CN113916063A - 穿甲弹头及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种穿甲弹头及其制造方法，其中，穿甲弹头外形为由圆锥或棱锥的顶锥和连接于顶锥下部的平台构成，包括弹芯和与弹芯呈一体化的外壳，外壳至少包裹部分弹芯，顶锥由外壳形成，弹芯由钨或钨合金制成，外壳由锆基非晶合金制成，锆基非晶合金包含不低于85％体积百分比的非晶相且化学式为ZraCubNicAld，其中，57.6≤a≤65.12，13.2≤b≤19.36，9.24≤c≤15.84，8≤d≤12，且a+b+c+d＝100。采用具有高塑性、高强度和高硬度的锆基非晶合金作为外壳材料，其抑制结晶能力强，具有较宽的过冷液相区，较高的玻璃化转变温度和晶化温度，热稳定较高。锆基非晶合金具有良好的自锐性，使穿甲弹头具有较高的攻击性能，且包覆由钨或钨合金制成的弹芯可使得穿甲弹头实现较大的飞行速度。
Description
技术领域
本发明涉及枪弹技术领域，尤其涉及一种高攻击性能的生态环保的穿甲弹头及其制造方法。
背景技术
由于穿甲弹达到攻击效果的一个重要特点是要达到足够的重量，才能使弹头保持足够的飞行距离和动能。为了达到高重量，较多的弹头采用铅制材料外面包裹铜制外壳，铅材料通常会导致环境污染，其不环保，铜制外壳由于材质较软，在弹头与被攻击物接触时瞬间变形，没有起到攻击作用。国外为保持大的攻击性，多采用贫铀合金穿甲弹芯，贫铀弹会引发放射性效果，对环境生态有巨大影响。
目前也有采用非晶合金用于穿甲弹头，利用非晶合金的自锐性去提高穿甲弹的攻击效果。但是多数的非晶合金都不能兼顾塑性和力学性能，通常在提高强度时，非晶合金的塑性变形能力变得极差，加工性能较差，因而通常非晶合金难以和其他的金属材料进行复合而实现一体化。而且非晶合金在热力学上属于亚稳态材料，在将非晶合金材料通过浇铸、压铸、吸铸等方式加工成穿甲弹头时，由于温度升高，会发生玻璃化转变，进而发生晶化反应，以致非晶合金的力学性能降低，尤其是强度和硬度性能显著下降，最终削弱穿甲弹的攻击性能。
发明内容
本发明旨在提供一种新的穿甲弹头及其制造方法，采用一种特殊的非晶合金材料，其既具有较佳的塑性加工性能，而且又能维持较高的强度，从而提高穿甲弹头的攻击性能。
为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种穿甲弹头，外形为由圆锥或棱锥的顶锥和连接于所述顶锥下部的平台构成，包括弹芯和与所述弹芯呈一体化的外壳，所述外壳至少包裹部分所述弹芯，所述顶锥由所述外壳形成，所述弹芯由钨或钨合金制成，所述外壳由锆基非晶合金制成，所述锆基非晶合金包含不低于85％体积百分比的非晶相且化学式为ZraCubNicAld，其中57.6≤a≤65.12，13.2≤b≤19.36，9.24≤c≤15.84，8≤d≤12，且a+b+c+d＝100。
与现有技术相比，本发明采用一种特殊的锆基非晶合金作为外壳材料，此材料选用Zr、Cu、Ni和Al，并控制此四种金属为一定的摩尔比，通过成分设计而控制泊松比，从而得到一种具有高塑性、高强度和高硬度的锆基非晶合金，此锆基非晶合金材料抑制结晶能力强，具有较宽的过冷液相区，较高的玻璃化转变温度和晶化温度，热稳定较高，即使加热也难以发生玻璃化转变和晶化反应，依然能维持锆基非晶合金优异的力学性能。且在过冷液相区下加热呈现牛顿粘性流体状可表现出优良的塑性，有利于塑性加工，因而通过加热呈牛顿粘性流体状的锆基非晶合金采用浇铸、压铸、吸铸包裹弹芯就可得到一体化的穿甲弹头。再者，本发明的穿甲弹头为由钨或钨合金制成的弹芯和ZraCubNicAld非晶合金制成的外壳一体复合而成，钨或钨合金的高密度材料的使用可维持穿甲弹头飞行的平稳性，ZraCubNicAld非晶合金具有优异的力学性能，在高速载荷作用下具有高动态断裂韧性和高硬度特性，在侵彻金属时具有良好的自锐性，因而制成的穿甲弹头具有较高的攻击性能，且采用非晶材料包覆由钨或钨合金制成的弹芯可使得穿甲弹头实现较大的飞行速度。
