CN104789911A - 一种细晶铜合金药型罩的深过冷处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种细晶铜合金药型罩的制备方法，包括复合冷挤压塑性变形、深过冷处理、再结晶退火处理步骤；所述复合冷挤压塑性变形是将坯料放入预制坯成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率作用下，正挤压成形出设计的铜合金预制坯；再将预制坯放入药型罩成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率作用下，通过逐道次扩径挤压塑性变形对药型罩预制坯进行逐次成形，得到所需形状结构的药型罩坯件；所述深过冷处理是将药型罩坯件在温度(-196～130)℃保温(2～4)h；所述再结晶退火是将深过冷处理后的药型罩坯件在保护气氛下(450～550)℃保温时间(5～15)min，得到的药型罩构件，满足了药型罩对晶粒组织均匀性、性能一致性、应力状态与分布等苛刻要求，提高药型罩的质量。
Description
技术领域
本发明属于金属热处理技术，具体地说是一种应用于铜合金药型罩的热处理技术。
背景技术
典型的聚能装药射流具有较高的头部速度和低的尾部速度，这种速度梯度使射流在相当大的炸高条件下拉得很长。射流的侵彻能力是与连续射流长度成正比，但是由于射流最终在轴向断裂成一段段的颗粒而限制了连续射流的长度。一旦射流断裂成颗粒状，其侵彻能力便会下降。国内外研究机构对药形罩内部组织、制造工艺和破甲性能之间的关系作了大量而深入的研究。研究表明，药形罩产品的晶粒尺寸、晶粒取向和其它内在性能参数对侵彻能力影响很大，同时药型罩的内表面粗糙度、几何尺寸对称性、应力状态与分布等制约侵彻能力的提升。
目前，适合制造聚能装药战斗部用药型罩的金属材料主要有：纯铜、纯铁、铀合金、铜合金等，其中纯铜和铜合金的材料密度高(Cu的密度为8.96g/cm3)、塑性好(室温延伸率大于45％)、声速大(3.8km/s)、熔点高(1083℃)，同时材料成形性能好、储藏丰富、价格便宜，能够满足常规武器战斗部的需求。铜作为聚能装药战斗部用药型罩已有50多年的发展历史，大量弹道试验表明，采用热锻、旋压、冲压等工艺制造的药型罩，破甲侵彻威力不到8倍装药直径，已不能适应新一代反应装甲、陶瓷装甲、复合装甲的发展，成为制约战斗部性能提升的关键之一。
为了进一步挖掘铜合金药型罩的潜力，从连续射流长度与侵彻威力之间的关联性出发，要求药型罩具有较好的各向同性、晶粒细小均匀、延展性好，同时要求药型罩表面光洁度高、几何尺寸对称性好与低应力状态。采用复合冷挤压成形+常规热处理工艺制造方法，能够成形出晶粒细小、几何尺寸对称性好的药型罩，但铜合金药型罩在复合冷挤压成形时，随着药型罩壁厚减薄和单位面积成形压力增大，药型罩内应力较高，同时由于药型罩大多属于锥形、蝶形等形状结构，整个成形过程变形不均匀，容易导致成形应力分布不均，药型罩晶粒组织处于亚稳态。由于应力分布不均导致的亚稳态组织，使制造细晶药型罩存在三方面的难点：一是在常规热处理过程中，高应力区域二次再结晶，易形成混晶组织；二是后续精加工过程，应力释放变形，同轴度大于0.1mm，壁厚差跳动大于0.05mm；三是应力分布不均，影响聚能射流的准直性与连续性。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种细晶铜合金药型罩的深过冷处理方法，以满足药型罩对晶粒组织均匀性、性能一致性、应力状态与分布等苛刻要求，提高药型罩的质量。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
一种细晶铜合金药型罩的制备方法，包括复合冷挤压塑性变形、深过冷处理、再结晶退火步骤；
所述复合冷挤压塑性变形是将坯料放入预制坯成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率作用下，正挤压成形出设计的铜合金预制坯；再将预制坯放入药型罩成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率作用下，通过逐道次扩径挤压塑性变形对药型罩预制坯进行逐次成形，得到所需形状结构的药型罩坯件；
