連續(xù)淬火工藝對(duì)軋制態(tài)TBe 2 鈹銅帶材組織與性能的影響

張保華，焦曉亮，崔書輝，黃旭剛

（1.稀有金屬特種材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000；2.寧夏中色新材料有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

鈹銅又稱鈹青銅，是以鈹為基本合金元素的銅基合金材料，其屬于沉淀熱處理強(qiáng)化合金。經(jīng)固溶時(shí)效熱處理后，該材料除了具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性、耐磨、耐疲勞、抗腐蝕性強(qiáng)、彈性滯后小等特點(diǎn)，還具有良好的非磁性、鑄造性能以及沖擊時(shí)無(wú)火花放電性能，因此被譽(yù)為“有色彈性材料之王”。由于鈹銅合金具備以上優(yōu)異性能，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可缺少的重要工業(yè)材料[1]。

20 世紀(jì)80 年代，美國(guó)Brush Wellman 公司率先采用保護(hù)性氣氛連續(xù)氣淬爐進(jìn)行鈹銅帶材的熱處理，熱處理后的鈹銅產(chǎn)品力學(xué)性能穩(wěn)定，隨后日本NGK 公司也引進(jìn)了該熱處理爐。目前，在國(guó)際鈹銅合金市場(chǎng)上，高端產(chǎn)品基本被美國(guó)Brush Wellman 公司和日本NGK 公司壟斷，兩家公司的產(chǎn)品覆蓋了全球80%以上的鈹銅合金市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)鈹銅帶材大多采用臥式連續(xù)熱處理爐生產(chǎn)，該熱處理爐采用電加熱方式，主要存在以下問(wèn)題：能耗高；高溫時(shí)控溫精度不穩(wěn)定；爐內(nèi)采用氣浮方式，在800 ℃以上時(shí)氣浮能力明顯不足，生產(chǎn)厚帶較為困難，同時(shí)存在力學(xué)性能不穩(wěn)定等現(xiàn)象。2010 年，寧夏中色新材料有限公司從奧地利引進(jìn)了立式保護(hù)性氣氛連續(xù)氣淬爐對(duì)鈹銅帶材進(jìn)行熱處理，經(jīng)該設(shè)備熱處理后的產(chǎn)品其內(nèi)部組織和力學(xué)性能可比肩美國(guó)Brush Wellman 公司和日本NGK 公司的產(chǎn)品[1-3]。

一般情況下，用戶購(gòu)買鈹銅帶材后，會(huì)自行將其沖壓成鈹銅零件并進(jìn)行時(shí)效處理。由于鈹銅零件的復(fù)雜程度不同，用戶對(duì)鈹銅帶材提出的性能要求也不同，時(shí)效處理后帶材的HV 硬度通常為320～440。鈹銅性能的優(yōu)劣在很大程度上由熱處理效果決定，因此，研究鈹銅熱處理工藝、提高鈹銅帶材的質(zhì)量是鈹銅生產(chǎn)廠家首選的研究課題。為了滿足用戶對(duì)產(chǎn)品性能的要求，需要探討不同熱處理工藝對(duì)鈹銅帶材組織和性能的影響，為此，筆者利用生產(chǎn)線上的立式連續(xù)淬火爐和不同固溶工藝來(lái)尋找相關(guān)研究的突破點(diǎn)，對(duì)化學(xué)成分相同的TBe 2 鈹銅帶材進(jìn)行不同固溶工藝+相同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效處理后的組織和性能研究。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為寧夏中色新材料有限公司生產(chǎn)的TD 02 態(tài)鈹銅帶材，其牌號(hào)為TBe 2，厚度為0.3 mm，鈹銅帶材各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1 所示。

表1 TBe 2 鈹銅帶材各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備 鈹銅的熱處理工藝一般包括淬火和時(shí)效。熱處理爐分別為立式連續(xù)淬火爐和SX2-10-13 箱式電阻時(shí)效爐。檢測(cè)儀器包括AG-IC 50 kN萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)、HVS-5 型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計(jì)、Olympus Gx 51 金相顯微鏡。

1.2.2 固溶工藝的選擇 鈹銅是沉淀熱處理強(qiáng)化合金，其固溶處理機(jī)制為鈹在銅中的溶解度隨溫度的升高而變化。將鈹銅在保護(hù)介質(zhì)中加熱到一定溫度，保溫后快冷，這樣能使富鈹相充分固溶于銅基體中，從而獲得最大質(zhì)量濃度的過(guò)飽和固溶體。固溶溫度過(guò)低或者保溫時(shí)間不足，會(huì)使富鈹相不能充分溶入固溶體基體中，弱化合金的沉淀強(qiáng)化能力；固溶溫度過(guò)高或者保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)引起晶粒粗化，產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象，破壞合金的力學(xué)性能。因此，應(yīng)當(dāng)在不影響晶粒長(zhǎng)大的前提下，選擇盡可能高的淬火加熱溫度，以達(dá)到時(shí)效后獲得高硬度的目的[2-4]。根據(jù)Cu-Be二元平衡相圖[5]，一般固溶處理的加熱溫度為780～820 ℃。本次試驗(yàn)考慮到鈹銅帶材的厚度及立式連續(xù)淬火爐內(nèi)的走帶速度，將固溶處理的加熱溫度設(shè)定為790～830 ℃，走帶速度為某一恒定速度。