本发明第二方面提供了穿甲弹头的制造方法，包括依次的如下步骤：
(1)将所述锆基非晶合金于过冷液相区内加热成牛顿粘性流体状；
(2)将所述弹芯置于模具中，通过呈牛顿粘性流体状的锆基非晶合金采用浇铸、压铸或吸铸方式包裹弹芯。
本发明将锆基非晶合金于过冷液相区内加热，锆基非晶合金在过冷液相区下呈现牛顿粘性流动状态或近似的牛顿粘性流动状态而表现出优良的塑性的特点以利于包裹结构复杂的弹芯，且于过冷液相区内加热，对材料的应力应变状态的影响较小，因而不会影响锆基非晶合金的力学性能，故与弹芯一体复合之后仍然能维持其良好的自锐性，因而制成的穿甲弹头具有较高的攻击性能。
附图说明
图1为本发明第一种形式的穿甲弹头的截面示意图。
图2为本发明第二种形式的穿甲弹头的截面示意图。
图3为本发明第三种形式的穿甲弹头的截面示意图。
图4为本发明第四种形式的穿甲弹头的截面示意图。
图5为本发明第五种形式的穿甲弹头的截面示意图。
图6为本发明第六种形式的穿甲弹头的截面示意图。
图7为本发明第七种形式的穿甲弹头的截面示意图。
图8为本发明第八种形式的穿甲弹头的截面示意图。
图9为本发明第九种形式的穿甲弹头的截面示意图。
图10为本发明第十种形式的穿甲弹头的截面示意图。
图11为本发明第十一种形式的穿甲弹头的截面示意图。
具体实施方式
本发明的第一方面提供了一种穿甲弹头，外形为由圆锥或棱锥的顶锥和连接于顶锥下部的平台构成，包括弹芯和与弹芯呈一体化的外壳，外壳至少包裹部分弹芯，顶锥由外壳形成，弹芯由钨或钨合金制成，外壳由锆基非晶合金制成，锆基非晶合金包含不低于85％体积百分比的非晶相且化学式为ZraCubNicAld，其中57.6≤a≤65.12，13.2≤b≤19.36，9.24≤c≤15.84，8≤d≤12，且a+b+c+d＝100，非晶相的比例通过计算热焓来确定的。此锆基非晶合金的玻璃转变温度在640～662K，晶化温度在740～750K，过冷液相区的宽度在80～105K。通过将配方量的金属Zr、Cu、Ni和Al混合后熔炼得铸锭，再融化后吸铸而得。优选的，锆基非晶合金为不低于85％体积百分比的非晶相的Zr59.63Cu18Ni12.37Al10、Zr60.3Cu15.75Ni13.95Al10、Zr58.96Cu16.72Ni12.32Al12、Zr58.96Cu17.6Ni11.44Al12或Zr59.84Cu17.6Ni10.56Al12。其中，钨合金为钨钼合金、钨铌合金或钨镍合金。钨合金可以由MIM、PIM、数控加工、熔模铸造、砂型铸造、锻造等方式获得。弹芯可通过化学方式(如PVD、CVD)或物理方式(如喷砂、拉丝)进行表面处理。
穿甲弹头可为多种结构方式。如方式一，弹芯为规则结构，具体为圆柱体结构且母线与顶锥的中心线重合，或，弹芯为棱柱、锥台、棱锥或圆锥结构，且中心线与顶锥的中心线重合。如方式二，弹芯为不规则结构，弹芯包括基体和连接于基体的突出部，突出部位于基体面向顶锥的一侧，基体被位于平台的外壳包裹，部分突出部被位于顶锥的外壳包裹。如方式三，弹芯为不规则结构，且弹芯包括基体和连接于基体的突出部，突出部位于基体远离顶锥的一侧，突出部被位于平台的外壳包裹，部分基体被位于顶锥的外壳包裹。如方式四，弹芯为不规则结构，且弹芯包括基体和连接于基体的突出部，至少部分突出部或基体伸出外壳，因部分弹芯露出于非晶合金的外壳之外，一体化弹头的飞行平稳度可以有效提高。如方式五，弹芯为不规则结构，且弹芯包括基体和连接于基体的突出部，基体和/或突出部的外表面设有供外壳嵌入的凹槽。将弹芯分为基体和突出部两部分，且基体和突出部沿顶锥的中心线方向呈轴向排列，可以使弹芯和外壳更有效的结合在一起，增加一体化弹头攻击的整体效果，提高一体化弹头的飞行稳定性。
