鈹加工(beryllium fabrication)

用工業純鈹經粉末冶金制坯和塑性加工工藝生產鈹材和鈹合金材。鈹以金屬、合金和氧化物3種主要形式廣泛應用于核能、火箭、導彈、宇航、電氣、電子、儀表以及石油化工等工業和科技領域。其中金屬鈹及鈹合金基本上是以工業鈹為原料主要通過粉末冶金或熔鑄方法形成坯料再經塑性加工制備成材的.

發展概述 金屬鈹和含鈹合金的生產始于20世紀20年代，二次世界大戰期間建設核反應堆的需求推動了鈹工業的發展。從60年代中期起鈹的應用開始擴展到航天和航空領域，成為公認的戰略金屬。鈹材加工工藝研究經歷了以下幾個階段：40年代初主要解決了鈹的鑄造和擠壓工藝問題；1947年形成了以粉末冶金為主的工藝流程；70年代初掌握了微合金化的機理，并應用了沖擊研磨、電解精煉、熱等靜壓成形以及粉末預處理等工藝，從而使鈹材的力學性能得到了明顯的改善(延伸率由1％上升到3％～4％)。中國的鈹加工工藝及鈹材研制工作起步于1958年。70年代末至80年代初期具有國際先進水準的高通量材料試驗反應堆用系列鈹組件及導航儀表和空間應用鈹材的研制成功，標志著中國鈹加工基地的建成及具備了使國防工業及高科技產業用鈹材立足國內的實力和水平.

鈹的性能和用途 鈹是輕稀有元素，具有以下一系列優異性能：(1)鈹質輕，密度為1．847g／cm³，而彈性模量高達300000MPa，故鈹的比剛度在金屬中是最高的(見表1)，而比強度和微屈服強度也高(200MPa)，因而尺寸穩定性好。鈹可以將測量和信息儀表的定位精度提高2～3倍，將在靜力加壓或拉伸負載下工作的管件桁架的剛度增加50％～100%，同時減輕其重量30％～40％。這是空間用材和精密儀器儀表用材的首選條件。

表1幾種陀螺材料室溫性能的比較

(2)鈹具有金屬中最高的比熱值、輕金屬中最高的熔點，同時導熱性能良好，而且熱膨脹系數較低，從而有利于熱傳導，使金屬因受熱應力引起的變形減到最小值。作為儀表的外殼可起到穩定溫度、提高精度和增加儀表在試驗溫度條件下工作潛力的作用.

(3)鈹對紅外線的反射率高達98．5％，對x射線的透視率為95%，比鋁大17倍。聲波在鈹內的傳播速度比在鋼等常規金屬中大1倍。德拜溫度比其他金屬高2倍，而泊松比比其他金屬低。這些都是超聲波領域用材的希望性能.

(4)鈹的熱中子吸收截面小(0．009b)，而中子散射截面大(6．1b)，加之具有n2n反應能力，故在核領域有重要的價值.

(5)鈹的結合能高，溫度升高時力學性能變化緩慢，在250℃時延性增加很快(δ由1％～3％提高到6％～15％)、而強度則降低較慢(σ_b由330～510MPa減到300～430MPa)，故250℃時的綜合力學性能優于室溫下的力學性能。

(6)鈹在空氣中表面形成一層氧化保護膜，在低于760℃的溫度下幾乎不會腐蝕或氧化，只有在含氯離子和硫酸根離子水中會產生蝕坑.

鈹的上述優異性能成為其特有應用領域的基礎。但是鈹有劇毒，吸入鈹及其化合物的粉塵、蒸氣會引發鈹中毒。另外由于鈹的獨特電子結構，單晶胞的密堆比值(c/a=1．568)是所有密排六方晶體金屬(hcp)中最小的；其滑移僅能沿基面方向進行，使延性受到限制。鈹的提取制備工藝復雜，價格昂貴，鈹的擴大應用因此受到影響。

鈹的主要應用有：

(1)在核技術領域，作為核武器和材料試驗反應堆、空間及艦艇以及中子活化分析用的小型反應堆反射層和慢化劑，作為啟動反應堆用的中子源，核物理試驗中轟擊靶材料；

(2)在航天航空領域用作衛星天線、宇宙飛船的隔熱蒙皮、導彈的頭錐、電子屏蔽殼及間隔器、飛機的增強帶、天線桿支撐基座以及制動器等；

(3)在精密儀器領域鈹被確認為精密導航儀的基本結構材料，用來制作陀螺、加速度表、常平環、陀螺平臺支座等；

(4)在光聲學技術領域，鈹箔用作X射線管的窗口材料，正比計數器和閃爍計數器的封窗材料以及X射線印刷和x射線能譜儀的護窗材料，用真空蒸鍍法獲得的5μm厚鈹箔已用作揚聲器的振動膜片，另外鈹鏡已被成功地用作資源、通訊和氣象衛星的掃描系統和高速攝像機的轉鏡，并正在推廣到飛機及坦克的紅外電子光學系統中去；

(5)在合金制備領域，作為合金化元素是鈹的主要應用形式之一，已研究過60多種元素與鈹組成大量的二元系或三元系合金，但實際獲得廣泛工業應用的是鈹銅、鈹鎳和鈹鋁合金等。鈹的加入主要起提高強度、剛度、彈性和抗氧化性的作用.

