挤压和锻造工艺对铍青铜棒材组织和性能的影响

铍青铜是一种典型的沉淀强化型合金，具有高弹性、高强度、高导电性、耐蚀性、耐疲劳、弹性滞后小、无磁性、冲击时不产生火花等一系列优点，被广泛应用于航天、航空、电子、通讯、机械、石油、化工、汽车及家电工业中，具有广阔的应用前景。

铍青铜棒材作为一种应用较多的常规产品，近年来应用数量逐渐增多，尤其是在石油钻井应用领域增幅明显。另外，铍青铜又作为一种特殊的材料在航空、航天等重要领域的应用数量也较多，而且对内部组织和性能要求也远远高出常规产品。为了满足不同客户的需求，进一步提高棒材的质量，文章针对当前采用挤压和锻造两种热加工方法生产Φ30～120mm棒材的生产现状，研究了挤压和锻造工艺对铍青铜热加工棒材组织和性能的影响。

一、试验部分

（一）试验材料

试验使用中频感应熔炼和半连续浇铸的铸锭为原料，经扒皮、锯切和平整，铸锭尺寸为Φ175×300mm，采用ICP全谱直读光谱仪测定其化学成分，分析结果列于表1。对铸锭横截面进行宏观组织检验，组织照片如图1所示。从图1中可以看出，铸锭横截面边部为细小的等轴晶，中部为粗大的等轴晶，两部分等轴晶之间为径向的柱状晶，而且柱状晶较为发达。铸锭的挤压和锻造加工必须使粗大的等轴晶和柱状组织得到充分细化以改善材料的内部组织和性能，因此，研究铸锭的热加工工艺对铍青铜棒材的组织影响很大。

表1  铍青铜铸锭的化学成分                          %

图１ 铍青铜铸锭横截面宏观组织

（二）试验方法

试验分别采用挤压加工、锻造加工以及锻造和挤压加工相结合的生产工艺，对热加工Φ50mm棒材的组织和性能进行了分析和研究。具体工艺流程如下：（1）铸锭→加热→挤压→固溶处理→超声波探伤→扒皮→检验；（2）铸锭→加热→锻造→固溶处理→超声波探伤→扒皮→检验；（3）铸锭→加热→锻造→修整→加热→挤压→固溶处理→超声波探伤→扒皮→检验。

试验采用1t空气锤和16.3MN卧式挤压机对铍青铜铸锭进行锻造和挤压加工，以及780±10℃×70～85min固溶处理，金相检验按照《QJ2337－92铍青铜的金相试验方法》采用MM6型金相显微镜观察其微观组织，拉伸性能按照《GB／T228－2002金属材料室温拉伸试验方法》进行测试。棒材的内部组织缺陷检验采用断口检验和超声波探伤两种方法。断口性能检测采用肉眼和体式显微镜按照《YS／T336铜、镍及其合金管材和棒材断口检验方法》进行断口观察，超声波探伤根据《GB／T3310铜合金棒材超声波探伤方法》对棒材进行无损检测。

二、结果与讨论

（一）加工方式对棒材微观组织的影响

由于铍青铜在常温下的变形抗力很高，所以通常为热挤压和热锻造加工。与其它热加工方法相比较，挤压制品组织的特点是，在其断面上与长度上分布都很不均匀。一般来说，总是沿制品长度上前端晶粒粗大后端晶粒细小，沿断面径向上中心晶粒粗大外层细小。前端部分由于变形不足，特别是在挤压比很小（R＜5）时，常保留一定程度的铸造组织。不同加工工艺的棒材微观组织如图2所示。图2（a）和（b）为Φ50mm铍青铜挤压棒材沿断面径向上边部和中心的微观组织。由图2可以看到，合金的边部晶粒细小而且均匀，中心晶粒较大而且存在有长条的大晶粒，组织极不均匀。这种组织的不均匀主要是由于外层金属与中心部分的金属变形程度不同而引起的，这种沿径向上的变形不均匀，必然导致金属的组织不均匀，即外层金属晶粒破碎程度较之中心部分的剧烈。锻造加工与普通挤压相比，在加工率相同的情况下组织在长度和断面上较为均匀，图2（c）和（d）为Φ50mm铍青铜锻造棒材沿断面径向上边部和中心的微观组织。从图中对比分析可以发现，锻造棒材沿断面径向的组织虽然中心组织比边部稍大一些，但相对挤压组织而言比较均匀，中心不存在特别粗大的长条晶粒。图2（e）和（f）为采用锻造＋挤压工艺加工Φ50mm铍青铜棒材的横断面边部和中心部位的微观组织。该工艺加工的棒材微观组织更为细小均匀，主要原因是铸锭在锻造开坯时先进行镦粗，这样加工会使纵向和近纵向的柱状晶粒得到了有效的破碎，在拔长时又使径向的柱状晶粒和中心的粗大等轴晶得到了有效的破碎和细化，锻造后的坯料内部组织比原铸锭的内部组织要均匀很多，在这种情况下再进行挤压，其挤压组织当然会比较均匀，而且比直接锻造的组织细小、均匀。

