药型罩用高纯度细晶纯铜材料的制备方法与流程

本发明涉及金属材料
技术领域：
，尤其涉及一种药型罩用高纯度细晶纯铜材料的制备方法。
背景技术：
：国外研究机构对药型罩材料、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。结果表明，药型罩材料、晶粒尺寸、晶粒取向和其它内在性能参数对侵彻能力影响明显，其中药型罩材料杂质元素、晶粒尺寸是影响侵彻性能的内在质量的关键因子。铜作为聚能装药战斗部用药型罩已有50多年的发展历史，现有98％破甲战斗部采用铜药型罩，大量破甲试验研究表明，采用热轧、挤制的铜棒材或板材制造的药型罩，平均晶粒尺寸20～45μm，破甲侵彻威力不到9倍装药口径，已不能适应新一代反应装甲、陶瓷装甲、复合装甲的发展。为了进一步挖掘药型罩用纯铜材料的潜力，从连续射流长度与侵彻威力之间的关联性，以及金属材料的晶界理论出发，纯铜材料晶粒组织越细小均匀、纯度越高，延展性就越好，射流断裂时间能延长，进一步提升战斗部的毁伤威力。通过查阅文献资料和标准，国内针对药型罩用板材制定了gjb1139-1991(专用纯铜板规范)，规定了t2、t2a纯铜板材尺寸规格、力学性能、晶粒度等技术指标；张全孝等人采用真空熔炼-锻造-多向交叉轧制工艺，获得不同规格的铜板，抗拉强度235～240mpa，伸长率57～60％，应用旋压成型工艺，制备的药型罩平均晶粒尺寸≤10μm，在200型基准弹上φ56口径药型罩，平均破甲穿深达到250mm(参见张全孝，变形工艺对铜药型罩材料破甲性能的影响[j]，兵器材料科学与工程，1999，1，38-40)。商业用的tu1、t2、t2a等纯铜材料都不是根据药型罩特殊使用性能而开发，杂质元素多、晶粒尺寸不均匀等影响侵彻能力。技术实现要素：本发明解决的技术问题在于提供一种药型罩用高纯度细晶纯铜材料的制备方法，使制备的纯铜材料杂质含量低，晶粒细小均匀，且各向性能一致性好，能显著提升破甲战斗部药型罩的侵彻性能。本发明是通过下列技术方案实现：一种药型罩用高纯度细晶纯铜材料的制备方法，包括熔炼、再结晶热处理步骤，所述熔炼采用真空电子束熔炼，真空度≥2×10-3pa。优选的，所述电子束熔炼为两次，一次熔炼速度(80～120)kg/h，锭坯旋转拉坯速度(2～4)mm/min；二次熔炼速度(100～150)kg/h，锭坯旋转拉坯速度(3～6)mm/min。为了进一步提高产品纯度和细晶度，所述熔炼后包括再结晶热处理步骤，再结晶热处理温度135～250℃，保温时间30～75min，随炉冷却至100℃以下，真空度≥3×10-3pa。上述熔炼后再结晶热处理前还包括多向锻造开坯、反向温度场挤压；坯料加热到150～300℃，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；反向温度场挤压加热温度100～200℃，挤压速率5～15mm/s具体地，上述药型罩用高纯度细晶纯铜材料的制备方法，包括以下步骤：(1)坯料的准备：采用商业用t2、t3纯铜棒材，尺寸规格φ90～120mm，采用锯切下料为长度500～800mm，去除表面的氧化物与油污。(2)真空电子束熔炼：采用功率为900kw的电子束熔炼炉，进行二次电子束熔炼纯净化，熔炼室真空度≥2×10-3pa。(3)均匀化热处理：将步骤(2)所得坯料在真空热处理炉中450～650℃条件下保温退火2～5h，再随炉冷却至100℃以下出炉，真空度≥3×10-3pa。(4)多向锻造开坯：将步骤(3)所得坯料加热到150～300℃，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φ(135～210)×250mm铜棒坯。(5)反向温度场挤压：将步骤(4)所得坯料放入挤压模具系统中，模具加热温度100～200℃，挤压速率5～15mm/s，制备出φ50～70mm铜棒材。(6)再结晶热处理：将步骤(5)所得铜棒材进行除油与表面清理，放入真空热处理炉中进行再结晶热处理，热处理温度135～250℃，保温时间30～75min钟，随炉冷却至100℃以下出炉，真空度≥3×10-3pa，以获得均匀的组织。所述步骤(4)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，根据锭坯规格，保证坯料心部组织得到细化。所述步骤(5)中挤压模具系统，是带有加热和保温装置的金属模具，安装在3600t卧式液压挤压机上。有益效果本发明去除纯铜坯料中的金属、非金属杂质元素，提高纯净化；锭坯不同方向得到大塑性变形，破碎凝固组织；减少挤压坯料与模具件的摩擦力，改善挤压过程中边部、心部金属流动不均现象，提高棒坯直径方向组织均匀性；最后获得均匀细晶组织。本发明克服了商业用纯铜棒材杂质含量高、组织不均、各向异性严重等等技术难题，同时还具有生产效率高、工艺稳定性好、易于实现工业化生产等优点。(1)材料纯净度高。