CN111014542B

CN111014542B - 一种制备高钨高钴镍合金药型罩的方法及模具

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Publication number: CN111014542B
Application number: CN201911167140.7A
Authority: CN
Inventors: 郑磊; 赵鑫; 吕金娟; 刘洪亮
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: CN111014542A

Abstract

一种制备高钨高钴镍合金药型罩的方法及模具。合金组成：15～30wt.％的钴、25～45wt.％的钨、余量为镍。药型罩制备步骤如下：1)坯料准备；2)利用石棉和不锈钢板对坯料进行包套；3)将坯料加热至1000℃～1250℃保温30min～120min，放入预热的模具中，在液压机上进行模锻；4)将药型罩模锻件加热至900℃～1100℃，保温30min～90min退火。所述模具包括上模模体、下模模体、型腔、导位、阻流带、流边槽、弹簧；型腔下部、下模模体中心位置设置有定位孔；下模模体中心、型腔下方设置有通气孔兼顶出孔，通气孔贯穿下模模体；上模模体与下模模体的侧壁上设置有2～4个吊装孔；下模模体的中心、型腔的下方设置有镶块。通过本发明可获得成型良好、晶粒细小均匀及力学性能优异的高钨高钴镍合金药型罩，制造低成本低。

Description

一种制备高钨高钴镍合金药型罩的方法及模具

技术领域

本发明属于药型罩加工技术领域，涉及一种通过近等温热模锻的方式制备高钨高钴镍合金药型罩的方法。

背景技术

药型罩是聚能装药结构中形成射流或弹丸的主要元件。在聚能装药结构工作过程中，爆炸药产生的聚能效应使衬在聚能装药结构凹窝内的药型罩被压缩成为柱状的高速金属射流，聚能射流具有能量密度高和方向性强的特点，可以侵彻装甲、岩石等坚硬目标。研究表明，作为聚能效应的“最终执行者”，药型罩的几何外形、尺寸精度以及药型罩材料的密度、晶粒组织、力学性能等对形成射流的长度、速度和连续稳定性乃至射流最终的侵彻性能至关重要。

通常要求药型罩材料具有高钨高钴、高声速、高熔点、良好的动态延展性和适当的强度，尤其是高钨高钴材料可以大大提高射流的侵彻威力，所以高钨高钴是目前先进药型罩材料的主要发展方向。一种新研发的高钨高钴镍合金，不仅具有较高钨高钴、高声速、高熔点及良好的动态延展性，而且原材料及制备成本较低，非常适合制备高性能药型罩。

高钨高钴镍合金属于单相奥氏体合金，并且含有大量的合金化元素，其变形加工的特点有：1)合金属于单相合金，无法通过退火相变细化晶粒，必须通过变形来细化晶粒；2)冷变形时加工硬化率较高，单道次变形量不能太大，否则容易出现开裂现象；3)为了获得均匀细小的完全再结晶组织，必须在合金的动态再结晶温度以上进行压力加工，导致热变形时适宜变形的“窗口”温度区间相对较小；4)由于合金的再结晶激活能较高，动态再结晶温度较高。

目前常用的药型罩制备技术有：车削、热模锻、旋压、摆碾、冲压等。车削是将棒材直接车削成药型罩形状，操作简单，但是最终成品的内部组织无法得到改善，性能较差，并且材料利用率较低。旋压、冲压、摆碾成形药型罩也存在变形织构、内部组织不均匀、混晶、性能各向异性较大等缺点。热模锻成形，操作简单、工艺相对成熟、生产效率高、材料利用率高，是一种可行的药型罩制备工艺。需要注意的是，高钨高钴镍合金变形最大特点是抗力很大，因此热模锻成型时需加热至很高温度1000℃～1250℃，达到软化合金的目的。不过，药型罩属于薄壁零件，而且尺寸和体积相对于模具来说很小，因此在将合金坯料放至模具中后，坯料降温极快且降幅很大，导致热模锻成型中抗力剧增，成形困难，热塑性也急剧恶化，甚至模锻过程中断乃至模具破裂而危害操作人员，即使强行进行热模锻，最终得到的坯料也会出现变形不均匀、存在混晶组织等问题，造成合金成材率低。

热模锻常用的压力机有：锻锤、液压机、机械压力机、螺旋压力机，锻锤主要靠冲击载荷，对于高钨高钴镍合金药型罩模锻很难一次成形，多次锤击容易因震动导致坯料与模具偏移，乃至模具破裂伤害操作人员。机械压力机和螺旋压力机限于设备能力，设备载荷偏小，无法满足高钨高钴镍合金药型罩模锻成形要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够获得成型良好、晶粒细小均匀、力学性能优异、材料利用率高的高钨高钴镍合金药型罩的制备方法，满足高效药型罩使用要求和低成本制造要求。

