朱興水

摘 要：鈹銅合金材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性、耐磨性、耐腐蝕性，良好的導(dǎo)熱性、抗疲勞性及非磁性，使得其在眾多的領(lǐng)域被應(yīng)用。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高端電器，高端機(jī)械設(shè)備，高端儀器，以及航空航天、軍品的迅速發(fā)展，需要大量的應(yīng)用高等級(jí)鈹銅合金材料?，F(xiàn)就高等級(jí)鈹銅合金的應(yīng)用與發(fā)展作一些研究和探討。

關(guān)鍵詞：鈹銅合金 高強(qiáng)度 發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TG1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）02（a）-0081-02

目前在我國(guó)主要應(yīng)用的有國(guó)標(biāo)的QBe2.0，QBe1.9，QBe1.9-0.1， QBe1.7，QBe0.6-2.5，QBe0.4-1.8， QBe0.3-1.5等七種，以及美國(guó)產(chǎn)的UNS C17200，C17000，C17300，C17410，C17500，C17510，C28800，C82500，82800等牌號(hào)，和日本的一些牌號(hào)（日本主要是NGK公司的鈹銅合金牌號(hào)，其實(shí)是和美國(guó)BRUSH公司同樣的分類）。我國(guó)目前的年產(chǎn)量約為帶材2000 t左右，棒材約為750 t左右，管材20 t左右。但是能完全各項(xiàng)指標(biāo)能達(dá)到國(guó)標(biāo)YS/T323-2002（板帶材標(biāo)準(zhǔn)），YS/T334-2009（棒材標(biāo)準(zhǔn)）為數(shù)不多，能達(dá)到美國(guó)ASTM或AMS標(biāo)準(zhǔn)的只是其中的一小部份，所以大部分產(chǎn)品屬于低端產(chǎn)品。

1 國(guó)產(chǎn)鈹銅合金的生產(chǎn)狀況

我國(guó)目前鈹銅合金產(chǎn)品產(chǎn)量在2770 t左右，其中生產(chǎn)帶材的廠家有近15家，規(guī)模較大的企業(yè)有：蘇州富耐佳、鎮(zhèn)江威亞達(dá)、江西興業(yè)烏爾巴等等。棒、管材生產(chǎn)廠家有：東方鉭業(yè)、西安科耐威爾、湖州興貝克等。生產(chǎn)工藝上分為半連鑄制錠和鐵模澆鑄制錠。東方鉭業(yè)，江西興業(yè)烏爾巴，江西精工等企業(yè)實(shí)現(xiàn)了半連鑄制錠工藝，該工藝比鐵模澆鑄先進(jìn)。其它企業(yè)基本上是鐵模澆鑄工藝。當(dāng)然，鐵模澆鑄也可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的鑄錠，但在質(zhì)量穩(wěn)定性方面不如半連鑄工藝。

熱加工成型是確保鈹銅合金質(zhì)量的重要工藝，帶材的熱加工全部采用熱軋開(kāi)坯工藝，但是加工率控制不穩(wěn)定，熱軋時(shí)間控制也靠操作員憑經(jīng)驗(yàn)確定，所以會(huì)影響到冷加工的成材率。而棒管材的熱加工只有東方鉭業(yè)、湖州興貝克等少數(shù)廠家采用熱擠壓方式，其他主要是熱鍛，熱軋工藝。熱鍛加工工藝時(shí)間長(zhǎng)，溫度無(wú)法保持，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部開(kāi)裂的問(wèn)題。

冷加工工藝中，鈹銅合金帶采用冷軋機(jī)軋制，這和國(guó)外的加工方法基本相同。棒材加工采用的是冷拉拔的方法，也基本上和國(guó)外的加工方法相同。但管材采用軋機(jī)冷軋方法，要比泠拔加工致密性、成品直線度等要好。

