高等级铍铜合金的应用与发展趋势

朱兴水

摘 要：铍铜合金材料具有高强度、高硬度、高弹性、耐磨性、耐腐蚀性，良好的导热性、抗疲劳性及非磁性，使得其在众多的领域被应用。随着我国国民经济的发展，高端电器，高端机械设备，高端仪器，以及航空航天、军品的迅速发展，需要大量的应用高等级铍铜合金材料。现就高等级铍铜合金的应用与发展作一些研究和探讨。

关键词：铍铜合金 高强度 发展趋势

中图分类号：TG1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0081-02

目前在我国主要应用的有国标的QBe2.0，QBe1.9，QBe1.9-0.1， QBe1.7，QBe0.6-2.5，QBe0.4-1.8， QBe0.3-1.5等七种，以及美国产的UNS C17200，C17000，C17300，C17410，C17500，C17510，C28800，C82500，82800等牌号，和日本的一些牌号（日本主要是NGK公司的铍铜合金牌号，其实是和美国BRUSH公司同样的分类）。我国目前的年产量约为带材2000 t左右，棒材约为750 t左右，管材20 t左右。但是能完全各项指标能达到国标YS/T323-2002（板带材标准），YS/T334-2009（棒材标准）为数不多，能达到美国ASTM或AMS标准的只是其中的一小部份，所以大部分产品属于低端产品。

1 国产铍铜合金的生产状况

我国目前铍铜合金产品产量在2770 t左右，其中生产带材的厂家有近15家，规模较大的企业有：苏州富耐佳、镇江威亚达、江西兴业乌尔巴等等。棒、管材生产厂家有：东方钽业、西安科耐威尔、湖州兴贝克等。生产工艺上分为半连铸制锭和铁模浇铸制锭。东方钽业，江西兴业乌尔巴，江西精工等企业实现了半连铸制锭工艺，该工艺比铁模浇铸先进。其它企业基本上是铁模浇铸工艺。当然，铁模浇铸也可以生产出高质量的铸锭，但在质量稳定性方面不如半连铸工艺。

热加工成型是确保铍铜合金质量的重要工艺，带材的热加工全部采用热轧开坯工艺，但是加工率控制不稳定，热轧时间控制也靠操作员凭经验确定，所以会影响到冷加工的成材率。而棒管材的热加工只有东方钽业、湖州兴贝克等少数厂家采用热挤压方式，其他主要是热锻，热轧工艺。热锻加工工艺时间长，温度无法保持，所以经常会出现内部开裂的问题。

冷加工工艺中，铍铜合金带采用冷轧机轧制，这和国外的加工方法基本相同。棒材加工采用的是冷拉拔的方法，也基本上和国外的加工方法相同。但管材采用轧机冷轧方法，要比泠拔加工致密性、成品直线度等要好。

热处理工艺上，目前国内的生产厂家存在较多的问题。从固熔退火，到中间消除冷加工应力退火，以及时效热处理等环节，都有不到位的问题。首先是炉子加热温度不均，炉内温差太大。其次是温控调温幅度太大。再者是温度、时间控制上不科学等，不利于内部组织均化。从金相结构上直接可以看出，国产的铍铜合金材料内部组织不均，晶粒崎形严重、大小差异很大，晶界不明晰。这些热加工过程中的不足，将会在成品的力学性能上反映出来。

以上这些铍铜合金生产厂家的情况，说明我国的铍铜合金材料总体上还是低端产品，供一般要求不高、使用环境一般，即使在使用中材料（零件）失效，或发生故障也不会带来较大损失的场合下使用。对于要求稳定性较高的零部件，就很少用目前国产的。

2 高等级铍铜合金的应用

2.1 在航空、航天中的应用

铍铜合金具有良好的弹性和应力松弛抗力，即使在较高的工作温度下（200℃以下），仍具有较高的应力。美国BRUSH的高等级的铍铜合金ALLOY25牌号，能在225 ℃的工作环境里，应力松弛抗力试验，长达1000 h，其剩余应力仍能到65%以上。所以其成为航天专用连接器、继电器的最佳材料。湖州兴贝克采用美国的制造方法，用过时效重整结晶的新工艺，获得高品质的高等级材料，为航天电器提供了十几个批次的高等级铍铜合金材料，制成的继电器、电连接器，在我国自行研制的神舟十号飞船工程上获得了较大的成功。