实现本发明的技术方案：

一种制备高钨高钴镍合金药型罩的方法，其特征在于高钨高钴镍合金组成元素的质量百分比：25～45wt.％的钨、15～30wt.％的钴、余量为镍和不可避免的残余元素；通过近等温热模锻的方式制备药型罩，制备步骤如下：

1)从合金棒料上切取圆柱状坯料；

2)对坯料进行包套；

3)将坯料加热后放入预热的模具中进行模锻成形；

4)对药型罩模锻件进行退火处理。

进一步地，步骤2)所述包套过程，对坯料进行包套的步骤包括：

1)在坯料外层包裹一层起保温、隔热作用的硅酸铝纤维石棉毡，厚度为1mm～15mm；

2)在石棉毡外层包裹一层不锈钢或碳钢板材，厚度1mm～10mm；

3)采用氩弧焊的方法，将外层不锈钢包套焊合，避免变形过程开裂；

4)在包套最外层放置一个起定位作用的凸台，规格：

高度10mm～40mm，用点焊的方式固定。

进一步地，步骤3)所述模锻过程，模锻前将带有包套的坯料加热至1000℃～1250℃保温30min～120min。

进一步地，步骤3)所述模锻过程，模锻前将对模具进行预热，预热温度200℃～600℃。

进一步地，步骤3)所述模锻过程，模锻前在模具型腔表面涂抹一层润滑脂，润滑脂选用：石墨、二硫化钼、氮化硼。

进一步地，步骤3)所述模锻过程，变形设备采用液压快锻机。

进一步地，步骤4)所述退火热处理过程，在900℃～1100℃保温30min～90min，可以获得细小均匀的等轴晶组织。

一种近等温热模锻药型罩用开式模具，包括上模模体、下模模体、型腔、导位、阻流带、流边槽、弹簧；所述上模模体设置在下模模体的上方，所述型腔设置在上模模体与下模模体之间，所述型腔外缘在上模模体与下模模体间设置有阻流带与流边槽，所述上模模体与下模模体的侧面设置有固定方向用的导位，所述导位内部设置有弹簧。

进一步地，所述近等温热模锻药型罩用开式模具的型腔下部、下模模体设置有镶块、定位孔、通气孔；所述镶块为环形结构，镶块的材质为耐高温、高强的高温合金或特种陶瓷；所述定位孔设置在下模模体中心位置，用以保证坯料锻造前放置的位置为模具中心；所述通气孔贯穿下模模体。

进一步地，所述近等温热模锻药型罩用开式模具的上模模体与下模模体的材质为热作模具钢；上模模体与下模模体的侧壁上设置有2～4个吊装孔。

进一步地，所述的药型罩为圆锥形或圆缺形结构。

本发明提供了一种高钨高钴镍合金药型罩的制备方法，利用石棉和不锈钢/碳钢板对坯料进行包套，采用大吨位液压机及开式模具，实现了药型罩热模锻的顺利实施及高效制备，获得了晶粒均匀、性能良好的药型罩毛坯。同时，石棉和不锈钢板对坯料包套的简单方法，产生了从失败到成功的意想不到的效果。

本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：

1)本发明通过包套对坯料进行包覆，内层的石棉毡起到隔热保温的作用，外层的金属板材不仅隔绝空气，而且随坯料一起变形，不易脱落。使用包套的方式可以有效保证坯料在模锻过程中的温度，避免变形过程中因温降引起的抗力增加，属于近等温锻造，实现一次近净成形。

2)本发明在模锻过程中，采用大吨位液压机，变形过程中施加载荷平稳，坯料内部得到充分变形，充型良好，可实现一次成形，避免反复回炉升温导致的晶粒再次长大，保证获得晶粒细小均匀的内部组织。

3)本发明提供的热模锻模具为开式模具，避免了闭式模具由于应力集中导致模具炸裂，型腔边缘的阻流带、流边槽保证材料充分填充型腔，保证锻造成型效果；

4)热模锻模具通过定位孔、通气孔、导位的设置，保证材料放置在模具中心，模具运行位置不偏移，保证锻后零件具有良好的对称性；

5)热模锻模具通过设置导位弹簧，使得上模在锻后可迅速离开锻件，以及通过设置顶出孔，使用机械方式顶出锻件，减少锻件在模膛的停留时间，避免热锻件引起模膛温度升高，导致模具出现裂纹，降低模具使用寿命；

