QBe2合金熱處理常見問題及控制措施

楊 慶

(航空工業鄭州飛機裝備有限責任公司，河南 鄭州 450005)

QBe2是含有1.8%～2.1%鈹及0.2%～0.5%鎳構成的三元銅合金，熱處理后其強度和彈性極限都較高，并且具有良好的耐蝕性、耐疲勞性、耐磨性。QBe2合金具有良好的力學、物理、化學綜合性能，在工業中應用廣泛。本文對熱處理實際工作中QBe2合金常出現的問題進行了總結。

1 常見問題

1.1 重復固溶

QBe2合金熱處理是通過固溶、時效進行強化的，并對固溶的溫度、冷卻介質進行了規定。而實際生產中，QBe2原材料有板材、帶材和棒材三種形式，其材料標準分別為YS/T 323—2019《鈹青銅板材、帶材和箔材》和 YS/T 334—2009《鈹青銅圓形棒材》。標準中要求QBe2原材料均以固溶狀態供應，不同的是固溶處理后是否進行了冷加工成形及冷加工程度，固溶后沒有進行冷加工成形的用R表示；對于固溶后進行冷加工成形的QBe2合金，則根據冷加工程度的不同，用Y2和Y分別表示半硬態和硬態。由此可見，QBe2合金以固溶狀態供應，熱處理直接進行時效處理即可達到強化的效果。在實際生產中，由于工藝人員對技術文件理解不到位，對QBe2合金制件進行固溶和時效處理不僅浪費了人力、物力，而且會破壞原材料冷加工成形晶粒度細的效果，存在固溶時制件因防氧化不當而報廢的風險。

1.2 時效后硬度過高

QBe2合金時效處理工藝通常為310～330 ℃、保溫2～3 h。一般來說，以R狀態、Y2狀態和Y狀態供應的QBe2合金時效處理后，硬度分別為350～420、370～440和420～480 HV。這是因為在時效過程中，鈹元素以γ2相形式從α相析出，而達到沉淀強化的效果。而原材料固溶后經冷加工成形后，原固溶形成的GP區經冷變形后，晶界增加、晶粒變細，在時效過程中，強化相彌散度增加，并且γ2相析出的阻力增大，對晶格的作用力增大，使強化效果增加。

但實際生產中，不能一味的追求高硬度，尤其對于彈性制件，高硬度則會導致QBe2合金脆性增加，使用中易發生斷裂現象。有的設計圖紙要求QBe2合金熱處理后硬度為320～380 HV，在310～330 ℃保溫2～3 h后，對于R狀態供應的QBe2合金有時會出現硬度過高的現象，對于Y2和Y狀態供應的QBe2則硬度高于技術要求。對于硬度高的制件，往往采用360～380 ℃保溫2～3 h的過時效工藝，使γ2相在晶界的析出量增加且長大，破壞γ2相與基體共格關系，使點陣畸變程度降低[1]，達到降低硬度的目的。

1.3 時效后硬度過低

在實際工作中，出現過一批以固溶態供應的QBe2板材采用硝鹽槽320 ℃保溫2 h后，制件硬度只有290 HV，低于320～380 HV的技術要求。對操作過程檢查發現，在本批零件時效處理時，硝鹽槽的攪拌裝置出現故障。在攪拌設備不工作的情況下，儀表顯示320 ℃，而硝鹽槽中上部溫度只有290 ℃。這是因為硝鹽通過電加熱融化過程中，槽內底部溫度高，硝鹽槽熱電偶在槽內中底部，而因制件小，在時效處理時放置在硝鹽槽的上部，因沒有進行攪拌，造成零件實際的時效溫度低于工藝規定的溫度。對硝鹽槽攪拌設備修復后，重新進行了返工，制件硬度值達到了350 HV。

1.4 表面質量差

QBe2合金常采用銅鈍化的表面處理方式，對于棒材，時效后還進行機械加工，對后續表面處理無影響。而對于板材和帶材類制件，若熱處理時效后制件表面狀態差，則影響銅鈍化的質量。造成表面質量差主要有以下兩種原因：

1)制件存在油污。制件表面有油污，不清洗直接進行時效處理，油污在時效溫度下分解，產生碳黑附著在制件表面，后期清理困難。

2)硝鹽老化。對QBe2合金用硝鹽槽進行時效處理，硝鹽的配比為45%NaNO2+55%KNO3。在熱處理生產中，硝鹽槽還常被用于鋼件熱處理的淬火冷卻，淬火時零件的高溫會造成與工件接觸的部分硝鹽因溫度過高而發生分解、老化。具體反應如下式：

5NaNO2=3NaNO3+Na2O+N2↑

(1)

2KNO3=K2O+N2↑ +5O2↑

(2)

在這種情況下，QBe2合金在硝鹽槽內時效會造成局部氧化的現象，導致表面質量差。

1.5 變形大

某批0.5 mm厚的QBe2板材，在時效處理后出現嚴重變形。經調查發現，時效處理時沒有對該批制件進行綁扎，而是直接堆放在工裝盒內，在時效過程中，隨著過飽和固溶體的分解發生長度和體積的收縮。應力或溫度不均勻時，使固溶體分解速度不均勻，因而零件各部位收縮不均勻，引起一定變形。而零件之間相互堆積，加劇了零件各部位受力不均勻性，使變形加大。