1.2.3 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)中，取5 段約100 m 長(zhǎng)的鈹銅帶材，各段帶材以相同的速度通過(guò)立式連續(xù)淬火爐，爐內(nèi)溫度分別設(shè)定為790，800，810，820，830 ℃。鈹銅帶材淬火后，分別取不同淬火溫度下帶材中部位置處（50～60 m）的樣品，按照GB/T 228.1—2010制備拉伸試樣，按照GB/T 4340.1 制備硬度試樣，并按照GB/T 6394—2017 制備晶粒度試樣，所有試驗(yàn)結(jié)果取3 個(gè)試樣實(shí)測(cè)值的平均值，以此確定合適的固溶工藝。接下來(lái)，本次試驗(yàn)按照YS/T 323—2012附錄A 沉淀熱處理制度的時(shí)效工藝，在箱式電阻時(shí)效爐內(nèi)對(duì)試樣進(jìn)行時(shí)效處理，按照GB/T 4340.1 制備硬度試樣，并按照GB/T 6394—2017 制備晶粒度試樣，所有試驗(yàn)結(jié)果取3 個(gè)試樣實(shí)測(cè)值的平均值。

1.2.4 金相制樣 在母材、固溶后以及時(shí)效后的鈹銅帶材上，分別取尺寸為0.3 mm×10 mm×10 mm 的樣品，按標(biāo)準(zhǔn)制成金相試樣。將試樣鑲嵌、打磨、拋光，然后浸入氯化銅+氨水的浸蝕劑中,浸蝕10 s后，立即用水沖洗并吹干，置于金相顯微鏡下進(jìn)行纖維組織觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同固溶工藝處理后鈹銅帶材的力學(xué)性能

0.3mm 厚的TBe 2 鈹銅帶材未進(jìn)行固溶處理及其經(jīng)5 種不同固溶工藝處理后的力學(xué)性能如表2所示。由表2 可知：經(jīng)不同固溶工藝處理后，鈹銅帶材的抗拉強(qiáng)度、硬度均大幅降低，延伸率升高，所有數(shù)據(jù)滿足固溶態(tài)產(chǎn)品的力學(xué)性能要求；隨著固溶溫度的升高，鈹銅帶材的抗拉強(qiáng)度和延伸率出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)；固溶溫度為830 ℃時(shí)，延伸率急劇降低，硬度呈先降低后升高的變化趨勢(shì)。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，在立式連續(xù)淬火爐內(nèi)走帶速度保持不變的情況下，確定合理的固溶溫度為800～820 ℃。

表2 不同固溶工藝處理后鈹銅帶材的力學(xué)性能

鈹銅帶材經(jīng)固溶處理后，其性能的變化歸根于固溶程度的不同。溫度越高，所需的保溫時(shí)間越短，而走帶速度決定了鈹銅帶材在立式連續(xù)淬火爐內(nèi)保溫段的保溫時(shí)間和淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間。保溫時(shí)間不足，會(huì)出現(xiàn)固溶不充分的現(xiàn)象，達(dá)不到良好的淬火效果，但合金的組織和性能仍有提升空間；保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致晶粒粗大或引起初熔，嚴(yán)重影響合金的組織和性能。為了達(dá)到良好的淬火效果，鈹銅帶材脫離保溫段、進(jìn)入冷卻段的轉(zhuǎn)移時(shí)間和冷卻速度要合理匹配。轉(zhuǎn)移時(shí)間越快，冷卻效果越好；若冷卻速度太慢，過(guò)飽和固溶體中的合金元素會(huì)發(fā)生部分析出；若冷卻速度太快，則易使鈹銅帶材產(chǎn)生較大的淬火應(yīng)力，導(dǎo)致帶材變形甚至出現(xiàn)裂紋或開裂現(xiàn)象。因此，在走帶速度相同的情況下，合理控制固溶溫度對(duì)鈹銅帶材的力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。

2.2 時(shí)效處理后鈹銅帶材的硬度變化

在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效工藝下，將5 種不同固溶工藝處理后的鈹銅帶材在同爐同位置進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理后的鈹銅帶材HV 硬度如表3 所示。由表3 可知，時(shí)效處理后，鈹銅帶材的HV 硬度隨淬火溫度的升高而增大。

