Бериллиевые бронзы: проблемы и перспективы

Развитие электротехники и электроники кроме создания электрических проводов, прекрасным материалом для которых стали чистая медь и алюминий потребовало новых материалов для контактов прерывателей и разъемов. Практически идеальными для их изготовления стали полуфабрикаты из бериллиевых бронз. Эти сплавы обладают таким комплексом положительных свойств, что, на сегодняшний день все попытки создания сплавов заменителей не уступающих бериллиевым бронзам не увенчались успехом.

 

1. Дисперсионное упрочнение бериллиевых бронз

 

Бериллиевые бронзы  относятся к классу так называемых дисперсионно упрочняемых сплавов, характерной особенностью которых является зависимость растворимости легирующих компонентов от температуры. При  закалке из однофазной области  в твердом растворе фиксируется избыточное количество атомов легирующего компонента по сравнению с равновесным состоянием для данной системы. Образовавшийся пересыщенный твердый раствор термодинамически неустойчив  и стремится к распаду ,  процесс активизируется с  повышением температуры.  Эффект упрочнения определяется дисперсностью выделений образовавшихся при распаде.

В промышленных  сплавах системы Cu-Be, как и для большинства систем с эффектом дисперсионного  упрочнения, концентрационная область располагается возле границы максимальной растворимости в твердом растворе. Наиболее применяемым сплавом системы Cu-Be является сплав БрБ2 (CuBe2, alloy 25, C 17200 по зарубежным спецификациям) содержащий около 2 % бериллия обладающий в закаленном состоянии хорошей  пластичностью и технологичностью и повышенными механическими свойствами в термообработанном состоянии.

Для уменьшения критической скорости закалки и подавления процессов собирательной рекристаллизации при нагреве сплав дополнительно легируется Co или Ni.

Дополнительного повышения уровня механических свойств можно добиться пластической деформацией перед старением (НТМО). Предел текучести увеличивается на 20-30% по сравнению закалкой со старением.

Из всего описанного выше следует практическое применение подобного материала. Полуфабрикат из бериллиевой бронзы в закаленном или закаленном и деформированном состоянии методами штамповки можно превратить в изделие самой сложной формы: пружинный контакт, разъем, мембрану, - и, проведя старение, резко повысить прочность и пружинные свойства этого изделия; сохранив его форму. Контакт готов к использованию.

 

2. Области применения бериллиевых бронз

 

По данным аналитического агентства Roskill мировое потребление бериллиевых бронз к началу 21 века оценивалось величиной более 20 тысяч тонн в год.

Как сообщалось выше, использование бериллиевых бронз оправдано в тех случаях когда требуется:

-              высокая электропроводность;

-              высокая теплопроводность;

-              высокие технические и, особенно упругие свойства;

-              высокая коррозионная стойкость;

-              отсутствие у материала ферро-магнитных свойств;

-              безискровой материал.

Структура потребления бериллиевых бронз по отраслям применения представлены на рис.3. Как видно из этой диаграммы основными отраслями применения являются: средства связи и коммуникации, компьютеры и компьютерная техника, электроника для автомобильной промышленности, детали промышленного оборудования и, особенно, в нефтегазовой промышленности, электрооборудование и приборостроение, аэрокосмическая и оборонная отрасли.

2.1. Средства связи и коммуникации.

Самой большой областью применения медно-бериллиевых сплавов является их использование в электрических и электронных деталях, в первую очередь в пружинных контактах, переключателях, соединителях в компьютерах и оптико-волоконном телекоммуникационном оборудовании, гнездовые разъемы для соединения интегральных схем с печатной платой. Продолжающееся усложнение компьютерной техники, мобильных телефонов является важнейшим фактором, приведшим к миниатюризации электронных деталей. Это приводит к повышению спроса на медно-бериллиевые сплавы, т.е. для этих деталей требуется более мелкие, более легкие и более надежные соединители. По данным ассоциации промышленных средств связи Японии производство и торговля телекоммуникационным оборудованием с 1992 по 2000 год выросло с 2,5 до почти 4 тысяч млн. иен.