1.6 硬度測量偏差大

對于QBe2板材和棒材，時效處理后分別采用維氏硬度HV和洛氏硬度HRC進行硬度測量。維氏硬度是采用兩相對面夾角為136°的金剛石正四棱錐的壓頭，通過測量壓痕對角線長度換算為HV硬度。理論上，壓痕形狀為正四邊形，兩對角線長度一樣，但實際操作中，試樣不平整存在翹曲現象，會使壓痕兩對角線長度偏差較大。

洛氏硬度是以120°金剛石圓錐為壓頭，通過壓痕塑性變形深度來確定硬度值指標。在洛氏硬度測量時，理論上被測制件無切向應力，僅有垂直方向受力，其應力和彈性應變完全符合胡克定律而呈線性關系，同相位且與時間無關。但實際生產中，因被測制件放置不平、存在油污、表面粗糙等問題，使洛氏硬度測量中產生切向應力，使制件產生明顯的彈性后效現象。載荷卸載后，應力與彈性應變二者之間不同相位的現象，即二者不呈線性關系，與時間有關。這種彈性后效使洛氏硬度測量卸除主載荷后，彈性變形沒有完全恢復，導致殘余壓入深度比正常深，得出的硬度結果比真實值偏低。對于QBe2合金而言，其材料的彈性模量為 128 GPa ，比一般鋼材的彈性模量(200～230 GPa)小很多，故 QBe2合金對彈性后效的敏感性比鋼件大很多，有時會導致偏差達8～10 HRC[2]。

2 控制措施

針對QBe2合金在熱處理過程中常出現的問題，應采用相應措施進行控制，確保QBe2合金的熱處理質量穩定可靠。

2.1 編制QBe2熱處理規范

根據標準GB/T 19001—2016《質量管理體系要求》中新增“7.1.6知識管理”這一條款的要求[3]，梳理QBe2相關技術文件，包括原材料標準、熱處理標準等，編制自身的QBe2熱處理規范，作為工藝人員學習的資料和工藝規程編制的依據。規范應明確以下幾點。

2.1.1時效參數的確定

不同供應狀態的QBe2合金，采用不同溫度、不同時間所達到的時效強化效果均不同。根據QBe2合金熱處理后的硬度要求，通過正交試驗方法設計工藝試驗，檢測不同溫度、不同時間下的硬度數據，規范時效處理參數。一般QBe2合金的硬度要求為320～380 HV，換算為洛氏硬度為34～41 HRC，達到此硬度范圍的熱處理參數為：1)以固溶狀態供應，在320 ℃下保溫60～90min；2)以Y2(半硬)狀態供應，在300 ℃下保溫60～90min；3)以Y(硬)狀態供應，在280 ℃下保溫60～90min。

在實際生產過程中，也會因合金元素含量的波動、冷加工變形程度的不同，造成按上述規范時效處理后，硬度偏高的現象。對此，可采取360～380 ℃保溫2～3 h的過時效來降低硬度。

2.1.2時效設備的明確

QBe2棒材采用井式電阻爐進行時效處理。而QBe2板材常在硝鹽槽內進行，在時效前應對硝鹽槽進行脫氧、撈渣，對制件的表面油污進行清洗。在硝鹽槽升溫和使用過程中，都應開啟攪拌裝置，使硝鹽槽內溫度均勻。也可以采用真空爐對QBe2板材進行時效處理，提升制件的表面質量。

2.2 控制制件變形

對易變形的QBe2板材制件，時效時各制件應均勻擺放并保持一定間距。對于復雜的、薄的板材，可采用低溫預處理+時效的方法，使其達到峰值時效產生很小的變形量，明顯減少變形和扭曲[4]。同時，可結合使用專用的工裝，減少時效過程的變形。對于變形大的QBe2制件可進行校正，并在校正后采用120 ℃保溫4 h的熱處理方式消除制件應力。

2.3 規范硬度測量

針對QBe2合金制件硬度檢測易出現誤差大的問題，應加強控制待測制件的質量，確保待測制件的表面平整光滑，進行維氏硬度測量的制件表面應拋光為鏡面，進行洛氏硬度測量的制件其粗糙度Ra應控制在0.8 μm以下。在每次測量前，擦拭制件待測面和其與支撐臺的接觸面，防止油污、顆粒的存在影響測量結果。在測量過程中，要保證所測制件放置平穩且測量過程中不發生位移。

若采用維氏硬度測量時，壓痕兩個方向對角線長度若出現偏差大的情況，則需對試樣檢查變形程度，保證平整無翹曲后，重新進行測量。采用洛氏硬度測量時，若出現各點硬度值偏差大，則可對制件表面磨平，清理干凈確保無油污、顆粒等雜質后，再重新進行測量。對有異議的HRC測量結果，可采用HV進行驗算。

2.4 加強日常監督

對操作人員加強質量意識教育，讓其明白按工藝操作的重要性，并由熱處理車間管理者帶領工藝人員定期對生產現場進行工藝紀律檢查，對QBe2合金制件時效前的清洗、制件的擺放、設備的完好性等進行檢查，養成規范操作的良好習慣[5]。

3 結語

QBe2合金熱處理過程并不復雜，只要工藝人員細化工藝流程，操作人員進行規范操作，做好每個環節，便可有效保證其熱處理質量的穩定性、可靠性。