銅合金中的「彈性之王」——鈹銅合金

2021-02-15 中科紅塔

鈹是世界各主要軍事大國十分關注的敏感金屬。我國鈹產業經過50多年的自主發展,已經基本形成完整的工業體系。鈹工業中,用量最少但是最重要的是金屬鈹,它在國防軍工、航空航天和戰略核能等領域有著關鍵的應用,是一種關係著國家安全的戰略性、關鍵性資源;用量最大、市場總量最大的是鈹銅合金,廣泛應用於工業領域。美國對中國禁運純鈹及鈹銅母合金。鈹銅合金是一種綜合性能優良的有色合金彈性材料,被稱之為「彈性之王」,具有高強度、高硬度、耐腐蝕、高導電性、高導熱性、耐疲勞、耐腐蝕、彈性滯後小、無磁性、衝擊時不產生火花等優良性能,在目前人類開發的所有銅合金中性能最好。因此,鈹的主體應用就是鈹銅合金,估計市場中 65%的鈹是以鈹銅合金的形式存在。目前世界上只有美國、哈薩克斯坦和中國具有工業規模的從鈹礦石開採、提取冶金到鈹金屬及合金加工的完整鈹工業體系。美國的鈹工業規模是世界上最大的,代表了世界鈹的生產技術水平,在世界鈹工業中佔絕對優勢,處於領先和主導地位。通過為世界上包括美國國內和國外的很多鈹產品製造商供應鈹原料、半加工材到最終製品,美國控制著全球鈹業貿易。日本受限於缺乏鈹礦資源,不具備全產業鏈能力,但在二次加工方面技術先進,在全球鈹工業中扮演重要角色。
美國 Materion 公司(原布拉什威爾曼),是世界上唯一能生產所有鈹產品的綜合一體化製造商。主要有兩個子公司,一個子公司生產工業領域鈹合金,鈹銅合金板、帶、絲、管、棒等;另一個聚焦國防等高精尖應用,生產包括核純級、結構級、 儀表級和光學級鈹材,以及應用於航空航天領域的高價值鈹鋁合金。日本礙子(NGK)公司是世界上第二大鈹銅生產廠家,前身是日本礙子金屬公司。1958年開始生產鈹銅合金,是日本絕緣體有限公司(Nippon Gaishi)的 全資子公司。日本絕緣體有限公司1986 年購買了美國卡博特公司的鈹銅分部後更名為礙子公司(NGK),從而在鈹銅領域形成與美國Materion 公司抗衡的局面。礙子金屬公司是世界上最大的氧化鈹進口商(主要進口源是美國Materion 公司和哈薩克斯坦的烏爾巴冶金廠)。現NGK年產鈹銅的能力估計在6000噸以上。烏爾巴冶金廠是前蘇聯僅有的一家鈹冶煉加工廠,現屬於哈薩克斯坦。蘇聯解體前,烏爾巴冶金廠有關鈹的生產情況高度保密,很少為人所知。2000 年,烏爾巴冶金廠獲得美國 Materion 公 司2500 萬美元投資,由Materion公司提供烏爾巴冶金廠頭兩年的鈹生產資金,並為其設備進行更新,同時提供一些新技術,作為回報,烏爾巴冶金廠給 Materion 公司獨家提供鈹產品,主要包括金屬鈹錠和鈹銅母合金(供貨期到2012年)。2005年,烏爾巴冶金廠完成了這項為期5年的投資計劃,烏爾巴冶金廠每年的鈹產品產量為 170-190噸,鈹銅母合金的年生產能力為 3000噸,鈹銅合金製品的年生產能力達1000噸。烏爾巴冶金廠在中國上海投資設立了全資子公司:烏中冶金制 品(上海)有限公司,負責公司鈹產品在中國、東亞、東南亞等地區的進出口、 轉口、銷售。烏中冶金製品(上海)有限公司經過多年的發展,已經成為中國、東亞、東南亞地區非常重要的鈹銅母合金供應商之一。在 中國大陸地區,最高的時候佔據了70%以上的市場份額。中國的鈹工業經過幾十年的發展,已經形成了從礦石開採、提取冶金到鈹金屬及合金加工的完整工業體系。鈹產業鏈上目前分布 的主要市場產品包括:鈹化合物、金屬鈹、鈹合金、氧化鈹陶瓷和金屬鈹基複合材料。主要企業包括東方鉭業、五礦鈹業等國企,以及規模較小的民營企業。2018年,中國純鈹產量50噸。美國對中國禁運金屬鈹及鈹銅母合金。產業鏈上用量最少但最重要的是金屬鈹。金屬鈹主要用於國防、航空 航天、戰略資源領域,最關鍵的國防應用是在戰略核飛彈上。另外,還包括衛星框架部分和結構件、衛星鏡體、火箭噴嘴、陀螺儀和導航及武器控制組件、電子封裝、數據通信系統和高功率雷射器的鏡體;核純級金屬鈹也被用於研究/實驗核裂變和聚變反應堆。產業鏈上用量最大的是鈹銅合金。據統計,80%以上的氫氧化鈹用於生產鈹銅母合金(鈹含量4%)。母合金添加純銅稀釋,生產鈹含量 0.1~2%各種組分的鈹銅合金,包括各種型號的鈹銅合金型材(棒材、帶材、板材、絲材、管材),精加工企業利用這些型材加工應用於消費電子等工業領域的元器件。鈹銅合金的生產一般分為上下遊兩部分,上遊是礦石開採、 提取冶煉為含鈹的鈹銅母合金、(鈹含量一般為4%);下遊是將鈹銅母合金作為添加劑,加入銅進一步冶煉加工成鈹銅合金型材(管、帶、棒、線、板等),每一個合金產品中,由於性能不能,又會細分為不同的牌號。鈹銅母合金市場,產能集中在少數企業,美國佔據主導地位。鈹銅合金的生產技術門檻較高,整個產業相對集中,每個細分的牌號或者品類只有幾家供應商,或者一個超級生產商。由於資源的稀缺性和技術的領先,導致美國 Materion 佔據領導地位,日本的NGK和哈薩克斯坦的烏爾巴金冶金廠也具有較強實力,國內企業全面落後。鈹銅合金型材市場,國內產品集中在中低端領域,在中高端市場具有較大的替代需求和價格空間。無論是鈹銅母合金、還是鈹銅合金型材,國內企業還處於追趕階段,產品主要在中低端市場,價格往往是美國、日本產品的一半,甚至更低。其原因還是受限於冶煉技術、工藝的穩定性。這一方面意味著,在國內生產製造成本低的情況下,如掌握或整合了一定的鈹銅冶煉技術,產品有望以價格優勢切入中端市場。高純度鈹(99.99%)及鈹銅母合金是美國禁止向中國出口的關鍵原材料。南京中科紅塔先進雷射基金投資的「太洋科技」目前突破了高純度鈹的提取技術,其不同純度的金屬鈹產品已經開始銷售。

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    因合金成分不同、熱處理狀態不同、冷塑性變形不同等,金屬材料的楊氏模量值會有5%或者更大的波動。但是總體來說,金屬材料的彈性模量是一個對組織不敏感的力學性能指標,合金化、熱處理(纖維組織)、冷塑性變形等對彈性模量的影響較小,溫度、加載速率等外在因素對其影響也不大,所以一般工程應用中都把彈性模量作為常數。
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