制備工藝 常規應用的純鈹材實際上是一種含有氧化鈹質點的彌散強化微合金，因鈹鑄錠晶粒粗大，力學性能很差(抗拉強度僅為20～150MPa，延伸率近于零)，除在要求高純等特定場合應用鑄錠及其加工產品外，鈹材多以粉末冶金方法制備。粉末冶金方法制備的鈹材中氧化鈹的含量為1．0％～4．25％。氧化鈹含量和晶粒度對材料的力學性能有重要的影響作用，鈹材的晶粒細化可提高抗拉強度和延伸率。常用的不同等級鈹材的性能列入表2.

粉末冶金 工業用鈹基本上是以鎂熱還原氟化鈹所得的鈹珠為原料。熔鹽電解法生產的鈹鱗適于需要高純鈹的場合。鈹珠需經真空熔煉提純再鑄成制粉用的坯錠。坯錠銑削加工成鈹屑再制備成鈹粉。制備鈹粉可采用球磨法、圓盤磨法和冷流沖擊粉碎法以及真空噴霧法。球磨法應用最早，現已主要用于廢屑的回收；而噴霧法仍在開發階段；實際采用的是圓盤磨法及冷流法。圓盤磨法是用襯鈹磨盤的圓盤磨通過氣流輸送進行研磨，在保護氣氛下制備鈹粉。1967年后開始引入的冷流沖擊制粉法是制粉工藝的重要發展，由于沖擊時壓降所形成的低溫以及顆?；ハ嗯鲎驳姆鬯闄C制，利用這種方法所得的鈹粉氧含量較低，顆粒的形態近乎等軸，適于制備高性能的鈹材。為了保證鈹粉的純度，用氣流在管道內輸送且氣流速度超過10m／s時，管道的內壁尤其是彎角部位應襯鈹。除了氧含量外，鈹粉中的鐵、硅、鋁及鎂的含量亦應認真控制。除特定級別的鈹材外，應使鐵的含量低于1000×10^-6，并控制鐵和鋁的原子比為l左右，以形成穩定的金屬間化合物，防止鋁在晶界的析出。粉末研磨后應經混合工序以獲得均勻的成分，同時在混粉過程中除去0～5／μm的高雜質含量的微粉.

表2不同等級鈹材的室溫最低力學性能

鈹粉固結成形的方法主要有：

(1)真空熱壓法。是制備鈹制品及提供塑性加工坯料的主要方法。多用石墨模具，真空度為0．05MPa，溫度為1000～1100℃、壓力在20MPa之內。工業生產的鈹熱壓錠直徑可達1800mm、重量達5t.

(2)熱等靜壓法。是首先用于鈹粉固結成形的新工藝，也是固結高純鈹粉使之達到接近理論密度的有效方法。可以將鈹粉直接充填入軟鋼包套，經抽空、脫氣處理和封焊之后進行熱等靜壓；也可以先經冷等靜壓，然后再將冷壓坯整形放入軟鋼包套中脫氣封焊，進行熱等靜壓。熱等靜壓前的冷壓坯或鈹粉的真空加熱脫氣是至關重要的環節，應在600C和900℃在真空中分兩段脫除吸附的氣體和鈹粉表面的化合物分解反應產生的氫氣，否則會引起成形材料密度和性能的降低并導致在后續加熱過程中的腫脹現象。鈹熱等靜壓工藝參數可選范圍較寬，在700～1025℃和70～110MPa、1～3h保溫條件下均可得到相對密度超過99％的材料，而常用的壓力及加熱條件為100MPa及1060～1095℃。由于熱等靜壓溫度低于熱壓溫度，故所得之鈹材具有細晶結構，性能也優于熱壓的同種材料，尤其是延伸率可由熱壓材的1．5％提高到4．9％，各向異性可降低一個數量級。另外由熱等靜壓工藝開辟的近凈形狀成形方法為節約昂貴的鈹原料創造了條件。目前利用熱等靜壓工藝已可成形直徑大于510mm、長度大于1020mm的各種異形工件.

