QBe2合金热处理常见问题及控制措施

杨 庆

(航空工业郑州飞机装备有限责任公司，河南 郑州 450005)

QBe2是含有1.8%～2.1%铍及0.2%～0.5%镍构成的三元铜合金，热处理后其强度和弹性极限都较高，并且具有良好的耐蚀性、耐疲劳性、耐磨性。QBe2合金具有良好的力学、物理、化学综合性能，在工业中应用广泛。本文对热处理实际工作中QBe2合金常出现的问题进行了总结。

1 常见问题

1.1 重复固溶

QBe2合金热处理是通过固溶、时效进行强化的，并对固溶的温度、冷却介质进行了规定。而实际生产中，QBe2原材料有板材、带材和棒材三种形式，其材料标准分别为YS/T 323—2019《铍青铜板材、带材和箔材》和 YS/T 334—2009《铍青铜圆形棒材》。标准中要求QBe2原材料均以固溶状态供应，不同的是固溶处理后是否进行了冷加工成形及冷加工程度，固溶后没有进行冷加工成形的用R表示；对于固溶后进行冷加工成形的QBe2合金，则根据冷加工程度的不同，用Y2和Y分别表示半硬态和硬态。由此可见，QBe2合金以固溶状态供应，热处理直接进行时效处理即可达到强化的效果。在实际生产中，由于工艺人员对技术文件理解不到位，对QBe2合金制件进行固溶和时效处理不仅浪费了人力、物力，而且会破坏原材料冷加工成形晶粒度细的效果，存在固溶时制件因防氧化不当而报废的风险。

1.2 时效后硬度过高

QBe2合金时效处理工艺通常为310～330 ℃、保温2～3 h。一般来说，以R状态、Y2状态和Y状态供应的QBe2合金时效处理后，硬度分别为350～420、370～440和420～480 HV。这是因为在时效过程中，铍元素以γ2相形式从α相析出，而达到沉淀强化的效果。而原材料固溶后经冷加工成形后，原固溶形成的GP区经冷变形后，晶界增加、晶粒变细，在时效过程中，强化相弥散度增加，并且γ2相析出的阻力增大，对晶格的作用力增大，使强化效果增加。

但实际生产中，不能一味的追求高硬度，尤其对于弹性制件，高硬度则会导致QBe2合金脆性增加，使用中易发生断裂现象。有的设计图纸要求QBe2合金热处理后硬度为320～380 HV，在310～330 ℃保温2～3 h后，对于R状态供应的QBe2合金有时会出现硬度过高的现象，对于Y2和Y状态供应的QBe2则硬度高于技术要求。对于硬度高的制件，往往采用360～380 ℃保温2～3 h的过时效工艺，使γ2相在晶界的析出量增加且长大，破坏γ2相与基体共格关系，使点阵畸变程度降低[1]，达到降低硬度的目的。

1.3 时效后硬度过低

在实际工作中，出现过一批以固溶态供应的QBe2板材采用硝盐槽320 ℃保温2 h后，制件硬度只有290 HV，低于320～380 HV的技术要求。对操作过程检查发现，在本批零件时效处理时，硝盐槽的搅拌装置出现故障。在搅拌设备不工作的情况下，仪表显示320 ℃，而硝盐槽中上部温度只有290 ℃。这是因为硝盐通过电加热融化过程中，槽内底部温度高，硝盐槽热电偶在槽内中底部，而因制件小，在时效处理时放置在硝盐槽的上部，因没有进行搅拌，造成零件实际的时效温度低于工艺规定的温度。对硝盐槽搅拌设备修复后，重新进行了返工，制件硬度值达到了350 HV。

1.4 表面质量差

QBe2合金常采用铜钝化的表面处理方式，对于棒材，时效后还进行机械加工，对后续表面处理无影响。而对于板材和带材类制件，若热处理时效后制件表面状态差，则影响铜钝化的质量。造成表面质量差主要有以下两种原因：

1)制件存在油污。制件表面有油污，不清洗直接进行时效处理，油污在时效温度下分解，产生碳黑附着在制件表面，后期清理困难。

2)硝盐老化。对QBe2合金用硝盐槽进行时效处理，硝盐的配比为45%NaNO2+55%KNO3。在热处理生产中，硝盐槽还常被用于钢件热处理的淬火冷却，淬火时零件的高温会造成与工件接触的部分硝盐因温度过高而发生分解、老化。具体反应如下式：

5NaNO2=3NaNO3+Na2O+N2↑

(1)

2KNO3=K2O+N2↑ +5O2↑

(2)

在这种情况下，QBe2合金在硝盐槽内时效会造成局部氧化的现象，导致表面质量差。

1.5 变形大

某批0.5 mm厚的QBe2板材，在时效处理后出现严重变形。经调查发现，时效处理时没有对该批制件进行绑扎，而是直接堆放在工装盒内，在时效过程中，随着过饱和固溶体的分解发生长度和体积的收缩。应力或温度不均匀时，使固溶体分解速度不均匀，因而零件各部位收缩不均匀，引起一定变形。而零件之间相互堆积，加剧了零件各部位受力不均匀性，使变形加大。

