CN105562448A - 药型罩细晶材料的低温制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属塑性成形技术领域，提供药型罩细晶材料的低温制备方法，具体包括以下步骤：步骤一、制备坯料；步骤二、对制备的坯料进行均匀化退火处理；步骤三、将步骤二所得的坯料放入静液复合挤压模具模腔内，进行静液复合挤压处理；步骤四、再结晶退火处理。采用本发明制备方法可以获得用于药型罩的均匀、细小粒晶组织结构的材料，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。
Description
技术领域
本发明涉及金属塑性成形技术，具体地说是一种应用较广泛的铜、镍、铁、铝等药型罩材料制备技术领域，尤其涉及药型罩细晶材料的低温制备方法。
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尤为关键。针对双锥形、单锥形、喇叭形等结构的药型罩，其传统的成形工艺分两步进行：先锻压实体锥、然后反挤压内形。这种成形工艺沿药型罩母线方向每道次的变形量不一致，从而导致不同部位变形储能差异大，并且成形后药型罩温度显著升高，进而导致再结晶热处理后晶粒分布不均。如铜药型罩靠近锥体底部的晶粒尺寸为10～20μm，而靠近锥体顶部的晶粒尺寸为30～50μm。
针对变形不均匀、温度参数等对药型罩晶粒组织、织构的影响，国外研究机构开展了大量试验研究，并取得了实质性突破，如美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室对传统的反挤压锻造成形工艺进行改进，将传统的2步工艺改进为在液氮温度下7步成形工艺，使铜药型罩的晶粒尺寸更加细小均匀。该工艺针对一个尺寸为φ38.1mm×101.6mm的铜坯，在77K温度下，采用平头冲模3步锻造成实体锥体，并保持样品温度不变；实体锥在77K温度时，再经过4步独立的反挤压过程制备得到φ81mm药型罩坯体，应变超过2.0的塑性变形后，晶粒尺寸达到2～5μm。静破甲试验表明，直径为81mm铜药型罩在20倍口径炸高条件下，当晶粒尺寸从120μm减小到5μm时，对RHA靶的穿深可以从80mm提高到150mm。
采用新工艺技术制造的药型罩材料晶粒尺寸细小、均匀，能够提高射流的侵彻能力，但这些技术还存在以下不足：一是工序冗长，工艺参数一致性控制困难；二是适宜超低温环境下成形用的润滑剂少，价格昂贵；三是超低温环境下对成形模具、设备、润滑剂的质量要求苛刻；四是超低温环境下成形高质量药型罩构件，效率低、费用高。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：针对现有技术缺点，本发明提供一种用于制造组织均匀、性能一致性好的药型罩材料低温制备方法。
为解决上述技术问题：本发明提出药型罩细晶材料的低温制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备坯料；
步骤二、对制备的坯料进行均匀化退火处理；
步骤三、将步骤二所得的坯料放入静液复合挤压模具模腔内，进行静液复合挤压处理；
步骤四、再结晶退火处理。
优选的是，所述步骤二中均匀化退火处理是将坯料在400～650℃条件下保温退火1～3h，再随炉冷却到室温。这样即可获得均匀的组织，并降低材料的加工硬度，提高材料的变形塑性。
上述任一实施方案中优选的是，所述步骤三静液复合挤压处理中压力介质是液氮、或者液氧、或者液氢、或者甲烷。
上述任一实施方案中优选的是，所述步骤三静液复合挤压处理中挤压过程中压力介质温度在-196℃～0℃之间，这样减轻变形热导致的回复，挤压后坯料中的变形储能处于最大值。
上述任一实施方案中优选的是，所述步骤三静液复合挤压处理中变形量控制在50～85％之间。根据不同种类药型罩材料的变形极限，以及挤压设备的成形能力，设计不同的变形量。
上述任一实施方案中优选的是，所述步骤三静液复合挤压处理中变形速率为3～15mm/s。坯料放入静液复合挤压模具模腔内，通过挤压凸模施压，通过压力介质传递应力和变形速率为3～15mm/s的作用下，经过静液复合挤压减径变形，根据不同材料的变形极限，变形量控制在50～85％之间，静液复合挤压的压力介质温度在-196℃～0℃之间，使挤压坯料处于较低的温度状态下，从而获得所需形状、尺寸、组织性能的药型罩材料。
上述任一实施方案中优选的是，所述步骤四中再结晶退火处理是，将静液复合挤压处理后的坯料放入真空热处理炉中，在150～350℃条件下保温30～60min。通过再结晶退火处理进行晶界优化，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材料。
