高等級鈹銅合金的應用與發展趨勢

朱興水

摘 要：鈹銅合金材料具有高強度、高硬度、高彈性、耐磨性、耐腐蝕性，良好的導熱性、抗疲勞性及非磁性，使得其在眾多的領域被應用。隨著我國國民經濟的發展，高端電器，高端機械設備，高端儀器，以及航空航天、軍品的迅速發展，需要大量的應用高等級鈹銅合金材料。現就高等級鈹銅合金的應用與發展作一些研究和探討。

關鍵詞：鈹銅合金 高強度 發展趨勢

中圖分類號：TG1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0081-02

目前在我國主要應用的有國標的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，以及美國產的UNS C17200，C17000，C17300，C17410，C17500，C17510，C28800，C82500，82800等牌號，和日本的一些牌號（日本主要是NGK公司的鈹銅合金牌號，其實是和美國BRUSH公司同樣的分類）。我國目前的年產量約為帶材2000 t左右，棒材約為750 t左右，管材20 t左右。但是能完全各項指標能達到國標YS/T323-2002（板帶材標準），YS/T334-2009（棒材標準）為數不多，能達到美國ASTM或AMS標準的只是其中的一小部份，所以大部分產品屬于低端產品。

1 國產鈹銅合金的生產狀況

我國目前鈹銅合金產品產量在2770 t左右，其中生產帶材的廠家有近15家，規模較大的企業有：蘇州富耐佳、鎮江威亞達、江西興業烏爾巴等等。棒、管材生產廠家有：東方鉭業、西安科耐威爾、湖州興貝克等。生產工藝上分為半連鑄制錠和鐵模澆鑄制錠。東方鉭業，江西興業烏爾巴，江西精工等企業實現了半連鑄制錠工藝，該工藝比鐵模澆鑄先進。其它企業基本上是鐵模澆鑄工藝。當然，鐵模澆鑄也可以生產出高質量的鑄錠，但在質量穩定性方面不如半連鑄工藝。

熱加工成型是確保鈹銅合金質量的重要工藝，帶材的熱加工全部采用熱軋開坯工藝，但是加工率控制不穩定，熱軋時間控制也靠操作員憑經驗確定，所以會影響到冷加工的成材率。而棒管材的熱加工只有東方鉭業、湖州興貝克等少數廠家采用熱擠壓方式，其他主要是熱鍛，熱軋工藝。熱鍛加工工藝時間長，溫度無法保持，所以經常會出現內部開裂的問題。

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

熱處理工藝上，目前國內的生產廠家存在較多的問題。從固熔退火，到中間消除冷加工應力退火，以及時效熱處理等環節，都有不到位的問題。首先是爐子加熱溫度不均，爐內溫差太大。其次是溫控調溫幅度太大。再者是溫度、時間控制上不科學等，不利于內部組織均化。從金相結構上直接可以看出，國產的鈹銅合金材料內部組織不均，晶粒崎形嚴重、大小差異很大，晶界不明晰。這些熱加工過程中的不足，將會在成品的力學性能上反映出來。

以上這些鈹銅合金生產廠家的情況，說明我國的鈹銅合金材料總體上還是低端產品，供一般要求不高、使用環境一般，即使在使用中材料（零件）失效，或發生故障也不會帶來較大損失的場合下使用。對于要求穩定性較高的零部件，就很少用目前國產的。

2 高等級鈹銅合金的應用

2.1 在航空、航天中的應用

鈹銅合金具有良好的彈性和應力松弛抗力，即使在較高的工作溫度下（200℃以下），仍具有較高的應力。美國BRUSH的高等級的鈹銅合金ALLOY25牌號，能在225 ℃的工作環境里，應力松弛抗力試驗，長達1000 h，其剩余應力仍能到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的制造方法，用過時效重整結晶的新工藝，獲得高品質的高等級材料，為航天電器提供了十幾個批次的高等級鈹銅合金材料，制成的繼電器、電連接器，在我國自行研制的神舟十號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度、疲勞強度、良好的導熱性能以及耐磨性能，在大型飛機的起落架上用了較多的軸套和樞軸。近年來，為了提高飛機的著陸安全性能，就連美國的波音777中型機上的起落架也使用了鈹銅合金材料。美國空軍的C5-A，C5-B型飛機上的起落架，使用了上百個鈹銅合金軸套。

美國洛克希德-馬丁公司為國際空間站制造的太陽能旋轉式連接器，和熱輻射器旋轉式連接器，使用了鈹銅合金滾環的關鍵部件。它在浩瀚的太空中能承受太陽光的強烈照射，并按要求把太陽能電池調整在相對于太陽最佳的位置；同時要把熱輻射器保持在相對于太陽的側面位置，以最大限度地散發熱量。

此外，高等級的鈹銅合金材料在衛星中的應用，衛星的上下兩面平行于旋轉軸的兩根軸向天線，是用厚度為0.20～0.35 mm厚的鈹銅合金制成的。

2.2 在石油鉆探行業的應用

石油鉆探行業的工作環境較為惡劣，在幾千米深的地下，各種化學成份的復雜物質都會存在，外部巖漿夾雜著高氯、二氧化碳、氫和酸等物質。在此，鈹銅合金的高強度（C17200的最高硬度達到RHC40以上）、耐腐蝕、無磁性、沖擊無火花等特性得到了充分的發揮。如1.無磁性的鉆頭卡環；2.撓性鉆探卡環；3.MWD/LWD隨鉆測斜儀的抗壓外筒；4.脈沖器；5.帶螺紋的各種接頭；6.在采礦或頁巖氣等碳氫化合物的取樣工具；7.無磁鉆鋌等。

