铍在铝中的偏析及烧损

像其它金属材料一样，不同的机械性能元素的含量也不同。

预合金化粉末制取的LX-62,含62%的铍和38%的铝。

近净型生产工艺――熔模精密铸造的方法制备铍铝合金，AlBecast910,

含62%的铍和38%的铝；Beralcast族合金包括Beralcast363、Beralcast191，通常含有62%的铍和31%的铝。

以上几种铍铝合金是较为常用的。

铝和铝合金可以用各种不同的方法熔炼。常使用的是无芯感应炉和槽式感应炉、坩埚炉和反射式平炉（使用天然气或燃料油燃烧）以及电阻炉和电热辐射炉。炉料种类广泛，从高质量的预合金化铸锭一直到专门由低等级废料构成的炉料都可以使用。然而，即使在最适宜熔炼浇注的条件下，熔化的铝也易受三种类型的不良影响：

·在高温条件下，随着时间的推移，氢气的吸附导致溶解在熔液中氢气的增加。

·在高温条件下，随着时间的推移，熔液发生氧化。

·合金元素的丧失。

氢气是很容易被熔化的铝吸附的。不幸的是，在熔化的铝合金中，氢气的溶解度基本上大于其在固体铝中的溶解度。当铝合金凝固时，氢气从熔液中排出，收缩孔隙度扩大并放大，同时伴随着力学性能的丧失。氢气一般源自湿炉料和潮湿的熔化工具，但主要的氢气源是环境中的湿气。因为熔炼时几乎难以防止氢气的吸附，所以浇注前必须从熔液中除去氢气。最常使用的方法是向熔液中鼓入于燥的氮气或氩气泡。使用氯气除去氢气是格外有效的。然而，由于环境和安全原因常排除它在生产中使用。

过去已利用减压测试法测量出溶解在熔液中的氢气量，其过程是将熔化铝的试样注入钢杯中，并让它在真空腔中凝固。观察凝固过程发现，在凝固过程中气泡变化的程度指示了存在的氢气量。同时使用凝固后的试样切片可以检查形成气泡的大小。遗憾的是，这些方法并不精确，而且受到熔体中作为氢气泡晶核存在的氧化物颗粒的影响很大。测试溶解氢气的更好方法是使用专门设计的利用液体萃取技术显示氢气的仪器。

铝在熔液表面瞬时形成非常稳定的氧化物。氧化的速度随着温度的升高和某些合金元素(如镁和铍)的存在而增加。而如果铝熔液表面没有受到于扰，那么在其表面形成的氧化物膜是自我限制的，任何紊流都会将氧化物膜搅和到大部分的熔液中，并产生新鲜的表面以有利于更多的氧化物形成。生成的氧化物膜和氧化物杂质非常有害于铸铝件的性能，然而，在合金冶炼、熔化金属的转运或浇注和铸型注满的过程中都会引起紊流。

熔液中的氧化物颗粒成为形成缩孔和气孔的品核。缺少氧化物杂质时，气孔和碾微孔隙也就基本消失了。对于铸铝件的生产，减少氰化物杂质足特别重要的一个条件．因为通常它们的液相线与固相线之问有非常大的幅差，而在多孔隙的状态下冷凝，则很难给孔隙提供补给。

铸件的氧化膜则形成了极易失效的脆弱面，铸铝合金力学性能的不均匀性恰恰就是由于这些氧化膜的存在而引起的，如果没有这些氧化膜．不均匀性就会减少，铸件性能的重复性就会优于锻件，用X射线检查时，这些氧化膜通常是不可见的，但必须做到事前预防而不要等事后发现时再去修补。，

在熔融状态下，可以利用熔剂的覆盖来控制氧化物。这些熔剂一般为氯化镁盐。它们漂浮在熔液的表而上。但仍要定期从熔液表面清除氧化物，可以采用熔液通过过滤床的办法从大熔炉中清除这些悬浮的氧化物杂质。较小规模生产时，可以在浇注系统中设置过滤器来清除氧化物。

为了防止在铸件中形成氧化膜，则需要让金属以毫尤紊流的状态进入到铸型的型腔．对大多数铸件来说，利用重力浇注的方法就不可能做到这一点，因为直浇道的水头高度会加快流动速度从而发生紊流，所以一定要采用反重力法或液位模具浇注技术。这样过滤器减缓金属流动的速度，使其慢到足以防止氧化物产生。另外必须从底部注入模具的型腔，注入铸件各个液位的次序电要精心设计好，以免发生“瀑布”——模具中液态金属从较高液位掉落到较低的液位，从而在新生金属表面形成氧化物。利用从底部注入模具的方法，液态金属顶上的氧化层将升入到上砂箱层面的顶部并流入冒口的顶，这样则不会损害铸件。