上述任一实施方案中优选的是，所述步骤一制备坯料，根据设备能力与药型罩形状结构，计算得出药型罩制造所需原始坯料的体积。
上述任一实施方案中优选的是，所述步骤一制备坯料，依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，以及数值模拟仿真分析结果，选取坯料直径。
上述任一实施方案中优选的是，所述药型罩材料是铜、镍、铁、铝，或者合金。
本发明技术有益效果如下：
本发明采用静液复合挤压变形工艺，使挤压变形后坯料中变形储能处于最大值，并结合再结晶退火热处理，促使动态再结晶、孪晶的形成，获得均匀、细小等轴晶组织结构，为高性能均匀细晶药型罩的研制提供了一种新的制备方法。本发明克服了常规制备方法获得药型罩坯料晶粒组织分布不均、各向异性等技术难题，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，具体表现如下：
(1)挤压变形力小。静液复合挤压过程中坯料侧面无普通挤压时存在的摩擦力，所以变形均匀，可提高挤压变形量所需的挤压力也比普通挤压时小。
(2)挤压坯料温升小。静液复合挤压过程中压力介质温度一般处于-196℃，通过静液复合挤压后，坯料的温度完全处于零度以下，避免温升导致的变形储能降低，以及发生部分回复与再结晶，导致储能分布不均。
(3)组织均匀细小。静液复合挤压过程中坯料侧面无普通挤压时存在的摩擦力，变形均匀，从而变形储能分布均匀，通过再结晶退火热处理，不同部位的形核率、长大速率基本一致，从而使坯料的组织均匀化、细小。
附图说明
图1是实施例1中紫铜棒材坯料经过均匀化退火处理后在金相显微镜放大100倍后晶粒组织图。
图2为静液复合挤压装置示意图。
图3是实施例1中紫铜棒材坯料静液复合挤压变形后在金相显微镜放大100倍后晶粒组织图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
以典型双锥铜药型罩为例，药型罩口径尺寸为φ88mm、高度84mm、内锥深度82mm、壁厚为变壁厚≤2.5mm。
(1)坯料的制备：依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，结构设计时考虑药型罩外表面留一定的加工余量，并在药型罩锥顶设计有φ25mm的成形工艺凸台；采用UG、DEFORM软件对成形过程进行模拟分析与优化，并计算出坯料的体积，选取φ60mm的挤制T2铜棒为原材料，下料并车削外表面制成直径58mm、长度80mm的坯料；该T2铜棒材的杂质元素含量如表1所示：
表1T2紫铜棒材的杂质元素含量
(2)均匀化退火处理：将步骤(1)所得坯料在VQG-2500型智能控温真空热处理炉中500±1℃保温1小时，真空度为1.5×10-3Pa，保温热处理后进行随炉冷却均匀化退火处理，以获得成分、组织均匀的坯料，并消除原材料轧制挤压过程中产生的加工硬化效应。均匀化退火处理后材料组织比较均匀，硬度小于50HB，Cu晶粒尺寸约为130μm，如图1所示。
(3)静液复合挤压处理：将步骤(2)所得的坯料放入静液复合挤压模具模腔内，静液复合挤压装置如图2所示。压力介质选用液氮，温度为-196℃，变形速率为8mm/s，变形量为52.4％，制得的坯料直径为φ40mm。
(4)再结晶退火处理：将步骤(3)获得的静液复合挤压坯料放入真空热处理炉中，在225℃条件下保温45min，通过再结晶退火处理进行晶界优化，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，药型罩材料组织性能稳定。晶粒组织形貌如图3所示，平均晶粒尺寸2.5μm，表面硬度平均值为HB40～45。
实施例2
以典型单锥铜药型罩为例，药型罩口径尺寸为φ60mm、高度45mm、内锥深度44.2mm、壁厚为等壁厚1mm。
(1)坯料的制备：依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，结构设计时考虑药型罩外表面留一定的加工余量，并在药型罩锥顶设计有φ16mm的成形工艺凸台；采用UG、DEFORM软件对成形过程进行模拟分析与优化，并计算出坯料的体积，选取φ50mm的挤制T2铜棒为原材料，下料并车削外表面制成直径48mm、长度50mm的坯料；该T2铜棒材的杂质元素含量如表1所示：
表1T2铜棒材的杂质元素含量
(2)均匀化退火处理：将步骤(1)所得坯料在VQG-2500型智能控温真空热处理炉中500±1℃保温1小时，真空度为1.5×10-3Pa，保温热处理后进行随炉冷却均匀化退火处理，以获得成分、组织均匀的坯料，并消除原材料轧制挤压过程中产生的加工硬化效应。均匀化退火处理后材料组织比较均匀，硬度小于50HB，Cu晶粒尺寸约为130μm。
