QBe2合金热轧板坯料罩式炉退火工艺的确定

吴文博，韩明达，赵树昌

（1.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；2.宁夏中色新材料有限公司铍铜分厂，宁夏 石嘴山 753000）

铍青铜是以铍为基本合金元素的铜基合金材料，它具有较高的强度、硬度和弹性极限，弹性滞后小、弹性稳定性好，并且具有耐疲劳、耐腐蚀、无磁性、高导热导电性，受冲击时不产生火花，承受冷热压力加工的能力很强，具有良好的综合性能。因此，在电子通讯、航空航天、石油化工、冶金矿山、精密仪器和仪表的制造等多种领域广泛应用，已经成为国民经济建设中不可缺少的重要功能材料[1-4]。

目前公司在生产QBe2合金板带材时，热轧的终轧温度无法保证，因此导致QBe2合金的热轧板坯料偏硬，无法后续生产，因此必须在罩式炉退火后方可后续轧制。本文通过实验得出QBe2合金热轧板坯在罩式炉退火时的较优工艺。

1 前期工艺与设备

本文中用到的材料为公司生产的铸锭，经热轧后。

热轧机：采用中色科技生产的Ф850＊800mm两辊可逆热轧机。最大轧制力1100吨，最大开口度250mm，采用丝杠压下、液压微调的方式进行控制辊缝，方便快捷。

加热工艺：铸锭采用天然气步进式加热炉进行热轧前的加热。先将炉内温度升到780℃～790℃后装炉，保温时间10～12小时，炉内气氛采用微还原气氛进行加热、保温。到温后出炉热轧。

热轧工艺：

130→109→81→57→39→27→19→14→11→9。

即：整个热轧过程为九道次轧制，第一道次由铸锭厚度130mm轧至109mm，然后反向轧制第二道次，由114mm轧至81mm，然后反向轧制第三道次，依次类推，直至将铸锭轧至9mm厚。

轧至目标尺寸后，打开热轧机自带的在线淬火与冷却设施，使热轧坯料迅速冷却至60℃以下，然后通过三辊卷机进行卷取。

在实验过程中，有制样要求的检测过程，严格按照检测要求取样、制样。

2 分析与讨论

2.1 热轧板坯性分析

热轧后，按照相关标准与要求，对热轧板坯进行取样，分析力学性能，同如表1所示：

表1 热轧板坯力学性能

采用GX51-OLYMPUS金相显微镜观察其微观组织，如图1所示：

图1 热轧板坯微观组织

从上面的结果可以看出：热轧板坯的硬度、强度均比较高，延伸率比较低，对比YS/T323标准，热轧板坯的力学性能达到了硬态产品的要求。

从微观组织可以看出：热轧板坯的晶粒有明显被拉长、压扁的迹象，说明在热轧的后期，动态回复与动态再结晶的速率比不上塑性变形引起的加工硬化，从而使材料的强度和硬度升高，延伸下降[5]。

高强、低延伸的材料会造成后续加工困难，且容易出现质量问题。因此必须进行退火处理后才能进行后续生产。

2.2 不同退火工艺对合金性能和组织的影响分析

QBe2的退火热处理中除了加热温度这一关键参数外，冷却速度也十分重要。如冷却速度很慢，第二相就有充分的时间在固溶体中充分析出、长大，降低合金的硬度和强度，提升塑性；相反，冷却速度很快，就会获得过饱和固溶体，强度、硬度降低不明显，塑性也差[6]。因此，铜铍合金退火过程中的冷却环节是需要缓慢冷却的，才能获得后期继续冷变形所需的工艺性能。根据材料的要求，退火温度控制在560℃～720℃，时间根据经验值确定为8小时。同退火后性能见表2：

表2 不同退火工艺后的力学性能

从表2中的相关数据可以看出，退火温度在560℃～630℃时的热轧板抗拉强度、屈服强度和硬度随着退火温度的升高而降低，在630℃～700℃时抗拉强度和硬度随着退火温度的升高而升高。延伸率会随着退火温度的升高而升高，在680℃时达到最大值，680℃～700℃上升趋势逐渐平缓。630℃退火后抗拉强度、屈服强度最低，延伸率在35%左右，塑性最高。图2是材料力学性能随不同退火工艺下的变化曲线。

图2 抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度随退火温度变化

2.3 金相组织分析

从图3中可以看出：经过退火热处理后，QBe2合金内部组织发生了明显的变化，特别是晶粒尺寸，随着退火温度的逐步上升，晶粒也逐渐长大，在大于610℃以后晶界的析出物明显增多。材料在达到保温段后，保温段的温度越高，铍元素融进α相基体的就会越多，随炉缓冷析出的γ相也就越多。后续，在大于610℃时晶界的析出物开始减少。

图3 不同温度退火的金相组织

退火处理后材料性能的变化归结于铍铜在退火过程中相的变化。通过铍铜合金二元相图可知：QBe2合金在605℃时发生共析反应。所以，在605℃以下退火时，在保温时间相同的情况下，随着退火温度的升高，材料的强度硬度逐渐降低，延伸率逐渐升高。在580℃～605℃退火，合金性能的主要影响因素是再结晶。

从铍青铜相图中看出退火温度越高，再结晶就越充分，材料的塑性也就越好。在605℃～650℃退火时，影响合金性能的因素主要是再结晶和材料共析反所应生成的β相。合金的硬质点是β相，它影响合金以后的加工性能，由于它的存在，使得在后续的加工中很容易使材料产生微裂纹，导致断裂等缺陷[7]。由图2可以得出在610℃退火时材料的强度和硬度在峰值，这是因为在该温度下，材料再结晶对带材塑性增强的影响效果远小于β相析出后的晶格畸变带来的大量位错所引起的材料硬化引发的影响；而在610℃以后退火，材料再结晶对材料塑性影响的趋势大于β相析出后晶格畸变造成的大量位错所引起的材料硬化作用，因此在610℃～650℃退火材料的塑性是逐渐增强的。

3 结论

（1）退火温度在560℃～630℃时材料的抗拉强度、屈服强度和硬度都随着退火温度的升高而降低。

（2）退火温度在630℃～700℃时抗拉强度和硬度会随着退火温度的升高而升高。

（3）QBe2合金的延伸率在680℃时达最大值，680℃～700℃上的升趋势逐渐减缓。

（4）QBe2合 金 在605℃ 发 生 共 析 反 应， 在605℃～650℃退火时，影响合金性能的主要因素是回复再结晶，和共析反应过程中生成的β相，而硬质点是β相，容易产生微裂纹缺陷。

（5）结合现场生产实际，QBe2合金材料在热轧后的退火工艺确定为580℃×8h。