CN107999553A - 一种纳米晶纯铜药型罩挤压成形晶粒长大抑制方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米晶纯铜药型罩制备方法，其特征在于：将铜坯料进行连续5次挤压。本发明制备的纳米晶药型罩晶粒细小均匀，产品性能一致性与稳定性好，能显著提升破甲战斗部药型罩的侵彻威力。
Description
技术领域
本发明涉及金属塑性成形技术领域，尤其涉及一种纳米晶纯铜药型罩挤压成形晶粒长大抑制方法。
背景技术
典型的聚能装药射流具有较高的头部速度(≥8500m/s)和低的尾部速度(约3000m/s)，这种速度梯度使射流在一定的炸高条件下能拉得很长(达到20～100倍药型罩口径长度)，具有高侵彻能力。射流的侵彻能力是与连续射流长度成正比，但是由于金属内部缺陷与射流膨胀性作用，射流最终在轴向上会断裂成一段段的颗粒，而限制了连续射流的长度，以及侵彻能量的传递，且断裂颗粒间相互扰动，其侵彻能力急剧下降。国内外研究机构对药型罩内部组织(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。研究表明，药型罩产品的晶粒尺寸、织构取向和其它内在性能参数对侵彻能力影响明显，晶粒尺寸与形貌是影响侵彻性能的内在质量的第一因子，纳米晶药型罩已成为研究的热点。
目前，适合制造高新性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，其中纯铜材料密度高(Cu的密度为8.93g/Cm3)、塑性好(室温伸长率≥45％)、声速大(4.7km/s)、熔点高(1083℃)，同时材料成形性能好(塑性成形极限达到95％)、储藏丰富、价格便宜，能够满足常规武器战斗部的高性能与低成本要求。铜作为聚能装药战斗部用药型罩已有50多年的发展历史，现有98％破甲战斗部采用纯铜药型罩，大量弹道试验研究表明，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，制备纳米晶药型罩已成为发展高性能战斗部的关键技术之一。
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，纳米晶材料具有较好的各向同性、高屈强比、大延展性，从材料的本征特性上讲能够进一步提高药型罩的侵彻能力。现有纯铜药型罩成形工艺有温挤压、冷挤压、旋压、冲压、电铸等，存在以下缺点：一是温挤压仅解决药型罩毛坯生产问题，材料利用率低；二是冷挤压晶粒尺寸长大明显，在变形弱区或剧烈变形区存在大小晶粒尺寸比40～100；三是冲压、旋压药型罩各向异性大，对称性差；四是电铸工艺效率低，环境污染严重；五是药型罩不同部位平均晶粒尺寸比达到20以上，破甲跳差增大8％～12％。
通过对现有纯铜药型罩成形工艺分析得出，冷挤压工艺具有室温成形、材料利用率高、环境性好等特点，适合于纳米晶药型罩制造，但如何控制晶粒长大是研制与生产中的难点问题。由此，本申请提供了一种纳米晶纯铜药型罩挤压成形晶粒长大抑制方法。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种纳米晶纯铜药型罩挤压成形晶粒长大抑制方法，使制备的纳米晶药型罩晶粒细小均匀，产品性能一致性与稳定性好，能显著提升破甲战斗部药型罩的侵彻威力。
本发明的目的是这样实现的：
一种纳米晶纯铜药型罩制备方法，其特征在于：将铜坯料进行连续5次挤压。
优选的，上述挤压中第一次挤压速率为10～15cm/min，变形程度15％～35％；第二次挤压，挤压速率为8～12cm/min，变形程度10％～30％；第三次挤压速率为6～10cm/min，变形程度5％～20％；第四次挤压速率为3～6cm/min，变形程度3％～10％；第五次挤压速率为1～3cm/min，变形程度1％～3％。
上述纳米晶纯铜药型罩制备方法，挤压前对模具进行液氮冷却1～3小时，液氮压力0.4～1.2MPa。
上述纳米晶纯铜药型罩制备方法，第五次挤压后对坯件进行液氮冷却反淬火处理，冷却时间2～4小时。
上述纳米晶纯铜药型罩制备方法，第五次挤压并冷却后进行精整形，变形程度0.5％～2％。