很多铸铝合金都含有像镁这样的会慢慢与氧气发生反应的元素，熔化的金属保存时间过长，这些元素就会被逐渐氧化，导致铸件的化学成分不达标，而其他一些合金元素，例如具有低气化压的锌，还会从浴槽的表而蒸发。 硅对硬质合金有腐蚀作用。虽然一般将超过12%Si的铝合金称为高硅铝合金，推荐使用金刚石刀具，但这不是绝对的，硅含量逐渐增多对刀具的破坏力也逐渐加大。因此有些厂商在硅含量超过8%时就推荐使用金刚石刀具。

硅含量在8%-12%之间的铝合金是一个过渡区间，既可以使用普通硬质合金，也可以使用金刚石刀具。但使用硬质合金应使用经PVD(物理镀层)方法、不含铝元素的、膜层厚度较小的刀具。因为PVD方法和小的膜层厚度使刀具保持较锋利的切削刃成为可能(否则为避免膜层在刃口处异常长大需要对刃口进行足够的钝化，切铝合金就会不够锋利)，而膜层材料含铝可能使刀片膜层与工件材料发生亲合作用而破坏膜层与刀具基体的结合。因为超硬镀层多为铝、氮、钛三者的化合物，可能会因硬质合金基体随膜层剥落时少量剥落造成崩刃。

建议使用下列三类刀具之一：

1.不镀层的超细颗粒硬质合金刀具

2.带未含铝镀层(PVD)方法的硬质合金刀具，如镀TiN、TiC等

3.用金刚石刀具

刀具的容屑空间要大，一般建议用2齿，前角、后角要大(如12°-14°，包括端齿后角)。

如果只是一般铣面，可以用45°主偏角的可转位面铣刀，配用专门加工铝合金的刀片，应该效果更好。

铝合金常用板材厚度:高级金属屋面(和幕墙)系统的一般为0.8-1.2mm(而传统的一般要≥2.5mm).

用工业纯铍经粉末冶金和塑性加工工艺生产铍材和铍合金材。金属铍和含铍的合金的生产始于20世纪20年代。第二次世界大战期间,由于制作核反应堆的需要,铍工业得到很大的发展。从60年代中期起，铍在航天事业中得到应用。铍材的研究在40年代主要解决了铍的铸造和挤压工艺问题；1947年形成了以粉末冶金为主的流程；70年代初，掌握了微合金化的机理，并应用了冲击研磨、电解精炼、热等静压以及粉末预处理等工艺，从而使铍材的力学性能,得到明显的改善(伸长率由1%上升到3～4%)。中国的铍材研制始于1958年，70年代研制成功高通量试验反应堆用的铍组件和各种铍材。

中文名

铍材

生产时间

20世纪20年代

用途

制作核反应堆

特点

塑性加工 铍性脆

铍的中子散射截面大，吸收截面小，适于作核反应堆和核武器的反射层和慢化剂，是试验堆及航天、潜艇等动力堆反射层的主选材质。铍还可用作中子源和用于制造核物理、核医学研究中的核靶、X光管和闪烁计数器探头等。铍单晶可以作中子单色器。因金属铍的弹性模量与密度之比(即比刚度)在金属中最高（表1），而且比强度和微屈服强度也高，所以可制作各种飞行器的零件。铍的另一重要用途是制造各种高级仪表部件，最具代表性的是惯性导航系统用的铍陀螺仪。铍有剧毒,塑性低,加工制作困难，使它的应用大受限制。铍可作为合金元素,含铍0.4～2.7%的铍铜为时效硬化合金最典型的例子。铍铜的用铍量约为铍总消耗量的70%。

常规应用的纯铍材实际上是一种含有弥散氧化铍质点的合金材料。粉末冶金方法制备的铍材的氧化铍含量一般为1.2～3.0%。氧化铍的含量和晶粒度对材料的力学性能，特别是对伸长率的影响比较明显。晶粒细化可增加抗拉强度和伸长率，氧化铍含量增加可使强度提高而塑性下降。在铍基合金中，对铍铝合金的研究比较深入。铍和铝互不固溶，铍中添加适量的铝，能保持较高的弹性模量和较低的密度，并可改善塑性，便于塑性加工和切削加工。铍铝合金中的铝含量可达25～43%。著名的“洛克合金”为含铝38%的铍铝合金，可加工成挤压材和热压板材，已用于火箭的加强结构和飞机的复翼材料。

