CN108517477B - 一种深锥形铜药型罩组织超细晶化梯度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深锥形铜药型罩组织超细晶化梯度控制方法，包括挤压成形、再结晶热处理、高频冲击步骤，所述挤压成形采用多道次挤压；所述高频冲击敲击速度15000～40000次/分，敲击力1200～2000N，次数1～3次。本发明控制技术实现深锥形药型罩成形与表面质量控制；改善材料的塑性，并得到细晶组织；在药型罩内表层形成沿厚度方向分布的超细晶梯度组织。通过该方法获得沿药型罩厚度方向分布的超细晶梯度组织，且沿母线方向组织分布均匀，为高性能深锥形铜药型罩的研制提供了一种新的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及金属塑性成形技术领域，尤其涉及一种深锥形铜药型罩组织超细晶化梯度控制方法。
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，射流最终在轴向会断裂成一段段的枣核状颗粒，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。结果表明，药型罩的晶粒尺寸、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，尤其是纳米晶尺寸效应引起科技工作者的高度重视。
目前，制造药型罩的材料主要有：纯铜、纯铁、贫铀、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大尺寸药型罩(口径大于150mm)，平均晶粒尺寸30～60μm，破甲侵彻威力不到8倍装药口径，不能有效打击新一代反应装甲、陶瓷装甲、复合装甲等坚固目标(防护能力在11～13倍装药口径)，制备超细晶药型罩已成为发展大威力破甲战斗部的关键技术之一。
从连续射流长度与侵彻威力之间的关系，以及金属材料晶界理论出发，药型罩晶粒组织由微米尺度到纳米，能提高各向同性、屈强比、延展性，进一步提升战斗部的毁伤威力。现有大塑性变形技术以常规挤压或锻造、换向轧制、等通道挤压方法为主，该工艺存在以下缺点：一是晶粒尺寸不均匀，在变形弱区或剧烈变形区存在混晶组织；二是轧制板材的各向异性大；三是等通道挤压纳米晶材料的收得率低、性能一致性差；四是通过单一工艺，制备纳米晶工序长、工艺复杂；五是药型罩内表层形成有效射流主体，占总体重量的20％左右，制备整体纳米晶药型罩成本昂贵。根据药型罩射流的速度梯度效应，本申请提供了一种深锥形铜药型罩组织超细晶化梯度控制方法。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种深锥形铜药型罩组织超细晶化梯度控制方法，主要包括多道次挤压成形、再结晶热处理、高频冲击梯度化、精整形处理等步骤(图1)，使制备的药型罩沿厚度方向形成梯度分布、内层晶粒组织超细晶化，且尺寸精度高、几何对称性好，能显著提升破甲战斗部药型罩的侵彻能力和稳定性。
本发明是通过下列技术方案实现：
一种深锥形铜药型罩组织超细晶化梯度控制方法，包括挤压成形、再结晶热处理、高频冲击步骤，所述挤压成形采用多道次挤压；所述高频冲击敲击速度30000～40000次/min，敲击力1600～2000N，次数1～3次。
为了进一步减小圆周壁厚差，所述多道次挤压是在三向压应力和变形速率为2～5mm/s的作用下，经过4～8道次的挤压变形，每道次的变形量在5～30％。
为了消除挤压变形的纤维状组织，所述再结晶热处理是在真空热处理炉中保温温度180～220℃，保温时间45～75min，真空度≥2×10-3Pa。
为了提高组织均匀性和材料的塑性成形性能，在挤压成形前进行退火处理，退火温度400～450℃，退火时间1.5～2h，再随炉冷却至100℃以下出炉，真空度≥2×10-3Pa。
一种深锥形铜药型罩组织超细晶化梯度控制方法，经过下列工艺步骤实现：
(1)坯料制备：依据深锥形铜药型罩成形件图，计算材料体积，并依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，选取合适的坯料尺寸，根据塑性成形体积不变原理切取相应的铜棒材长度，铜棒材的直径φ60～90mm，材料牌号可以是TU1、TU2、T2、T3等；将坯料放入真空热处理炉进行退火处理，退火温度400～450℃，退火时间1.5～2h，再随炉冷却至100℃以下出炉，真空度≥2×10-3Pa，获得均匀的组织，提高材料的塑性成形性能。
(2)多道次挤压成形：将步骤(1)所得的坯料放入挤压模具型腔内，在三向压应力和变形速率为2～5mm/s的作用下，经过4～8道次的挤压变形，每道次的变形量在5～30％。
在成形过程中坯料表面和模具型腔内表面涂布润滑剂。圆周壁厚差≤0.1mm。
(3)再结晶热处理：将步骤(2)获得的深锥形铜药型罩放入真空热处理炉中，保温温度180～220℃，保温时间45～75min,真空度≥2×10-3Pa；
深锥形铜药型罩平均晶粒尺寸2.8～10μm。
(4)高频冲击梯度化：将步骤(3)所得的锥形药型罩在高频振动敲击设备上进行内表层细晶化处理，敲击速度30000～40000次/分，敲击力1600～2000N，次数1～3次。
(5)精整形：将步骤(4)所得的锥形药型罩放入挤压模具模腔内，在三向压应力和变形速率为1～3mm/s的作用下，经过1～4道次的精整形，每道次的变形量≤2％。
锥形药型罩内锥角度偏差≤2′、圆周壁厚差≤0.08mm、表面粗糙度达到Ra0.1μm。
