一种大扩孔药型罩用铜合金材料及其制备方法与流程

本发明涉及金属材料
技术领域：
，尤其涉及一种大扩孔药型罩用铜合金材料及其制备方法。
背景技术：
：在现代战争中，地下指挥所、武器库等重要军事设施的存亡直接关系着战争的走向。为了对付这类坚固目标，从上世纪八十年代就开始研制攻击地下目标的钻地弹。钻地弹主要有动能侵彻战斗部、串联侵彻战斗部，其中串联侵彻战斗部前级开孔对于弹着角要求不高，弹道适应性较好，速度要求低，是美国、英国等军事强国重点发展方向。串联侵彻战斗部首先用前级聚能装药爆炸产生的高速射流(速度可达6000m/s)在土壤、岩石、混凝土等介质表面破坏形成一个较大直径的孔洞，然后使后续直径稍小的第二级随进战斗部顺前级开出的孔洞进入目标内部后起爆，造成毁伤效果。如BROACH-1战斗部重量450kg，装药重量约55kg，可侵彻3.4～6.1m混凝土或6.1～9.1m土层，装备暴风影导弹，已列装部队；又如NEB-83侵彻炸弹重415kg，长约1.8m，前置战斗部装填PBX-110高能炸药，可侵彻2～2.5m厚钢筋混凝土目标。在串联深侵彻战斗部技术的发展上，体现了多种设计角度和研发思路，国外研究机构在起爆方式、装药类型、药型罩材料、药型罩结构等方面进行了大量研究，目的是使前级聚能装药药型罩破孔孔径更大，为随进战斗部打开通道。如Aylslt等采用数值模拟与试验相结合的方法，研究了偏心起爆及装药长径比对偏心亚半球形Cu-Ti-Nb合金药型罩聚能装药射流偏转的影响；又如美国海军专利US6547993介绍了一种Al/PTFE活性材料配方及制造工艺，PTFE与Al粉质量比约为2.77∶1，增大扩孔效应。国内还处于跟踪模仿阶段，研究重点是在聚能射流药型罩结构模拟仿真、装药匹配性与试验考核，药型罩材料主要是纯铜，对于传统破甲射流药型罩内部组织(晶粒度、形貌、晶界等)、制造工艺和破甲性能之间的关系作了大量而深入的研究；没有针对侵彻破坏钢筋混凝土、岩土层等非均质靶标的药型罩材料，以及前级药型罩扩孔孔径与侵彻深度的匹配性、药型罩材料自身特性对扩孔的影响研究较少。串联侵彻战斗部前级药型罩材料大多应用纯铜，扩孔孔径与侵彻深度不匹配。技术实现要素：本发明解决的技术问题在于提供一种大扩孔药型罩用铜合金材料及其制备方法，使制备的铜合金材料密度在6～7g/cm3，且延伸率较高，与传统纯铜药型罩材料相比，保持高的侵彻深度，增大扩孔孔径，提高其侵彻威力。本发明的目的是这样实现的：一种大扩孔药型罩用铜合金材料及其制备方法，原料为铜粉、锌粉和铝粉，采用粉末压坯烧结熔炼，所述熔炼为真空电子束熔炼，真空度≥2×10-3Pa。所述真空电子束熔炼为二次电子束熔炼，一次熔炼速度(50～80)kg/h，锭坯旋转拉坯速度(2～4)mm/min；二次熔炼速度(80～120)kg/h，锭坯旋转拉坯速度(3～6)mm/min。上述大扩孔药型罩用铜合金材料及其制备方法，还包括熔炼后的多向锻造，所述多向锻造是将坯料加热到300～600℃，在75000kN锻锤上进行多向锻造，单次锻造比≥2.5，锻造次数3～6次。上述多向锻造中在坯料表面涂润滑剂，润滑剂可以水基纳米石墨涂料或二硫化钼硫酸钡涂料。具体地，上述大扩孔药型罩用铜合金材料及其制备方法，包括以下步骤：(1)粉末准备：采用电解铜粉(650～900目)、锌粉(325～540目)、铝粉(200～325目)；(2)混粉与压坯：将三种粉末混合均匀，进行压制坯料；(3)预烧结：采用氮气气氛保护炉，在420～600℃条件下烧结2～4h，再随炉冷却至100℃以下出炉，以获得一定强度的预制坯料；(4)真空电子束熔炼：将步骤(3)预制坯料进行真空二次电子束熔炼纯净化与均匀化处理，熔炼室真空度≥2×10-3Pa；(5)均匀化热处理：将步骤(4)所得坯料在氮气气氛保护炉中450～700℃条件下保温退火2～5h，再随炉冷却至100℃以下出炉。