铍铜合金在高温下具有较好的屈服强度、疲劳强度、良好的导热性能以及耐磨性能，在大型飞机的起落架上用了较多的轴套和枢轴。近年来，为了提高飞机的着陆安全性能，就连美国的波音777中型机上的起落架也使用了铍铜合金材料。美国空军的C5-A，C5-B型飞机上的起落架，使用了上百个铍铜合金轴套。

美国洛克希德-马丁公司为国际空间站制造的太阳能旋转式连接器，和热辐射器旋转式连接器，使用了铍铜合金滚环的关键部件。它在浩瀚的太空中能承受太阳光的强烈照射，并按要求把太阳能电池调整在相对于太阳最佳的位置；同时要把热辐射器保持在相对于太阳的侧面位置，以最大限度地散发热量。

此外，高等级的铍铜合金材料在卫星中的应用，卫星的上下两面平行于旋转轴的两根轴向天线，是用厚度为0.20～0.35 mm厚的铍铜合金制成的。

2.2 在石油钻探行业的应用

石油钻探行业的工作环境较为恶劣，在几千米深的地下，各种化学成份的复杂物质都会存在，外部岩浆夹杂着高氯、二氧化碳、氢和酸等物质。在此，铍铜合金的高强度（C17200的最高硬度达到RHC40以上）、耐腐蚀、无磁性、冲击无火花等特性得到了充分的发挥。如1.无磁性的钻头卡环；2.挠性钻探卡环；3.MWD/LWD随钻测斜仪的抗压外筒；4.脉冲器；5.带螺纹的各种接头；6.在采矿或页岩气等碳氢化合物的取样工具；7.无磁钻铤等。

美国BRUSH公司的ALLOY25对照美国石油学会的API 规范7做的实验（表1）。

从上面螺纹连接配对的破坏试验可以看出，铍铜合金材料在制作螺纹接头时，耐损伤要优于不锈钢，能显著地減少螺纹接头的磨伤，在钻底孔的装置中减少了螺纹磨伤而大大地延长连接组件的使用寿命。

铍铜合金不易发生氯化物应力腐蚀开裂，在3%氯化钠，或10%氯化钾溶液中，高温达150 ℃时，经过720 h不发生腐蚀开裂，这是其它材料很难达到的对氯化物的抗腐蚀能力，也是钻探工作中难得优良用材。endprint

随着我国石油勘探和钻井技术的进步，“863”计划中的钻探控制系统研究起得了成功，国际上先进的MWD/LWD无线随钻测斜仪关键技术已被突破，标志着中国的油气勘探技术跨入与国外石油巨头同一行列。2012年，湖州兴贝克自行研制了高强度等轴晶MWD/LWD铍铜合金抗压外筒（本项目由湖州市科技攻关立项资肋），其对外承压可达到140 MPa，但同时能经受岩浆、泥沙的不断冲刷，使用效果等同于美国进口的产品，在硬度上甚至超过了它。今后，中国完全有能力在6000-7000 m深的地下开采油气资源，这对于当今的能源需求是一个极大突破。

世界上最深的油井在挪威和英国的北海控制区，其普遍深度超过3000 m，那里碳氢化合物的压力很高，钻井条件很严酷，但蕴藏着丰富的油气资源。所以，每年那里需要大量的铍铜合金材料作为钻井器具和设备部件。

2.3 在计算机通信领域的应用

计算机系统中大量地使用接插件。铍铜合金特有的高弹性、良好导电性、和导热性，成为了计算机与通信领域接插件的首选材料。如电池接触弹片，拉杆天线触片，连接微处理器与母板的触点等。

