高等級鈹銅合金的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

朱興水

摘 要：鈹銅合金材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性、耐磨性、耐腐蝕性，良好的導(dǎo)熱性、抗疲勞性及非磁性，使得其在眾多的領(lǐng)域被應(yīng)用。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高端電器，高端機(jī)械設(shè)備，高端儀器，以及航空航天、軍品的迅速發(fā)展，需要大量的應(yīng)用高等級鈹銅合金材料?，F(xiàn)就高等級鈹銅合金的應(yīng)用與發(fā)展作一些研究和探討。

關(guān)鍵詞：鈹銅合金 高強(qiáng)度 發(fā)展趨勢

中圖分類號：TG1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0081-02

目前在我國主要應(yīng)用的有國標(biāo)的QBe2.0，QBe1.9，QBe1.9-0.1， QBe1.7，QBe0.6-2.5，QBe0.4-1.8， QBe0.3-1.5等七種，以及美國產(chǎn)的UNS C17200，C17000，C17300，C17410，C17500，C17510，C28800，C82500，82800等牌號，和日本的一些牌號（日本主要是NGK公司的鈹銅合金牌號，其實(shí)是和美國BRUSH公司同樣的分類）。我國目前的年產(chǎn)量約為帶材2000 t左右，棒材約為750 t左右，管材20 t左右。但是能完全各項(xiàng)指標(biāo)能達(dá)到國標(biāo)YS/T323-2002（板帶材標(biāo)準(zhǔn)），YS/T334-2009（棒材標(biāo)準(zhǔn)）為數(shù)不多，能達(dá)到美國ASTM或AMS標(biāo)準(zhǔn)的只是其中的一小部份，所以大部分產(chǎn)品屬于低端產(chǎn)品。

1 國產(chǎn)鈹銅合金的生產(chǎn)狀況

我國目前鈹銅合金產(chǎn)品產(chǎn)量在2770 t左右，其中生產(chǎn)帶材的廠家有近15家，規(guī)模較大的企業(yè)有：蘇州富耐佳、鎮(zhèn)江威亞達(dá)、江西興業(yè)烏爾巴等等。棒、管材生產(chǎn)廠家有：東方鉭業(yè)、西安科耐威爾、湖州興貝克等。生產(chǎn)工藝上分為半連鑄制錠和鐵模澆鑄制錠。東方鉭業(yè)，江西興業(yè)烏爾巴，江西精工等企業(yè)實(shí)現(xiàn)了半連鑄制錠工藝，該工藝比鐵模澆鑄先進(jìn)。其它企業(yè)基本上是鐵模澆鑄工藝。當(dāng)然，鐵模澆鑄也可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的鑄錠，但在質(zhì)量穩(wěn)定性方面不如半連鑄工藝。

熱加工成型是確保鈹銅合金質(zhì)量的重要工藝，帶材的熱加工全部采用熱軋開坯工藝，但是加工率控制不穩(wěn)定，熱軋時(shí)間控制也靠操作員憑經(jīng)驗(yàn)確定，所以會(huì)影響到冷加工的成材率。而棒管材的熱加工只有東方鉭業(yè)、湖州興貝克等少數(shù)廠家采用熱擠壓方式，其他主要是熱鍛，熱軋工藝。熱鍛加工工藝時(shí)間長，溫度無法保持，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部開裂的問題。

冷加工工藝中，鈹銅合金帶采用冷軋機(jī)軋制，這和國外的加工方法基本相同。棒材加工采用的是冷拉拔的方法，也基本上和國外的加工方法相同。但管材采用軋機(jī)冷軋方法，要比泠拔加工致密性、成品直線度等要好。

熱處理工藝上，目前國內(nèi)的生產(chǎn)廠家存在較多的問題。從固熔退火，到中間消除冷加工應(yīng)力退火，以及時(shí)效熱處理等環(huán)節(jié)，都有不到位的問題。首先是爐子加熱溫度不均，爐內(nèi)溫差太大。其次是溫控調(diào)溫幅度太大。再者是溫度、時(shí)間控制上不科學(xué)等，不利于內(nèi)部組織均化。從金相結(jié)構(gòu)上直接可以看出，國產(chǎn)的鈹銅合金材料內(nèi)部組織不均，晶粒崎形嚴(yán)重、大小差異很大，晶界不明晰。這些熱加工過程中的不足，將會(huì)在成品的力學(xué)性能上反映出來。

以上這些鈹銅合金生產(chǎn)廠家的情況，說明我國的鈹銅合金材料總體上還是低端產(chǎn)品，供一般要求不高、使用環(huán)境一般，即使在使用中材料（零件）失效，或發(fā)生故障也不會(huì)帶來較大損失的場合下使用。對于要求穩(wěn)定性較高的零部件，就很少用目前國產(chǎn)的。