熱處理工藝上，目前國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家存在較多的問(wèn)題。從固熔退火，到中間消除冷加工應(yīng)力退火，以及時(shí)效熱處理等環(huán)節(jié)，都有不到位的問(wèn)題。首先是爐子加熱溫度不均，爐內(nèi)溫差太大。其次是溫控調(diào)溫幅度太大。再者是溫度、時(shí)間控制上不科學(xué)等，不利于內(nèi)部組織均化。從金相結(jié)構(gòu)上直接可以看出，國(guó)產(chǎn)的鈹銅合金材料內(nèi)部組織不均，晶粒崎形嚴(yán)重、大小差異很大，晶界不明晰。這些熱加工過(guò)程中的不足，將會(huì)在成品的力學(xué)性能上反映出來(lái)。

以上這些鈹銅合金生產(chǎn)廠家的情況，說(shuō)明我國(guó)的鈹銅合金材料總體上還是低端產(chǎn)品，供一般要求不高、使用環(huán)境一般，即使在使用中材料（零件）失效，或發(fā)生故障也不會(huì)帶來(lái)較大損失的場(chǎng)合下使用。對(duì)于要求穩(wěn)定性較高的零部件，就很少用目前國(guó)產(chǎn)的。

2 高等級(jí)鈹銅合金的應(yīng)用

2.1 在航空、航天中的應(yīng)用

鈹銅合金具有良好的彈性和應(yīng)力松弛抗力，即使在較高的工作溫度下（200℃以下），仍具有較高的應(yīng)力。美國(guó)BRUSH的高等級(jí)的鈹銅合金ALLOY25牌號(hào)，能在225 ℃的工作環(huán)境里，應(yīng)力松弛抗力試驗(yàn)，長(zhǎng)達(dá)1000 h，其剩余應(yīng)力仍能到65%以上。所以其成為航天專用連接器、繼電器的最佳材料。湖州興貝克采用美國(guó)的制造方法，用過(guò)時(shí)效重整結(jié)晶的新工藝，獲得高品質(zhì)的高等級(jí)材料，為航天電器提供了十幾個(gè)批次的高等級(jí)鈹銅合金材料，制成的繼電器、電連接器，在我國(guó)自行研制的神舟十號(hào)飛船工程上獲得了較大的成功。

鈹銅合金在高溫下具有較好的屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性能以及耐磨性能，在大型飛機(jī)的起落架上用了較多的軸套和樞軸。近年來(lái)，為了提高飛機(jī)的著陸安全性能，就連美國(guó)的波音777中型機(jī)上的起落架也使用了鈹銅合金材料。美國(guó)空軍的C5-A，C5-B型飛機(jī)上的起落架，使用了上百個(gè)鈹銅合金軸套。

美國(guó)洛克希德-馬丁公司為國(guó)際空間站制造的太陽(yáng)能旋轉(zhuǎn)式連接器，和熱輻射器旋轉(zhuǎn)式連接器，使用了鈹銅合金滾環(huán)的關(guān)鍵部件。它在浩瀚的太空中能承受太陽(yáng)光的強(qiáng)烈照射，并按要求把太陽(yáng)能電池調(diào)整在相對(duì)于太陽(yáng)最佳的位置；同時(shí)要把熱輻射器保持在相對(duì)于太陽(yáng)的側(cè)面位置，以最大限度地散發(fā)熱量。

此外，高等級(jí)的鈹銅合金材料在衛(wèi)星中的應(yīng)用，衛(wèi)星的上下兩面平行于旋轉(zhuǎn)軸的兩根軸向天線，是用厚度為0.20～0.35 mm厚的鈹銅合金制成的。

2.2 在石油鉆探行業(yè)的應(yīng)用

石油鉆探行業(yè)的工作環(huán)境較為惡劣，在幾千米深的地下，各種化學(xué)成份的復(fù)雜物質(zhì)都會(huì)存在，外部巖漿夾雜著高氯、二氧化碳、氫和酸等物質(zhì)。在此，鈹銅合金的高強(qiáng)度（C17200的最高硬度達(dá)到RHC40以上）、耐腐蝕、無(wú)磁性、沖擊無(wú)火花等特性得到了充分的發(fā)揮。如1.無(wú)磁性的鉆頭卡環(huán)；2.撓性鉆探卡環(huán)；3.MWD/LWD隨鉆測(cè)斜儀的抗壓外筒；4.脈沖器；5.帶螺紋的各種接頭；6.在采礦或頁(yè)巖氣等碳?xì)浠衔锏娜庸ぞ撸?.無(wú)磁鉆鋌等。

