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文档简介

;综述铍青铜的热处理谢伟滨江西理工大学材料科学与工程学院,江西赣州341000摘要铍青铜具有良好的力学性能,弹性,导电、导热性能,以及无磁性,耐寒、耐磨、耐蚀等。铍青铜的性能主要取决于热处理包括固溶和时效处理。铍青铜零件固溶处理应在木炭、氨分解气或酒精裂解气等保护介质中进行。时效也是铍青铜的一道重要热处理工序,包括欠时效,正常时效,过时效及改进的分步时效、双重时效等。介绍了常用铍青铜的化学成分及其经不同工艺热处理后的组织和性能。关键词铍青铜;热处理;时效;性能中图分类号TG1662文献标识码A文章编号10081690201204000706HEATTREATMENTOFBERYLLIUMBRONZEXIEWEIBINSCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING,JIANGXIUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,GANZHOU341000,JIANGXICHINAABSTRACTTHEBERYLLIUMBRONZEPOSSESSESSATISFACTORYPROPERTIES,SUCHASHIGHMECHANICALANDELASTICPROPERTIES,GOODELECTRICANDTHERMALCONDUCTIVITIES,NONMAGNETICPROPEYANDGOODCOLD,WEARANDCORROSIONRESISTANCESTHEPROPERTIESOFBERYLLIUMBRONZEAREDEPENDENTESSENTIALLYONTHEHEATTREATMENTPROCESSCONSISTINGOFSOLUTIONTREATINGANDAGINGTHEBERYLLIUMBRONZEPARTSARETOBESOLUTIONTREATEDINSUCHPROTECTIVEMEDIAASWOODCOAL,AMMONIADECOMPOSEDORALCOHOLCRACKEDATMOSPHEREANDSOONTHEAGINGALSOISANIMPORTANTHEATTREATMENTSEQUENCE,收稿日期20111101作者简介谢伟滨1988一,男,江西赣州人,硕士研究生,研究方向为有色金属加工。联系电EMAILX881109100163COIN基金项目江西省自然基金资助项目2009GZC0048;江西省钨铜重点实验室开放基金资助项目NO2010一WTCL39ZHANGY,HEC,ZHAOX,ETA1THREMODYNAMIEANDKINETIC15ZHANGY,GEYN,HEC,ETA1HIGHTEMPERATURETEMPERINGCHARACTERISTICSOFTHEAUSTENITETOFERRITETRANSFORMATIONUNDERHIGHBEHAVIORSINASTRUCTURALSTEELUNDERHIGHMAGNETICFIELDJAETAMAGNEHCFIEHTINMEDIUMCARBONSTEELJJOURNALOFMAGNETISMMATERIALIA,2004,5234673474ANDMAGNETICMATERIALS,2005,29426727216MOLODOVDA,BOLLMANNC,GOTTSFEINGIMPACTOFAMAGNETICFIELD10CHOIJK,OHTSUKAH,XUY,ETA1EFLBCTSOFASTRONGMAGNETICOILTHEANNEALINGBEHAVIOROFCOLDROLLEDTITANIUMJMATERIALSFIEHTODLHEPHASESTABILITYOFPLAINCARBONSTEELSJSCRIPTASCIENCEANDENGINEERING,2007,4677177MSTERLIALIA,2000,43322122617张善庆软磁合金真空精密磁场热处理工艺研究上J机11SHIMOTOMAIM,MAMTAKALIGNEDTWOPHASESTRUCTURESINFEC械工人热加工,200642730ALLOYSJSCRIPTAMATERIALIA,2000,4249950318张善庆软磁合金真空精密磁场热处理工艺研究J机械工12SHIMOTOMAIM,MARUTAK,MINEK,ETA1FORMATIONOFALIGNEDTWO一人热加工,200655