QBe2鈹青銅合金固溶工藝與組織性能研究

岳麗娟，王艷婷，趙紅運，饒曉方，王 泓

(1. 寧夏中色新材料有限公司，寧夏 石嘴山 753000) (2. 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)(3. 西北工業大學材料學院，陜西 西安 710072)

1 前 言

鈹青銅是一種典型的沉淀強化型合金，經固溶和時效熱處理后，具有與特殊鋼相當的高強度，是唯一同時具備良好力學性能、物理性能及耐蝕性能的銅合金[1]。寧夏中色新材料有限公司是國內最大的鈹青銅合金生產研究基地，2013年公司的“高精度、大卷重鈹青銅板帶材關鍵技術研發”科技成果通過了中國有色金屬工業協會鑒定，整體技術達到國際先進水平，實現了多種規格狀態鈹青銅帶材的批量生產。

經過不斷的發展和技術創新，產品綜合品質得到了較大提升，目前年產可達1000 t，產品主要應用于電子電器、通訊儀表、航空航天、石油化工、冶金礦山、汽車家電、機械制造以及國防軍工等多個領域。然而，在現有熱處理及加工工藝條件下，該合金的組織及性能不夠穩定，尤其是合金的硬度指標不達標，主要原因之一就是對固溶工藝控制不佳，對相關機理缺乏認識。固溶處理就是將鈹青銅加熱到單相組織狀態，使富鈹相(β相)充分固溶于基體中，并快速水淬以防止第二相析出，從而獲得均勻的過飽和固溶體[1]。固溶處理的加熱溫度和保溫時間的合理選擇與控制，是確保鈹青銅力學性能優良的關鍵環節。確定固溶處理規范的原則是既能獲得足夠過飽和度的α固溶體，又能得到細晶粒的組織，因此，有效控制固溶處理后鈹青銅的晶粒度是保證熱處理質量的關鍵環節。固溶溫度過低或者保溫時間不足，會使富鈹相不能充分溶入固溶體基體中，弱化合金的沉淀強化能力；若固溶溫度過高或者保溫時間過長，則會引起晶粒粗化，產生過熱、過燒現象，破壞合金的力學性能[2-5]。

本文研究了不同固溶保溫時間對合金組織及性能的影響，分析了固溶過程中鈹青銅合金的組織及性能變化規律，利用Hall-Petch關系探討了QBe2鈹青銅合金在不同固溶時間條件下屈服強度與晶粒尺寸的關系，以期達到優化固溶時間的目的。

2 實 驗

實驗材料為鈹青銅合金，牌號為QBe2。采用25 kW箱式電阻爐對QBe2鈹青銅合金進行固溶處理實驗，首先將箱式電阻爐加熱至790 ℃并保持60 min，然后將QBe2鈹青銅合金試樣放入箱式電阻爐中，到溫后開始計時，固溶保溫時間分別設置為30，60，90和120 min。

保溫結束后，將試樣取出并控制在10 s內將其快速水冷至室溫。使用 AG-IC50 kN萬能材料拉伸試驗機、HVS-5型自動轉塔數顯顯微硬度計、DK60渦流導電率儀、Olympus Gx51金相顯微鏡，分別測試不同固溶保溫時間處理后試樣的抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度、導電率以及平均晶粒尺寸等數據，并進行對比分析，確認合金的組織性能變化規律和機理，尋找滿足材料要求的固溶保溫時間。

力學性能測試按照《GB/T228.1室溫拉伸實驗方法》和《GB/T4340—2009 金屬材料維氏硬度試驗》進行制樣和檢測，每組實驗測試3組數據并取平均值作為實驗結果。

金相樣品先經粗磨、細磨、清洗、拋光、烘干，然后將試樣浸入FeCl3+HCl+乙醇的浸蝕劑中，浸蝕10 s后立即用水沖洗并吹干，在金相顯微鏡下觀察樣品組織；并將做完金相的樣品用酒精清洗、烘干后，在掃描電子顯微鏡(SUPRA 55)下進行組織形貌觀察。