所述深过冷处理是将药型罩坯件在温度(-196～130)℃保温(2～4)h；
所述再结晶退火是将深过冷处理后的药型罩坯件在保护气氛下(450～550)℃保温时间(5～15)min，得到药型罩构件。
上述逐道次扩径挤压塑性变形是指成形模具结构不变，通过控制每次变形量实现药型罩壁厚减薄，壁厚减薄率≤50％，最终达到药型罩设计尺寸与形状。
上述深过冷处理是药型罩制坯每成形一道次，就进行(-196～-150)℃保温(2～4)h的深冷处理并130℃保温(2～4)h的去应力处理，释放并消除部分加工应力。
上述再结晶退火的保护气氛是氢气、氩气等惰性气体，纯度≥99.9％。
具体的，一种细晶铜合金药型罩的深过冷处理方法，包括以下步骤：
(1)原材料的制备：依据设计的铜合金药型罩形状结构，计算得出原材料的体积，并依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，选取合适的坯料尺寸，切取相应的铜棒材长度，铜棒材的直径为φ50mm～φ90mm；
(2)复合冷挤压塑性变形：将步骤(1)所得的坯料放入预制坯成形模具模腔内，在三向压应力和一定的变形速率作用下，正挤压成形出设计的铜合金预制坯；再将预制坯放入药型罩成形模具模腔内，在三向压应力和一定的变形速率作用下，通过扩径挤压塑性变形对药型罩预制坯进行逐次成形，进一步细化晶粒组织，并得到所需形状结构的药型罩坯件；
(3)深过冷处理：将步骤(2)所得的正挤压药型罩预制坯、逐道次扩径挤压塑性变形坯件进行深过冷处理，每成形一道次，在(-196～-150)℃保温(2～4)h，然后130℃保温(2～4)h；
(4)再结晶退火处理：将步骤(3)所得的药型罩放入普通热处理炉中，充入纯度≥99.9％氢气或/和氩气，在(450～550)℃条件下保温时间(5～15)min，通过再结晶退火热处理进行晶界优化，以及位错的滑移、攀移，使局部点阵和晶界面取向变动，促使退火过程中动态再结晶和孪晶的形成，降低加工硬化效应，并得到具有均匀细小退火再结晶组织结构的药型罩构件。
本发明所述铜合金预制坯预制坯是指在考虑药型罩扩径挤压，以及后续机械加工定位与装夹，所设计的中间过渡形状结构。本发明所述铜材料可以是纯铜、青铜、黄铜、白铜等。
有益效果
1.本发明采用复合冷挤压塑性成形与深过冷处理方法，在冷挤压成形过程中的变形应力和应变效应促进材料内部的堆垛错排和晶粒的细化，通过深过冷处理工艺释放部分应力，均化在冷挤压过程中的应力分布，并消除部分加工硬化；再通过再结晶热处理，获得低应力状态的细晶组织结构，为高性能细晶药型罩的研制提供一种新的制备方法。
2.本发明克服了常规制备方法获得构件表面质量差、内部晶粒尺寸差异大、应力分布不均等技术难题，同时还具有生产效率高、工艺简单、易于实现工业化生产等优点。
3.本发明实现铜合金药型罩的形变细晶化与低应力状态。
4.本发明均化药型罩不同部位的应力，避免了形核率不均与二次再结晶导致的尺寸长大，因而产品组织均匀性好。
5.本发明通过对变形量、退火温度与时间等工艺参数临界控制，获得所需的组织结构，并消除应力分布不均导致的变形等问题，实现产品尺寸的高精度。
附图说明
图1 T2材料的晶粒组织结构(金相显微镜放大100倍，平均晶粒尺寸约为130μm)；
图2复合冷挤压塑性变形后的组织结构(金相显微镜放大100倍，呈纤维状组织结构)；
图3退火后组织结构(金相显微镜放大100倍，平均晶粒尺寸约为5μm)。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
一种细晶铜合金药型罩的制备方法，按以下步骤进行：
(1)原材料的制备：药型罩为单锥薄壁结构，大端尺寸为φ146mm、高度120mm、内锥深度106mm、锥度60°、最大壁厚4.5mm，依据设计的成形件结构特点，选取φ60mm的轧制T2铜棒为原材料，下料并车削外表面制成直径φ58mm、长度80mm的坯料；该T2紫铜棒材的杂质元素含量如表1所示，显微组织结构如图1所示。
表1 T2铜棒材的杂质元素含量