254PHASEMIEROSTRUCTURESBYAPPLYINGANMGNETIEFIELDDURINGTHE19热处理手册编委会热处理手册第一卷工艺基础M第2AUSTENITETOFERRITETRANSFORMATIONINSTEELSJAETAMATERIALIA,版,北京机械工业出版社,19914004012003,51292129322O孙忠继磁场热处理及其应用和发展前景J热处理,2004,13宋建字,赵骧,手守晶,等强磁场下奥氏体化温度对FEL941719012C合金中铁素体与珠光体形貌的影响J金属学报,2】包晓萍,吴良外加磁场淬火工艺的研究现状和展望J2008,441113051309热处理,2004,193232614王肩超,杨志刚,张弛强磁场下”链状铁素体”组织形成的22区定容,朱静,唐国翌,等静磁场对32C,MNNBV淬透性及一种理论解释J金属学报,2008,446708712耐蚀性能的影响J金属学报,2000,363275278热处理2012年第27卷第4期7INCLUDINGUNDERAGING,NORMALAGING,OVERAGINGANDMODIFIEDAGINGPROCESSESSUCHASSTEPPEDAGINGANDDOUBLEAGINGTHECHEMICALCOMPOSITION,MICROSTRUCTURESANDPROPEIESAFTERHEATTREATINGWITHDIFFERENTPROCESSESWEREINTRODUCEDCONCERNINGSOMECOMMONLYUSEDBERYLLIUMBRONZESKEYWORDSBERYLLIUMBRONZE;HEATTREATMENT;AGING;PROPEYU刖吾铍青铜是一种典型的时效析出硬化型合金,具有诸多优异的性能高的力学性能和弹性,优良的导电、导热性能,无磁性,耐寒、耐磨、耐蚀,冲击无火花等,因而被广泛应用于仪器仪表、航天航空工业、核工业和电子电器工业。随着科学技术的发展和进步,对铍青铜的力学性能、耐蚀性能、精度等方面的要求也在不断提高,因此需要通过改进生产工艺来进一步改善铍青铜的综合性能。影响铍青铜综合性能的因素很多,如合金成分、压力加工、热处理等。在铍青铜的生产过程中,除了铜铍二元合金外,常会在铍青铜基础上添加钴、镍、钛、镁、银等合金元素,用以改善合金的性能。但不同合金元素在铍青铜中的作用是不同的,对其性能有不同的影响。如钴加入铜铍二元合金,能防止加热时晶粒粗大,有效抑制时效时的晶界反应,避免晶界附近组织不均匀,从而改善合金的沉淀强化效果,提高合金性能;铁在铍青铜中起细化晶粒、延缓相变过程的作用,但其含量以015左右为宜,否则会降低性能。工程中常用铍青铜的化学成分见表1。铍青铜的加工性能很好,可以加工成各种形状的零件,其冷压变形程度直接影响零件的性能。一般将铍青铜的冷压变形量控制在3040,若冷压变形量小于10,则称为临界变形,会产生诸多质量问题,如晶粒长大或大小不均匀,硬度差别大,性能不稳定等,严重时还会造成废品。反之,冷压变形量太大,又会导致晶粒细化、材质变脆、晶粒不均匀等弊病,致使性能下降J。表1常用铍青铜的化学成分质量分数,TABLE1CHEMICALCOMPOSITIONOFCOMMONLYUSEDBERYLLIUMBRONZESMASSFRACTION,虽然影响铍青铜性能的因素颇多,但热处理是要的是能为后续的时效强化作准备。铍青铜的影响铍青铜性能的主要因素。因此,研究铍青铜热主要固溶处理工艺参数有固溶温度、保温时间等,加处理工艺,提高铍青铜零件性能是一个重要的研究热时的保护介质也很重要。课题。11固溶温度铍青铜的热处理工艺主要为固溶和时效。铍青固溶后的铍青铜具有良好的塑性,但抗拉强度铜是一种典型的沉淀硬化型合金,通过固溶和时效较低。随着固溶温度的提高,合金的塑性提高而强处理可提高其硬度和强度,但对其优良的电或热传度下降,且在时效后能达到较高的性能。但若固溶导性能和抗蚀性能没有影响。为使铍青铜的性能达温度过高,则晶粒长大,甚至局部过烧,致使性能变到所需的标准,应制定正确合理的固溶和时效处理脆。反之,固溶温度过低,由于铍原子不能充分固溶工艺。于基体中,存在大量过剩相,使组织、成分和晶粒固溶处理柔铍青铜的固溶处理机制是铍在铜中的溶解度随续脱溶和晶界反应,降低了铍青铜的力学性能,还会温度升高而变化,铍青铜在保护介质中加热到一定增大弹性的不稳定性。温度并保温后快冷,能使富铍相充分固溶于铜基体试验和生产实践表明,铍青铜的固溶温度以中,从而获得最大浓度的过饱和固溶体。