CN103273270B - 一种药型罩用铜基复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种药型罩用难熔铜合金材料，指采用固相焊接法复合铜与钨、钼、坦，形成多叠层材料后施加大塑性变形，而将铜与难熔金属揉合形成假合金相，此假合金材料具有高密度、高声速、良好的导热性、高动态断裂延伸率等性能。本发明与现有材料及制备技术相比，具有非粉末冶金制备、流程短、药型罩易加工成型等特点，其非常适合应用于药型罩的生产制造。

Description

一种药型罩用铜基复合材料及制备方法

技术领域

本发明公开了一种药型罩用铜基复合材料及制备方法，属于复合金属材料技术领域。

背景技术

随着破甲弹、侵彻弹等武器和石油射孔弹等民品研究的深入，药型罩的爆炸聚能作用越来越受到各国研究者的重视。药型罩的聚能效应是由于爆炸产生的冲击波到达药型罩面后强烈压缩金属，使罩面微元迅速的向轴线方向运动而形成的一股强大金属射流。药型罩用材料作为聚能效应能量的载体，其性能直接影响着射流质量的优劣，如射流密度、射流速度和连续射流长度等。因此希望药型罩具有破碎性好、侵彻力强、渗透率高等特点，就要求其材料密度高、延展性好，以便使射流在侵彻之前能充分拉长而不断裂。

钨、钼、坦等难熔金属由于具有高熔点、高密度、高声速的特点，而铜不仅具有较高的密度还拥有非常良好的塑性，此两者组成的合金药型罩一直受到研究者的重视。但目前合金药型罩的制造技术主要为粉末冶金法，由于受到粉末精密制备技术及高精度制造技术滞后的限制，其缺点主要有合金密度不均匀、射流性能不稳定、加工效率低、制造成本高等。

目前在药型罩制造领域中，大都采用旋压、粉末冶金、电铸等方法制造药型罩，如公开号为CN2135061Y的“药型罩”专利，报道了一种铜基粉末冶金射孔弹药型罩。它是以细状的铜粉或6-6-3铜粉为基，外加适量的金属粉末、非金属粉末或其他合金粉末和成型剂，经混合、压制、烧结和精整制成；又如公开号为CN2212467的“聚能射孔弹金属粉末药型罩旋压成型装置”专利，介绍了一种聚能射孔弹金属粉末药型罩旋压成型装置；而公开号为CN87207936的“高穿深无出杵堵射孔弹用药型罩”专利，采用双层结构复合罩，其内层为冲压罩，外层为粉末压制罩，用专门模具压制而成，它采用双层分别制备技术复杂，而且未摆脱对粉末冶金技术的依赖；还有公开号为CN1410600A的“药型罩电铸制造工艺及装置”专利，采用基于阴极电沉积原理来制取纯金属的药型罩，其缺点为仅能制备纯金属的零件，而且沉积速度低等缺点。鉴于钨、钼、坦等难熔金属与铜的难相溶性，其合金药型罩应用较少，日本制造了W-Cu合金也仍采用的粉末冶金技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺简单、复合材料结合强度高、可充分发挥难熔金属的高密度和易熔金属的延展性优势的药型罩用铜基复合材料及制备方法。

一种药型罩用铜基复合材料，所述铜基复合材料包括至少一层叠层，每一个叠层由基体层、中间层组成，基体层数量比中间层数量多1，同一叠层内的基体层与中间层交叉叠置后通过扩散焊接成为一体，然后，通过冷轧减薄至基体层、中间层破碎，中间层与基体层呈交织的纤维状态分布；所述基体层材料选自铜或铜合金，中间层材料为难熔金属。

一种药型罩用铜基复合材料，相邻叠层之间通过扩散焊结合为一体，然后，通过冷轧减薄至每个叠层中的基体层、中间层破碎，中间层与基体层呈交织的纤维状态分布。

一种药型罩用铜基复合材料，每一个叠层的厚度≤50μm；同一叠层中，基体层与中间层的厚度比为0.5～2，中间层材料选自难熔金属钨、钼、坦中的一种；相邻叠层中的中间材料相同或不同。

本发明一种药型罩用铜基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

第一步，原材料的表面处理

根据设计的药型罩用铜基复合材料的叠层的组成材料，选取长宽尺寸相同的难熔金属片作为中间层及铜或铜合金片作为基体层，对中间层及基体层上下两表面进行光亮化处理；

第二步，一次扩散焊接、冷轧减薄

将第一步处理后的中间层及基体层交叉叠置，且保持铜在最外层，置于扩散焊接炉内扩散焊接后，进行多道次冷轧减薄，控制压下量在70%～90%，得到厚叠层；

第三步：二次扩散焊接、冷轧减薄

将第二步所得的厚叠层剪裁成尺寸相同的多个片料，对片料再次表面光亮化处理后叠置，扩散焊接为一整体，然后，冷轧减薄至基体层、中间层破碎，中间层与基体层呈交织的纤维状态分布的多叠层结构，得到药型罩用铜基复合材料。