通过所述方法制备出纳米晶纯铜药型罩，并进行晶粒度、力学性能测试分析，既保证了药型罩成形尺寸精度，又抑制了纳米晶长大，实现形状、性能双重控制。
具体地，上述纳米晶纯铜药型罩挤压成形晶粒长大抑制方法，按照以下步骤进行：
(1)采用药型罩挤压成形装置，根据药型罩产品尺寸与体积，以及纳米晶纯铜坯料变形极限达到75％，确定挤压前的纳米晶纯铜坯料尺寸φ40～φ60mm，进行备料；
(2)液氮冷却凹模与凸模，在挤压试验之前进行液氮冷却1～3小时，液氮压力0.4～1.2MPa；
(3)在纯铜坯料、凸模、凹模表面涂抹润滑剂，将纯铜坯料放入凹模进行一次挤压，挤压速率为10～15cm/min，变形程度15％～30％；
(4)对一次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹润滑剂，进行二次挤压，挤压速率为8～12cm/min，变形程度10％～20％；
(5)对二次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹润滑剂，进行三次挤压，挤压速率为6～10cm/min，变形程度5％～10％；
(6)对三次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹润滑剂，进行四次挤压，挤压速率为3～6cm/min，变形程度3％～5％；
(7)对四次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹润滑剂，进行五次挤压，挤压速率为1～3cm/min，变形程度1％～3％；
(8)对五次挤压坯件进行表面清理与除油，放入密封保温装置中进行液氮冷却反淬火处理，释放、均化应力分布，冷却时间2～4小时；
(9)对凸模、凹模表面进行除油处理，再将(8)中坯件放入凹模，进行精整形，变形程度0.5％～2％，保证构件的尺寸精度与表面质量。
上述纯铜材料，优选为TU1、TU2、T1、T2、T3。
上述液氮，优选为工业液氮(-196℃)。
上述润滑剂，优选为菜籽油、蓖麻油、精冲油等。
有益效果
本发明方法通过结合研究锥形药型罩多道次冷挤压变形过程中温升、变形储能分布不均等因素对晶粒尺寸和力学性能的影响，而得出：道次挤压变形程度小，模具温度低，坯件温升小，则动态再结晶晶粒长大影响因子就小。这一研究成果，通过梯度控制每道次挤压变形程度，并对挤压模具进行激冷降温，使挤压热大部分被模具吸收，从而降低坯件的温升，再通过液氮冷却进行反淬火均匀、释放部分应力，最后进行微量挤压精整形，获得所需晶粒度、尺寸精度、表面质量的药型罩。
此外，本发明还具有以下优异的特点：
(1)药型罩组织均匀性好：平均晶粒尺寸≤610nm，不同部位平均晶粒尺寸偏差≤30％。
(2)药型罩强度与塑性匹配性好：抗拉强度≥520MPa，屈服强度≥480MPa，伸长率≥12％。
(3)药型罩屈强比增大：屈强比由常规药型罩0.5提高到0.85以上。
(4)药型罩质量好：内锥角度偏差≤3′，表面粗糙度≤Ra0.2μm。
附图说明
图1药型罩挤压成形装置(1.冷却气道 2.凸模套 3.凸模 4.凸模冷却套 5.凹模6.凹模套 7.顶冲 8.垫块 9.连接孔)
图2凹模冷却通道剖面图
图3凸模冷却套俯视图
图4实施例1纳米晶纯铜坯料
图5实施例188口径纳米晶纯铜药型罩
图6实施例1纳米晶组织
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行描述，有必要在此指出的是，所述实施例只用于对本工艺进行进一步说明，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本发明的技术方案做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种纳米晶纯铜药型罩挤压成形晶粒长大抑制方法，它具体包括以下步骤：
(1)采用如图1所示的药型罩挤压成形装置，以88mm口径药型罩为例，纯铜材料为TU1，平均晶粒尺寸为620nm，计算得出挤压前的纳米晶纯铜坯料尺寸为φ40×50mm(图4)。
