CN107255431B - 一种抗烧蚀铝合金弹药筒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗烧蚀铝合金弹药筒及其制备方法；属于弹药筒设计和制备技术领域。本发明首次尝试了在铝合金弹药筒表面通过化学镀制备一层Ni‑P合金层后，提高了铝合金弹药筒的抗烧蚀能力。本发明所设计和制备的铝合金弹药筒包括铝合金基体和均匀附着在铝合金基体上的Ni‑P合金的镀层。该弹药筒具有质量轻、导电性能优良、抗烧蚀、抗腐蚀的特性。本发明为新一代弹药的开发提供了一条完整的思路。

Description

一种抗烧蚀铝合金弹药筒及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种抗烧蚀铝合金弹药筒及其制备方法；属于弹药筒设计和制备技术领域。

背景技术

弹药方面的轻量化将大大增加士兵和发射平台的携弹量、火力杀伤的持续性及有效性。弹药的轻量化中药筒减重首当其冲，因为弹药筒的重量几乎占枪弹重量的一半。弹药轻量化的主要目标是采用轻质材料、新工艺、新结构减轻弹体及药筒质量。目前弹药筒多采用铜、钢材料制成，重量较大。采用轻质材料可有效减重，铝合金具有重量轻、强度高、易加工成型等优点，是实现药筒轻量化的主要研究材料。但是铝合金由于熔点低，在发射时火药容易造成药筒烧蚀，甚至烧蚀枪炮内膛，严重影响了铝药筒的实际应用。

为了解决铝合金药筒烧蚀的问题，一方面，研究人员通过改变铝合金成分，并采用适当的制造工艺，以求解决药筒烧穿的问题。另一方面，采用在药筒表面涂覆一层或多层耐烧蚀的材料，如采用涂覆天然树脂、人造树脂、有机磷酸盐或无机磷酸盐等；也有在铝合金药筒上采用微弧氧化的方式制备一层微弧氧化层(如专利CN201410388653.1提供了一种“一种铝质子弹壳微弧氧化挂架”)。在铝合金药筒表面采用涂覆涂层的方式是目前比较有效的抗烧蚀的处理方法，但从目前的报导来看，铝合金弹壳烧蚀的问题仍然未得到很好的解决。为了解决铝合金药筒容易烧蚀对问题，发明人研究了在铝合金药筒上化学镀镍，结果表明，在铝合金药筒上化学镀的Ni-P合金层具有卓越的抗烧蚀能力。到目前为止，还未见采用由铝合金-Ni-P镀层构成的材料来制备弹药筒的相关记载。

发明目的

本发明目的是在于针对发射时火药容易烧蚀铝合金药筒而严重影响了铝合金弹药筒的使用，首次提出了一种带Ni镀层的安全系数高、抗烧蚀能力强的铝合金弹药筒及其制备方法。

发明内容

本发明一种抗烧蚀铝合金弹药筒；所述抗烧蚀铝合金弹药筒包括铝合金基体以及均匀附着在铝合金基体上的Ni-P合金的镀层。

本发明一种抗烧蚀铝合金弹药筒；所述Ni-P合金镀层的厚度为10-50微米。

本发明一种抗烧蚀铝合金弹药筒；所述铝合金弹药筒基体为7XXX系铝合金。

本发明一种抗烧蚀铝合金弹药筒；所述铝合金弹药筒基体为7075铝合金。

本发明一种抗烧蚀铝合金弹药筒的制备方法，以预处理后的7XXX系铝合金基体药筒为处理对象，在预处理后的铝合金基体药筒化学镀Ni-P镀层，得到所述抗烧蚀铝合金弹药筒。

所述预处理后的铝合金基体药筒，是通过下述步骤得到的：

1)除油污

以7XXX系铝合金作为基体材料，按设计尺寸加工成待镀件后，将待镀件置于常温下的丙酮中1-15min左右，直至其表面无油污，取出后用水清洗；

2)酸洗除氧化层

第一步：将该经过除油的待镀件置于25-95℃温度下在1％-30％的硫酸溶液中浸泡反应初步除去氧化层，取出后用水清洗；

第二步：将上述待镀件放入常温下1％-50％的硝酸溶液中反应1-60秒，取出后用水清洗；

3)一次浸锌

室温下进行一次浸锌，时间为10-180s，取出后用水清洗；浸锌工艺为:氧化锌5-60g/L，氢氧化钠100-500g/L，酒石酸钾钠10-60g/L，三氯化铁0-10g/L；

