯微硬度要求330～370 HV。

2.顯微硬度值影響因素

（1）時(shí)效工藝參數(shù)對(duì)顯微硬度值的影響 鈹青銅一般常用時(shí)效溫度為310～330℃，保溫時(shí)間為1.5～3h。

圖1 超薄彈簧片

在QBe2鈹青銅時(shí)效工藝參數(shù)范圍內(nèi)分3個(gè)組別，每組進(jìn)行3個(gè)不同時(shí)效溫度、同一保溫時(shí)間的工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，淬火冷卻介質(zhì)為高純氮?dú)狻?個(gè)組別工藝參數(shù)見表2。

從表2結(jié)果顯示，采用第三組中工藝為時(shí)效溫度320℃、保溫時(shí)間160min處理后的試樣硬度均可滿足技術(shù)要求，顯微硬度330～360HV的要求。在時(shí)效工藝范圍內(nèi)調(diào)整工藝參數(shù)對(duì)彈簧片顯微硬度值有著重要的影響。

（2）工裝厚薄尺寸對(duì)顯微硬度值的影響 時(shí)效專用仿形工裝采用兩種不同工裝厚薄尺寸8mm和5mm，如圖2所示。

工裝厚薄尺寸的不同導(dǎo)致時(shí)效處理過程中彈簧片的受熱狀態(tài)不同，薄的部分加熱速度快，而厚的部分加熱速度慢，導(dǎo)致彈簧片易發(fā)生過時(shí)效軟化現(xiàn)象，使強(qiáng)化相γ相向晶界處聚集并球化，晶內(nèi)強(qiáng)化相減少，強(qiáng)度、硬度值有所下降，同時(shí)還易產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。工裝厚薄尺寸受熱狀態(tài)不一致，引起彈簧片時(shí)效后的顯微硬度。厚度為8mm和5mm的工裝時(shí)效后硬度參數(shù)如表3所示。

從表3中結(jié)果看：不同厚度時(shí)效工裝處理的彈簧片顯微硬度相差40HV?？梢?，控制時(shí)效工裝厚度尺寸對(duì)彈簧片時(shí)效后的顯微硬度值影響較大。

（3）冷卻方式對(duì)顯微硬度值的影響 采用專用平臺(tái)碼放及支架碼放兩種冷卻方式作對(duì)比試驗(yàn)。冷卻方法：爐冷到200℃快速充高純氮?dú)?。碼放冷卻方式如圖3所示。

專用平臺(tái)碼放冷卻方式時(shí)效處理后的顯微硬度總平均值為324.2HV，支架碼放冷卻方式時(shí)效處理后的顯微硬度總平均值為337.5HV。結(jié)果見表4。

圖2 專用仿形工裝圖

表1 試驗(yàn)用QBe2鈹青銅合金成分與性能

表2 試驗(yàn)工藝參數(shù)及結(jié)果

表3 不同工裝的試驗(yàn)結(jié)果

表4 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用支架碼放冷卻比專用平臺(tái)碼放冷卻時(shí)效處理后的顯微硬度值有明顯的提高。專用平臺(tái)碼放冷卻時(shí)，專用平臺(tái)較厚，快充高純氮?dú)饫鋮s后，易造成專用平臺(tái)的冷卻速度較慢，使上部的冷速大于下部＋專用平臺(tái)的冷速，使彈簧片冷卻滯后，局部彈簧片易形成過時(shí)效組織，γ相沿晶界析出呈網(wǎng)狀，造成晶界反應(yīng)，引起彈簧片時(shí)效后顯微硬度值偏低。

專用支架碼放冷卻時(shí)，專用支架各橫梁之間間隙較大，快充高純氮?dú)饫鋮s后，使專用支架上的工裝冷卻速度均勻一致，不易出現(xiàn)彈簧片冷卻滯后的現(xiàn)象，彈簧片時(shí)效后組織中晶內(nèi)有少量的析出物，晶界較細(xì)，γ相未沿晶界析出，晶界反應(yīng)量較小，有助于提高彈簧片時(shí)效后顯微硬度值。

由于兩者的碼放方式造成冷卻速度不同，從而引起顯微硬度值出現(xiàn)差異，專用支架碼放冷卻對(duì)提高彈簧片時(shí)效處理后的顯微硬度值有明顯的作用。

3.改進(jìn)方法及效果

經(jīng)過分析和比較認(rèn)為：時(shí)效工藝參數(shù)采用320℃、保溫160min，爐冷到200℃快速充高純氮?dú)饫鋮s；時(shí)效專用仿形工裝采用工裝厚薄尺寸以5mm為宜，如圖4所示。冷卻方式采用支架碼放冷卻，滿足彈簧片時(shí)效處理后的技術(shù)要求。

為了確定最佳優(yōu)化工藝方法，用批量彈簧片進(jìn)行五批次三爐試驗(yàn)驗(yàn)證，測量結(jié)果如表5所示。

圖3 碼放方式

圖4 時(shí)效專用仿形工裝

表5 顯微硬度測量結(jié)果

用批量彈簧片進(jìn)行時(shí)效處理，結(jié)果表明彈簧片的顯微硬度值達(dá)350HV以上。目前，彈簧片時(shí)效處理后的質(zhì)量穩(wěn)定，滿足了產(chǎn)品生產(chǎn)與技術(shù)要求。

4.結(jié)語

超薄QBe2鈹青銅彈簧片時(shí)效處理后顯微硬度值偏低主要因素是時(shí)效工藝參數(shù)、工裝厚薄尺寸及冷卻方式。

（1）采用最佳工藝參數(shù)為時(shí)效溫度320℃、保溫160min爐冷到200℃快速充高純氮?dú)饫鋮s。

（2）采用時(shí)效專用仿形工裝厚薄尺寸控制在5mm以內(nèi)。

（3）最佳冷卻方式采用支架碼放冷卻。20140517