有效降低s、p、pb、bi、o、zn等杂质元素含量，提高材料的塑性，杂质元素含量降低约30倍，铜含量达到4个9。(2)材料性能稳定。采用电子束熔炼+多向锻造开坯+反向温度场挤压工艺方法，纯铜棒材室温抗拉强度262～275mpa，伸长率61～66％。(3)材料收得率高。采用电子束熔炼+多向锻造开坯+反向温度场挤压工艺方法，材料收得率达到75％。附图说明图1尺寸规格为φ120mm的t2铜棒组织(放大50倍，平均晶粒尺寸约250μm)图2尺寸规格为φ50mm的t2-1铜棒组织(放大500倍，平均晶粒尺寸约2.8-5μm)图3尺寸规格为φ90mm的t3铜棒组织(放大50倍，平均晶粒尺寸约130μm)图4尺寸规格为φ50mm的t3-1铜棒组织(放大500倍，平均晶粒尺寸约2.8-5μm)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1一种药型罩用高纯度细晶纯铜材料的制备方法，按以下步骤进行：(1)坯料的准备：采用商业用t2纯铜棒材，尺寸规格为φ120mm，平均晶粒尺寸约250μm(如图1)，杂质元素含量如表1所示。采用锯切下料为长度500mm，去除表面的氧化物与油污。表1t2铜棒材的杂质元素含量牌号pbisbasfenisns0pbzn总和t260403020502002040380120401000(2)真空电子束熔炼：采用功率为900kw的电子束熔炼炉，进行二次电子束熔炼纯净化，铜结晶器为φ250mm，熔炼室真空度≥2×10-3pa，一次熔炼速度100kg/h，锭坯旋转拉坯速度3mm/min；二次熔炼速度120kg/h，锭坯旋转拉坯速度4mm/min。采用现代材料分析方法，杂质元素含量如表2所示，杂质元素含量下降非常明显。表2锭坯的杂质元素含量牌号pbisbasfenisns0pbzn总和t2-151113131242235(3)均匀化热处理：将步骤(2)所得坯料在真空热处理炉中，保温温度560℃，保温时间3h，再随炉冷却至80℃出炉，真空度≥3×10-3pa，以获得均匀的组织。(4)多向锻造开坯：将步骤(3)所得坯料加热到250℃，在75000kn锻锤上进行多向锻造，锻造次数3次，锻造比3，通过车坯扒皮，锯切下料，制备出φ180×250mm铜棒坯。(5)反向温度场挤压：首先将挤压模具系统安装在3600t卧式液压挤压机上，对模具加热保温，工艺为135℃×2h，将步骤(4)所得坯料放入挤压模具系统中，挤压速率6mm/s，制备出φ50mm铜棒材。(6)再结晶热处理：将步骤(5)所得铜棒材进行除油与表面清理，放入真空热处理炉中进行再结晶热处理，热处理温度210℃，保温时间45min钟，随炉冷却至80℃出炉，真空度≥3×10-3pa，以获得均匀的组织。将上述得到的纯铜坯料，采用金相显微组织得出，平均晶粒尺寸2.8～5μm(图2)；采用力学性能测试，室温抗拉强度265～273mpa，屈服强度173～184mpa，伸长率63～66％，断面收率85～88％。实施例2一种药型罩用高纯度细晶纯铜材料的制备方法，按以下步骤进行：(1)坯料的准备：采用商业用t3纯铜棒材，尺寸规格为φ90mm，平均晶粒尺寸约130μm(如图3)，杂质元素含量如表3所示。采用锯切下料为长度800mm，去除表面的氧化物与油污。表3t3铜棒材的杂质元素含量(×10-6)(2)真空电子束熔炼：采用功率为900kw的电子束熔炼炉，进行二次电子束熔炼纯净化，铜结晶器为φ250mm，熔炼室真空度≥2×10-3pa，一次熔炼速度80kg/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3.5mm/min。采用现代材料分析方法，杂质元素含量如表4所示，杂质元素含量显著降低。表4锭坯的杂质元素含量(×10-6)牌号pbisbasfenisns0pbzn总和t3-111223161134119779(3)均匀化热处理：将步骤(2)所得坯料在真空热处理炉中，保温温度600℃，保温时间2h，再随炉冷却至80℃出炉，真空度≥3×10-3pa，以获得均匀的组织。(4)多向锻造开坯：将步骤(3)所得坯料加热到280℃，在75000kn锻锤上进行多向锻造，锻造次数3次，锻造比4，通过车坯扒皮，锯切下料，制备出φ210×250mm铜棒坯。(5)反向温度场挤压：首先将挤压模具系统安装在3600t卧式液压挤压机上，对模具加热保温，工艺为150℃×2h，将步骤(4)所得坯料放入挤压模具系统中，挤压速率8mm/s，制备出φ50mm铜棒材。(6)再结晶热处理：将步骤(5)所得铜棒材进行除油与表面清理，放入真空热处理炉中进行再结晶热处理，热处理温度230℃，保温时间45min钟，随炉冷却至80℃出炉，真空度≥3×10-3pa，以获得均匀的组织。将上述得到的纯铜坯料，采用金相显微组织得出，平均晶粒尺寸2.8～5μm(图4)；采用力学性能测试，室温抗拉强度263～269mpa，屈服强度168～176mpa，伸长率61～65％，断面收率83～86％。当前第1页12