4)硝酸退锌

将一次浸锌所得浸锌件放入室温下的硝酸溶液中1-30秒，取出后用水清洗；

5)二次浸锌

将经硝酸退锌处理后的待镀件再次放入浸锌溶液中，浸锌1-180秒,取出后用水清洗，得到预处理后的铝合金基体药筒。

所述在预处理后的铝合金基体药筒化学镀镍，包括下述步骤：

按体积百分数计，配取A液8-11％、B液8-11％、稀释剂78-84％，所述稀释剂为水；将配取的A液、B液、稀释剂混合均匀后，得到第一镀液，调整第一镀液的pH值至5-9后，升温至82-88℃，然后将经过预处理的待镀件置于第一镀液中进行首次施镀。所述A液包含水溶性镍盐、缓冲剂；所述A液中水溶性镍盐的浓度为280-320g/L；所述缓冲剂的浓度为20-60g/L。

所述B液含有还原剂、络合剂、缓冲剂、稳定剂、表面润湿剂；所述B液中，还原剂的浓度为240-260g/L、络合剂的浓度为200-220g/L、缓冲剂的浓度为180-210g/L、稳定剂的浓度为0.015-0.03g/L、表面润湿剂的浓度为0.15-0.25g/L。

在工业上应用时，为了实现施镀液的循环利用，首次施镀后，镀液经过滤，得到第2次基础液；

步骤一

按每升第2次基础液补入25-35ml A液、20-25ml D液的比例，将A液、D液补入到第2次基础液中，得到第2次施镀时的施镀液，将所得施镀液的pH值至5-9后，升温至82-88℃，将上次施镀的镀件置于镀液中进行2次施镀；第2次施镀后，镀液经过滤，得到第3次基础液。

步骤二

按每升第n次基础液补入15-20ml C液、20-25ml D液的比例，将C液、D液补入到第n次基础液中，得到第n次施镀时的施镀液，将所得施镀液的pH值调至5-9后，升温至82-88℃，进行n次施镀；第n次施镀后，镀液经过滤，得到第n+1次基础液；所述n大于等于3；

步骤三

重复步骤二，直至得到设定厚度的镀镍层；

所述C液包含水溶性镍盐、络合剂；所述C液中，水溶性镍盐的浓度为480-500g/L、络合剂的浓度为100-125g/L；

所述D液含有还原剂和稳定剂，D液中还原剂的浓度为300-320g/L、稳定剂的浓度为0.015-0.030g/L。

在本发明中；

还原剂：作为化学镀的驱动力，用于还原金属离子Ni²⁺。

络合剂：用于防止镀液产生沉淀，增加镀液稳定型并且延长使用寿命，同时对反应速率也有一定影响。

缓冲剂：用于防止随施镀进行产生的氢离子使得pH值下降而导致镀速下降、镀层质量改变。

稳定剂：由于化学镀镍是一个热力学不稳定体系，温度过高或者杂质的掺杂都会对镀液的自催化反应产生影响，使得镀液自分解，施镀无法进行，而稳定剂的作用在于能抑制镀液的自分解，使反应顺利进行。

表面润湿剂：用于使镀液中气泡便于逸出，降低镀层的孔隙率。

能起到上述作用的还原剂、络合剂、缓冲剂、稳定剂均能用于本发明。

本发明所述水溶性镍盐选自硫酸镍、氯化镍、醋酸镍、次磷酸镍中的至少一种，优选为硫酸镍。

本发明所述缓冲剂选自氟化铵、氯化铵、氟化钠中的至少一种，优选为氟化铵。

本发明所述还原剂选自次亚磷酸钠。

本发明所述络合剂选自柠檬酸、乳酸、乙醇酸、焦磷酸钠中的至少一种，优选为柠檬酸。

本发明所述稳定剂选自硫脲、钼酸钠、甲基四羟基邻苯二甲酸酐中的至少一种，优选为硫脲。

本发明所述表面润湿剂选自十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种，优选为十二烷基硫酸钠。

作为优选，本发明所述A液由硫酸镍、氟化铵和和去离子水组成。所述B液由次亚磷酸钠、柠檬酸、氟化铵、硫脲、十二烷基硫酸钠和去离子水组成。所述C液由硫酸镍、柠檬酸和去离子水组成。所述D液由次亚磷酸钠、硫脲和去离子水组成。