2.2. Переключатели.

Треть мировых поставок переключателей для электрических схем в 1999 году приходилось на США. Рост поставок вырос с 1991 года до 1999 года с 545 до 832 млн.USD.

2.3. Пружины.

Большая часть пружин, используемых в электронике изготовляется из медно-бериллиевых сплавов.

По сообщениям Rare Metal News (12.2000 г) производство материалов из бериллиевых бронз для использования в пружинах, используемых в электронике в Японии с 2000 по 2001 год выросло с 1,177 до 1,191 тысяч млн. иен.

2.4. Соединители.

Медно-бериллиевые бронзы используются в большой гамме соединителей широкого спектра от контактов соединения микропроцессоров с материнской платой до сверхмощных кабелей в том случае, когда определяющими являются надежность соединения.

Индустрия США потребляет более 99 тысяч тонн медных сплавов для соединителей. Доля бериллиевых бронз оценивается в 11% или около 16 тысяч тонн от всего объема.

В компьютерной промышленности потребление соединителей зависит от спроса на микрочипы, который постоянно растет. По оценкам ассоциации полупроводниковой промышленности (SIA) ожидается, что рынок микрочипов вырастет до 244 тысяч млн.USD.

2.5. Компьютеры.

Компьютеры это один из самых больших рынков, где используются медно-бериллиевые сплавы. В компьютерах они используются в соединителях, пружинах и переключателях.

Оценочно в 1999 году каждый компьютер содержал более 2г бериллия в виде бериллиевых бронз.

Увеличение поставок американских компьютеров составляет в год примерно 20%. (2).

2.6. Автомобильная промышленность.

Электронные детали, содержащие медно-бериллиевые сплавы применяются в компонентах двигательного отсека, электронных схемах системы безопасности автомобиля.

Производство и степень компьютеризации автомобилей растет. Оно требует создания новых видов бериллиевых бронз с повышенной электропроводностью.

2.7. Бурильное оборудование.

Здесь используется такие свойства бериллиевых бронз как высокая прочность, коррозионная стойкость, способность не образовывать искру. Из основного сплава Cu-Be2 изготовляют трубы, резьбовые соединения колонны бурильных труб, безискровой инструмент.

Мы позволили себе привести данный, далеко не полный перечень областей применения сплавов системы медь-бериллий только с одной целью: показать, что бериллиевые бронзы востребованы в самых различных областях промышленности, а рынок потребления полуфабрикатов из бериллиевых бронз можно характеризовать как развивающийся.

 

3. Семейство сплавов бериллиевых бронз.

 

Быстрое развитие промышленности потребовало совершенствования сплавов системы Cu-Be. В результате в дополнение к наиболее применимому сплаву  Cu-Bе2 в настоящее время появилось целое семейство бериллиевых бронз, имеющих особенности, связанные с различными отраслями применения. (табл.1)

В Советском Союзе бериллиевые бронзы выпускались и выпускаются в настоящее время в соответствии с ГОСТ 18175-78 и рядом специальных технических условий (ТУ). Для удовлетворения потребителей в сплавах менялось содержание бериллия: сплавы БрБ2,5; БрБНТ 1,7; для измельчения размера зерна и повышения упругих свойств (неизвестно насколько оправданно) кроме бериллия и никеля в сплавы вводим титан и магний: сплавы БрБНТ 1,9; БрБНТ 1,9Мг. С развитием самолетостроения появился сплав бериллиевой бронзы с повышенной электропроводностью (для изготовления роликовых и точечных электродов контактной сварки) БрНБТ. Этот сплав также по известной причине содержит титан, хотя этот элемент незначительно повышая эксплуатационные свойства существенно ухудшает технологичность изготовления полуфабрикатов.