1.6 硬度测量偏差大

对于QBe2板材和棒材，时效处理后分别采用维氏硬度HV和洛氏硬度HRC进行硬度测量。维氏硬度是采用两相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥的压头，通过测量压痕对角线长度换算为HV硬度。理论上，压痕形状为正四边形，两对角线长度一样，但实际操作中，试样不平整存在翘曲现象，会使压痕两对角线长度偏差较大。

洛氏硬度是以120°金刚石圆锥为压头，通过压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。在洛氏硬度测量时，理论上被测制件无切向应力，仅有垂直方向受力，其应力和弹性应变完全符合胡克定律而呈线性关系，同相位且与时间无关。但实际生产中，因被测制件放置不平、存在油污、表面粗糙等问题，使洛氏硬度测量中产生切向应力，使制件产生明显的弹性后效现象。载荷卸载后，应力与弹性应变二者之间不同相位的现象，即二者不呈线性关系，与时间有关。这种弹性后效使洛氏硬度测量卸除主载荷后，弹性变形没有完全恢复，导致残余压入深度比正常深，得出的硬度结果比真实值偏低。对于QBe2合金而言，其材料的弹性模量为 128 GPa ，比一般钢材的弹性模量(200～230 GPa)小很多，故 QBe2合金对弹性后效的敏感性比钢件大很多，有时会导致偏差达8～10 HRC[2]。

2 控制措施

针对QBe2合金在热处理过程中常出现的问题，应采用相应措施进行控制，确保QBe2合金的热处理质量稳定可靠。

2.1 编制QBe2热处理规范

根据标准GB/T 19001—2016《质量管理体系要求》中新增“7.1.6知识管理”这一条款的要求[3]，梳理QBe2相关技术文件，包括原材料标准、热处理标准等，编制自身的QBe2热处理规范，作为工艺人员学习的资料和工艺规程编制的依据。规范应明确以下几点。

2.1.1时效参数的确定

不同供应状态的QBe2合金，采用不同温度、不同时间所达到的时效强化效果均不同。根据QBe2合金热处理后的硬度要求，通过正交试验方法设计工艺试验，检测不同温度、不同时间下的硬度数据，规范时效处理参数。一般QBe2合金的硬度要求为320～380 HV，换算为洛氏硬度为34～41 HRC，达到此硬度范围的热处理参数为：1)以固溶状态供应，在320 ℃下保温60～90min；2)以Y2(半硬)状态供应，在300 ℃下保温60～90min；3)以Y(硬)状态供应，在280 ℃下保温60～90min。

在实际生产过程中，也会因合金元素含量的波动、冷加工变形程度的不同，造成按上述规范时效处理后，硬度偏高的现象。对此，可采取360～380 ℃保温2～3 h的过时效来降低硬度。

2.1.2时效设备的明确

QBe2棒材采用井式电阻炉进行时效处理。而QBe2板材常在硝盐槽内进行，在时效前应对硝盐槽进行脱氧、捞渣，对制件的表面油污进行清洗。在硝盐槽升温和使用过程中，都应开启搅拌装置，使硝盐槽内温度均匀。也可以采用真空炉对QBe2板材进行时效处理，提升制件的表面质量。

2.2 控制制件变形

对易变形的QBe2板材制件，时效时各制件应均匀摆放并保持一定间距。对于复杂的、薄的板材，可采用低温预处理+时效的方法，使其达到峰值时效产生很小的变形量，明显减少变形和扭曲[4]。同时，可结合使用专用的工装，减少时效过程的变形。对于变形大的QBe2制件可进行校正，并在校正后采用120 ℃保温4 h的热处理方式消除制件应力。

2.3 规范硬度测量

针对QBe2合金制件硬度检测易出现误差大的问题，应加强控制待测制件的质量，确保待测制件的表面平整光滑，进行维氏硬度测量的制件表面应抛光为镜面，进行洛氏硬度测量的制件其粗糙度Ra应控制在0.8 μm以下。在每次测量前，擦拭制件待测面和其与支撑台的接触面，防止油污、颗粒的存在影响测量结果。在测量过程中，要保证所测制件放置平稳且测量过程中不发生位移。

若采用维氏硬度测量时，压痕两个方向对角线长度若出现偏差大的情况，则需对试样检查变形程度，保证平整无翘曲后，重新进行测量。采用洛氏硬度测量时，若出现各点硬度值偏差大，则可对制件表面磨平，清理干净确保无油污、颗粒等杂质后，再重新进行测量。对有异议的HRC测量结果，可采用HV进行验算。

2.4 加强日常监督

对操作人员加强质量意识教育，让其明白按工艺操作的重要性，并由热处理车间管理者带领工艺人员定期对生产现场进行工艺纪律检查，对QBe2合金制件时效前的清洗、制件的摆放、设备的完好性等进行检查，养成规范操作的良好习惯[5]。

3 结语

QBe2合金热处理过程并不复杂，只要工艺人员细化工艺流程，操作人员进行规范操作，做好每个环节，便可有效保证其热处理质量的稳定性、可靠性。