本发明进行首次施镀时，采用A液与B液混合后所组成的液体作为施镀液。

本发明在铝合金表面上化学镀镍的溶液；对完成首次施镀的材料进行第n次施镀时，采用第n-1次施镀后所遗留的施镀液作为第n次基础液，以A液、C液、D液中任意两种液体作为第n次基础液的补充液、第n次基础液与第n次基础液的补充液构成第n次施镀时的施镀液，所述n大于等于2。

优选以A液和D液组成的混合液体作为第1次基础液的补充液、第1次基础液的补充液与第1次施镀后所遗留的施镀液作为第2次施镀时的施镀液。

作为优选，以C液、D液的混合液体作为第n次基础液的补充液、第n次基础液的补充液与第n次施镀后所遗留的施镀液作为第n+1次施镀时的施镀液。所述n大于等于2。

本发明所涉及到A液、B液、C液、D液分别和上述化学镀镍的溶液中所及到A液、B液、C液、D液的组成及各组分的范围一一对应并完全一致。

本发明每次施镀中也可以将经过预处理的新待镀件置于镀液中进行施镀。

以施镀一批成品为一个周期，本发明所设计化学镀镍的溶液，在与之相匹配的是工艺条件下能重复利用至少9个周期。这就大大减少了废液的产生和排放，同时也降低了废液处理的成本。

本发明所涉及的化学镀镍的工艺；每次施镀后，镀液经过滤，除去析出物或沉淀，以确保滤液可以循环使用。

发明的优点和积极效果

本发明提出了对铝合金弹药筒表面进行化学镀镍处理技术。其优点在于：

(1)本发明巧妙的利用Ni-P合金镀层具有熔点高、抗腐蚀能力强、导热系数又远远小于纯金属的导热系数的特性，通过化学镀的方法在在已成型铝合金上镀覆一层Ni-P合金，并将该材料用作弹药筒；这不仅实现了弹药筒轻量化的目的，而且所得成品还具有抗烧蚀、抗腐蚀的特性，同时所得成品还具有优良的导电性能。

(2)本发明将镀液分为4组基础组分；通过各组基础组分与相对应工业的巧妙结合；尤其是其配合7XXX系列铝合金(特别是配合7075)后，所得到的产品完全满足现有弹药筒的需求。同时，本发明各基础组分镀液成分简单，配置方便，镀液稳定性好，镀后液经简单过滤处理后，添加A液和D液或者添加C液和D液，可重复使用9次以上，成本低，产生的废水少；

(2)施镀工艺简单、操作方便，成本低；

(3)镀层沉积速率快，能始终保持在20-25μm/h，镀层均匀，表面光滑。

总之，本发明首次提出了以带有Ni-P合金镀层的铝合金作为弹药筒的思路以及具体的制备方法，得到了具有抗烧蚀，防腐蚀的。本发明弹药筒。本发明所用的施镀工艺具有高稳定性、高效性的特点，而且原料成份简单，成本低，过程容易控制，镀液循环使用寿命长，镀层光滑致密，镀速快，短时间内就可以得到较厚的镀层等明显优势。

附图说明

图1为铝合金药筒化学镀镍工艺流程图

图2为实施例1所得镀层的SEM图

图3为实施例1所得镀层的DES谱图

图4为实施例4所得铝合金药筒照片

图5为实施例4所得铝合金药筒截面照片

图6为实施例4所得铝合金药筒装配后的子弹照片

图7为实施例4所得药筒打靶后药筒的照片

图8为实施例4所得药筒打靶后药筒截面的照片

从图1可以看出铝合金药筒化学镀镍工艺的基本流程。

从图2中可以可看出化学镀镍层致密、外观光滑细致、无针孔。

从图3可以看出，镀层的主要成分为Ni和P的合金。

从图4、图5可以看出镀层与基体结合好，外观光滑、美观，药筒内外均有均匀的镀层。

从图6可以看出，本发明所设计的弹药筒完全可以组装成弹药。

从图7、图8可以看出，在铝合金药筒上进行化学镀镍处理后，打靶后的药筒没有发现烧蚀现象。

具体实施方式

下面将结合本发明的具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，当然，所描述的实施例仅仅是本发明其中一部分实施例，而不是全部的。