固溶处理760800为宜,可避免温度过高和过低产生的弊后材料不仅具有良好的塑性,可进行加工成型,最重端。郁龙贵研究了固溶温度对QBE2合金力学性8热处理2012年第27卷第4期能的影响,试验结果见表2。从表2可以看出,QBE2合金的强度随着固溶温度的升高而上升,但温度超过800OC,强度则下降。表2经不同温度固溶处理并于320时效1H的QBE2合金的力学性能。TABLE2MECHANICALPROPERTIESOFQBE2ALLOYSOLUTIONTREATEDATDIFFERENTTEMPERATURESANDAGECIAT320OCFOR1H。固溶温J嚏R,MNIBMROMNITLRFLI。JMNINLNA,O12固溶处理时间控制固溶处理加热时间是在充分固溶的情况下控制品粒度的有效手段,而晶粒度又是保证固溶质量的关键因素。固溶处理温度越高,其充分固溶所需的时间就越短。如果保温时间太短,铍原子未充分固溶到仅固溶体中,将达不到固溶的目的,影响时效后的性能。反之,保温时间太长,会促使晶粒长大,并使材料氧化,导致材料力学性能降低和脆性增大。因此,一定要根据具体情况来确定恰当的固溶保温时间。13冷却速度铍青铜固溶处理的冷却速度一般越快越好,尤其在370705范围内,更要快速冷却。否则会弥散析出使材料变硬的铍化物相,还可能造成时效开裂,这种情况被称为“淬火时效”。因此,一般规定要在3S内将固溶加热的材料放入水中搅动冷却,否则达不到固溶效果,影响铍青铜的质量。铍青铜固溶冷却介质一般为1018的清洁自来水,实用、方便、价廉。14固溶加热保护介质铍青铜固溶加热常在保护介质中进行,以提高合金的表面质量。保护介质有多种,如木炭,浸油,氨分解气,酒精裂解气,真空保护等。其中,酒精裂解气及氨分解气保护处理的质量较好。韩继成_】研究认为,与氨分解气比较,酒精裂解气体具有纯度高、气氛稳定、水分少等优点,故固溶处理后的材料无红斑、软点、气泡、腐蚀及氧化等缺陷,而且不污染空气,无臭味,操作安全。韩继成。研究了固溶处理工艺对铍青铜性能的影响,结果见表3。由表可知,固溶温度、保温时问及固溶加热的保护介质对铍青铜的性能有明显的影响,选择正确的固溶工艺对合金的性能与质量起着至关重要的作用。表3固溶处理工艺和保护介质对铍青铜组织和性能的影响加TABLE3EFFECTOFSOLUTIONTREATINGPROCESSANDPROTECTIVEMEDIUMONTHEMICROSTRUCTUREANDPROPERTYOFBERYLLIUMBRONZE。2时效处理时效是将固溶处理并成形的零件加热到一定温度,保温后空冷的工艺。铍青铜零件的最终性能主要决定于时效工艺。时效强化的机制是从过饱和固溶体中析出高度弥散的Y相,从而提高铍青铜的强度、硬度和弹性等性能,其中影响性能的一个重要因素是时效温度。若温度过低,铍原子不能获得足够的能量,高度弥散的质点的析出受到阻碍,不能达到最佳性能。反之,温度过高,则会导致不连续脱物溶过剩,即在晶界上析出大量Y相,形成晶界反应,使性能降低。21时效工艺铍青铜在固溶、时效后具有优异的综合性能,如高的强度、硬度和疲劳性能等。在固溶组织一定的热处理2012年第27卷第4期9情况下,时效后的性能取决于时效温度和时效时间。根据时效程度,可将时效分为如下三种情况。1欠时效欠时效合金的强度和硬度均达不到最大值,但塑性和抗疲劳性能较高。在生产中适用于强度、弹性要求不高但疲劳强度要求很高的零件。欠时效温度一般为250280OC。组织特征是晶界粗化,晶内有轻微的析出线条。2正常时效时效后合金的强度和硬度由于强化相充分析出均能达到峰值,适用于综合性能要求高的弹性零件。固溶后又经冷轧的铍青铜,其强化的主要因素为加工硬化和时效沉淀硬化。生产中,对于强度和弹性要求较高的零件,要进行正常时效。时效温度一般为320OC左右,晶内析出明显的线条,晶界上出现局部细小的粒状析出相。3过时效随着时效温度的升高,材料的强度和硬度均下降。过时效一般适用于少数要求强度较高,工作温度较高,但弹性要求不高,并要求具有较高热稳定性的零件,时效温度一般为350400OC,晶内有很深的析出线条,晶界出现聚集的相。时效过程中,时效时问也较为重要。随着时间的延长,硬度不断升高。而时效温度越高,达到峰值硬度所需的时效时间就越短。时效温度较高时,硬度达到峰值后,随着时效时间的延长而降低,时效温度越高,硬度由蜂值下降的速度也越快。符留念研究了时效温度和时间对QBE2铍青铜性能的影响,试验结果见表4和表5。时效温度低于320OC,由于热力学和动力学原因,不能充分析出强化相。