QBe2合金熱處理常見問題及控制措施

楊 慶

(航空工業(yè)鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450005)

QBe2是含有1.8%～2.1%鈹及0.2%～0.5%鎳構(gòu)成的三元銅合金，熱處理后其強(qiáng)度和彈性極限都較高，并且具有良好的耐蝕性、耐疲勞性、耐磨性。QBe2合金具有良好的力學(xué)、物理、化學(xué)綜合性能，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。本文對熱處理實(shí)際工作中QBe2合金常出現(xiàn)的問題進(jìn)行了總結(jié)。

1 常見問題

1.1 重復(fù)固溶

QBe2合金熱處理是通過固溶、時效進(jìn)行強(qiáng)化的，并對固溶的溫度、冷卻介質(zhì)進(jìn)行了規(guī)定。而實(shí)際生產(chǎn)中，QBe2原材料有板材、帶材和棒材三種形式，其材料標(biāo)準(zhǔn)分別為YS/T 323—2019《鈹青銅板材、帶材和箔材》和 YS/T 334—2009《鈹青銅圓形棒材》。標(biāo)準(zhǔn)中要求QBe2原材料均以固溶狀態(tài)供應(yīng)，不同的是固溶處理后是否進(jìn)行了冷加工成形及冷加工程度，固溶后沒有進(jìn)行冷加工成形的用R表示；對于固溶后進(jìn)行冷加工成形的QBe2合金，則根據(jù)冷加工程度的不同，用Y2和Y分別表示半硬態(tài)和硬態(tài)。由此可見，QBe2合金以固溶狀態(tài)供應(yīng)，熱處理直接進(jìn)行時效處理即可達(dá)到強(qiáng)化的效果。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工藝人員對技術(shù)文件理解不到位，對QBe2合金制件進(jìn)行固溶和時效處理不僅浪費(fèi)了人力、物力，而且會破壞原材料冷加工成形晶粒度細(xì)的效果，存在固溶時制件因防氧化不當(dāng)而報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 時效后硬度過高

QBe2合金時效處理工藝通常為310～330 ℃、保溫2～3 h。一般來說，以R狀態(tài)、Y2狀態(tài)和Y狀態(tài)供應(yīng)的QBe2合金時效處理后，硬度分別為350～420、370～440和420～480 HV。這是因?yàn)樵跁r效過程中，鈹元素以γ2相形式從α相析出，而達(dá)到沉淀強(qiáng)化的效果。而原材料固溶后經(jīng)冷加工成形后，原固溶形成的GP區(qū)經(jīng)冷變形后，晶界增加、晶粒變細(xì)，在時效過程中，強(qiáng)化相彌散度增加，并且γ2相析出的阻力增大，對晶格的作用力增大，使強(qiáng)化效果增加。

但實(shí)際生產(chǎn)中，不能一味的追求高硬度，尤其對于彈性制件，高硬度則會導(dǎo)致QBe2合金脆性增加，使用中易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。有的設(shè)計(jì)圖紙要求QBe2合金熱處理后硬度為320～380 HV，在310～330 ℃保溫2～3 h后，對于R狀態(tài)供應(yīng)的QBe2合金有時會出現(xiàn)硬度過高的現(xiàn)象，對于Y2和Y狀態(tài)供應(yīng)的QBe2則硬度高于技術(shù)要求。對于硬度高的制件，往往采用360～380 ℃保溫2～3 h的過時效工藝，使γ2相在晶界的析出量增加且長大，破壞γ2相與基體共格關(guān)系，使點(diǎn)陣畸變程度降低[1]，達(dá)到降低硬度的目的。

1.3 時效后硬度過低

在實(shí)際工作中，出現(xiàn)過一批以固溶態(tài)供應(yīng)的QBe2板材采用硝鹽槽320 ℃保溫2 h后，制件硬度只有290 HV，低于320～380 HV的技術(shù)要求。對操作過程檢查發(fā)現(xiàn)，在本批零件時效處理時，硝鹽槽的攪拌裝置出現(xiàn)故障。在攪拌設(shè)備不工作的情況下，儀表顯示320 ℃，而硝鹽槽中上部溫度只有290 ℃。這是因?yàn)橄觖}通過電加熱融化過程中，槽內(nèi)底部溫度高，硝鹽槽熱電偶在槽內(nèi)中底部，而因制件小，在時效處理時放置在硝鹽槽的上部，因沒有進(jìn)行攪拌，造成零件實(shí)際的時效溫度低于工藝規(guī)定的溫度。對硝鹽槽攪拌設(shè)備修復(fù)后，重新進(jìn)行了返工，制件硬度值達(dá)到了350 HV。