化学镀镍液中各组分的作用说明如下：

发明人前期尝试了其他系列的铝合金，尽管能得到Ni-P镀层，但经实弹演练后，均存在这样或那样的问题，经优选后，发现7XXX系列铝合金配合发明人所设计的镀液以及工艺，能得到抗烧蚀、耐腐蚀、轻质、回收利用率高的弹药筒。

实施例1

A液：每升含硫酸镍300g，氟化铵50g；

B液：每升含次亚磷酸钠260g、一水合柠檬酸210g、氟化铵200g、硫脲0.02g、十二烷基硫酸钠0.15g。

按体积百分比，分别取A液10％、B液10％和去离子水80％，均匀混合，用氨水调节pH至6.8-7，形成化学镀液，镀液成分为硫酸镍30g/L、氟化铵5g/L、次亚磷酸钠26g/L、一水合柠檬酸21g/L、氟化铵2g/L、硫脲0.002g/L、十二烷基硫酸钠0.015g/L。

对铝合金基体弹药筒进行预处理。所述铝合金基体弹药筒是用7075铝合金加工的药筒。

1)除油污：将待镀件置于常温下的丙酮中10min，取出后用水清洗；2)除氧化层：将该经过除油的药筒置于80℃温度下体积占15％的硫酸溶液中15s，取出用水清洗后置于常温下体积比为1:1的硝酸溶液中15s，取出用水清洗；3)一次浸锌，浸锌液成分为:氧化锌40g/L，氢氧化钠300g/L，酒石酸钾钠40g/L，三氯化铁1-3g/L。室温，浸锌时间60s，取出用水清洗；4)硝酸退锌：将药筒置于室温下1:1的硝酸溶液中10s，取出用水清洗；5)二次浸锌：将药筒置于浸锌溶液中20s，取出用水清洗。

将预处理好的铝合金药筒置于配制好的化学镀浴中在85℃时进行化学镀镍60min，取出，水洗干净后干燥即得到化学镀镍的药筒。

镀镍后药筒的外观呈银白色的金属光泽，对其表面进行SEM分析，如附图2所示，得到的镀镍层致密，外观均匀细致、无针孔、无脱落。由图3可以看出，镀层的主要成分为Ni和P的合金。

实施例2

B液：每升含次亚磷酸钠250g、一水合柠檬酸200g、氟化铵200g、硫脲0.02g、十二烷基硫酸钠0.15g；

D液：每升含硫酸镍320g、硫脲0.02g；

对实施例1的镀后液过滤，清洗镀槽；然后按体积百分比，对上述滤液进行补加，第一次补加每升镀液补加30ml B液、25ml D液，搅拌使镀槽中镀液各成分混合均匀，用氨水调节pH至6.8-7，形成新镀液；将新镀液加热到85℃，并稳定在该温度下，然后将按照实施例1预处理后的铝合金药筒置于镀液中进行化学镀，施镀60min后取出已镀镍的镀件，水洗，吹干。

得到的镀镍铝合金药筒依然致密，呈银白色，外观光滑、均匀细致、无针孔、无脱落。

实施例3

C液：每升含硫酸镍480g、一水合柠檬酸100g；

按实施例2的方法进行施镀和补加，补加两次并且进行化学镀后，对镀液和镀槽进行处理之后，镀后的溶液继续第三次补加，每升镀液补加20ml C液、25ml D液，搅拌使镀槽中镀液各成分混合均匀，用氨水调节pH至6.8-7.0，得到新镀液；将新镀液加热到85℃，然后将按实施例1处理的铝合金药筒加入到镀液中进行化学镀，施镀60min后取出已镀镍的镀件，水洗，吹干。镀液可以循环使用，在第三次补加的基础上可以继续补加施镀，每次每升镀液补加20ml C液、25ml D液，可多次补加且镀液稳定性好。