美國BRUSH公司的ALLOY25對照美國石油學會的API 規范7做的實驗（表1）。

從上面螺紋連接配對的破壞試驗可以看出，鈹銅合金材料在制作螺紋接頭時，耐損傷要優于不銹鋼，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連接組件的使用壽命。

鈹銅合金不易發生氯化物應力腐蝕開裂，在3%氯化鈉，或10%氯化鉀溶液中，高溫達150 ℃時，經過720 h不發生腐蝕開裂，這是其它材料很難達到的對氯化物的抗腐蝕能力，也是鉆探工作中難得優良用材。endprint

隨著我國石油勘探和鉆井技術的進步，“863”計劃中的鉆探控制系統研究起得了成功，國際上先進的MWD/LWD無線隨鉆測斜儀關鍵技術已被突破，標志著中國的油氣勘探技術跨入與國外石油巨頭同一行列。2012年，湖州興貝克自行研制了高強度等軸晶MWD/LWD鈹銅合金抗壓外筒（本項目由湖州市科技攻關立項資肋），其對外承壓可達到140 MPa，但同時能經受巖漿、泥沙的不斷沖刷，使用效果等同于美國進口的產品，在硬度上甚至超過了它。今后，中國完全有能力在6000-7000 m深的地下開采油氣資源，這對于當今的能源需求是一個極大突破。

世界上最深的油井在挪威和英國的北海控制區，其普遍深度超過3000 m，那里碳氫化合物的壓力很高，鉆井條件很嚴酷，但蘊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備部件。

2.3 在計算機通信領域的應用

計算機系統中大量地使用接插件。鈹銅合金特有的高彈性、良好導電性、和導熱性，成為了計算機與通信領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，很高的強度、耐磨性。利用它可以把探針做得很細，再加上外表涂金處理，以增強它的導電性能。

此外，在長距離傳輸的通信電纜的中繼器中，利用鈹銅合金的抗腐蝕性能，免受環境對其的侵蝕，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40年。

3 高等級鈹銅合金的發展趨勢

中國鈹銅合金的制造水平隨著國內需求的增長有了很快的發展，近段時間，年產量保持10～15%的增長。但每年還有近800 t的鈹銅合金帶、棒材料需要進口。國外的供貨商主要是美國的BRUSH、日本的NGK，雖然歐州和俄羅斯有生產鈹銅合金材料，但由于技術指標、產品規格等與國內的制造標準不同，產品很少進入中國市場。高等級的鈹銅合金材料基本上需要從國外進口，特別是航天、航空、軍工、石油勘探、高端的計算機與通信、集成電路及器件、高端機電設備，電器設備、醫療設備等行業，必須是ASTM、AMS、JIS、甚至是MIL（美國軍用標準）標準的合規材料。針對國內鈹銅合金制造中的現狀及發展趨勢，本人認為。

3.1 加大對鈹銅合金的基礎理論研究力度

首先在理論上對該材料作出較為全面的研究，從而培養一批專業人才，這是一項十分重要的工作。目前中國對這個領域的研究太少了，僅有北京有色總院，中南林學院，南昌航空大學，東方鉭業等單位的探索性研究。湖州興貝克近年來對鈹銅合金微觀金相結構、晶體列陣機理、金屬間化合物成形機理、γ相析出硬化等方面作了一些研究性的探索，拉近了與國際先進國家的差距。

制定行業、國家標準的體系，改變產品標準不全，引用標準過時等現象如我國YS/T334-2009（鈹青銅園形棒材標準），只規定了園棒產品，而沒有其它矩形、六角形、八角形的材料標準；YS/T323-2002（鈹青銅帶板標準），只適用于儀器、儀表、電器行業，對于機械、化工、通信等行業無法參照；GB3134-82（鈹青銅線標準）是原冶金工業部制定，由原上海有色合金線材廠起草的，時過境遷，太落后了。我國的機構改革變化很大，標準的起草、制定和發布工作滯后，在很大程度上影響了鈹銅合金行業的發展。湖州興貝克在供出口產品及航天級鈹銅合金材料時，不得不全部采用美國的ASTM B194（帶材），ASTM B196（棒材），ASTM B197（絲線材），ASTM B643（無縫管材）等國外的標準。

3.2 提高鈹銅合金的熔煉水平和工藝

擴大熔煉爐容量，改進除塵裝置，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的主要熔煉設備，它的主要優點是為小批量生產提供方便，設備投入省錢。與半連鑄工藝相比，缺點是環境污染嚴重，能源利用不高，產品合金元素不均，夾雜嚴重等。

3.3 加大檢測力度，促進制造企業加大技術投入，節約資源，提高產品質量

同時引進國外的先進技術，加快技術改造，提升產品在國際市場的競爭力。湖州興貝克合金采用超聲，渦流相結合的檢測方法，使高等級鈹銅合金棒線的標準達到國際先進的水平。這種多手段聯合檢測可以大提高成品的出廠標準，是可以進一步得到應用的。

綜合上述，高等級的鈹銅合金材料具有無可替代的優越性，隨著我國經濟的發展，綜合國力的增強，產業的轉型升級，高端制造業快速增長，必將發揮它更大作用。

參考文獻

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