(3)冷等靜壓一真空燒結法。冷等靜壓是鈹粉預成形的通用手段。高于310MPa壓力、成形的坯料可承受切削整形加工。在1200～1245℃下真空燒結成的坯料，相對密度可達97％～99％，強度接近標準級熱壓鈹材。此法可用于制取形狀比較復雜、各向同性好的產品.

(4)冷等靜壓一真空熱壓法，適用于長徑比大、形狀不復雜的產品，也適于氧含量高的細鈹粉的固結成形.

塑性加工 鈹粉固結成形的坯料可用常規的塑性加工手段加工成棒材、管材、箔材、絲材、鍛件和各種型材。鈹在450℃和800℃左右有兩個塑性峰值區，分別叫做溫加工區和熱加工區。大變形量的作業宜在熱加工區進行，以減少變形抗力。為防止氧化、改善加工件的應力分布狀況和有利于防護，熱加工時應將鈹坯封焊在軟鋼包套之中。鈹的擠壓溫度為850～1060℃，根據對材料性能的要求，擠壓比可在12：1～40：1的區間選擇。實際生產的鈹擠壓棒材的直徑可達127mm。鈹板是鈹材的主要應用形式，可以制備(0．025×51×51)mm到(0．5×1220×4572)mm的各種規格?？v橫交叉軋制工藝可以保證產品性能的均勻和穩定。包套坯料應在。780～800℃進行熱軋；厚度小于1mm的板材多在330～540℃進行溫軋，然后再冷軋至成品尺寸。厚度小于7．5μm的鈹箔可用真空蒸鍍工藝制備(見沉積箔材生產)。鍛造可顯著提高鈹材的強度、塑性和疲勞壽命，多在600～750℃進行，可采用浸石墨乳的石棉紙作為鍛造的潤滑劑。儀表級鈹材鍛造后強度和延伸率分別由400MPa和1％提高到700MPa和15％。旋壓是制取無縫薄壁鈹圓筒或鈹圓環的方法。鈹絲的拉制工藝亦已成熟，可以制取直徑0．025mm以上的各種鈹絲.

切削加工 鈹的切削性能與灰鑄鐵大體相當，機加工方法也基本相同。常規的金屬切削方法以及硬質合金刀具均可適用于鈹。也可采用電火花切害、電化銑削和化學銑削方法。鈹對缺口敏感，各種鈹的結構件(含力學性能試樣)在切削加工后，均應進行化學銑削處理，以去除厚約0．1mm的損傷層。要求尺寸穩定的精密部件尚需進行消除應力的退火和冷熱循環處理以確保組織的穩定.

連接粉末冶金鈹制件不能使用熔焊連接。鑄錠軋制的板材可用電子束焊。鈹板之間的接合以及鈹板與其他鈹件或異質金屬件的接合常用高強度環氧樹脂粘接，也可用真空釬焊和機械連接方法.

表面處理鈹在干燥的空氣中會形成表面保護氧化膜，但在潮濕的環境中易在碳化鈹夾雜處產生局部腐蝕，因此宜用鉻酸鹽溶液(25％KCr₂O₃+25％H₃PO₄+50％H₂O)浸漬處理。長期庫存的鈹件應涂防蝕劑(BerylCoatD)或用鋁表面處理涂料(Iniclite)涂鍍，以形成表面的鉻酸鹽轉換膜，也可用非電解鍍鎳方法保護表面.

鈹合金 總消耗量的70％以上的鈹是以合金形式應用的，其中占主導地位的是鈹銅合金，實際這是一種含鈹為0．4％～2．7％的銅基時效硬化合金。由于具有良好的導電、導熱、耐蝕、耐熱沖擊性以及高硬度、耐磨損性、無磁性、無火花等特點，鈹銅合金被廣泛用于制作電子、儀表中的開關、簧片、接插件、膜片；飛機及重型機械中的軸襯、軸承；水下電纜中繼器以及無火花安全工具和外科手術器具等。另外鈹銅在家電和日用工業的應用也在擴大。鈹鋁合金是美國于1961年開始研制的一種含鋁25％～43％的鈹基復合材料。以含38％鋁的洛克合金(Lock—all0y LX一62)應用最廣。它的比剛度僅次于鈹，而加工性能優于鈹，用于制作3馬赫VF一12型飛機的腹翼以及導彈中的儀器隔架、計算機元件等。用熔模鑄造法已成功地制成了鈹鋁合金整體陀螺平臺及結構件，這是鈹鋁合金應用的重要方向。含2％鈹的鈹鎳合金經固溶時效處理后具有高強度(σb1783．6MPa)、高硬度(HRC53)、高耐熱性，工作溫度可達455～483℃，并抗氧化，可用于使用條件比鈹銅更嚴格的環境，如航空儀表上的自動導航元件、發條、繼電器簧片、電傳打字機簧片、植入人體的輕量心臟泵等.