(6)多向锻造开坯：将步骤(5)所得坯料加热到300～600℃，在坯料表面涂一层润滑剂(将坯料温度加热到150度，进行润滑剂涂抹)，在75000kN锻锤上进行多向锻造，单次锻造比≥2.5，锻造次数3～6次，通过车坯扒皮，锯切下料，制备出铜棒坯；所述铜棒坯可以是φ(90～210)×250mm；(7)再结晶热处理：将步骤(6)所得铜棒坯进行除油与表面清理，放入氮气保护炉中进行再结晶热处理，热处理温度280～520℃，保温时间60～90min，进行水冷却处理，以获得均匀的组织。所述步骤(1)中铜粉、锌粉、铝粉，为商业用粉末材料，纯度达到99.9％。所述步骤(2)中一定成分配比，根据金属材料学、药型罩材料密度设计等确定三种成份配比，同时考虑Zn的烧损与挥发损失。铜含量65～72％，锌含量15-25％，铝含量10-15％，以质量百分比计。所述步骤(6)中单次锻造比≥2.5，指铜坯料锻造前后高度尺寸比值；锻造次数3～6次，沿3个方向(X/Y/Z)锻造完成为1次，进行下一次锻造必须重新加热处理。有益效果本发明首先采用粉末冶金方法进行坯料准备，然后采用真空电子束熔炼，通过多向锻造开坯使锭坯不同方向得到大塑性变形，再进行再结晶热处理。本发明含Cu、Zn、Al的三元铜合金成份均匀，去除坯料中的部分金属、非金属杂质元素，有效去除S、P、Pb、Bi、0、H等杂质元素，提高纯净度，并获得单项合金组织；破碎凝固条状与集束组织，提高组织的均匀性与性能一致性；获得均匀细晶组织；通过后续制备工艺获得一定形状构件，与纯铜材料构件的对比实验得出，在同样穿透深度条件下，孔径增大20％以上。本发明克服了商业用材料杂质含量高、组织不均、各向异性严重等等技术难题，同时可以根据药型罩结构设计与产品性能要求，进行材料组分设计，能够满足多样化产品和不同目标的使用要求。(1)材料纯净度高。杂质元素含量≤0.01％。(2)材料性能稳定。抗拉强度≥350MPa，伸长率≥55％。(3)材料收得率高。收得率达到88％。(4)材料晶粒组织细小。平均晶粒尺寸≤25μm。附图说明图1铜合金多向锻造之前组织结构图2铜合金多向锻造之后组织结构具体实施方式以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。实施例1(1)粉末准备：采用商业电解铜粉(650目)、锌粉(325目)、铝粉(200目)，粉末纯度达到99.9％。(2)混粉与压坯：按照一定成分配比(质量分数，如表1)，将三种粉末混合均匀，进行压制出规格为φ90×500mm坯料。表1铜合金粉末成份配比(wt.％)粉末名称铜粉锌粉铝粉备注质量分数68％20％12％(3)预烧结：采用氮气气氛保护炉，在520℃条件下烧结2h，再随炉冷却至80℃出炉，获得一定强度的预制坯料。(4)真空电子束熔炼：将步骤(3)预制坯料进行真空二次电子束熔炼纯净化与均匀化处理，熔炼室真空度1.5×10-3Pa，一次熔炼速度50kg/h，锭坯旋转拉坯速度2mm/min；二次熔炼速度90kg/h，锭坯旋转拉坯速度5mm/min。(5)均匀化热处理：将步骤(4)所得坯料在氮气气氛保护炉中600℃条件下保温退火3h，再随炉冷却至80℃出炉(金相组织如图1)。(6)多向锻造开坯：将步骤(5)所得坯料进行4次多向锻造。第1次加热温度520℃，在坯料表面涂一层水基纳米石墨润滑层，在75000kN锻锤上进行多向锻造，单次锻造比4.5；第2次加热温度470℃，在坯料表面涂一层水基纳米石墨润滑层，在75000kN锻锤上进行多向锻造，单次锻造比3.5；第3次加热温度420℃，在坯料表面涂一层水基纳米石墨润滑层，在75000kN锻锤上进行多向锻造，单次锻造比3；第4次加热温度380℃，在坯料表面涂一层水基纳米石墨润滑层，在75000kN锻锤上进行多向锻造，单次锻造比2.5。