如图1～11所示，穿甲弹头100的外形为由圆锥或棱锥的顶锥31和连接于顶锥31下部的平台33构成，包括弹芯10和与弹芯10呈一体化的外壳30，外壳30至少包裹部分弹芯10，顶锥31由外壳30形成，意味着穿甲弹头100于顶锥31处的轮廓由外壳30构成。
具体的，如图1和图2所示的穿甲弹头100皆为方式一的穿甲弹的结构，如图1所示，弹芯10可为圆柱体或四棱柱结构，圆柱体的母线与顶锥31的中心线重合，平台33为棱柱结构，且平台33的上表面与顶锥31的底面同尺寸，如图2所示，弹芯10为棱锥或圆锥结构，且中心线与顶锥31的中心线重合，当顶锥31为圆锥时，平台33为与圆锥同直径的圆柱体，当顶锥31为棱锥时，且沿顶锥31的中心线方向，平台33的尺寸大于顶锥31的尺寸。
如图3～11所示，弹芯10包括基体13和连接于基体13的突出部11。具体的，如图3和4所示，其为方式二的结构，突出部11位于基体13面向顶锥31的一侧，基体13被位于平台33的外壳30包裹，部分突出部11被位于顶锥31的外壳10包裹。弹芯10全部为外壳30所包裹，即钨芯全部被包裹于非晶合金之中，一体化穿甲弹头100的表面平整度最高，穿甲弹头的飞行速度可以实现最大化。作为一种变换方式，如图5和6所示，其为方式三的结构，突出部11位于基体13远离顶锥31的一侧，突出部11被位于平台33的外壳30包裹，部分基体13被位于顶锥31的外壳30包裹，因而基体13介于突出部11和顶锥31之间，弹芯10全部为外壳30所包裹。作为另一种变换方式，如图7和8所示，其为方式四的结构，如图7所示，外壳30仅位于穿甲弹头100的顶锥31部分，外壳30仅包裹突出部11，而基体13完全裸露于外。也可如图8所示，基体13介于突出部11和顶锥31之间，基体13完全被外壳30包裹，突出部11部分被外壳30包裹，而另一部分裸露于外壳30的外部。这两种结构由于部分弹芯10露出于非晶合金的外壳30之外，一体化穿甲弹头100的飞行平稳度可以有效提高。为了使钨芯弹芯10与非晶合金外壳30更有效的结合在一起，增加一体化穿甲弹头100攻击的整体效果，提高一体化穿甲弹头100的飞行稳定性，如图9～11所示，其为方式五的结构，可于基体13和/或突出部11的外表面设有供外壳30嵌入的凹槽50。
作为本发明的第二方面提供了穿甲弹头的制造方法，包括依次的如下步骤：
(1)将锆基非晶合金于过冷液相区内加热成牛顿粘性流体状；
(2)将弹芯置于模具中，通过呈牛顿粘性流体状的锆基非晶合金采用浇铸、压铸或吸铸方式包裹弹芯。
通过呈牛顿粘性流体状的锆基非晶合金采用浇铸、压铸或吸铸方式包裹弹芯而一体化的穿甲弹头中，可使锆基非晶合金和弹芯结合得更紧密。
为了进一步说明本发明的穿甲弹头的攻击效果，下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案，本发明的实施例所涉及的原料均可通过市售而获得。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
实施例1
将原料的纯度为99.9％(重量百分比)的Zr、Cu、Ni和Al组分按摩尔比59.63:18:12.37:10配料混合后，在钛吸附的氩气氛的电弧炉中经反复熔炼，冷却得铸锭，再将铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将熔体吸入水冷铜模，即得块状的直径为5mm的Zr59.63Cu18Ni12.37Al10非晶合金。