美國(guó)BRUSH公司的ALLOY25對(duì)照美國(guó)石油學(xué)會(huì)的API 規(guī)范7做的實(shí)驗(yàn)（表1）。

從上面螺紋連接配對(duì)的破壞試驗(yàn)可以看出，鈹銅合金材料在制作螺紋接頭時(shí)，耐損傷要優(yōu)于不銹鋼，能顯著地減少螺紋接頭的磨傷，在鉆底孔的裝置中減少了螺紋磨傷而大大地延長(zhǎng)連接組件的使用壽命。

鈹銅合金不易發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，在3%氯化鈉，或10%氯化鉀溶液中，高溫達(dá)150 ℃時(shí)，經(jīng)過(guò)720 h不發(fā)生腐蝕開(kāi)裂，這是其它材料很難達(dá)到的對(duì)氯化物的抗腐蝕能力，也是鉆探工作中難得優(yōu)良用材。endprint

隨著我國(guó)石油勘探和鉆井技術(shù)的進(jìn)步，“863”計(jì)劃中的鉆探控制系統(tǒng)研究起得了成功，國(guó)際上先進(jìn)的MWD/LWD無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀關(guān)鍵技術(shù)已被突破，標(biāo)志著中國(guó)的油氣勘探技術(shù)跨入與國(guó)外石油巨頭同一行列。2012年，湖州興貝克自行研制了高強(qiáng)度等軸晶MWD/LWD鈹銅合金抗壓外筒（本項(xiàng)目由湖州市科技攻關(guān)立項(xiàng)資肋），其對(duì)外承壓可達(dá)到140 MPa，但同時(shí)能經(jīng)受巖漿、泥沙的不斷沖刷，使用效果等同于美國(guó)進(jìn)口的產(chǎn)品，在硬度上甚至超過(guò)了它。今后，中國(guó)完全有能力在6000-7000 m深的地下開(kāi)采油氣資源，這對(duì)于當(dāng)今的能源需求是一個(gè)極大突破。

世界上最深的油井在挪威和英國(guó)的北?？刂茀^(qū)，其普遍深度超過(guò)3000 m，那里碳?xì)浠衔锏膲毫芨?，鉆井條件很嚴(yán)酷，但蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源。所以，每年那里需要大量的鈹銅合金材料作為鉆井器具和設(shè)備部件。

2.3 在計(jì)算機(jī)通信領(lǐng)域的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中大量地使用接插件。鈹銅合金特有的高彈性、良好導(dǎo)電性、和導(dǎo)熱性，成為了計(jì)算機(jī)與通信領(lǐng)域接插件的首選材料。如電池接觸彈片，拉桿天線觸片，連接微處理器與母板的觸點(diǎn)等。

集成電路制造工藝中常用的探針，用的也是鈹銅合金材料。它具有很好的彈性，很高的強(qiáng)度、耐磨性。利用它可以把探針做得很細(xì)，再加上外表涂金處理，以增強(qiáng)它的導(dǎo)電性能。

此外，在長(zhǎng)距離傳輸?shù)耐ㄐ烹娎|的中繼器中，利用鈹銅合金的抗腐蝕性能，免受環(huán)境對(duì)其的侵蝕，也要使用鈹銅合金材料。使用最多的是海底通信電纜的中繼器，它的使用壽命可達(dá)40年。