表3 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效后鈹銅帶材的硬度

不同固溶工藝處理后的鈹銅帶材在相同條件下進(jìn)行時(shí)效處理，其時(shí)效性能的變化歸根于鈹銅帶材不同的時(shí)效析出物[6]。鈹銅是典型的時(shí)效析出硬化型銅基合金，其時(shí)效過(guò)程為過(guò)飽和α 固溶體→GP 區(qū)（或γ″）→γ′（亞穩(wěn)相）→γ（平衡相），而且析出相優(yōu)先在晶界處析出，析出物彌散分布在整個(gè)基體，從而使鈹銅帶材的硬度大大提高[6]。試驗(yàn)使用的鈹銅帶材其時(shí)效工藝相同，材料的化學(xué)成分也相同，因此排除了時(shí)效和材料本身的影響。在立式爐淬火過(guò)程中，走帶速度一致，鈹銅帶材在立式爐保溫段停留時(shí)間較短，因此固溶處理溫度越高，其充分固溶所需的時(shí)間就越短，導(dǎo)致鈹原子固溶到α 固溶體的程度不同，在相同的時(shí)效條件下析出物不同，進(jìn)而影響了鈹銅帶材時(shí)效后的性能?？梢?jiàn)，鈹銅帶材性能發(fā)生變化的主要原因是固溶程度不同。

2.3 金相顯微組織

不同固溶工藝處理后鈹銅帶材的金相顯微組織如圖1 所示。由圖1 可知，走帶速度恒定時(shí)，隨著固溶溫度的升高，晶粒尺寸在不斷長(zhǎng)大。在立式連續(xù)淬火爐溫度為830 ℃、走帶速度恒定的固溶工藝下，材料的平均晶粒尺寸超過(guò)了YS/T 323—2012 標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍（0.015～0.055 mm），材料的脆性增大，延伸率下降。

圖1 不同固溶工藝處理后鈹銅帶材的金相顯微組織

不同固溶工藝+相同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效處理后鈹銅帶材的金相顯微組織如圖2 所示。由圖2 可知，隨著固溶溫度的升高，鈹銅帶材顯微組織晶界上析出的γ 相逐漸減少。鈹銅屬于共格反應(yīng)型合金，而共格反應(yīng)型合金的時(shí)效析出過(guò)程比較復(fù)雜，其在一定溫度區(qū)間內(nèi)能同時(shí)進(jìn)行“連續(xù)析出”和“不連續(xù)析出”?！斑B續(xù)析出”在整個(gè)過(guò)飽和固溶體晶粒內(nèi)均勻進(jìn)行，析出物尺寸很小且高度彌散分布，并與基體母相保持共格和半共格關(guān)系，一旦析出相轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪哺竦钠胶庀啵瑒t強(qiáng)化作用相應(yīng)降低?！安贿B續(xù)析出”優(yōu)先從晶界析出具有平衡相成分的質(zhì)點(diǎn)，其尺寸較大，與基體母相沒(méi)有共格關(guān)系，因而強(qiáng)化作用較弱。這種“不連續(xù)析出”也稱為晶界反應(yīng)量，過(guò)多的晶界反應(yīng)量對(duì)材料的硬度有很大影響，因此，提高固溶溫度有助于抑制“不連續(xù)析出”過(guò)程，晶界析出物較少時(shí)，材料硬度可顯著提高[7]。

圖2 不同固溶工藝+相同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效處理后鈹銅帶材的金相顯微組織

3 結(jié)論

在立式連續(xù)淬火爐內(nèi)走帶速度恒定的條件下，本次試驗(yàn)對(duì)TBe 2 鈹銅帶材分別進(jìn)行了790，800，810，820，830 ℃（爐內(nèi)溫度）的固溶處理，并對(duì)固溶后鈹銅帶材的抗拉強(qiáng)度、硬度、延伸率、晶粒尺寸以及時(shí)效后的硬度和晶粒尺寸進(jìn)行了檢測(cè)和分析，得出以下結(jié)論。

（1）通過(guò)調(diào)整立式連續(xù)淬火爐的固溶工藝參數(shù)，可以減少晶界析出物，提高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效后鈹銅帶材的硬度。

（2）成分相同、固溶程度不同的鈹銅帶材，在相同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效工藝下，時(shí)效后的硬度相差約90 HV。

（3）在走帶速度相同的情況下，合理控制固溶溫度是保證鈹銅帶材生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

（4）厚度為0.3 mm 的TBe 2 鈹銅帶材以某恒定速度通過(guò)立式連續(xù)淬火爐，當(dāng)溫度設(shè)定為820 ℃時(shí)，其固溶效果最好。固溶后該材料的HV 1.0 為99，抗拉強(qiáng)度為454 MPa，延伸率為63%，并且標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效后材料的HV 1.0 可達(dá)400。