将此Zr59.63Cu18Ni12.37Al10非晶合金通过X射线衍射(XRD)测试可证明其无金属相，为完全的非晶态合金，通过热分析(DSC和DTA)测试，其玻璃化转变温度(Tg)、晶化开始温度(Tx)，以及过冷液相区的宽度(Tx-Tg)分别为661K、745K、102K。通过应力应变测试仪所得塑性真应变为200％，强度高达1700MPa。
采用如图3所示结构的穿甲弹头，其中，弹芯10采用钨钼合金制成并通过喷砂处理后置于模具中，将锆基非晶合金于662～700K内加热成牛顿粘性流体状，并采用浇铸方式包裹弹芯从而制造穿甲弹头一。
实施例2
将原料的纯度为99.9％(重量百分比)的Zr、Cu、Ni和Al组分按摩尔比60.3:15.75:13.95:10配料混合后，在钛吸附的氩气氛的电弧炉中经反复熔炼，冷却得铸锭，再将铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将熔体吸入水冷铜模，即得块状的直径为5mm的Zr60.3Cu15.75Ni13.95Al10非晶合金。
将此Zr60.3Cu15.75Ni13.95Al10非晶合金通过X射线衍射(XRD)测试可证明其无金属相，为完全的非晶态合金，通过热分析(DSC和DTA)测试，其玻璃化转变温度(Tg)、晶化开始温度(Tx)，以及过冷液相区的宽度(Tx-Tg)分别为662K、746K、84K。通过应力应变测试仪所得塑性真应变为200％，强度高达1700MPa。
采用如图3所示结构的穿甲弹头，其中，弹芯10采用钨钼合金制成并通过喷砂处理后置于模具中，将锆基非晶合金于663～700K内加热成牛顿粘性流体状，并采用浇铸方式包裹弹芯从而制造穿甲弹头二。
对比例1
采用如图1所示结构的穿甲弹头，其中，弹芯10采用铅材料制成并通过喷砂处理，外壳30采用铜材料制成。将铜材料通过磁控溅射沉积于铅芯表面获得一体化穿甲弹头三。
对比例2
将原料的纯度为99.9％(重量百分比)的Zr、Ti、Cu、Ni和Be组分按摩尔比41.25:13.75:12.5:10:22.5配料混合后，在钛吸附的氩气氛的电弧炉中经反复熔炼，冷却得铸锭，再将铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将熔体吸入水冷铜模，即得块状的直径为5mm的Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金。
将此Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.55非晶合金通过X射线衍射(XRD)测试可证明其无金属相，为完全的非晶态合金，通过热分析(DSC和DTA)测试，其玻璃化转变温度(Tg)、晶化开始温度(Tx)，以及过冷液相区的宽度(Tx-Tg)分别为635.6K、710.4K、74.8K。通过应力应变测试仪所得塑性真应变为50％，强度为1000MPa。
采用如图3所示结构的穿甲弹头，其中，弹芯10采用钨钼合金制成并通过喷砂处理后置于模具中，将Zr41.25Ti13.75Cu12.5Ni10Be22.55非晶合金于635～678K内加热成牛顿粘性流体状，并采用浇铸方式包裹弹芯从而制造穿甲弹头四。