3 結果與分析

3.1 固溶保溫時間對合金力學性能的影響

表1為固溶處理前后QBe2鈹青銅合金的力學性能，由表1可以觀察到，當固溶保溫時間為0～90 min時，QBe2鈹青銅合金的抗拉強度、屈服強度和硬度隨固溶保溫時間的增加而明顯降低；而斷后伸長率隨固溶保溫時間的增加而明顯增大。當固溶保溫時間為60 min時，合金的抗拉強度、屈服強度已接近固溶態產品的性能要求，硬度和伸長率已達到固溶態產品的性能要求。繼續延長保溫時間至90 min，合金的抗拉強度、屈服強度和硬度的降低幅度和伸長率增大幅度均有所下降。當保溫時間為90 min時，合金的力學性能已完全滿足固溶態產品的要求。當保溫時間達到120 min時，合金的塑性最好。根據上述實驗結果，在790 ℃熱處理制度下，合理的固溶保溫時間為90～120 min。

表1 固溶處理前后QBe2鈹青銅合金的力學性能

分析認為，固溶過程中合金元素進入銅基體中會引起點陣畸變。但隨著固溶保溫時間從0延長至90 min時，晶粒長大，更多的析出相溶解于銅基體中，合金的晶界強化和析出強化作用明顯減弱，導致合金的強度和硬度下降，塑性提高。當保溫時間為120 min時，合金的塑性最好。

3.2 固溶保溫時間對合金導電率的影響

圖1為QBe2鈹青銅合金的導電率隨固溶保溫時間的變化曲線。固溶處理前QBe2鈹青銅合金的電導率為17.7%IACS；固溶處理后，隨著固溶保溫時間的延長，QBe2鈹青銅合金的電導率下降。當保溫時間為30 min時，合金的電導率變化不明顯，約為17.4%IACS；當保溫時間為60 min時，合金的電導率降低至16.3%IACS；當保溫時間為90和120 min時，合金的電導率分別下降至15.7%IACS和15.2%IACS。

圖1 在790 ℃，不同固溶保溫時間下QBe2鈹青銅合金的導電率Fig.1 Conductivity of QBe2 beryllium bronze alloy under different solution holding time at 790 ℃

合金的導電率與內部缺陷和溶質原子的濃度密切相關，因為缺陷和溶質原子會破壞晶格勢場的周期性，導致基體晶格發生扭曲畸變從而影響合金的導電率。隨著固溶保溫時間的延長，合金元素進入銅基體中，從而引起點陣畸變，而點陣畸變對電子運動有強烈的散射作用，會阻礙電子運動導致合金電阻率上升，進而使得合金導電率降低[6-9]。

3.3 固溶保溫時間對合金組織的影響

利用Olympus Gx51金相顯微鏡觀察在790 ℃下固溶保溫不同時間的試樣組織(圖2)，并統計其平均晶粒尺寸，如表2所示。當固溶保溫時間為30 min時，合金出現再結晶，并形成細小的等軸晶組織，平均晶粒尺寸小于10 μm，

圖2 QBe2鈹青銅合金在790℃不同固溶時間后的金相組織：(a)30 min, (b)60 min, (c)90 min, (d)120 minFig.2 Metallographic structure after solution at 790 ℃ for 30 min (a), 60 min (b), 90 min (c) and 120 min (d)

表2 在790 ℃、不同固溶保溫時間下QBe2鈹青銅合金的平均晶粒尺寸

且部分析出相已溶解于銅基體中，如圖2a所示。隨著固溶保溫時間的延長，合金中晶粒長大，且晶內析出相顆粒數量減少(圖2b)。當固溶保溫時間為90 min時，合金中平均晶粒尺寸約為15 μm，且試樣內部析出相基本完全溶解于銅基體中，如圖2c所示。繼續延長保溫時間至120 min，合金中的晶粒長大不明顯(圖2d)。