6)利用有限元模拟计算，优化了模具的机构，保证锻件各处变形均匀，无变形死区，可以获得外形良好、组织性能优异的高钨高钴的镍合金药型罩毛坯。

7)采用模锻成形的方式，可以获得充型良好、尺寸精度高的药型罩毛坯，并且在变形过程中材料内部组织得到改善，结合退火处理可以获得晶粒细小均匀的完全再结晶组织，是高钨高钴镍合金药型罩的理想加工方式。

附图说明

图1为未包套热模锻后严重畸形的药型罩毛坯。

图2为本发明实施例1～3中开式模具的结构示意图。其中，1-上模模体、2-下模模体、3-镶块、4-导位、5-流边槽、6-阻流带、7-定位孔、8-通气孔/顶出孔、9-弹簧、10-吊装孔、11-型腔。

图3为本发明实施例1～3中包套示意图。其中，12-高钨高钴镍合金；13-石棉毡；14-钢板；15-定位凸台；16-焊缝。

图4为本发明实施例1中获得的高钨高钴合金药型罩锻件。

图5为本发明实施例1中获得的高钨高钴合金药型罩锻件热处理后的晶粒组织。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述。

实施例1

一种圆缺形高钨高钴镍合金药型罩的制备过程如下：

1)制备药型罩用高钨高钴合金圆棒坯料，以线切割方式下料，高钨高钴合金以质量百分比计含有：35％钨和19％的钴、余量的镍和不可避免的杂质元素。

2)对坯料进行包套，操作过程如下：

(a)在坯料外层包裹一层硅酸铝纤维石棉毡，厚度为6mm；

(b)在石棉毡外层包裹一层不锈钢板材，厚度5mm；

(c)采用氩弧焊的方法，将外层不锈钢包套焊合；

(d)在包套最外层放置一个起定位作用的凸台，规格：

高度15mm，用点焊的方式固定在中心位置。

3)对模具进行预热，预热温度200℃；将带有包套的坯料加热至1100℃保温60min，在模具型腔表面涂抹一层耐高温润滑脂；

4)将坯料放入预热的下模模体(2)中，坯料中心的定位凸台对准下模模体(2)的定位孔(7)，使得坯料放置在下模模体(2)中心位置，然后将上模模体(1)放置在下模模体(2)上进行合模，导位保证上模模体(1)和下模模体(2)对中，利用1000吨的液压机施加载荷至模具压靠，金属充满型腔，通气孔/顶出孔(8)进行排气，多余金属通过阻流带(6)填充到流边槽(5)，锻造结束后通过弹簧(9)将上模模体(1)弹起，通过吊装孔(10)将上模模体(1)取下，通过通气孔/顶出孔(8)将锻件顶出，锻造结束，获得药型罩毛坯然后将坯料加热后放入预热的模具中在液压机上进行模锻成形。