得到的镀镍铝合金药筒外观呈银白色，表面光滑、均匀细致、无针孔、无脱落。

实施例4

C液：每升含硫酸镍500g、一水合柠檬酸125g

对实施例3镀液和镀槽进行处理之后，在镀后液中每升镀液补加15ml C液、20ml D液，搅拌使镀槽中镀液各成分混合均匀，用氨水调节pH至5.8-6.0，得到新镀液；将镀液加热到85℃，然后将实施例2得到的镀件加入到镀液中再次进行化学镀，施镀60min后取出已镀镍的镀件，水洗，吹干。

镀镍后药筒的外观呈银白色，表面光滑，无针孔，无脱落。外形照片如附图4所示，截面照片如附图5所示。将镀镍药筒进行装药打靶实验，弹壳(即弹药筒)能快速退出，且不存在宏观变形；打靶后的药筒外观和截面照片如附图7和附图8所示，打靶后的药筒外观仍然完好，呈银白色，药筒内壁有火药的残痕，但内壁也仍然完好，药筒内外均没有发现变形或烧蚀的痕迹。

实施例5

A液：每升含硫酸镍280g，氟化铵50g；

B液：每升含次亚磷酸钠240g、一水合柠檬酸200g、氟化铵200g、硫脲0.02g、十二烷基硫酸钠0.15g；按体积百分比，分别取A液10％、B液10％和去离子水80％，均匀混合，用氨水调节pH至7.7-8.0，形成化学镀液；将预处理好的铝合金药筒待镀件放入已经加热到82-88℃的化学镀液中进行镀镍，施镀60min后取出已镀镍的镀件，水洗，吹干。

得到的铝合金药筒外观呈银白色，表面仍然保持光滑、均匀细致、无针孔、无脱落

实施例6

C液：每升含硫酸镍490g、一水合柠檬酸120g

按实施例3的方法进行施镀和补加，重复使用到第八次，第八次补加20ml C液、25ml D液，搅拌使镀槽中镀液各成分混合均匀，用氨水调节pH至6.8-7，得到新镀液；将处理好的待镀件放入已加热到85℃的新镀液中进行镀镍；施镀60min后取出已镀镍的镀件，水洗，吹干。每次施镀后得到的铝合金药筒外观均呈现银白色的金属光泽；表面依然致密光滑、均匀细致、无针孔、无脱落，说明镀层和基体的结合力强，沉淀过滤后的镀液仍然稳定。

Claims (8)

1.一种抗烧蚀铝合金弹药筒；其特征在于：所述抗烧蚀铝合金弹药筒包括铝合金基体以及均匀附着在铝合金基体上的Ni-P合金的镀层；

所述Ni-P合金镀层的厚度为10-50微米；

所述铝合金弹药筒基体为7XXX系铝合金。

2.根据权利要求1所述的一种抗烧蚀铝合金弹药筒；其特征在于：所述铝合金弹药筒基体为7075铝合金。

3.一种如权利要求1-2任意一项所述的抗烧蚀铝合金弹药筒的制备方法，其特征在于：以预处理后的7XXX系铝合金基体药筒为处理对象，在预处理后的铝合金基体药筒上化学镀镍，得到所述抗烧蚀铝合金弹药筒；

所述预处理后的铝合金基体药筒，是通过下述步骤得到的：

1）除油污

以铝合金作为基体材料，按设计尺寸加工成待镀件后，将待镀件置于常温下的丙酮中1-15min，直至其表面无油污，取出后用水清洗；

2）酸洗除氧化层

第一步：将该经过除油的待镀件置于25-95℃温度下在1%-30%的硫酸溶液中浸泡反应初步除去氧化层，取出后用水清洗；

第二步：将上述待镀件放入常温下1%-50%的硝酸溶液中反应1-60秒，取出后用水清洗；

3）一次浸锌

室温下进行一次浸锌，时间为10-180s，取出后用水清洗；浸锌工艺为:氧化锌5-60g/L，氢氧化钠100-500g/L，酒石酸钾钠10-60g/L，三氯化铁0-10g/L；