将实施例1～2和对比例1～2的穿甲弹头一至四装入相同的穿甲弹中进行穿甲测试，其结果显示，相比较穿甲弹头三和四，穿甲弹头一和二射击的靶板厚度更厚，角度更大，距离更远。这是由于本发明的弹芯材料采用特殊的锆基非晶合金作为外壳材料，此材料选用Zr、Cu、Ni和Al，并控制此四种金属为一定的摩尔比，通过成分设计而控制泊松比，从而得到一种具有高塑性、高强度和高硬度的锆基非晶合金，且此锆基非晶合金材料抑制结晶能力强，具有较宽的过冷液相区，较高的玻璃化转变温度和晶化温度，热稳定较高，即使加热也难以发生玻璃化转变和晶化反应，依然能维持锆基非晶合金优异的力学性能。在制造如图3所示的穿甲弹头时，通过过冷液相区下加热呈牛顿粘性流体状的锆基非晶合金利用其优异的塑性加工性再采用浇铸方式可包裹弹芯，即使加热其也不会发生玻璃化转变和晶化反应，依然能维持锆基非晶合金优异的力学性能。
而对比例2虽然也为一种锆基非晶合金，但是其玻璃化转变温度和晶化开始温度皆较低，过冷液相区的宽度较窄，在过冷液相区内塑性能力较差且强度不高，通过加热呈牛顿粘性流体状采用浇铸方式包裹弹芯而制造如图3所示的一体化穿甲弹头时，易发生玻璃化转变和晶化反应，而致锆基非晶合金的力学性能变差，以致穿甲弹头的攻击性能不佳。
应当指出，以上具体实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求限定的范围。
Claims (9)
1.一种穿甲弹头，其特征在于，外形为由圆锥或棱锥的顶锥和连接于所述顶锥下部的平台构成，包括弹芯和与所述弹芯呈一体化的外壳，所述外壳至少包裹部分所述弹芯，所述顶锥由所述外壳形成，所述弹芯由钨或钨合金制成，所述外壳由锆基非晶合金制成，所述锆基非晶合金包含不低于85％体积百分比的非晶相且化学式为ZraCubNicAld，其中，57.6≤a≤65.12，13.2≤b≤19.36，9.24≤c≤15.84，8≤d≤12，且a+b+c+d＝100。
2.根据权利要求1所述的穿甲弹头，其特征在于，所述锆基非晶合金为Zr59.63Cu18Ni12.37Al10、Zr60.3Cu15.75Ni13.95Al10、Zr58.96Cu16.72Ni12.32Al12、Zr58.96Cu17.6Ni11.44Al12或Zr59.84Cu17.6Ni10.56Al12。
3.根据权利要求1所述的穿甲弹头，其特征在于，所述锆基非晶合金的玻璃转变温度在640～662K，晶化温度在740～750K，过冷液相区的宽度在80～105K。
4.根据权利要求1所述的穿甲弹头，其特征在于，所述锆基非晶合金通过将配方量的金属Zr、Cu、Ni和Al混合后熔炼得铸锭，再融化后吸铸而得。
5.根据权利要求1所述的穿甲弹头，其特征在于，所述钨合金为钨钼合金、钨铌合金或钨镍合金。
6.根据权利要求1所述的穿甲弹头，其特征在于，所述弹芯为圆柱体结构且母线与所述顶锥的中心线重合，或，所述弹芯为棱柱、锥台、棱锥或圆锥结构，且中心线与所述顶锥的中心线重合。
7.根据权利要求1所述的穿甲弹头，其特征在于，所述弹芯包括基体和连接于所述基体的突出部，所述突出部位于所述基体面向所述顶锥的一侧，所述基体被位于所述平台的所述外壳包裹，部分所述突出部被位于所述顶锥的所述外壳包裹。
8.根据权利要求1所述的穿甲弹头，其特征在于，所述弹芯包括基体和连接于所述基体的突出部，所述突出部位于所述基体远离所述顶锥的一侧，所述突出部被位于所述平台的所述外壳包裹，部分所述基体被位于所述顶锥的所述外壳包裹。
9.根据权利要求1～8任一所述的穿甲弹头的制造方法，其特征在于，包括依次的如下步骤：
(1)将所述锆基非晶合金于过冷液相区内加热成牛顿粘性流体状；
(2)将所述弹芯置于模具中，通过呈牛顿粘性流体状的锆基非晶合金采用浇铸、压铸或吸铸方式包裹弹芯。
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