集成电路制造工艺中常用的探针，用的也是铍铜合金材料。它具有很好的弹性，很高的强度、耐磨性。利用它可以把探针做得很细，再加上外表涂金处理，以增强它的导电性能。

此外，在长距离传输的通信电缆的中继器中，利用铍铜合金的抗腐蚀性能，免受环境对其的侵蚀，也要使用铍铜合金材料。使用最多的是海底通信电缆的中继器，它的使用寿命可达40年。

3 高等级铍铜合金的发展趋势

中国铍铜合金的制造水平随着国内需求的增长有了很快的发展，近段时间，年产量保持10～15%的增长。但每年还有近800 t的铍铜合金带、棒材料需要进口。国外的供货商主要是美国的BRUSH、日本的NGK，虽然欧州和俄罗斯有生产铍铜合金材料，但由于技术指标、产品规格等与国内的制造标准不同，产品很少进入中国市场。高等级的铍铜合金材料基本上需要从国外进口，特别是航天、航空、军工、石油勘探、高端的计算机与通信、集成电路及器件、高端机电设备，电器设备、医疗设备等行业，必须是ASTM、AMS、JIS、甚至是MIL（美国军用标准）标准的合规材料。针对国内铍铜合金制造中的现状及发展趋势，本人认为。

3.1 加大对铍铜合金的基础理论研究力度

首先在理论上对该材料作出较为全面的研究，从而培养一批专业人才，这是一项十分重要的工作。目前中国对这个领域的研究太少了，仅有北京有色总院，中南林学院，南昌航空大学，东方钽业等单位的探索性研究。湖州兴贝克近年来对铍铜合金微观金相结构、晶体列阵机理、金属间化合物成形机理、γ相析出硬化等方面作了一些研究性的探索，拉近了与国际先进国家的差距。

制定行业、国家标准的体系，改变产品标准不全，引用标准过时等现象如我国YS/T334-2009（铍青铜园形棒材标准），只规定了园棒产品，而没有其它矩形、六角形、八角形的材料标准；YS/T323-2002（铍青铜带板标准），只适用于仪器、仪表、电器行业，对于机械、化工、通信等行业无法参照；GB3134-82（铍青铜线标准）是原冶金工业部制定，由原上海有色合金线材厂起草的，时过境迁，太落后了。我国的机构改革变化很大，标准的起草、制定和发布工作滞后，在很大程度上影响了铍铜合金行业的发展。湖州兴贝克在供出口产品及航天级铍铜合金材料时，不得不全部采用美国的ASTM B194（带材），ASTM B196（棒材），ASTM B197（丝线材），ASTM B643（无缝管材）等国外的标准。

3.2 提高铍铜合金的熔炼水平和工艺

扩大熔炼炉容量，改进除尘装置，采用半连铸工艺，集中铸制坯锭。小型中频电炉是目前铍铜合金行业的主要熔炼设备，它的主要优点是为小批量生产提供方便，设备投入省钱。与半连铸工艺相比，缺点是环境污染严重，能源利用不高，产品合金元素不均，夹杂严重等。

3.3 加大检测力度，促进制造企业加大技术投入，节约资源，提高产品质量

同时引进国外的先进技术，加快技术改造，提升产品在国际市场的竞争力。湖州兴贝克合金采用超声，涡流相结合的检测方法，使高等级铍铜合金棒线的标准达到国际先进的水平。这种多手段联合检测可以大提高成品的出厂标准，是可以进一步得到应用的。

综合上述，高等级的铍铜合金材料具有无可替代的优越性，随着我国经济的发展，综合国力的增强，产业的转型升级，高端制造业快速增长，必将发挥它更大作用。

参考文献

[1] 陈乐平，周全.铍铜合金的研究进展及应用[J].热加工工艺，2009（22）.

[2] 刘楚明，刘娜，曾祥亮，等.形变时效工艺对低铍Cu-Ni-Be合金力学性能和电导率的影响[J].中南大学学报（自然科学版），2010（2）.

[3] 袁正江.模具用高硬度铜合金制备及组织性能研究[D].江苏科技大学，2012.endprint