В Европе и Америке бериллиевые бронзы изготавливаются в соответствии со стандартами EN 1652.1998 и  ASTM В 194. К сплавам с высокими механическими свойствами относится  С 17200 (Cu-Be2) и С 17000 с содержанием бериллия 1,9 и 1,7% соответственно. Второй сплав несколько дешевле и может заменить первый, если требования по прочности и формируемости не так высоки. Имеется сплав С 17300 содержащий около 0,4% свинца для улучшения обработки резанием (ломкая стружка) и выпускаемый только в виде прессованных полуфабрикатов.

Развитие автомобильной промышленности потребовало создания сплавов с почти в 2 раза более высокой электропроводностью. К этой группе относятся квазибинарные системы Cu-Co(Ni)-Be с содержанием бериллия 0,15-0,7%. Это сплавы: С 17500, который кроме бериллия (около 0,3%) содержит кобальт в количестве 2,4-2,7%, и С 17510 который вместо кобальта в примерно тех же концентрациях содержит никель и потому более дешевый. И, наконец, совсем малолегированный сплав С 17410, содержащий 0,15-0,5% Ве и 0,35-0,6%Со.

 

4. Многообразие механических свойств полуфабрикатов из бериллиевых бронз.

В соответствии с ГОСТ 1789-70 плоские полуфабрикаты: ленты и полосы из бериллиевых бронз, - в Советском Союзе, а сегодня в России производятся только в двух состояниях: мягком (после закалки) и твердом (деформированном после закалки на 30-40%). При этом предполагается, что старение на максимальную прочность будет производиться заказчиком после изготовления упругого элемента.

Однако, многообразие изделий производимых в настоящее время из бериллиевых бронз показывает, что этих двух состояний явно недостаточно для удовлетворения требований потребителей. Поэтому в настоящее время ведущие производители полуфабрикатов из бериллиевых бронз предлагают потребителю широкую гамму механических свойств получаемую на основе различных степеней деформации после закалки и проведением различных видов термической обработки.

Кроме мягкого и твердого состояний (А и Н) имеются полуфабрикаты с различной степенью нагартовки 1/4Н (твердое деформированное со степенью 11-16%), 1/2Н твердое (деформированное после закалки на 21-26%), 3/4Н твердое (деформированное после закалки на 29%). В результате заказчик имеет возможность получить ленту с пределом прочности от 410 до 680 МПа в зависимости от его требований.

Но «изощренным» производителям действующим в соответствии с требованиями международных стандартов качества ИСО 9001 и стремящимся предвосхитить желания заказчиков этого показалось мало. Заказчику стали поставляться полуфабрикаты с индексом Т, т.е. закаленные, если нужно деформированные с определенной степенью деформации (Н), состаренные у изготовителя по классическому режиму старения: 315-320⁰С, 2-3 часа выдержки. Проведение этой операции у изготовителя выявило серьезную проблему: состаренная в рулоне лента готового размера не желала распрямляться, сохраняя при этом вид пружины часов. Потребовалось создание нового термического оборудования. Так одна из ведущих фирм затратила на это около 2,8 млн. USD.

И, наконец, последнее НОУ-ХАУ. Заказчику по его требованию стали поставляться полуфабрикаты в состоянии промежуточной термообработки, которому был присвоен индекс М. Варьируя температуру и длительность старения удалось получить очень широкий спектр свойств полуфабрикатов повышенной прочности и упругости. Предел прочности поставляемой заказчику по его требованию ленты мог быть любым в диапазоне от 690 до 1520 МПа. Поистине триумф бериллиевых бронз. Ни один другой сплав не сулит столько «сервиса» заказчику.

Выводы:

1.      Бериллиевые бронзы являются уникальным материалом для электроники и электротехники

2.      Современное использование полуфабрикатов из бериллиевых бронз осваивает перспективные отрасли: компьютерную технику, модемную и сотовую связь, добычу нефти и газа. Рынок потребления можно характеризовать  как «развивающийся».