(2)将图1中的凹模冷却通道(图2所示)与液氮冷却系统进行连接，液氮受热液化从下往上流动(从图2冷却通道到图3冷却通道)，冷却凹模与凸模，在挤压试验之前进行液氮冷却2小时，液氮压力0.8MPa。
(3)在纯铜坯料、凸模、凹模表面涂抹菜籽油润滑剂，将纯铜坯料放入凹模进行一次挤压，挤压速率为10cm/min，变形程度25％。
(4)对一次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹菜籽油润滑剂，进行二次挤压，挤压速率为8cm/min，变形程度15％。
(5)对二次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹菜籽油润滑剂，进行三次挤压，挤压速率为6cm/min，变形程度8％。
(6)对三次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹菜籽油润滑剂，进行四次挤压，挤压速率为3cm/min，变形程度3％。
(7)对四次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹菜籽油润滑剂，进行五次挤压，挤压速率为1.5cm/min，变形程度2％。
(8)对五次挤压坯件进行表面清理与除油，放入密封保温装置中进行液氮冷却反淬火处理，时间3小时。
(9)对凸模、凹模表面进行除油处理，在将(8)中坯件放入凹模，进行精整形，变形程度0.5％，得到尺寸精度与表面质量满足要求的药型罩(图5)。
将本实施例制备的TU1纳米晶纯铜药型罩进行检测分析：平均晶粒尺寸320～400nm(图6)，抗拉强度520～535MPa，屈服强度为490～510MPa，延伸率13～17％，内锥角度偏差≤1.6′，表面粗糙度≤RaO.1μm。
实施例2
一种纳米晶纯铜药型罩挤压成形晶粒长大抑制方法，它具体包括以下步骤：
(1)采用如图1所示的药型罩挤压成形装置，以105mm口径药型罩为例，纯铜材料为T2，平均晶粒尺寸为540nm，计算得出挤压前的纳米晶纯铜坯料尺寸为φ50×65mm。
(2)将图1中的凹模冷却通道(图2所示)与液氮冷却系统进行连接，液氮受热液化从下往上流动(从图2冷却通道到图3冷却通道)，冷却凹模与凸模，在挤压试验之前进行液氮冷却2.5小时，液氮压力1MPa。
(3)在纯铜坯料、凸模、凹模表面涂抹润滑剂，将纯铜坯料放入凹模进行一次挤压，挤压速率为12cm/min，变形程度20％。
(4)对一次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹菜籽油润滑剂，进行二次挤压，挤压速率为10cm/min，变形程度15％。
(5)对二次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹菜籽油润滑剂，进行三次挤压，挤压速率为8cm/min，变形程度8％。
(6)对三次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹润滑剂，进行四次挤压，挤压速率为4cm/min，变形程度5％。
(7)对四次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹润滑剂，进行五次挤压，挤压速率为1cm/min，变形程度2％。
(8)对五次挤压坯件进行表面清理与除油，放入密封保温装置中进行液氮冷却反淬火处理，消除应力不均，冷却时间2小时。
(9)对凸模、凹模表面进行除油处理，再将(8)中坯件放入凹模，进行精整形，变形程度0.8％，得到尺寸精度与表面质量满足要求的药型罩。
将本实施例制备的T2纳米晶纯铜药型罩进行检测分析：平均晶粒尺寸310～440nm，抗拉强度550～590MPa，屈服强度为500～535MPa，延伸率12～14％，内锥角度偏差≤2′，表面粗糙度≤RaO.15μm。
实施例3
一种纳米晶纯铜药型罩挤压成形晶粒长大抑制方法，它具体包括以下步骤：
(1)采用如图1所示的药型罩挤压成形装置，以132mm口径药型罩为例，纯铜材料为T1，平均晶粒尺寸为810nm，计算得出挤压前的纳米晶纯铜坯料尺寸为φ60×80mm。