2 高等級鈹銅合金的應(yīng)用

2.1 在航空、航天中的應(yīng)用

鈹銅合金具有良好的彈性和應(yīng)力松弛抗力，即使在較高的工作溫度下（200℃以下），仍具有較高的應(yīng)力。美國BRUSH的高等級的鈹銅合金ALLOY25牌號，能在225 ℃的工作環(huán)境里，應(yīng)力松弛抗力試驗(yàn)，長達(dá)1000 h，其剩余應(yīng)力仍能到65%以上。所以其成為航天專用連接器、繼電器的最佳材料。湖州興貝克采用美國的制造方法，用過時(shí)效重整結(jié)晶的新工藝，獲得高品質(zhì)的高等級材料，為航天電器提供了十幾個(gè)批次的高等級鈹銅合金材料，制成的繼電器、電連接器，在我國自行研制的神舟十號飛船工程上獲得了較大的成功。

鈹銅合金在高溫下具有較好的屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性能以及耐磨性能，在大型飛機(jī)的起落架上用了較多的軸套和樞軸。近年來，為了提高飛機(jī)的著陸安全性能，就連美國的波音777中型機(jī)上的起落架也使用了鈹銅合金材料。美國空軍的C5-A，C5-B型飛機(jī)上的起落架，使用了上百個(gè)鈹銅合金軸套。

美國洛克希德-馬丁公司為國際空間站制造的太陽能旋轉(zhuǎn)式連接器，和熱輻射器旋轉(zhuǎn)式連接器，使用了鈹銅合金滾環(huán)的關(guān)鍵部件。它在浩瀚的太空中能承受太陽光的強(qiáng)烈照射，并按要求把太陽能電池調(diào)整在相對于太陽最佳的位置；同時(shí)要把熱輻射器保持在相對于太陽的側(cè)面位置，以最大限度地散發(fā)熱量。

此外，高等級的鈹銅合金材料在衛(wèi)星中的應(yīng)用，衛(wèi)星的上下兩面平行于旋轉(zhuǎn)軸的兩根軸向天線，是用厚度為0.20～0.35 mm厚的鈹銅合金制成的。

2.2 在石油鉆探行業(yè)的應(yīng)用

石油鉆探行業(yè)的工作環(huán)境較為惡劣，在幾千米深的地下，各種化學(xué)成份的復(fù)雜物質(zhì)都會(huì)存在，外部巖漿夾雜著高氯、二氧化碳、氫和酸等物質(zhì)。在此，鈹銅合金的高強(qiáng)度（C17200的最高硬度達(dá)到RHC40以上）、耐腐蝕、無磁性、沖擊無火花等特性得到了充分的發(fā)揮。如1.無磁性的鉆頭卡環(huán)；2.撓性鉆探卡環(huán)；3.MWD/LWD隨鉆測斜儀的抗壓外筒；4.脈沖器；5.帶螺紋的各種接頭；6.在采礦或頁巖氣等碳?xì)浠衔锏娜庸ぞ撸?.無磁鉆鋌等。

美國BRUSH公司的ALLOY25對照美國石油學(xué)會(huì)的API 規(guī)范7做的實(shí)驗(yàn)（表1）。

從上面螺紋連接配對的破壞試驗(yàn)可以看出，鈹銅合金材料在制作螺紋接頭時(shí)，耐損傷要優(yōu)于不銹鋼，能顯著地減少螺紋接頭的磨傷，在鉆底孔的裝置中減少了螺紋磨傷而大大地延長連接組件的使用壽命。

鈹銅合金不易發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂，在3%氯化鈉，或10%氯化鉀溶液中，高溫達(dá)150 ℃時(shí)，經(jīng)過720 h不發(fā)生腐蝕開裂，這是其它材料很難達(dá)到的對氯化物的抗腐蝕能力，也是鉆探工作中難得優(yōu)良用材。endprint

隨著我國石油勘探和鉆井技術(shù)的進(jìn)步，“863”計(jì)劃中的鉆探控制系統(tǒng)研究起得了成功，國際上先進(jìn)的MWD/LWD無線隨鉆測斜儀關(guān)鍵技術(shù)已被突破，標(biāo)志著中國的油氣勘探技術(shù)跨入與國外石油巨頭同一行列。2012年，湖州興貝克自行研制了高強(qiáng)度等軸晶MWD/LWD鈹銅合金抗壓外筒（本項(xiàng)目由湖州市科技攻關(guān)立項(xiàng)資肋），其對外承壓可達(dá)到140 MPa，但同時(shí)能經(jīng)受巖漿、泥沙的不斷沖刷，使用效果等同于美國進(jìn)口的產(chǎn)品，在硬度上甚至超過了它。今后，中國完全有能力在6000-7000 m深的地下開采油氣資源，這對于當(dāng)今的能源需求是一個(gè)極大突破。

世界上最深的油井在挪威和英國的北海控制區(qū)，其普遍深度超過3000 m，那里碳?xì)浠衔锏膲毫芨撸@井條件很嚴(yán)酷，但蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源。所以，每年那里需要大量的鈹銅合金材料作為鉆井器具和設(shè)備部件。

2.3 在計(jì)算機(jī)通信領(lǐng)域的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中大量地使用接插件。鈹銅合金特有的高彈性、良好導(dǎo)電性、和導(dǎo)熱性，成為了計(jì)算機(jī)與通信領(lǐng)域接插件的首選材料。如電池接觸彈片，拉桿天線觸片，連接微處理器與母板的觸點(diǎn)等。