图2  不同加工工艺的棒材微观组织

（二）加工方式对棒材力学性能的影响

挤压制品的变形和组织不均匀性必然相应地引起力学性能的不均匀性。一般来说，实心制品（未经热处理）的心部和前端的强度低，伸长率高，而外层和后端的强度高，延伸率低。而且，由于三种工艺生产的棒材内部组织存在一定程度的差异，所以必须选择一个合理的拉伸试样的取样位置。试验的拉伸试样取样位置确定为棒材中部横断面半径的1／2中心处。三种试验工艺的拉伸性能检测结果列于表2。从表2中的检测数据可以看出，挤压棒材的强度比锻造的棒材要高，但延伸率稍低一些，锻造＋挤压工艺生产的棒材强度和延伸率都比前两者高，说明第三种工艺的力学综合性能最好。从力学性能的结果分析来看，这三种工艺的性能差异是和其组织的差异是一致的。挤压棒材的中心组织极不均匀，存在有一定程度的大晶粒和条状或纤维状组织，而锻造组织虽然中心组织比边部组织较大，但大多都是等轴晶粒，所以挤压棒材的抗拉强度比锻造棒材高，而延伸率则较之略低。由于锻造＋挤压工艺的棒材晶粒细小而且较为均匀，所以表现为抗拉强度和延伸率均高，即综合力学性能最好。

表2  不同加工工艺的棒材拉伸性能

（三）不同加工方式对棒材改善内部组织缺陷的影响

铸锭经过挤压、锻造等热加工手段可以有效地改善内部组织，在一定程度上可以消除和减少材料内部的缺陷。比如疏松和缩孔，可以在热和压应力的相互作用下得到焊合，夹杂物可以被破碎和细化，以减小其对材料性能的危害。但气孔由于内部存在有一定程度的气压则很难消除。铍青铜棒材的内部组织缺陷检验可以采用断口检验和超声波探伤两种方法分别或综合检验。图3～图5分别为挤压、锻造和挤压＋锻造工艺生产的棒材的宏观断口检验和超声波探伤的结果。从图中可以看出，图3和图4中的宏观断口都存在一定程度的肉眼可见的疏松和气孔等缺陷，图5中的宏观断口比较致密，基本没有肉眼可见的缩孔和气孔等缺陷，而且断口检验的结果与超声波探伤的结果基本一致，图3中的缺陷波最高且杂波最多，图4其次，图5中的缺陷波最低而且几乎没有杂波。综合比较说明，挤压棒材的内部组织缺陷较多，但大多数也可以满足标准要求，锻造棒材其次，而锻造＋挤压工艺生产的棒材内部组织最好，对内部铸锭组织缺陷的改善最为明显。

图3  挤压棒材的宏观断口形貌及超声波探伤波形图

 图4  锻造棒材的宏观断口形貌及超声波探伤波形图

图5  挤压＋锻造的宏观断口形貌及超声波探伤波形图

三、结论

采用热加工工艺可以有效地破碎铍青铜铸锭的粗大晶粒、改善材料内部组织、减少组织缺陷，在加工率相同的条件下，锻造＋挤压工艺对棒材组织改善最为明显，微观组织细小均匀，综合力学性能最好，锻造工艺其次，挤压工艺不如前两者，微观组织不均匀，但力学性能与锻造工艺相当。