(2)将图1中的凹模冷却通道(图2所示)与液氮冷却系统进行连接，液氮受热液化从下往上流动(从图2冷却通道到图3冷却通道)，冷却凹模与凸模，在挤压试验之前进行液氮冷却3小时，液氮压力1.2MPa。
(3)在纯铜坯料、凸模、凹模表面涂抹菜籽油润滑剂，将纯铜坯料放入凹模进行一次挤压，挤压速率为15cm/min，变形程度20％。
(4)对一次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹菜籽油润滑剂，进行二次挤压，挤压速率为12cm/min，变形程度15％。
(5)对二次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹菜籽油润滑剂，进行三次挤压，挤压速率为10cm/min，变形程度10％。
(6)对三次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹菜籽油润滑剂，进行四次挤压，挤压速率为5cm/min，变形程度5％。
(7)对四次挤压坯件、凸模、凹模表面进行清理，重新涂抹菜籽油润滑剂，进行五次挤压，挤压速率为2cm/min，变形程度3％。
(8)对五次挤压坯件进行表面清理与除油，放入密封保温装置中进行液氮冷却反淬火处理，消除应力不均，冷却时间4小时。
(9)对凸模、凹模表面进行除油处理，再将(8)中坯件放入凹模，进行精整形，变形程度1％，得到尺寸精度与表面质量满足要求的药型罩。
将本实施例制备的T1纳米晶纯铜药型罩进行检测分析：平均晶粒尺寸540～610nm，抗拉强度530～550MPa，屈服强度为480～515MPa，延伸率15～18％，内锥角度偏差≤3′，表面粗糙度≤Ra0.2μm。
Claims (6)
1.一种纳米晶纯铜药型罩制备方法，其特征在于：将铜坯料进行连续5次挤压。
2.如权利要求1所述的纳米晶纯铜药型罩制备方法，所述挤压中第一次挤压速率为10～15cm/min，变形程度15%～35%；第二次挤压，挤压速率为8～12cm/min，变形程度10%～30%；第三次挤压速率为6～10cm/min，变形程度5%～20%；第四次挤压速率为3～6cm/min，变形程度3%～10%；第五次挤压速率为1～3cm/min，变形程度1%～3%。
3.如权利要求1或2所述的纳米晶纯铜药型罩制备方法，挤压前对模具进行液氮冷却1～3小时，液氮压力0.4～1.2MPa。
4.如权利要求1、2或3所述的纳米晶纯铜药型罩制备方法，所述第五次挤压后对坯件进行液氮冷却反淬火处理，冷却时间2～4小时。
5.如权利要求1-4任一所述的纳米晶纯铜药型罩制备方法，所述第五次挤压并冷却后进行精整形，变形程度0.5%～2%。
6.如权利要求1-5任一所述的纳米晶纯铜药型罩制备方法，按照以下步骤进行：
（1）采用药型罩挤压成形装置，根据药型罩产品尺寸与体积，以及纳米晶纯铜坯料变形极限达到75%，确定挤压前的纳米晶纯铜坯料尺寸φ40～φ60mm，进行备料；
（2）液氮冷却药型罩挤压成形装置1～3小时，液氮压力0.4～1.2MPa；
（3）在纯铜坯料、挤压成形装置表面涂抹润滑剂，将纯铜坯料放入挤压成形装置进行一次挤压，挤压速率为10～15cm/min，变形程度15%～30%；
（4）对一次挤压坯件、挤压成形装置表面进行清理，重新涂抹润滑剂，进行二次挤压，挤压速率为8～12cm/min，变形程度10%～20%；
（5）对二次挤压坯件、挤压成形装置表面进行清理，重新涂抹润滑剂，进行三次挤压，挤压速率为6～10cm/min，变形程度5%～10%；
（6）对三次挤压坯件、挤压成形装置表面进行清理，重新涂抹润滑剂，进行四次挤压，挤压速率为3～6cm/min，变形程度3%～5%；
（7）对四次挤压坯件、挤压成形装置表面进行清理，重新涂抹润滑剂，进行五次挤压，挤压速率为1～3cm/min，变形程度1%～3%；
（8）对五次挤压坯件进行表面清理与除油，放入密封保温装置中进行液氮冷却反淬火处理，释放、均化应力分布，冷却时间2～4小时；
（9）对挤压成形装置表面进行除油处理，再将（8）中坯件放入进行精整形，变形程度0.5%～2%。
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