QBe2合金熱軋板坯料罩式爐退火工藝的確定

吳文博，韓明達，趙樹昌

（1.西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司稀有金屬特種材料國家重點實驗室，寧夏 石嘴山 753000；2.寧夏中色新材料有限公司鈹銅分廠，寧夏 石嘴山 753000）

鈹青銅是以鈹為基本合金元素的銅基合金材料，它具有較高的強度、硬度和彈性極限，彈性滯后小、彈性穩定性好，并且具有耐疲勞、耐腐蝕、無磁性、高導熱導電性，受沖擊時不產生火花，承受冷熱壓力加工的能力很強，具有良好的綜合性能。因此，在電子通訊、航空航天、石油化工、冶金礦山、精密儀器和儀表的制造等多種領域廣泛應用，已經成為國民經濟建設中不可缺少的重要功能材料[1-4]。

目前公司在生產QBe2合金板帶材時，熱軋的終軋溫度無法保證，因此導致QBe2合金的熱軋板坯料偏硬，無法后續生產，因此必須在罩式爐退火后方可后續軋制。本文通過實驗得出QBe2合金熱軋板坯在罩式爐退火時的較優工藝。

1 前期工藝與設備

本文中用到的材料為公司生產的鑄錠，經熱軋后。

熱軋機：采用中色科技生產的Ф850＊800mm兩輥可逆熱軋機。最大軋制力1100噸，最大開口度250mm，采用絲杠壓下、液壓微調的方式進行控制輥縫，方便快捷。

加熱工藝：鑄錠采用天然氣步進式加熱爐進行熱軋前的加熱。先將爐內溫度升到780℃～790℃后裝爐，保溫時間10～12小時，爐內氣氛采用微還原氣氛進行加熱、保溫。到溫后出爐熱軋。

熱軋工藝：

130→109→81→57→39→27→19→14→11→9。

即：整個熱軋過程為九道次軋制，第一道次由鑄錠厚度130mm軋至109mm，然后反向軋制第二道次，由114mm軋至81mm，然后反向軋制第三道次，依次類推，直至將鑄錠軋至9mm厚。

軋至目標尺寸后，打開熱軋機自帶的在線淬火與冷卻設施，使熱軋坯料迅速冷卻至60℃以下，然后通過三輥卷機進行卷取。

在實驗過程中，有制樣要求的檢測過程，嚴格按照檢測要求取樣、制樣。

2 分析與討論

2.1 熱軋板坯性分析

熱軋后，按照相關標準與要求，對熱軋板坯進行取樣，分析力學性能，同如表1所示：

表1 熱軋板坯力學性能

采用GX51-OLYMPUS金相顯微鏡觀察其微觀組織，如圖1所示：

圖1 熱軋板坯微觀組織

從上面的結果可以看出：熱軋板坯的硬度、強度均比較高，延伸率比較低，對比YS/T323標準，熱軋板坯的力學性能達到了硬態產品的要求。

從微觀組織可以看出：熱軋板坯的晶粒有明顯被拉長、壓扁的跡象，說明在熱軋的后期，動態回復與動態再結晶的速率比不上塑性變形引起的加工硬化，從而使材料的強度和硬度升高，延伸下降[5]。

高強、低延伸的材料會造成后續加工困難，且容易出現質量問題。因此必須進行退火處理后才能進行后續生產。

2.2 不同退火工藝對合金性能和組織的影響分析

QBe2的退火熱處理中除了加熱溫度這一關鍵參數外，冷卻速度也十分重要。如冷卻速度很慢，第二相就有充分的時間在固溶體中充分析出、長大，降低合金的硬度和強度，提升塑性；相反，冷卻速度很快，就會獲得過飽和固溶體，強度、硬度降低不明顯，塑性也差[6]。因此，銅鈹合金退火過程中的冷卻環節是需要緩慢冷卻的，才能獲得后期繼續冷變形所需的工藝性能。根據材料的要求，退火溫度控制在560℃～720℃，時間根據經驗值確定為8小時。同退火后性能見表2：

表2 不同退火工藝后的力學性能

從表2中的相關數據可以看出，退火溫度在560℃～630℃時的熱軋板抗拉強度、屈服強度和硬度隨著退火溫度的升高而降低，在630℃～700℃時抗拉強度和硬度隨著退火溫度的升高而升高。延伸率會隨著退火溫度的升高而升高，在680℃時達到最大值，680℃～700℃上升趨勢逐漸平緩。630℃退火后抗拉強度、屈服強度最低，延伸率在35%左右，塑性最高。圖2是材料力學性能隨不同退火工藝下的變化曲線。

圖2 抗拉強度、屈服強度、延伸率、硬度隨退火溫度變化

2.3 金相組織分析

從圖3中可以看出：經過退火熱處理后，QBe2合金內部組織發生了明顯的變化，特別是晶粒尺寸，隨著退火溫度的逐步上升，晶粒也逐漸長大，在大于610℃以后晶界的析出物明顯增多。材料在達到保溫段后，保溫段的溫度越高，鈹元素融進α相基體的就會越多，隨爐緩冷析出的γ相也就越多。后續，在大于610℃時晶界的析出物開始減少。

圖3 不同溫度退火的金相組織

退火處理后材料性能的變化歸結于鈹銅在退火過程中相的變化。通過鈹銅合金二元相圖可知：QBe2合金在605℃時發生共析反應。所以，在605℃以下退火時，在保溫時間相同的情況下，隨著退火溫度的升高，材料的強度硬度逐漸降低，延伸率逐漸升高。在580℃～605℃退火，合金性能的主要影響因素是再結晶。

從鈹青銅相圖中看出退火溫度越高，再結晶就越充分，材料的塑性也就越好。在605℃～650℃退火時，影響合金性能的因素主要是再結晶和材料共析反所應生成的β相。合金的硬質點是β相，它影響合金以后的加工性能，由于它的存在，使得在后續的加工中很容易使材料產生微裂紋，導致斷裂等缺陷[7]。由圖2可以得出在610℃退火時材料的強度和硬度在峰值，這是因為在該溫度下，材料再結晶對帶材塑性增強的影響效果遠小于β相析出后的晶格畸變帶來的大量位錯所引起的材料硬化引發的影響；而在610℃以后退火，材料再結晶對材料塑性影響的趨勢大于β相析出后晶格畸變造成的大量位錯所引起的材料硬化作用，因此在610℃～650℃退火材料的塑性是逐漸增強的。

3 結論

（1）退火溫度在560℃～630℃時材料的抗拉強度、屈服強度和硬度都隨著退火溫度的升高而降低。

（2）退火溫度在630℃～700℃時抗拉強度和硬度會隨著退火溫度的升高而升高。

（3）QBe2合金的延伸率在680℃時達最大值，680℃～700℃上的升趨勢逐漸減緩。

（4）QBe2合 金 在605℃ 發 生 共 析 反 應， 在605℃～650℃退火時，影響合金性能的主要因素是回復再結晶，和共析反應過程中生成的β相，而硬質點是β相，容易產生微裂紋缺陷。

（5）結合現場生產實際，QBe2合金材料在熱軋后的退火工藝確定為580℃×8h。