(2)复合冷挤压塑性变形：将步骤(1)所得的坯料放入预制坯成形模具模腔内，在三向压应力和一定的变形速率作用下，正挤压成形出设计的预制坯，最大变形程度91.8％；再将预制坯放入药型罩成形模具模腔内，在三向压应力和一定的变形速率作用下，通过扩径挤压塑性变形对药型罩预制坯进行逐次成形，共进行四次扩径挤压成形(壁厚减薄率依次为41.5％、36％、24.2％、18％)，进一步细化晶粒组织，药型罩圆周壁厚差小于0.1mm、表面粗糙度Ra≤0.2m，显微组织如图2所示，属于典型的变形组织结构。
(3)深过冷处理：将步骤(3)所得的正挤压药型罩预制坯、每道次扩径挤压塑性变形坯件进行深过冷处理：①正挤压预制坯，-165℃×2h+130℃×2h；②扩径挤压成形坯件，-175℃×4h+130℃×4h。
(4)再结晶退火处理：将步骤(3)所得的坯件放入普通处理炉中，充入氩气作为保护气氛(纯度99.9％)，再结晶退火工艺为550℃×10min，显微组织如图3所示，属于典型的等轴细晶组织结构，平均晶粒尺寸为5μm，表面硬度小于HB60，应力指数≤1.5。
结果表明：
深过冷处理方法是在高低温交互作用下，释放部分应力，均化在冷挤压过程中的应力分布不均，并消除部分加工硬化，使晶粒组织处于稳定状态，平均晶粒尺寸约为5μm，如图3所示；由图1可以看出，T2紫铜原始材料的平均晶粒尺寸约为130μm，晶界线比较平直，原始坯料的塑性成形性和延展性不佳；在冷挤压成形过程中的变形应力和应变效应促进材料内部的堆垛错排和晶粒的细化，通过深过冷处理工艺消除在冷挤压过程中的应力分布不均，并消除部分加工硬化；再通过再结晶热处理，获得低应力状态的细晶组织结构；本发明制备的铜合金药型罩，圆周壁厚差≤0.1mm，同轴度≤0.05mm，表面光洁度≤Ra0.2，表面硬度≤HB60，应力指数≤1.5。
Claims (5)
1. 一种细晶铜合金药型罩的制备方法，包括复合冷挤压塑性变形、深过冷处理、再结晶退火处理步骤；
所述复合冷挤压塑性变形是将坯料放入预制坯成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率作用下，正挤压成形出设计的铜合金预制坯；再将预制坯放入药型罩成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率作用下，通过逐道次扩径挤压塑性变形对药型罩预制坯进行逐次成形，得到所需形状结构的药型罩坯件；
所述深过冷处理是将药型罩坯件在温度(-196～130)℃保温(2～4)h；
所述再结晶退火是将深过冷处理后的药型罩坯件在保护气氛下(450～550)℃保温时间(5～15)min，得到药型罩构件。
2. 如权利要求1所述的细晶铜合金药型罩的制备方法，所述逐道次扩径挤压塑性变形是指成形模具结构不变，通过控制每次变形量实现药型罩壁厚减薄，壁厚减薄率≤50%，最终达到药型罩设计尺寸与形状。
3. 如权利要求1或2所述的细晶铜合金药型罩的制备方法，所述深过冷处理是药型罩制坯每成形一道次就在-196～-150℃保温2～4h后130℃保温2～4h。
4.如权利要求1、2或3所述的细晶铜合金药型罩的制备方法，所述再结晶退火的保护气氛是纯度≥99.9%的氢气、氩气等惰性气体。
5. 如权利要求1所述的细晶铜合金药型罩的制备方法，包括以下步骤：
(1)原材料的制备：依据设计的铜合金药型罩形状结构，选取合适的坯料尺寸，切取相应的铜棒材长度，铜棒材的直径为φ50mm～φ90mm；
(2)复合冷挤压塑性变形：将步骤(1)所得的坯料放入预制坯成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率作用下，正挤压成形出设计的铜合金预制坯；再将预制坯放入药型罩成形模具模腔内，在三向压应力和变形速率作用下，通过扩径挤压塑性变形对药型罩预制坯进行逐次成形，得到药型罩坯件；
(3)深过冷处理：将步骤(2)所得的预制坯、每成形一道次形成的坯件均在-196～-150℃保温2～4h后130℃保温2～4h；
(4)再结晶退火处理：将步骤(3)所得的药型罩放入普通热处理炉中，充入纯度≥99.9%氢气或/和氩气，在450～550℃保温5～15min，得到细晶铜合金药型罩。
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