铍材制备 铍铸锭晶粒粗大，力学性能很差（抗拉强度为 2～15公斤力/毫米，伸长率近于零），除在要求高纯度的场合应用铸锭及其加工产品外，铍材多以粉末冶金工艺制备。工业用铍大部分是以镁还原生产的铍珠为原料，通过控制杂质含量、晶粒度以及热处理和成型工艺来获得不同性能的产品。不同等级铍材的性能见表2。1970年后,用电解法生产的高纯鳞片状铍，用于制作高强度、高塑性的结构材料。

粉末冶金 铍珠需经真空感应熔炼提纯，铸成制粉用的坯锭。坯锭铣削加工成铍屑，再在惰性气体保护下研磨成铍粉。1967年后采用的冷流冲击制粉法可改善铍粉质量，是制粉工艺的重要发展。这种方法制成的铍粉末氧含量较低，颗粒为等轴形。

铍粉固结成形的方法主要有：①真空热压法，是生产铍制件以及挤压坯料和交叉轧制板坯的主要方法。常用石墨模具，真空度为0.5托，温度为1000～1100℃,压力在200公斤力/厘米以内。工业生产的热压锭直径可达1800毫米，重量可达5吨左右。②热等静压法,首先应用于铍粉成形，是固结高纯铍粉使之达到接近理论密度的有效方法。这种工艺生产的铍材强度高，塑性好，具有各向同性。这种工艺可直接制成接近产品最终尺寸的坯料，从而降低成本。有些以高纯铍粉为原料，用热等静压方法制成的材料加热至1260℃，晶粒仍不明显长大。常用的热等静压工艺参数为：温度1060～1095℃，压力1000公斤力/厘米。③冷等静压－真空烧结法，冷等静压是铍粉预成形的常用手段。高于3100公斤力/厘米的压力下所成形的坯料可以承受中间切削加工。经冷等静压和切削加工后的坯料进行真空烧结。在1200～1245℃下烧结成的坯料，相对密度可达97～99%，强度接近标准级热压铍材。此法可以制取形状比较复杂、各向同性好的产品。④冷等静压－热等静压法，冷等静压坯料的脱气和包套封焊的质量对热等静压工艺的效果影响很大。目前已可压制壁厚小于2.5毫米的锥体和直径410×1020毫米的制品。⑤冷等静压－真空热压法，适用于生产长径比大、形状不复杂的产品，也适用于氧含量高的细铍粉的固结成形。

塑性加工 铍性脆，仍可用塑性加工手段将用粉末冶金法制成的坯料加工成棒材、管材、箔材、丝材、锻件和各种型材。铍在400℃和800℃左右有两个塑性峰值区，分别定为温加工区和热加工区。大变形量的操作宜在热加工区进行,以减少变形抗力。为防止铍材氧化,改善加工件的应力分布状况和保护环境，热加工时应将铍坯封焊在软钢包套中。铍板是铍材的主要形式，可以制备0.025×51×51毫米到0.5×1220×4572毫米的各种规格。交叉轧制工艺可以保证产品性能的稳定。包套坯料在 780～800℃进行热轧；厚度小于1毫米的板材，多在330～540℃进行温轧,然后再冷轧加工。厚度小于7.5微米的箔材一般用真空蒸着工艺制备。铍的热挤压温度为885～1060℃，根据对材料的性能要求,挤压比可在12:1到40:1之间选择。实际生产的铍挤压材的直径可达 127毫米。锻造加工可显著提高铍材的强度、塑性和疲劳寿命。仪表级铍材锻造后强度和伸长率分别由40公斤力/毫米和1%提高到70公斤力/毫米和15%。介于轧制和锻造之间的环轧是制取无缝薄壁圆筒或圆环的方法。铍丝的拉制工艺也已成熟,可以制备直径0.025毫米以上的各种铍丝。

切削加工 铍对缺口敏感，各种铍的结构件（包括力学性能试样）在切削加工后,均需化学铣削处理,以除掉厚约 0.1毫米的损伤层。对要求尺寸稳定的精密部件，如铍陀螺和铍境，还需进行消除应力的退火和冷热循环处理以使组织稳定。常规的金属切削方法均可用于铍，也可采用电火花切割，电化铣削和化学铣削。