反之,时效温度过高,则会使已弥散析出的相聚集长大,在晶界附近尤为明显,此时铍青铜零件的性能将有所降低。表4时效温度对QBE2铍青铜力学性能的影响TABLE4EFFECTOFAGINGTEMPERATUREONTHEMECHANICALPROPERTIESOFQBE2BERYLLIUMBRONZE对于具有一定强度和较高弹性要求的零件是可行的。所以在选定时效温度时,必须考虑零件的具体使用条件及技术要求。由表5可知,在相同的时效温度下,抗拉强度随保温时间的延长呈先升高后降低的趋势。兰州理工大学丁雨田、施永奎等人研究发现,在欠时效温度下时效,随着保温时间的延长其沉淀相的析出量增多,抗拉强度上升;而在过时效温度下时效,因温度较高,随着保温时间的延长,晶界上Y相析出量增多,在晶界周围发生聚集,致使析出的相长大,点阵畸变程度降低,故材料性能显著下降。时效温度越高,初期抗拉强度有较快的上升,达到峰值后则逐渐趋于平缓。时效温度越高,达到峰值强度所需的时效时间就越短,与之对应的强度值也较低,在此温度范围时效,合金的强度随时效时间的延长呈下降趋势。表5时效时间对QBE2铍青铜力学性能的影响TABLE5EFFECTOFAGINGTIMEONTHEMECHANICALPROPERTIESOFQBE2BERYLLIUMBRONZE22改进的时效工艺经过多年的研究,出现了一些新的时效工艺,如分步时效和双重时效等。分步时效是将时效分二步或多步叠加进行,可确保零件的尺寸精度。其机制在于时效强化效应是可叠加的,而低温加热有利于减小应力。分步时效适用于薄材和尺寸精度要求较高的零件。双重时效即分级时效,是一种提高铍青铜力学性能的有效方法,能克服常规时效的不足,即可提高合金强化效果,又可减小畸变。因一级时效温度低,在合金基体中形成一定量的稳定晶核,能避免二级时效时脱溶物沿晶界不均匀析出,促使二级时效在稳定晶核的基础上析出强化相,并弥散均匀分布于从表4可以看出,采用比320OC的正常时效温基体。度稍高的温度320340QC进行时效处理时,不仅能李晓艳在对铍青铜时效工艺的应用研究中缩短工艺时间,还能获得符合要求的综合力学性能,发现,进行预时效、分段时效、多重时效等可减小零LO热处理2012年第27卷第4期件畸变。不同的时效工艺对合金的性能影响很大,应根据产品的设计要求确定时效温度,制定合理的时效工艺,不应一味追求硬度、强度的峰值。张新贞研究了铍青铜的半时效工艺,发现铍青铜固溶处理后,切削加工性能较差,影响了加工精度。半时效处理可有效改善铍青铜的切削性能,提高全时效后的硬度,减小零件畸变。张绍芸、耿香月研究了动态时效对铍青铜组织与性能的影响,确定了最佳的动态时效工艺参数,不仅提高了铍青铜的松弛稳定性,而且其硬度、强度、弹性极限等性能也比经一般时效的有所提高。23时效设备及保护介质铍青铜的时效处理可在箱式电炉、管式保护气氛炉、真空炉或者井式气体循环电炉内进行。时效时应采用专用夹具固定零件,以有效防止零件翘曲变形,保证零件的尺寸精度。采用控制气氛炉或真空炉,能使零件表面保持光洁。为了降低成本,也可使用井式空气循环炉或中性盐浴炉,一般多用于表面质量要求不高或在其后的加工工序中可清除表面氧化物的零件。铍青铜的时效处理一般在零件加工成型以后进行。根据黄京昶在无锡机床电器厂的实践,铍青铜若在空气、油浴或盐浴介质中进行时效处理,会造成零件表面氧化、变色,甚至影响弹性性能及疲劳强度。而且在时效过程中,挥发性的油烟、硝盐蒸气还会污染环境,易燃的油和硝盐及易爆的氢气无疑也增加了生产的不安全性。为了满足零件的表面质量要求,在时效处理后,还需要对零件进行酸洗和钝化处理,增加了生产工序和成本,重要的是处理质量并不理想。采用真空时效处理能有效克服以上不足,经真空时效的零件,其性能和外观均可达到设计要求。3结束语1化学成分、压力加工、热处理均是影响铍青铜性能的重要因素,控制好这些影响因素可以有效保障铍青铜的综合性能。2热处理工艺在很大程度上决定了铍青铜的性能,选择合适的固溶和时效工艺参数能有效控制铍青铜的性能。在760800CC固溶可以获得较好的效果。3时效处理的工艺方法主要有欠时效、正常时效峰值时效和过时效三种,在320340正常时效能获得较高的综合力学性能。为了改善铍青铜性能,又出现了分步时效、双重时效和预时效等时效处理工艺,能在一定程度上改善铍青铜的切削加工性、松弛稳定性等。4采用真空时效能使零件具有较好的弹性和疲劳强度等综合性能,而外观质量也能达到要求,对环境无污染,是一种比较理想的时效方法。参考文献1重有色

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