集成電路制造工藝中常用的探針，用的也是鈹銅合金材料。它具有很好的彈性，很高的強(qiáng)度、耐磨性。利用它可以把探針做得很細(xì)，再加上外表涂金處理，以增強(qiáng)它的導(dǎo)電性能。

此外，在長距離傳輸?shù)耐ㄐ烹娎|的中繼器中，利用鈹銅合金的抗腐蝕性能，免受環(huán)境對其的侵蝕，也要使用鈹銅合金材料。使用最多的是海底通信電纜的中繼器，它的使用壽命可達(dá)40年。

3 高等級鈹銅合金的發(fā)展趨勢

中國鈹銅合金的制造水平隨著國內(nèi)需求的增長有了很快的發(fā)展，近段時(shí)間，年產(chǎn)量保持10～15%的增長。但每年還有近800 t的鈹銅合金帶、棒材料需要進(jìn)口。國外的供貨商主要是美國的BRUSH、日本的NGK，雖然歐州和俄羅斯有生產(chǎn)鈹銅合金材料，但由于技術(shù)指標(biāo)、產(chǎn)品規(guī)格等與國內(nèi)的制造標(biāo)準(zhǔn)不同，產(chǎn)品很少進(jìn)入中國市場。高等級的鈹銅合金材料基本上需要從國外進(jìn)口，特別是航天、航空、軍工、石油勘探、高端的計(jì)算機(jī)與通信、集成電路及器件、高端機(jī)電設(shè)備，電器設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)，必須是ASTM、AMS、JIS、甚至是MIL（美國軍用標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)材料。針對國內(nèi)鈹銅合金制造中的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，本人認(rèn)為。

3.1 加大對鈹銅合金的基礎(chǔ)理論研究力度

首先在理論上對該材料作出較為全面的研究，從而培養(yǎng)一批專業(yè)人才，這是一項(xiàng)十分重要的工作。目前中國對這個(gè)領(lǐng)域的研究太少了，僅有北京有色總院，中南林學(xué)院，南昌航空大學(xué)，東方鉭業(yè)等單位的探索性研究。湖州興貝克近年來對鈹銅合金微觀金相結(jié)構(gòu)、晶體列陣機(jī)理、金屬間化合物成形機(jī)理、γ相析出硬化等方面作了一些研究性的探索，拉近了與國際先進(jìn)國家的差距。

制定行業(yè)、國家標(biāo)準(zhǔn)的體系，改變產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不全，引用標(biāo)準(zhǔn)過時(shí)等現(xiàn)象如我國YS/T334-2009（鈹青銅園形棒材標(biāo)準(zhǔn)），只規(guī)定了園棒產(chǎn)品，而沒有其它矩形、六角形、八角形的材料標(biāo)準(zhǔn)；YS/T323-2002（鈹青銅帶板標(biāo)準(zhǔn)），只適用于儀器、儀表、電器行業(yè)，對于機(jī)械、化工、通信等行業(yè)無法參照；GB3134-82（鈹青銅線標(biāo)準(zhǔn)）是原冶金工業(yè)部制定，由原上海有色合金線材廠起草的，時(shí)過境遷，太落后了。我國的機(jī)構(gòu)改革變化很大，標(biāo)準(zhǔn)的起草、制定和發(fā)布工作滯后，在很大程度上影響了鈹銅合金行業(yè)的發(fā)展。湖州興貝克在供出口產(chǎn)品及航天級鈹銅合金材料時(shí)，不得不全部采用美國的ASTM B194（帶材），ASTM B196（棒材），ASTM B197（絲線材），ASTM B643（無縫管材）等國外的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 提高鈹銅合金的熔煉水平和工藝

擴(kuò)大熔煉爐容量，改進(jìn)除塵裝置，采用半連鑄工藝，集中鑄制坯錠。小型中頻電爐是目前鈹銅合金行業(yè)的主要熔煉設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)是為小批量生產(chǎn)提供方便，設(shè)備投入省錢。與半連鑄工藝相比，缺點(diǎn)是環(huán)境污染嚴(yán)重，能源利用不高，產(chǎn)品合金元素不均，夾雜嚴(yán)重等。

3.3 加大檢測力度，促進(jìn)制造企業(yè)加大技術(shù)投入，節(jié)約資源，提高產(chǎn)品質(zhì)量

同時(shí)引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，加快技術(shù)改造，提升產(chǎn)品在國際市場的競爭力。湖州興貝克合金采用超聲，渦流相結(jié)合的檢測方法，使高等級鈹銅合金棒線的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國際先進(jìn)的水平。這種多手段聯(lián)合檢測可以大提高成品的出廠標(biāo)準(zhǔn)，是可以進(jìn)一步得到應(yīng)用的。

綜合上述，高等級的鈹銅合金材料具有無可替代的優(yōu)越性，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綜合國力的增強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，高端制造業(yè)快速增長，必將發(fā)揮它更大作用。

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