4）硝酸退锌

将一次浸锌所得浸锌件放入室温下的硝酸溶液中1-30秒，取出后用水清洗；

5）二次浸锌

将经硝酸退锌处理后的待镀件再次放入浸锌溶液中，浸锌1-180秒，取出后用水清洗，得到预处理后的铝合金基体药筒；

所述在预处理后的铝合金基体药筒化学镀镍，包括下述步骤：

按体积百分数计，配取A液 8-11%、B液8-11%、稀释剂78-84%，所述稀释剂为水；将配取的A液、B液、稀释剂混合均匀后，得到第一镀液，调整第一镀液的pH值至5-9后，升温至82-88℃，然后将经过预处理的待镀件置于第一镀液中进行首次施镀；

所述A液包含水溶性镍盐、缓冲剂；所述A液中水溶性镍盐的浓度为280-320g/L；所述缓冲剂的浓度为20-60g/L；

所述B液含有还原剂、络合剂、缓冲剂、稳定剂、表面润湿剂；所述B液中，还原剂的浓度为240-260g/L、络合剂的浓度为200-220g/L、缓冲剂的浓度为180-210g/L、稳定剂的浓度为0.015-0.03g/L、表面润湿剂的浓度为0.15-0.25 g/L。

4.根据权利要求3所述的一种抗烧蚀铝合金弹药筒的制备方法，其特征在于：

首次施镀后，镀液经过滤，得到第2次基础液；

步骤一

按每升第2次基础液补入25-35ml A液、20-25ml D液的比例，将A液、D液补入到第2次基础液中，得到第2次施镀时的施镀液，将所得施镀液的pH值至5-9后，升温至82-88℃，将上次施镀的镀件置于镀液中进行2次施镀；第2次施镀后，镀液经过滤，得到第3次基础液；

步骤二

按每升第n次基础液补入15-20ml C液、20-25ml D液的比例，将C液、D液补入到第n次基础液中，得到第n次施镀时的施镀液，将所得施镀液的pH值调至5-9后，升温至82-88℃，进行n次施镀；第n次施镀后，镀液经过滤，得到第n+1次基础液；所述n大于等于3；

步骤三

重复步骤二，直至得到设定厚度的镀镍层；

所述C液包含水溶性镍盐、络合剂；所述C液中，水溶性镍盐的浓度为480-500g/L、络合剂的浓度为100-125 g/L ；

所述D液含有还原剂和稳定剂，D液中还原剂的浓度为300-320g/L、稳定剂的浓度为0.015-0.030g/L。

5.根据权利要求3所述的一种抗烧蚀铝合金弹药筒的制备方法，其特征在于：

所述水溶性镍盐选自硫酸镍、氯化镍、醋酸镍、次磷酸镍中的至少一种，

所述缓冲剂选自氟化铵、氯化铵、氟化钠中的至少一种；

所述还原剂为次亚磷酸钠；

所述络合剂选自柠檬酸、乳酸、乙醇酸、焦磷酸钠中的至少一种；

所述稳定剂选自硫脲、钼酸钠、甲基四羟基邻苯二甲酸酐中的至少一种；

所述表面润湿剂选自十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的一种抗烧蚀铝合金弹药筒的制备方法，其特征在于：

A液由硫酸镍、氟化铵和去离子水组成；

B液由次亚磷酸钠、柠檬酸、氟化铵、硫脲、十二烷基硫酸钠和去离子水组成；

C液由硫酸镍、柠檬酸和去离子水组成；

D液由次亚磷酸钠、硫脲和去离子水组成。

7.根据权利要求4所述的一种抗烧蚀铝合金弹药筒的制备方法，其特征在于：

对完成首次施镀的材料进行第n次施镀时，采用第n-1次施镀后所遗留的施镀液作为第n次基础液，以A液、C液、D液中任意两种液体作为第n次基础液的补充液、第n次基础液与第n次基础液的补充液构成第n次施镀时的施镀液，所述n大于等于2。

8.根据权利要求4所述的一种抗烧蚀铝合金弹药筒的制备方法，其特征在于：

以A液和D液组成的混合液体作为第1次基础液的补充液、第1次基础液的补充液与第1次施镀后所遗留的施镀液作为第2次施镀时的施镀液；

以C液、D液的混合液体作为第n次基础液的补充液、第n次基础液的补充液与第n次施镀后所遗留的施镀液作为第n+1次施镀时的施镀液；所述n大于等于2。