QBe2铍青铜合金固溶工艺与组织性能研究

岳丽娟，王艳婷，赵红运，饶晓方，王 泓

(1. 宁夏中色新材料有限公司，宁夏 石嘴山 753000) (2. 西北稀有金属材料研究院宁夏有限公司 稀有金属特种材料国家重点实验室，宁夏 石嘴山 753000)(3. 西北工业大学材料学院，陕西 西安 710072)

1 前 言

铍青铜是一种典型的沉淀强化型合金，经固溶和时效热处理后，具有与特殊钢相当的高强度，是唯一同时具备良好力学性能、物理性能及耐蚀性能的铜合金[1]。宁夏中色新材料有限公司是国内最大的铍青铜合金生产研究基地，2013年公司的“高精度、大卷重铍青铜板带材关键技术研发”科技成果通过了中国有色金属工业协会鉴定，整体技术达到国际先进水平，实现了多种规格状态铍青铜带材的批量生产。

经过不断的发展和技术创新，产品综合品质得到了较大提升，目前年产可达1000 t，产品主要应用于电子电器、通讯仪表、航空航天、石油化工、冶金矿山、汽车家电、机械制造以及国防军工等多个领域。然而，在现有热处理及加工工艺条件下，该合金的组织及性能不够稳定，尤其是合金的硬度指标不达标，主要原因之一就是对固溶工艺控制不佳，对相关机理缺乏认识。固溶处理就是将铍青铜加热到单相组织状态，使富铍相(β相)充分固溶于基体中，并快速水淬以防止第二相析出，从而获得均匀的过饱和固溶体[1]。固溶处理的加热温度和保温时间的合理选择与控制，是确保铍青铜力学性能优良的关键环节。确定固溶处理规范的原则是既能获得足够过饱和度的α固溶体，又能得到细晶粒的组织，因此，有效控制固溶处理后铍青铜的晶粒度是保证热处理质量的关键环节。固溶温度过低或者保温时间不足，会使富铍相不能充分溶入固溶体基体中，弱化合金的沉淀强化能力；若固溶温度过高或者保温时间过长，则会引起晶粒粗化，产生过热、过烧现象，破坏合金的力学性能[2-5]。

本文研究了不同固溶保温时间对合金组织及性能的影响，分析了固溶过程中铍青铜合金的组织及性能变化规律，利用Hall-Petch关系探讨了QBe2铍青铜合金在不同固溶时间条件下屈服强度与晶粒尺寸的关系，以期达到优化固溶时间的目的。

2 实 验

实验材料为铍青铜合金，牌号为QBe2。采用25 kW箱式电阻炉对QBe2铍青铜合金进行固溶处理实验，首先将箱式电阻炉加热至790 ℃并保持60 min，然后将QBe2铍青铜合金试样放入箱式电阻炉中，到温后开始计时，固溶保温时间分别设置为30，60，90和120 min。

保温结束后，将试样取出并控制在10 s内将其快速水冷至室温。使用 AG-IC50 kN万能材料拉伸试验机、HVS-5型自动转塔数显显微硬度计、DK60涡流导电率仪、Olympus Gx51金相显微镜，分别测试不同固溶保温时间处理后试样的抗拉强度、屈服强度、伸长率、硬度、导电率以及平均晶粒尺寸等数据，并进行对比分析，确认合金的组织性能变化规律和机理，寻找满足材料要求的固溶保温时间。

力学性能测试按照《GB/T228.1室温拉伸实验方法》和《GB/T4340—2009 金属材料维氏硬度试验》进行制样和检测，每组实验测试3组数据并取平均值作为实验结果。

金相样品先经粗磨、细磨、清洗、抛光、烘干，然后将试样浸入FeCl3+HCl+乙醇的浸蚀剂中，浸蚀10 s后立即用水冲洗并吹干，在金相显微镜下观察样品组织；并将做完金相的样品用酒精清洗、烘干后，在扫描电子显微镜(SUPRA 55)下进行组织形貌观察。

3 结果与分析

3.1 固溶保温时间对合金力学性能的影响

表1为固溶处理前后QBe2铍青铜合金的力学性能，由表1可以观察到，当固溶保温时间为0～90 min时，QBe2铍青铜合金的抗拉强度、屈服强度和硬度随固溶保温时间的增加而明显降低；而断后伸长率随固溶保温时间的增加而明显增大。当固溶保温时间为60 min时，合金的抗拉强度、屈服强度已接近固溶态产品的性能要求，硬度和伸长率已达到固溶态产品的性能要求。继续延长保温时间至90 min，合金的抗拉强度、屈服强度和硬度的降低幅度和伸长率增大幅度均有所下降。当保温时间为90 min时，合金的力学性能已完全满足固溶态产品的要求。当保温时间达到120 min时，合金的塑性最好。根据上述实验结果，在790 ℃热处理制度下，合理的固溶保温时间为90～120 min。

表1 固溶处理前后QBe2铍青铜合金的力学性能

分析认为，固溶过程中合金元素进入铜基体中会引起点阵畸变。但随着固溶保温时间从0延长至90 min时，晶粒长大，更多的析出相溶解于铜基体中，合金的晶界强化和析出强化作用明显减弱，导致合金的强度和硬度下降，塑性提高。当保温时间为120 min时，合金的塑性最好。