3.4 固溶保溫時間的優化

固溶處理對QBe2鈹青銅合金組織的影響與合金基體再結晶、晶粒長大和析出相溶解行為密切相關。固溶處理前，QBe2鈹青銅合金經過冷軋變形，固溶處理溫度為790 ℃，明顯高于其再結晶溫度。在較高的溫度條件下,合金發生回復所消耗的形變儲能較小，為后續再結晶提供了更大的形變儲能，再結晶形核率明顯增大，因此合金在較短的保溫時間內(如30 min)就基本發生了再結晶，形成了細小的等軸晶。繼續延長固溶保溫時間，合金在較高的溫度條件下晶界遷移率較大，且析出相逐漸溶解于銅基體中，析出相對晶界遷移的阻礙作用較小，合金的晶粒明顯長大。晶界遷移的驅動力是界面自由能，在后續的晶粒正常長大過程中，隨著固溶保溫時間的延長，晶界遷移的驅動力下降，達到近平衡狀態，晶界遷移率下降，固溶保溫時間大于90 min時，合金的晶粒長大已不明顯了。

因位錯受晶界阻擋形成塞積群，當塞積群中領頭位錯受到的應力達到某一數值，即可將相鄰晶粒中的位錯源開動時，即構成屈服條件，與此應力對應的外力即屈服強度。鄒章雄、Yan等的研究發現，多晶材料的外加切應力與晶粒直徑平方根的倒數呈線性關系，即Hall-Petch關系[10-13]。

對在790 ℃、不同保溫時間固溶后的QBe2鈹青銅合金試樣的屈服強度和晶粒尺寸進行擬合分析如圖3所示，結果表明，60，90和120 min實驗結果符合基于長時間固溶的單相固溶體的Hall-Petch關系，而30 min的實驗數據卻遠高于Hall-Petch關系預測值，說明30 min時第二相強化作用依然存在，此時γ相未完全固溶入基體晶格點陣；固溶時間為60 min時，可以認為γ相關強化相已基本溶入基體晶格點陣，第二相強化作用消失，但實驗材料的屈服強度低于Hall-Petch關系的預測值，表明第二相雖已基本溶解，失去第二相強化作用，但并未形成充分均勻的固溶體，處于固溶強化效果欠佳的狀態。

圖3 QBe2在790 ℃、不同固溶時間條件下屈服強度與晶粒尺寸關系Fig.3 Relation between yeild strength and average grain size of QBe2 alloy solutioned at 790 ℃ from experimental results and theoretical curve of Hall-Petch formula

4 結 論

本文對QBe2鈹青銅合金進行了790 ℃、固溶保溫時間分別為30，60，90和120 min的固溶處理，并對合金的抗拉強度、屈服強度、硬度、斷后伸長率和導電率數據進行采集及分析，發現如下結論。

(1)隨著固溶保溫時間延長至90 min，QBe2鈹青銅合金的抗拉強度、屈服強度及硬度不斷降低，而斷后伸長率不斷增大。當固溶保溫時間為120 min時，合金的塑性最好。

(2)QBe2鈹青銅合金的導電率隨固溶保溫時間的延長而逐漸下降。當保溫時間延長至90和120 min時，導電率下降顯著。

(3)在固溶保溫時間為30 min時，合金基本發生了完全再結晶，并形成平均晶粒尺寸約為10 μm的等軸晶組織，且部分析出相已溶解于銅基體中。隨著固溶保溫時間的延長，合金中的晶粒長大，且晶內析出相顆粒數量減小。當固溶保溫時間延長至120 min時，合金中的晶粒長大不明顯。

(4)由實驗可以得出，QBe2鈹青銅合金在790 ℃熱處理制度下的最佳固溶保溫時間為90～120 min；且不同固溶保溫時間處理后，材料的屈服強度與平均晶粒尺寸符合Hall-Petch關系。