1.4 表面質(zhì)量差

QBe2合金常采用銅鈍化的表面處理方式，對于棒材，時效后還進(jìn)行機(jī)械加工，對后續(xù)表面處理無影響。而對于板材和帶材類制件，若熱處理時效后制件表面狀態(tài)差，則影響銅鈍化的質(zhì)量。造成表面質(zhì)量差主要有以下兩種原因：

1)制件存在油污。制件表面有油污，不清洗直接進(jìn)行時效處理，油污在時效溫度下分解，產(chǎn)生碳黑附著在制件表面，后期清理困難。

2)硝鹽老化。對QBe2合金用硝鹽槽進(jìn)行時效處理，硝鹽的配比為45%NaNO2+55%KNO3。在熱處理生產(chǎn)中，硝鹽槽還常被用于鋼件熱處理的淬火冷卻，淬火時零件的高溫會造成與工件接觸的部分硝鹽因溫度過高而發(fā)生分解、老化。具體反應(yīng)如下式：

5NaNO2=3NaNO3+Na2O+N2↑

(1)

2KNO3=K2O+N2↑ +5O2↑

(2)

在這種情況下，QBe2合金在硝鹽槽內(nèi)時效會造成局部氧化的現(xiàn)象，導(dǎo)致表面質(zhì)量差。

1.5 變形大

某批0.5 mm厚的QBe2板材，在時效處理后出現(xiàn)嚴(yán)重變形。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，時效處理時沒有對該批制件進(jìn)行綁扎，而是直接堆放在工裝盒內(nèi)，在時效過程中，隨著過飽和固溶體的分解發(fā)生長度和體積的收縮。應(yīng)力或溫度不均勻時，使固溶體分解速度不均勻，因而零件各部位收縮不均勻，引起一定變形。而零件之間相互堆積，加劇了零件各部位受力不均勻性，使變形加大。

1.6 硬度測量偏差大

對于QBe2板材和棒材，時效處理后分別采用維氏硬度HV和洛氏硬度HRC進(jìn)行硬度測量。維氏硬度是采用兩相對面夾角為136°的金剛石正四棱錐的壓頭，通過測量壓痕對角線長度換算為HV硬度。理論上，壓痕形狀為正四邊形，兩對角線長度一樣，但實(shí)際操作中，試樣不平整存在翹曲現(xiàn)象，會使壓痕兩對角線長度偏差較大。

洛氏硬度是以120°金剛石圓錐為壓頭，通過壓痕塑性變形深度來確定硬度值指標(biāo)。在洛氏硬度測量時，理論上被測制件無切向應(yīng)力，僅有垂直方向受力，其應(yīng)力和彈性應(yīng)變完全符合胡克定律而呈線性關(guān)系，同相位且與時間無關(guān)。但實(shí)際生產(chǎn)中，因被測制件放置不平、存在油污、表面粗糙等問題，使洛氏硬度測量中產(chǎn)生切向應(yīng)力，使制件產(chǎn)生明顯的彈性后效現(xiàn)象。載荷卸載后，應(yīng)力與彈性應(yīng)變二者之間不同相位的現(xiàn)象，即二者不呈線性關(guān)系，與時間有關(guān)。這種彈性后效使洛氏硬度測量卸除主載荷后，彈性變形沒有完全恢復(fù)，導(dǎo)致殘余壓入深度比正常深，得出的硬度結(jié)果比真實(shí)值偏低。對于QBe2合金而言，其材料的彈性模量為 128 GPa ，比一般鋼材的彈性模量(200～230 GPa)小很多，故 QBe2合金對彈性后效的敏感性比鋼件大很多，有時會導(dǎo)致偏差達(dá)8～10 HRC[2]。

2 控制措施

針對QBe2合金在熱處理過程中常出現(xiàn)的問題，應(yīng)采用相應(yīng)措施進(jìn)行控制，確保QBe2合金的熱處理質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2.1 編制QBe2熱處理規(guī)范

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19001—2016《質(zhì)量管理體系要求》中新增“7.1.6知識管理”這一條款的要求[3]，梳理QBe2相關(guān)技術(shù)文件，包括原材料標(biāo)準(zhǔn)、熱處理標(biāo)準(zhǔn)等，編制自身的QBe2熱處理規(guī)范，作為工藝人員學(xué)習(xí)的資料和工藝規(guī)程編制的依據(jù)。規(guī)范應(yīng)明確以下幾點(diǎn)。