(3)静液复合挤压处理：将步骤(2)所得的坯料放入静液复合挤压模具模腔内，静液复合挤压装置如图2所示。压力介质选用液氮，温度为-196℃，变形速率为5mm/s，变形量为60.9％，制得的坯料直径为φ30mm。
(4)再结晶退火处理：将步骤(3)获得的静液复合挤压坯料放入真空热处理炉中，在200℃条件下保温30min，通过再结晶退火处理进行晶界优化，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，药型罩材料组织性能稳定。平均晶粒尺寸2.0μm，表面硬度平均值为HB40～50。
实施例3
以典型单锥铜药型罩为例，药型罩口径尺寸为φ100mm、高度94mm、内锥深度92.6mm、壁厚为变壁厚≤2.8mm。
(1)坯料的制备：依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，结构设计时考虑药型罩外表面留一定的加工余量，并在药型罩锥顶设计有φ25mm的成形工艺凸台；采用UG、DEFORM软件对成形过程进行模拟分析与优化，并计算出坯料的体积，选取φ90mm的挤制T2铜棒为原材料，下料并车削外表面制成直径88mm、长度80mm的坯料；该T2铜棒材的杂质元素含量如表1所示：
表1T2铜棒材的杂质元素含量
(2)均匀化退火处理：将步骤(1)所得坯料在VQG-2500型智能控温真空热处理炉中500±1℃保温1小时，真空度为1.5×10-3Pa，保温热处理后进行随炉冷却均匀化退火处理，以获得成分、组织均匀的坯料，并消除原材料轧制挤压过程中产生的加工硬化效应。均匀化退火处理后材料组织比较均匀，硬度小于50HB，Cu晶粒尺寸约为130μm，如图1所示。
(3)静液复合挤压处理：将步骤(2)所得的坯料放入静液复合挤压模具模腔内，静液复合挤压装置如图2所示。压力介质选用液氮，温度为-196℃，变形速率为12mm/s，变形量为55.5％，制得的坯料直径为φ60mm。
(4)再结晶退火处理：将步骤(3)获得的静液复合挤压坯料放入真空热处理炉中，在250℃条件下保温30min，通过再结晶退火处理进行晶界优化，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，药型罩材料组织性能稳定。平均晶粒尺寸2.8μm，表面硬度平均值为HB40～50。
Claims (10)
1.药型罩细晶材料的低温制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备坯料；
步骤二、对制备的坯料进行均匀化退火处理；
步骤三、将步骤二所得的坯料放入静液复合挤压模具模腔内，进行静液复合挤压处理；
步骤四、再结晶退火处理。
2.根据权利要求1所述的药型罩细晶材料的低温制备方法，其特征在于：所述步骤二中均匀化退火处理是将坯料在400～650℃条件下保温退火1～3h，再随炉冷却到室温。
3.根据权利要求1所述的药型罩细晶材料的低温制备方法，其特征在于：所述步骤三静液复合挤压处理中压力介质是液氮、或者液氧、或者液氢、或者甲烷。
4.根据权利要求1所述的药型罩细晶材料的低温制备方法，其特征在于：所述步骤三静液复合挤压处理中挤压过程中压力介质温度在-196℃～0℃之间。
5.根据权利要求1所述的药型罩细晶材料的低温制备方法，其特征在于：所述步骤三静液复合挤压处理中变形量控制在50～85％之间。
6.根据权利要求1所述的药型罩细晶材料的低温制备方法，其特征在于：所述步骤三静液复合挤压处理中变形速率为3～15mm/s。
7.根据权利要求1所述的药型罩细晶材料的低温制备方法，其特征在于：所述步骤四中再结晶退火处理是，将静液复合挤压处理后的坯料放入真空热处理炉中，在150～350℃条件下保温30～60min。
8.根据权利要求1所述的药型罩细晶材料的低温制备方法，其特征在于：所述步骤一制备坯料中根据设备能力与药型罩形状结构，计算得出药型罩制造所需原始坯料的体积。
9.根据权利要求1所述的药型罩细晶材料的低温制备方法，其特征在于：所述步骤一制备坯料中依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，以及数值模拟仿真分析结果，选取坯料直径。
10.根据权利要求1所述的药型罩细晶材料的低温制备方法，其特征在于：所述药型罩材料是铜、镍、铁、铝，以及合金。
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