3.2 固溶保温时间对合金导电率的影响

图1为QBe2铍青铜合金的导电率随固溶保温时间的变化曲线。固溶处理前QBe2铍青铜合金的电导率为17.7%IACS；固溶处理后，随着固溶保温时间的延长，QBe2铍青铜合金的电导率下降。当保温时间为30 min时，合金的电导率变化不明显，约为17.4%IACS；当保温时间为60 min时，合金的电导率降低至16.3%IACS；当保温时间为90和120 min时，合金的电导率分别下降至15.7%IACS和15.2%IACS。

图1 在790 ℃，不同固溶保温时间下QBe2铍青铜合金的导电率Fig.1 Conductivity of QBe2 beryllium bronze alloy under different solution holding time at 790 ℃

合金的导电率与内部缺陷和溶质原子的浓度密切相关，因为缺陷和溶质原子会破坏晶格势场的周期性，导致基体晶格发生扭曲畸变从而影响合金的导电率。随着固溶保温时间的延长，合金元素进入铜基体中，从而引起点阵畸变，而点阵畸变对电子运动有强烈的散射作用，会阻碍电子运动导致合金电阻率上升，进而使得合金导电率降低[6-9]。

3.3 固溶保温时间对合金组织的影响

利用Olympus Gx51金相显微镜观察在790 ℃下固溶保温不同时间的试样组织(图2)，并统计其平均晶粒尺寸，如表2所示。当固溶保温时间为30 min时，合金出现再结晶，并形成细小的等轴晶组织，平均晶粒尺寸小于10 μm，

图2 QBe2铍青铜合金在790℃不同固溶时间后的金相组织：(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 ℃、不同固溶保温时间下QBe2铍青铜合金的平均晶粒尺寸

且部分析出相已溶解于铜基体中，如图2a所示。随着固溶保温时间的延长，合金中晶粒长大，且晶内析出相颗粒数量减少(图2b)。当固溶保温时间为90 min时，合金中平均晶粒尺寸约为15 μm，且试样内部析出相基本完全溶解于铜基体中，如图2c所示。继续延长保温时间至120 min，合金中的晶粒长大不明显(图2d)。

3.4 固溶保温时间的优化

固溶处理对QBe2铍青铜合金组织的影响与合金基体再结晶、晶粒长大和析出相溶解行为密切相关。固溶处理前，QBe2铍青铜合金经过冷轧变形，固溶处理温度为790 ℃，明显高于其再结晶温度。在较高的温度条件下,合金发生回复所消耗的形变储能较小，为后续再结晶提供了更大的形变储能，再结晶形核率明显增大，因此合金在较短的保温时间内(如30 min)就基本发生了再结晶，形成了细小的等轴晶。继续延长固溶保温时间，合金在较高的温度条件下晶界迁移率较大，且析出相逐渐溶解于铜基体中，析出相对晶界迁移的阻碍作用较小，合金的晶粒明显长大。晶界迁移的驱动力是界面自由能，在后续的晶粒正常长大过程中，随着固溶保温时间的延长，晶界迁移的驱动力下降，达到近平衡状态，晶界迁移率下降，固溶保温时间大于90 min时，合金的晶粒长大已不明显了。

因位错受晶界阻挡形成塞积群，当塞积群中领头位错受到的应力达到某一数值，即可将相邻晶粒中的位错源开动时，即构成屈服条件，与此应力对应的外力即屈服强度。邹章雄、Yan等的研究发现，多晶材料的外加切应力与晶粒直径平方根的倒数呈线性关系，即Hall-Petch关系[10-13]。

对在790 ℃、不同保温时间固溶后的QBe2铍青铜合金试样的屈服强度和晶粒尺寸进行拟合分析如图3所示，结果表明，60，90和120 min实验结果符合基于长时间固溶的单相固溶体的Hall-Petch关系，而30 min的实验数据却远高于Hall-Petch关系预测值，说明30 min时第二相强化作用依然存在，此时γ相未完全固溶入基体晶格点阵；固溶时间为60 min时，可以认为γ相关强化相已基本溶入基体晶格点阵，第二相强化作用消失，但实验材料的屈服强度低于Hall-Petch关系的预测值，表明第二相虽已基本溶解，失去第二相强化作用，但并未形成充分均匀的固溶体，处于固溶强化效果欠佳的状态。

图3 QBe2在790 ℃、不同固溶时间条件下屈服强度与晶粒尺寸关系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 结 论

本文对QBe2铍青铜合金进行了790 ℃、固溶保温时间分别为30，60，90和120 min的固溶处理，并对合金的抗拉强度、屈服强度、硬度、断后伸长率和导电率数据进行采集及分析，发现如下结论。

(1)随着固溶保温时间延长至90 min，QBe2铍青铜合金的抗拉强度、屈服强度及硬度不断降低，而断后伸长率不断增大。当固溶保温时间为120 min时，合金的塑性最好。

(2)QBe2铍青铜合金的导电率随固溶保温时间的延长而逐渐下降。当保温时间延长至90和120 min时，导电率下降显著。

(3)在固溶保温时间为30 min时，合金基本发生了完全再结晶，并形成平均晶粒尺寸约为10 μm的等轴晶组织，且部分析出相已溶解于铜基体中。随着固溶保温时间的延长，合金中的晶粒长大，且晶内析出相颗粒数量减小。当固溶保温时间延长至120 min时，合金中的晶粒长大不明显。

(4)由实验可以得出，QBe2铍青铜合金在790 ℃热处理制度下的最佳固溶保温时间为90～120 min；且不同固溶保温时间处理后，材料的屈服强度与平均晶粒尺寸符合Hall-Petch关系。