连接 熔焊不适用于粉末冶金铍制件。铸锭轧制的板材可用电子束焊接。形状复杂的铍组合件，可用钎焊、粘结和机械连接等方法。铍材很少使用扩散粘结和电阻焊。

电导率%IACS 密度g/cm3 软化温度℃ 抗拉硬度Mpa 硬度HRC 热导律w(m.k）20℃

23 8.5 ≥500 ≥850 20-26 ≥115

1、抗应力松弛性能高，热稳定性好，时效范围宽，成品率高，并可在高温100 ℃-250 ℃下长期使用。

2、导电性能好，电导率 ≥23%IACS

3、良好的耐蚀性能。

4、电镀性能好。

5、无毒性，适用于食品模，卫生洁具模。

应用于：模芯、食品模、卫生洁具模、注塑

铜元素

铝铜合金富铝部分548时，铜在铝中的最大溶解度为 5.65%,温度降到302时，铜的溶解度为0.45%。铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAl2有着明显的时效强化效果。铝合金中铜含量通常在2.5% ~ 5%，铜含量在4%~6.8%时强化效果最好，所以大部分硬铝合金的含铜量处于这范围。铝铜合金中可以含有较少的硅、镁、锰、铬、锌、铁等元素。

硅元素

Al—Si合金系富铝部分在共晶温度577 时，硅在 固溶体中的最大溶解度为1.65%。尽管溶解度随温度降低而减少，介这类合金一般是不能热处理强化的。铝硅合金具有极好的铸造性能和抗蚀性。若镁和硅同时加入铝中形成铝镁硅系合金，强化相为MgSi。镁和硅的质量比为1.73:1。设计Al-Mg-Si系合金成分时，基体上按此比例配置镁和硅的含量。有的Al-Mg-Si合金，为了提高强度，加入适量的铜，同时加入适量的铬以抵消铜对抗蚀性的不利影响。

Al-Mg2Si合金系合金平衡相图富铝部分Mg2Si 在铝中的最大溶解度为1.85%，且随温度的降低而减速小。变形铝合金中，硅单独加入铝中只限于焊接材料，硅加入铝中亦有一定的强化作用。

镁元素

Al-Mg合金系平衡相图富铝部分尽管溶解度曲线表明，镁在铝中的溶解度随温度下降而大大地变小，但是在大部分工业用变形铝合金中，镁的含量均小于6%，而硅含量也低，这类合金是不能热处理强化的，但是可焊性良好，抗蚀性也好，并有中等强度。镁对铝的强化是明显的，每增加1%镁，抗拉强度大约升高瞻远34MPa。如果加入1%以下的锰，可能补充强化作用。因此加锰后可降低镁含量，同时可降低热裂倾向，另外锰还可以使Mg5Al8化合物均匀沉淀，改善抗蚀性和焊接性能。

锰元素

Al-Mn合金系平平衡相图部分在共晶温度658时，锰在 固溶体中的最大溶解度为1.82%。合金强度随溶解度增加不断增加，锰含量为0.8%时，延伸率达最大值。Al-Mn合金是非时效硬化合金，即不可热处理强化。锰能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6的另一作用是能溶解杂质铁，形成（Fe、Mn）Al6，减小铁的有害影响。锰是铝合金的重要元素，可以单独加入形成Al-Mn二元合金，更多的是和其它合金元素一同加入，因此大多铝合金中均含有锰。

锌元素

Al-Zn合金系平衡相图富铝部分275时锌在铝中的溶解度为31.6%，而在125时其溶解度则下降到5.6%。锌单独加入铝中，在变形条件下对铝合金强度的提高十分有限，同时存在应力腐蚀开裂、倾向，因而限制了它的应用。在铝中同时加入锌和镁，形成强化相Mg/Zn2，对合金产生明显的强化作用。Mg/Zn2含量从0.5%提高到12%时，可明显增加抗拉强度和屈服强度。镁的含量超过形成Mg/Zn2相所需超硬铝合金中，锌和镁的比例控制在2.7左右时，应力腐蚀开裂抗力最大。如在Al-Zn-Mg基础上加入铜元素，形成Al-Zn-Mg-Cu系合金，基强化效果在所有铝合金中最大，也是航天、航空工业、电力工业上的重要的铝合金材料。

铁和硅

铁在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系锻铝合金中，硅在Al-Mg-Si系锻铝中和在Al-Si系焊条及铝硅铸造合金中，均作为合金元素加的，在基它铝合金中，硅和铁是常见的杂质元素，对合金性能有明显的影响。它们主要以FeCl3和游离硅存在。在硅大于铁时，形成β-FeSiAl3(或 Fe2Si2Al9)相，而铁大于硅时，形成α-Fe2SiAl8(或Fe3Si2Al12)。当铁和硅比例不当时，会引起铸件产生裂纹，铸铝中铁含量过高时会使铸件产生脆性。