本发明一种药型罩用铜基复合材料的制备方法，所述基体层材料选自铜或铜合金，中间层材料选自难熔金属钨、钼、坦中的一种。

本发明一种药型罩用铜基复合材料的制备方法，制备的药型罩用铜基复合材料中，每一个叠层的厚度≤50μm；同一叠层中，基体层与中间层的厚度比为0.5～2。

本发明一种药型罩用铜基复合材料的制备方法，所述光亮化处理采用磨削、抛光工艺进行；磨削处理至材料的厚度偏差≤±0.05㎜，抛光处理至表面粗糙度小于等于Ra0.1。

本发明一种药型罩用铜基复合材料的制备方法，第二步、第三步中，冷轧时，道次压下率≤50%，轧制道次1～10次。

本发明一种药型罩用铜基复合材料的制备方法，第二步、第三步中所述扩散焊接工艺参数为：扩散焊压力8～20MPa，扩散焊温度800～1000℃，保温时间10～30分钟，扩散焊接炉内气氛选自真空、氢气或惰性气体中的一种。

本发明采用上述工艺方法，基于难熔金属与铜难以形成化合物也很难互溶，本发明首先对待扩散复合层组元材料进行光亮化处理，使钨、钼、坦难熔金属与铜组元间紧密贴合面积概率增大，同时，采用扩散焊接的方式，实现组元之间原子—原子的机械啮合，达到理想的结合强度；然后，进行多道次累积轧制，通过大塑性变形产生的轴向压力及剪切拉伸作用，使单一钨、钼、坦难熔金属与铜基体层不断减薄，且在单一叠层厚度≤50μm以后，基体层、中间层破碎，中间层与基体层呈交织的纤维状态分布的多叠层结构，而成为一条难熔金属与铜的假合金，即铜基复合板材。此铜基复合板材揉合了钨、钼、坦等难熔金属的高熔点、高密度、高声速特点，以及铜良好的塑性，从而，是制备的铜基复合板材具有高密度、高声速、良好的导热性、高动态断裂延伸率等性能特点。完全满足药型罩聚能效应对材料性能的要求，可使射流在侵彻之前能充分拉长而不断裂，达到破碎性好、侵彻力强、渗透率高等目的。本发明制备的铜基复合材料密度为9.38～15.82g/cm³，声速可达4.5～6.0km/s，热导率为200～300W/m·K。

本发明工艺简单合理、流程短、复合材料组元间结合强度高、具有高密度、高声速、良好的导热性、高动态断裂延伸率，可充分发挥难熔金属的高密度和易熔金属的延展性优势，生产效率高、无需粉末成型、药型罩易加工成型等特点，适用范围广，适于作为生产制造药型罩的材料。

附图说明：

附图1为本发明实施例1制备的钼-铜基复合材料金相显微镜照片。

从附图1的图片可以看出：钼层断裂，呈纤维条状分布于铜层间，使此加工后材料为一种交织的的多叠层结构。

具体实施方式：

下面结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。

实施例1：

选取尺寸为1.0×100×200㎜的紫铜板三块，尺寸为2.0×100×200㎜的纯钼板三块；首先对此六块片料进行厚度偏差测量，将厚度偏差＞±0.05㎜的料上磨床进行表面磨削处理，使材料的平面度及厚度偏差均≤±0.05㎜；选取2000#水磨砂纸对紫铜板的表面进行打磨，后采用抛光布对打磨过表面进行光亮化处理，使其表面粗糙度优于Ra0.05μm，后对纯钼板的表面依次选用1000#、1500#、2000#水磨砂纸进行打磨后又抛光布进行光亮化处理，使其表面粗糙度达到Ra0.1μm；将此处理过的紫铜与纯钼板交错叠置，后置于扩散焊接炉内进行扩散焊接，焊接工艺为：20MPa的扩散焊压力，900℃的扩散焊温度，30分钟的保温时间，以氢气为炉内保护气氛；焊合后的多叠层复合材料送入两辊冷轧机，依次选用40%、50%、50%的压下率进行冷轧，使累计压下率达到85%；剪裁此复合叠片为尺寸相同的三段，按照上述打磨抛光铜片的方法对表面进行光亮化处理，将此三段复合叠片叠置放入扩散焊接炉内进行扩散焊接，焊接工艺为：8MPa的扩散焊压力，850℃的扩散焊温度，20分钟的保温时间，以氢气为炉内保护气氛；焊合后的多叠层复合材料送入四辊冷轧机，依次选用50%、40%、30%的压下率进行冷轧，使单一叠层组元的总累计压下率达到96.85%，此时由金相显微观察复合叠片截面中叠层已破碎，钼、铜组元呈一种交替的纤维状态分布，呈现为钼铜假合金状态。此钼铜假合金片密度为9.46g/cm³，声速达5.8km/s，热导率为220W/m·K，其经冲压或者旋压加工后即可作为具有较好聚能效应的药型罩材料使用。