通过车坯扒皮，锯切下料，制备出φ100×300mm铜棒坯。(7)再结晶热处理：将步骤(6)所得铜棒材进行除油与表面清理，放入氮气保护炉中进行再结晶热处理，热处理温度460℃，保温时间60min，进行水冷却处理，合金成份如表2所示。表2铜合金成份(wt.％)成份铜(Cu)锌(Zn)铝(Al)S、P、Pb、Bi、0、H等杂质元素质量分数70.3％18.4％11.3％≤0.01％将上述得到的铜合金坯料进行组织、密度、力学性能分析，采用金相显微分析法，平均晶粒尺寸10～20μm(图2)；采用阿基米德排水法测试，平均密度6.69g/cm3，密度偏差≤2％；采用力学性能测试，室温抗拉强度372～388MPa，屈服强度284～300MPa，伸长率56～60％，断面收率85～88％。采用切削加工方法，将本发明制备的铜合金材料、纯铜材料加工成尺寸精度、形状结构相同的偏心亚半球药型罩；在相同的实验考核条件下，针对钢筋混凝土目标，本发明制备的铜合金材料偏心亚半球药型罩口径90nm，平均破孔孔径≥60nm，比纯铜材料扩孔孔径增大22.8％。实施例2(1)粉末准备：采用商业电解铜粉(800目)、锌粉(400目)、铝粉(270目)，粉末纯度达到99.9％。(2)混粉与压坯：按照一定成分配比(质量分数，如表3)，将三种粉末混合均匀，进行压制出规格φ100×500mm坯料。表3铜合金粉末成份配比(wt.％)粉末名称铜粉锌粉铝粉备注质量分数65％25％10％(3)预烧结：采用氮气气氛保护炉，在500℃条件下烧结2h，再随炉冷却至80℃出炉，以获得一定强度的预制坯料。(4)真空电子束熔炼：将步骤(3)预制坯料进行真空二次电子束熔炼纯净化与均匀化处理，熔炼室真空度1.5×10-3Pa，一次熔炼速度60kg/h，锭坯旋转拉坯速度2mm/min；二次熔炼速度100kg/h，锭坯旋转拉坯速度5mm/min。(5)均匀化热处理：将步骤(4)所得坯料在氮气气氛保护炉中650℃条件下保温退火4h，再随炉冷却至80℃出炉(金相组织如图1)。(6)多向锻造开坯：将步骤(5)所得坯料进行5次多向锻造。第1次加热温度580℃，在坯料表面涂一层水基纳米石墨润滑层，在75000kN锻锤上进行多向锻造，单次锻造比4；第2次加热温度550℃，在坯料表面涂一层水基纳米石墨润滑层，在75000kN锻锤上进行多向锻造，单次锻造比3.6；第3次加热温度520℃，在坯料表面涂一层水基纳米石墨润滑层，在75000kN锻锤上进行多向锻造，单次锻造比3.3；第4次加热温度490℃，在坯料表面涂一层水基纳米石墨润滑层，在75000kN锻锤上进行多向锻造，单次锻造比3；第5次加热温度450℃，在坯料表面涂一层水基纳米石墨润滑层，在75000kN锻锤上进行多向锻造，单次锻造比2.8。通过车坯扒皮，锯切下料，制备出φ100×300mm铜棒坯。(7)再结晶热处理：将步骤(6)所得铜棒材进行除油与表面清理，放入氮气保护炉中进行再结晶热处理，热处理温度500℃，保温时间60min，进行水冷却处理，合金成份如表4所示。表4铜合金成份(wt.％)成份铜(Cu)锌(Zn)铝(A1)S、P、Pb、Bi、0、H等杂质元素质量分数66.3％23.6％11.1％≤0.01％将上述得到的铜合金坯料进行组织、密度、力学性能分析，采用金相显微分析法，平均晶粒尺寸15～25μm；采用阿基米德排水法测试，平均密度6.54g/cm3，密度偏差≤2％；采用力学性能测试，室温抗拉强度386～402MPa，屈服强度290～305MPa，伸长率55～60％，断面收率86～89％。采用切削加工方法，将本发明制备的铜合金材料、纯铜材料加工成尺寸精度、形状结构相同的偏心亚半球药型罩；在相同的实验考核条件下，针对钢筋混凝土目标，本发明制备的铜合金材料偏心亚半球药型罩口径90nm，平均破孔孔径≥65nm，比纯铜材料扩孔孔径增大25％。当前第1页1 2 3