钛和硼

钛是铝合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中间合金形式加入。钛与铝形成 TiAl2相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用。Al-Ti系合金产生包反应时，钛的临界含量约为0.15%，如果有硼存在则减速小到0.01%。

铬

铬在Al-Mg-Si系、Al-Mg-Zn系、Al-Mg系合金中常见的添加元素。600℃时，铬在铝中溶解度为0.8%，室温时基本上不溶解。铬在铝中形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会场增加淬火敏感性，使阳极氧化膜呈黄色。铬在铝合金中的添加量一般不超过0.35%，并随合金中过渡元素的增加而降低。

锶

锶是表面活性元素，在结晶学上锶能改变金属间化合物相的行为。因此用锶元素进行变质处理能改善合金的塑性加工性和最终产品质量。由于锶的变质有效时间长、效果和再现性好等优点，近年来在Al-Si铸造合金中取代了钠的使用。对挤压用铝合金中加入0.015% 0.03%锶，使铸锭中β-AlFeSi相变成汉字形α-AlFeSi相，减少了铸锭均匀化时间60% 70%，提高材料力学性能和塑性加工性；改善制品表面粗糙度。对于高硅（10% 13%）变形铝合金中加入0.02% 0.07%锶元素，可使初晶减少至最低限度，力学性能也显著提高，抗拉强度бb 由233MPa提高到236MPa，屈服强度б0.2由204MPa提 高到210MPa，延伸率б5由9%增至12%。在过共晶Al-Si合金中加入锶，能减小初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工性能，可顺利地热轧和冷轧。

锆

锆也是铝合金的常用添加剂。一般在铝合金中加入量为0.1%~0.3%，锆和铝形成ZrAl3化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒。锆亦能细化铸造组织，但比钛的效果小。有锆存在时，会降低钛和硼细化晶粒的效果。在Al-Zn-Mg-Cu系合金中，由于锆对淬火敏感性的影响比铬和锰的小，因此宜用锆来代替铬和锰细化再结晶组织。

稀土元素

稀土元素加入铝合金中，使铝合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次晶间距，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化。还可降低熔体表面张力，增加流动性，有利于浇注成锭，对工艺性能有着明显的影响。各种稀土加入量约为0.1%at%为好。混合稀土（La-Ce-Pr-Nd等混合）的添加，使Al-0.65%Mg-0.61%Si合金时效G?P区形成的临界温度降低。含镁的铝合金，能激发稀土元素的变质作用。

杂质元素

钒 在铝合金中形成VAl11难熔化合物，在熔铸过程中起细化晶粒作用，但比钛和锆的作用小。钒也有细化再结晶组织、提高再结晶温度的作用。

钙 在铝合金中固溶度极低，与铝形成CaAl4化合物，钙又是铝合金的超塑性元素，大约5%钙和5%锰的铝合金具有超塑性。钙和硅形成CaSi，不溶于铝，由于减小了硅的固溶量，可稍微提高工业纯铝的导电性能。钙能改善铝合金切削性能。CaSi2不能使铝合金热处理强化。微量钙有利于去除铝液中的氢。

铅、锡、铋 元素是低熔点金属，它们在铝中固溶度不大，略降低合金强度，但能改善切削性能。铋在凝固过程中膨胀，对补缩有利。高镁合金中加入铋可防止钠脆。

锑 主要用作铸造铝合金中的变质剂，变形铝合金很少使用。仅在Al-Mg变形铝合金中代替铋防止钠脆。锑元素加入某些Al-Zn-Mg-Cu系合金中，改善热压与冷压工艺性能。

铍 在变形铝合金中可改善氧化膜的结构，减少熔铸时的烧损和夹杂。铍是有毒元素，能使人产生过敏性中毒。因此，接触食品和饮料的铝合金中不能含有铍。焊接材料中的铍含量通常控制在8μg/ml以下。用作焊接基体的铝合金也应控制铍的含量。

钠 在铝中几乎不溶解，最大固溶度小于0.0025%，钠的熔点低（97.8℃）,合金中存在钠时，在凝固过程中吸附在枝晶表面或晶界，热加工时，晶界上的钠形成液态吸附层，产生脆性开裂时，形成NaAlSi化合物，无游离钠存在，不产生“钠脆”。当镁含量超2%时，镁夺取硅，析出游离钠，产生“钠脆”。因此高镁铝合金不允许使用钠盐熔剂。防止“钠脆”的方法有氯化法，使钠形成NaCl排入渣中，加铋使之生成Na2Bi进入金属基体；加锑生成Na3Sb或加入稀土亦可起到相同的作用。