实施例2：

选取尺寸为2.0×100×200㎜的紫铜板四块，尺寸为1.0×100×200㎜的纯钨板四块；首先对此八块片料进行厚度偏差测量，将厚度偏差＞±0.05㎜的料上磨床进行表面磨削处理，使材料的平面度及厚度偏差均≤±0.05㎜；选取2000#水磨砂纸对紫铜板的表面进行打磨，后采用抛光布对打磨过表面进行光亮化处理，使其表面粗糙度优于Ra0.05μm，后对纯钨板的表面依次选用1000#、1500#、2000#水磨砂纸进行打磨后又抛光布进行光亮化处理，使其表面粗糙度达到Ra0.1μm；将此处理过的紫铜与纯钨板交错叠置，后置于扩散焊接炉内进行扩散焊接，焊接工艺为：置于真空扩散焊接炉内，10MPa的扩散焊压力，1000℃的扩散焊温度，10分钟的保温时间；焊合后的多叠层复合材料送入两辊冷轧机，依次选用35%、35%、40%、40%的压下率进行冷轧，使累计压下率达到85.2%；剪裁此复合叠片为尺寸相同的四段，按照上述打磨抛光铜片的方法对表面进行光亮化处理，将此四段复合叠片叠置再次放入真空扩散焊接炉内进行扩散焊接，焊接工艺为：10MPa的扩散焊压力，800℃的扩散焊温度，30分钟的保温时间；焊合后的多叠层复合材料又再次送入两辊冷轧机，依次选用50%、40%、30%、20%的压下率进行冷轧，使单一叠层组元的总累计压下率达到97.45%，此时由金相显微观察复合叠片截面中叠层已经破碎，钨、铜组元呈一种交替的纤维状态分布，呈现为一条钼铜假合金状态。此钨铜假合金片密度为12.42g/cm³，声速达4.9km/s，热导率为300W/m·K，其经冲压或者旋压加工后即可作为具有较好聚能效应的药型罩材料使用。

Claims (8)

1.一种药型罩用铜基复合材料，所述铜基复合材料包括至少一层叠层，每一个叠层由基体层、中间层组成，基体层数量比中间层数量多1，同一叠层内的基体层与中间层交叉叠置后通过扩散焊接成为一体，然后，通过冷轧减薄至基体层、中间层破碎，中间层与基体层呈交织的纤维状态分布；

所述基体层材料选自铜或铜合金，中间层材料为难熔金属；

每一个叠层的厚度≤50μm；同一叠层中，基体层与中间层的厚度比为0.5~2。

2.根据权利要求1所述的一种药型罩用铜基复合材料，其特征在于：相邻叠层之间通过扩散焊结合为一体，然后，通过冷轧减薄至每个叠层中的基体层、中间层破碎，中间层与基体层呈交织的纤维状态分布。

3.根据权利要求1或2所述的一种药型罩用铜基复合材料，其特征在于：中间层材料选自难熔金属钨、钼、坦中的一种；相邻叠层中的中间材料相同或不同。

4.根据权利要求1所述的一种药型罩用铜基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

第一步，原材料的表面处理

根据设计的药型罩用铜基复合材料的叠层的组成材料，选取长宽尺寸相同的难熔金属片作为中间层及铜或铜合金片作为基体层，对中间层及基体层上下两表面进行光亮化处理；

第二步，一次扩散焊接、冷轧减薄

将第一步处理后的中间层及基体层交叉叠置，且保持铜在最外层，置于扩散焊接炉内扩散焊接后，进行多道次冷轧减薄，控制压下量在70%~90%，得到厚叠层；

第三步：二次扩散焊接、冷轧减薄

将第二步所得的厚叠层剪裁成尺寸相同的多个片料，对片料再次表面光亮化处理后叠置，扩散焊接为一整体，然后，冷轧减薄至基体层、中间层破碎，中间层与基体层呈交织的纤维状态分布的多叠层结构，得到药型罩用铜基复合材料；

制备的药型罩用铜基复合材料中，每一个叠层的厚度≤50μm；同一叠层中，基体层与中间层的厚度比为0.5~2。

5.根据权利要求4所述的一种药型罩用铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述基体层材料选自铜或铜合金，中间层材料选自难熔金属钨、钼、坦中的一种。

6.根据权利要求4所述的一种药型罩用铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述光亮化处理采用磨削、抛光工艺进行；磨削处理至材料的厚度偏差≤±0.05㎜，抛光处理至表面粗糙度小于等于Ra0.1μm。

7.根据权利要求4所述的一种药型罩用铜基复合材料的制备方法，其特征在于：第二步、第三步中，冷轧时，道次压下率≤50%，轧制道次1~10次。

8.根据权利要求4所述的一种药型罩用铜基复合材料的制备方法，其特征在于：第二步、第三步中所述扩散焊接工艺参数为：扩散焊压力8~20MPa，扩散焊温度800~1000℃，保温时间10~30分钟，扩散焊接炉内气氛选自真空、氢气或惰性气体中的一种。