3 高等級(jí)鈹銅合金的發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)鈹銅合金的制造水平隨著國(guó)內(nèi)需求的增長(zhǎng)有了很快的發(fā)展，近段時(shí)間，年產(chǎn)量保持10～15%的增長(zhǎng)。但每年還有近800 t的鈹銅合金帶、棒材料需要進(jìn)口。國(guó)外的供貨商主要是美國(guó)的BRUSH、日本的NGK，雖然歐州和俄羅斯有生產(chǎn)鈹銅合金材料，但由于技術(shù)指標(biāo)、產(chǎn)品規(guī)格等與國(guó)內(nèi)的制造標(biāo)準(zhǔn)不同，產(chǎn)品很少進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。高等級(jí)的鈹銅合金材料基本上需要從國(guó)外進(jìn)口，特別是航天、航空、軍工、石油勘探、高端的計(jì)算機(jī)與通信、集成電路及器件、高端機(jī)電設(shè)備，電器設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)，必須是ASTM、AMS、JIS、甚至是MIL（美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)材料。針對(duì)國(guó)內(nèi)鈹銅合金制造中的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，本人認(rèn)為。

3.1 加大對(duì)鈹銅合金的基礎(chǔ)理論研究力度

首先在理論上對(duì)該材料作出較為全面的研究，從而培養(yǎng)一批專業(yè)人才，這是一項(xiàng)十分重要的工作。目前中國(guó)對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的研究太少了，僅有北京有色總院，中南林學(xué)院，南昌航空大學(xué)，東方鉭業(yè)等單位的探索性研究。湖州興貝克近年來(lái)對(duì)鈹銅合金微觀金相結(jié)構(gòu)、晶體列陣機(jī)理、金屬間化合物成形機(jī)理、γ相析出硬化等方面作了一些研究性的探索，拉近了與國(guó)際先進(jìn)國(guó)家的差距。

制定行業(yè)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的體系，改變產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不全，引用標(biāo)準(zhǔn)過(guò)時(shí)等現(xiàn)象如我國(guó)YS/T334-2009（鈹青銅園形棒材標(biāo)準(zhǔn)），只規(guī)定了園棒產(chǎn)品，而沒(méi)有其它矩形、六角形、八角形的材料標(biāo)準(zhǔn)；YS/T323-2002（鈹青銅帶板標(biāo)準(zhǔn)），只適用于儀器、儀表、電器行業(yè)，對(duì)于機(jī)械、化工、通信等行業(yè)無(wú)法參照；GB3134-82（鈹青銅線標(biāo)準(zhǔn)）是原冶金工業(yè)部制定，由原上海有色合金線材廠起草的，時(shí)過(guò)境遷，太落后了。我國(guó)的機(jī)構(gòu)改革變化很大，標(biāo)準(zhǔn)的起草、制定和發(fā)布工作滯后，在很大程度上影響了鈹銅合金行業(yè)的發(fā)展。湖州興貝克在供出口產(chǎn)品及航天級(jí)鈹銅合金材料時(shí)，不得不全部采用美國(guó)的ASTM B194（帶材），ASTM B196（棒材），ASTM B197（絲線材），ASTM B643（無(wú)縫管材）等國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 提高鈹銅合金的熔煉水平和工藝

擴(kuò)大熔煉爐容量，改進(jìn)除塵裝置，采用半連鑄工藝，集中鑄制坯錠。小型中頻電爐是目前鈹銅合金行業(yè)的主要熔煉設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)是為小批量生產(chǎn)提供方便，設(shè)備投入省錢。與半連鑄工藝相比，缺點(diǎn)是環(huán)境污染嚴(yán)重，能源利用不高，產(chǎn)品合金元素不均，夾雜嚴(yán)重等。

3.3 加大檢測(cè)力度，促進(jìn)制造企業(yè)加大技術(shù)投入，節(jié)約資源，提高產(chǎn)品質(zhì)量

同時(shí)引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，加快技術(shù)改造，提升產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。湖州興貝克合金采用超聲，渦流相結(jié)合的檢測(cè)方法，使高等級(jí)鈹銅合金棒線的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)的水平。這種多手段聯(lián)合檢測(cè)可以大提高成品的出廠標(biāo)準(zhǔn)，是可以進(jìn)一步得到應(yīng)用的。

綜合上述，高等級(jí)的鈹銅合金材料具有無(wú)可替代的優(yōu)越性，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綜合國(guó)力的增強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，高端制造業(yè)快速增長(zhǎng)，必將發(fā)揮它更大作用。

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