QBe2合金熱軋板坯料罩式爐退火工藝的確定

吳文博，韓明達(dá)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度、硬度和彈性極限，彈性滯后小、彈性穩(wěn)定性好，并且具有耐疲勞、耐腐蝕、無磁性、高導(dǎo)熱導(dǎo)電性，受沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花，承受冷熱壓力加工的能力很強(qiáng)，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(lǐng)域廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可缺少的重要功能材料[1-4]。

目前公司在生產(chǎn)QBe2合金板帶材時(shí)，熱軋的終軋溫度無法保證，因此導(dǎo)致QBe2合金的熱軋板坯料偏硬，無法后續(xù)生產(chǎn)，因此必須在罩式爐退火后方可后續(xù)軋制。本文通過實(shí)驗(yàn)得出QBe2合金熱軋板坯在罩式爐退火時(shí)的較優(yōu)工藝。

1 前期工藝與設(shè)備

本文中用到的材料為公司生產(chǎn)的鑄錠，經(jīng)熱軋后。

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

加熱工藝：鑄錠采用天然氣步進(jìn)式加熱爐進(jìn)行熱軋前的加熱。先將爐內(nèi)溫度升到780℃～790℃后裝爐，保溫時(shí)間10～12小時(shí)，爐內(nèi)氣氛采用微還原氣氛進(jìn)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(gè)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(biāo)尺寸后，打開熱軋機(jī)自帶的在線淬火與冷卻設(shè)施，使熱軋坯料迅速冷卻至60℃以下，然后通過三輥卷機(jī)進(jìn)行卷取。

在實(shí)驗(yàn)過程中，有制樣要求的檢測(cè)過程，嚴(yán)格按照檢測(cè)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)與要求，對(duì)熱軋板坯進(jìn)行取樣，分析力學(xué)性能，同如表1所示：

表1 熱軋板坯力學(xué)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(jié)果可以看出：熱軋板坯的硬度、強(qiáng)度均比較高，延伸率比較低，對(duì)比YS/T323標(biāo)準(zhǔn)，熱軋板坯的力學(xué)性能達(dá)到了硬態(tài)產(chǎn)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(zhǎng)、壓扁的跡象，說明在熱軋的后期，動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)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(qiáng)度和硬度升高，延伸下降[5]。

高強(qiáng)、低延伸的材料會(huì)造成后續(xù)加工困難，且容易出現(xiàn)質(zhì)量問題。因此必須進(jìn)行退火處理后才能進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)。

2.2 不同退火工藝對(duì)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(guān)鍵參數(shù)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(shí)間在固溶體中充分析出、長(zhǎng)大，降低合金的硬度和強(qiáng)度，提升塑性；相反，冷卻速度很快，就會(huì)獲得過飽和固溶體，強(qiáng)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(huán)節(jié)是需要緩慢冷卻的，才能獲得后期繼續(xù)冷變形所需的工藝性能。根據(jù)材料的要求，退火溫度控制在560℃～720℃，時(shí)間根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定為8小時(shí)。同退火后性能見表2：

表2 不同退火工藝后的力學(xué)性能

從表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，退火溫度在560℃～630℃時(shí)的熱軋板抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度隨著退火溫度的升高而降低，在630℃～700℃時(shí)抗拉強(qiáng)度和硬度隨著退火溫度的升高而升高。延伸率會(huì)隨著退火溫度的升高而升高，在680℃時(shí)達(dá)到最大值，680℃～700℃上升趨勢(shì)逐漸平緩。630℃退火后抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度最低，延伸率在35%左右，塑性最高。圖2是材料力學(xué)性能隨不同退火工藝下的變化曲線。

圖2 抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(jīng)過退火熱處理后，QBe2合金內(nèi)部組織發(fā)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(zhǎng)大，在大于610℃以后晶界的析出物明顯增多。材料在達(dá)到保溫段后，保溫段的溫度越高，鈹元素融進(jìn)α相基體的就會(huì)越多，隨爐緩冷析出的γ相也就越多。后續(xù)，在大于610℃時(shí)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(jié)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(shí)發(fā)生共析反應(yīng)。所以，在605℃以下退火時(shí)，在保溫時(shí)間相同的情況下，隨著退火溫度的升高，材料的強(qiáng)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(jié)晶。

從鈹青銅相圖中看出退火溫度越高，再結(jié)晶就越充分，材料的塑性也就越好。在605℃～650℃退火時(shí)，影響合金性能的因素主要是再結(jié)晶和材料共析反所應(yīng)生成的β相。合金的硬質(zhì)點(diǎn)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(xù)的加工中很容易使材料產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致斷裂等缺陷[7]。由圖2可以得出在610℃退火時(shí)材料的強(qiáng)度和硬度在峰值，這是因?yàn)樵谠摐囟认?，材料再結(jié)晶對(duì)帶材塑性增強(qiáng)的影響效果遠(yuǎn)小于β相析出后的晶格畸變帶來的大量位錯(cuò)所引起的材料硬化引發(fā)的影響；而在610℃以后退火，材料再結(jié)晶對(duì)材料塑性影響的趨勢(shì)大于β相析出后晶格畸變?cè)斐傻拇罅课诲e(cuò)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(qiáng)的。

3 結(jié)論

（1）退火溫度在560℃～630℃時(shí)材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(shí)抗拉強(qiáng)度和硬度會(huì)隨著退火溫度的升高而升高。

（3）QBe2合金的延伸率在680℃時(shí)達(dá)最大值，680℃～700℃上的升趨勢(shì)逐漸減緩。

（4）QBe2合 金 在605℃ 發(fā) 生 共 析 反 應(yīng)， 在605℃～650℃退火時(shí)，影響合金性能的主要因素是回復(fù)再結(jié)晶，和共析反應(yīng)過程中生成的β相，而硬質(zhì)點(diǎn)是β相，容易產(chǎn)生微裂紋缺陷。

（5）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，QBe2合金材料在熱軋后的退火工藝確定為580℃×8h。