2.1.1時效參數(shù)的確定

不同供應(yīng)狀態(tài)的QBe2合金，采用不同溫度、不同時間所達(dá)到的時效強(qiáng)化效果均不同。根據(jù)QBe2合金熱處理后的硬度要求，通過正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)工藝試驗(yàn)，檢測不同溫度、不同時間下的硬度數(shù)據(jù)，規(guī)范時效處理參數(shù)。一般QBe2合金的硬度要求為320～380 HV，換算為洛氏硬度為34～41 HRC，達(dá)到此硬度范圍的熱處理參數(shù)為：1)以固溶狀態(tài)供應(yīng)，在320 ℃下保溫60～90min；2)以Y2(半硬)狀態(tài)供應(yīng)，在300 ℃下保溫60～90min；3)以Y(硬)狀態(tài)供應(yīng)，在280 ℃下保溫60～90min。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，也會因合金元素含量的波動、冷加工變形程度的不同，造成按上述規(guī)范時效處理后，硬度偏高的現(xiàn)象。對此，可采取360～380 ℃保溫2～3 h的過時效來降低硬度。

2.1.2時效設(shè)備的明確

QBe2棒材采用井式電阻爐進(jìn)行時效處理。而QBe2板材常在硝鹽槽內(nèi)進(jìn)行，在時效前應(yīng)對硝鹽槽進(jìn)行脫氧、撈渣，對制件的表面油污進(jìn)行清洗。在硝鹽槽升溫和使用過程中，都應(yīng)開啟攪拌裝置，使硝鹽槽內(nèi)溫度均勻。也可以采用真空爐對QBe2板材進(jìn)行時效處理，提升制件的表面質(zhì)量。

2.2 控制制件變形

對易變形的QBe2板材制件，時效時各制件應(yīng)均勻擺放并保持一定間距。對于復(fù)雜的、薄的板材，可采用低溫預(yù)處理+時效的方法，使其達(dá)到峰值時效產(chǎn)生很小的變形量，明顯減少變形和扭曲[4]。同時，可結(jié)合使用專用的工裝，減少時效過程的變形。對于變形大的QBe2制件可進(jìn)行校正，并在校正后采用120 ℃保溫4 h的熱處理方式消除制件應(yīng)力。

2.3 規(guī)范硬度測量

針對QBe2合金制件硬度檢測易出現(xiàn)誤差大的問題，應(yīng)加強(qiáng)控制待測制件的質(zhì)量，確保待測制件的表面平整光滑，進(jìn)行維氏硬度測量的制件表面應(yīng)拋光為鏡面，進(jìn)行洛氏硬度測量的制件其粗糙度Ra應(yīng)控制在0.8 μm以下。在每次測量前，擦拭制件待測面和其與支撐臺的接觸面，防止油污、顆粒的存在影響測量結(jié)果。在測量過程中，要保證所測制件放置平穩(wěn)且測量過程中不發(fā)生位移。

若采用維氏硬度測量時，壓痕兩個方向?qū)蔷€長度若出現(xiàn)偏差大的情況，則需對試樣檢查變形程度，保證平整無翹曲后，重新進(jìn)行測量。采用洛氏硬度測量時，若出現(xiàn)各點(diǎn)硬度值偏差大，則可對制件表面磨平，清理干凈確保無油污、顆粒等雜質(zhì)后，再重新進(jìn)行測量。對有異議的HRC測量結(jié)果，可采用HV進(jìn)行驗(yàn)算。

2.4 加強(qiáng)日常監(jiān)督

對操作人員加強(qiáng)質(zhì)量意識教育，讓其明白按工藝操作的重要性，并由熱處理車間管理者帶領(lǐng)工藝人員定期對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行工藝紀(jì)律檢查，對QBe2合金制件時效前的清洗、制件的擺放、設(shè)備的完好性等進(jìn)行檢查，養(yǎng)成規(guī)范操作的良好習(xí)慣[5]。

3 結(jié)語

QBe2合金熱處理過程并不復(fù)雜，只要工藝人員細(xì)化工藝流程，操作人員進(jìn)行規(guī)范操作，做好每個環(huán)節(jié)，便可有效保證其熱處理質(zhì)量的穩(wěn)定性、可靠性。