5)将药型罩模锻件加热至1000℃保温60min进行退火热处理，然后空冷；

6)对药型罩锻件进行机械加工，获得表面、形状及尺寸满足要求的零件。

实施例2

一种圆缺形高钨高钴镍合金药型罩的制备过程如下：

1)制备药型罩用高钨高钴合金圆棒坯料，以线切割方式下料，高钨高钴合金以质量百分比计含有：34％钨和20％的钴、余量的镍和不可避免的杂质元素。

2)对坯料进行包套，操作过程如下：

(a)在坯料外层包裹一层硅酸铝纤维石棉毡，厚度为8mm；

(b)在石棉毡外层包裹一层不锈钢板材，厚度4mm；

(c)采用氩弧焊的方法，将外层不锈钢包套焊合；

(d)在包套最外层放置一个起定位作用的凸台，规格：

高度15mm，用点焊的方式固定在中心位置。

3)对模具进行预热，预热温度300℃；将带有包套的坯料加热至1150℃保温60min，在模具型腔表面涂抹一层耐高温润滑脂。

实施例3

一种圆缺形高钨高钴镍合金药型罩的制备过程如下：

1)制备药型罩用高钨高钴合金圆棒坯料，以线切割方式下料，高钨高钴合金以质量百分比计含有：36％钨和19％的钴、余量的镍和不可避免的杂质元素。

2)对坯料进行包套，操作过程如下：

(a)在坯料外层包裹一层硅酸铝纤维石棉毡，厚度为10mm；

(b)在石棉毡外层包裹一层不锈钢板材，厚度3mm；

(c)采用氩弧焊的方法，将外层不锈钢包套焊合；

(d)在包套最外层放置一个起定位作用的凸台，规格：

高度15mm，用点焊的方式固定在中心位置。

3)对模具进行预热，预热温度400℃；将带有包套的坯料加热至1200℃保温60min，在模具型腔表面涂抹一层耐高温润滑脂。

综上所述，本发明实施例提供了一种高钨高钴镍合金药型罩的制备方法，使用本方法药型罩成型良好，材料利用率高，内部组织均匀、晶粒细小、力学性能优异，可以满足高性能高钨高钴镍合金药型罩制备的需要，可以推广至其他难变形金属药型罩热模锻领域，填补国内空白。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，凡是利用本发明所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制备高钨高钴镍合金药型罩的方法，其特征在于高钨高钴镍合金组成元素的质量百分比：25~45wt.%的钨、15~30wt.%的钴、余量为镍和不可避免的残余元素；通过近等温热模锻的方式制备药型罩，具体步骤如下：

1）从合金棒料上切取圆柱状坯料；

2）对坯料进行包套；

3）将坯料加热后放入预热的模具中进行模锻成形；

4）对药型罩模锻件进行退火处理；

步骤2）所述包套过程，对坯料进行包套的步骤如下：

1）在坯料外层包裹一层起保温、隔热作用的硅酸铝纤维石棉毡，厚度为1mm~15mm；

2）在硅酸铝纤维石棉毡外层包裹一层不锈钢板材，厚度1mm~10mm；

3）采用氩弧焊的方法，将外层包裹的不锈钢板材焊合，避免变形过程开裂；

4）在包套最外层放置一个起定位作用的凸台，规格：φ5mm~15mm，高度10mm~40mm，用点焊的方式固定；

步骤4）所述退火处理过程，药型罩模锻件在900℃~1100℃保温30min~90min，可以获得细小均匀的等轴晶组织；

步骤3）所述模锻成形的过程如下：

将坯料放入预热的下模模体（2）中，坯料中心的定位凸台对准下模模体（2）的定位孔（7），使得坯料放置在下模模体（2）中心位置，然后将上模模体（1）放置在下模模体（2）上进行合模，导位保证上模模体（1）和下模模体（2）对中，利用液压机施加载荷至模具压靠，金属充满型腔，通气孔（8）进行排气，多余金属通过阻流带（6）填充到流边槽（5），锻造结束后通过弹簧（9）将上模模体（1）弹起，通过吊装孔（10）将上模模体（1）取下，通过通气孔（8）将锻件顶出，锻造结束，获得药型罩毛坯；

步骤3）所述模锻成形的过程，模锻前将带有包套的坯料加热至1000℃~1250℃保温30min~120min；

步骤3）所述模锻成形的过程，模锻前将对模具进行预热，预热温度100℃~600℃。

2.如权利要求1所述制备高钨高钴镍合金药型罩的方法，其特征在于：步骤3）所述模锻成形的过程，模锻前在模具型腔表面涂抹一层润滑脂，润滑脂选用：石墨、二硫化钼或氮化硼。

3.如权利要求1所述制备高钨高钴镍合金药型罩的方法，其特征在于：步骤3）所述模锻成形的过程，变形设备采用锻造液压机或液压快锻机。

4.如权利要求1所述方法用的一种近等温热模锻药型罩用开式模具，其特征在于所述模具，包括上模模体（1）、下模模体（2）、型腔（11）、导位（4）、阻流带（6）、流边槽（5）和弹簧（9），所述上模模体（1）设置在下模模体（2）的上方，所述型腔（11）设置在上模模体（1）与下模模体（2）之间，所述型腔（11）外缘在上模模体（1）与下模模体（2）间设置有阻流带（6）与流边槽（5），所述上模模体（1）与下模模体（2）的侧面设置有固定方向用的导位（4），所述导位（4）内部设置有弹簧（9）。

5.根据权利要求4所述的一种近等温热模锻药型罩用开式模具，其特征在于：所述型腔的下部在下模模体上设置有镶块（3）、定位孔（7）和通气孔（8）；所述镶块为环形结构，镶块的材质为耐高温、高强的高温合金或特种陶瓷；所述定位孔（7）设置在下模模体中心位置，用以保证坯料锻造前放置的位置为模具中心；所述通气孔（8）贯穿下模模体。

6.根据权利要求4所述的一种近等温热模锻药型罩用开式模具，其特征在于：所述上模模体与下模模体的材质为热作模具钢；上模模体与下模模体的侧壁上设置有2~4个吊装孔。