所述步骤(2)中4～8道次的挤压变形，根据深锥形药型罩的口径尺寸、内锥角度、内锥深度、壁厚等形状结构特点，设计所需的变形道次等工序，尺寸规格小、形状简单的零件挤压变形道次少，相同口径药型罩内形为单锥角比双锥角的变形道次少。
所述步骤(2)中变形量为5～30％，根据变形道次和零件结构特点，合理分配每道次的变形量，随变形道次的增加道次变形量降低，通过阶梯变形量控制药型罩的塑性成形。
所述步骤(2)中润滑剂，包括茶油、精冲油、蓖麻油、菜籽油等常用润滑剂中一种或几种混合，在每道次成形过程中涂布在坯料、模具型腔表面，减少坯料与模具接触面间的摩擦力，提高成形过程中金属的流动性，并改善成形构件的表面质量。
所述步骤(4)中1～3次的高频冲击，根据药型罩壁厚、晶粒尺寸等参数，确定高频冲击处理次数。
所述步骤(5)中1～4道次的精整形，根据药型罩形状、口径等参数，确定精整形次数。
有益效果
本发明控制技术实现深锥形药型罩成形与表面质量控制；改善材料的塑性，并得到细晶组织；在药型罩内表层形成沿厚度方向分布的超细晶梯度组织。通过该方法获得沿药型罩厚度方向分布的超细晶梯度组织，且沿母线方向组织分布均匀，为高性能深锥形铜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构件内部组织形态单一，组织分布不均等技术难题，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。
(1)产品性能好。采用高频冲击细晶化，药型罩内层组织致密度提高，晶粒组织梯度化，药型罩射流在高温、高压作用下稳定性、延展性更强。
(2)产品尺寸一致性好。深锥形药型罩锥度角度偏差≤2′、圆周壁厚差≤0.05mm、表面粗糙度达到Ra0.1μm。
(3)产品材料利用率高。深锥形药型罩外表面仅留0.2～0.4mm的机械切削加工余量，内表面完全不加工，可以显著提高锥形药型罩材料利用率。
(4)产品质量有效控制。通过窄规格控制变形道次、变形量、温度与时间等工艺参数，获得所需的组织结构，实现零件产品质量的有效性控制，提高产品的稳定性与一致性。
附图说明
图1药型罩制备工艺流程图
图2紫铜坯料的晶粒组织(金相显微镜放大50倍，平均晶粒尺寸约为210μm)
图3双锥药型罩多道次挤压成形工序图
图4再结晶处理后的显微组织(金相显微镜放大500倍，平均晶粒尺寸约为6μm)
图5药型罩沿厚度方向的梯度晶粒组织：(a)梯度组织分布，(b)离内壁厚0.5mm处组织约3μm，(c)离内壁厚0.2mm处组织约0.6μm。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)坯料的准备：以内腔形状是双锥结构的变壁厚药型罩为例，药型罩口径尺寸为φ165mm、高度178mm、内锥深度142mm、壁厚2.4～3.2mm，药型罩的顶部小锥角36°、大锥角64°，大锥角与小锥角之间过渡圆弧为R220mm；依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，在药型罩外表面留0.3mm的加工余量，并在药型罩锥顶设计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、高度55mm的坯料；该T2紫铜棒材的杂质元素含量如表1所示：
表1 T2铜棒材的杂质元素含量
将坯料在VQG-2500型智能控温真空热处理炉中420±1℃保温1.5小时，真空度为1.5×10-3Pa，保温热处理后进行随炉冷却至80℃出炉，以获得成分、组织均匀的坯料，硬度HB35～38，平均晶粒尺寸约为210μm，如图2所示。
(2)多道次挤压成形：将步骤(2)所得的坯料放入挤压模具模腔内，在三向压应力和一定的变形速率作用下，经过7道次的挤压变形，获得锥形药型罩构件，成形工序如图3所示，每道次变形量分配如表2所示。多道次挤压成形模具包括凹模系统、凸模系统、顶出系统，多道次挤压成形设备为1600吨的液压机，液压机的变形速率2～5mm/s，挤压模具的凹模系统安装在液压机的工作台面上，顶出系统与液压机的顶出机构相连接，凸模系统和液压机的工作滑块相连接，通过液压机的工作滑块带动挤压凸模进行挤压成形，挤压凸模与挤压凹模配合使坯料处于三向应力状态。第1道次为坯料的大变形开坯成形，获得锥形坯；后续2-6道次成形为扩孔挤压成形(变形量小于30％)，使药型罩的壁部逐渐减薄，随着挤压道次增加加工硬化效应增强，变形量逐渐减小；最后1道次为终成形，提高成形件的尺寸精度与尺寸稳定性，变形量一般小于10％。经过多道次挤压变形后，获得所需形状、尺寸、表面质量以及具有一定力学性能的锥形药型罩。
表2挤压变形工艺参数等
(3)再结晶热处理：将步骤(2)获得的锥形药型罩放入真空热处理炉中，在210℃条件下保温60min，通过再结晶处理进行晶界优化，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，药型罩平均晶粒尺寸约6μm，如图4所示。
(4)高频冲击梯度化：将步骤(3)所得的锥形药型罩在高频振动敲击设备上进行内表层细晶化处理，敲击速度32000次/分，敲击力1500N，次数2次。
(5)精整形：将步骤(4)所得的构件放入挤压模具模腔内，在三向压应力和变形速率为1mm/s的作用下，经过2道次的精整形，每道次的变形量约1％。
锥形药型罩圆周壁厚差0.02～0.07mm、内表面粗糙度Ra0.03～0.1μm、锥角度偏差≤2′。
将上述得到的药型罩，采用金相显微方法分析晶粒尺寸分布(表3)，沿药型罩壁厚方向形成梯度细晶组织，离内壁厚度0.8mm处平均晶粒尺寸约3μm，离内壁厚度0.2mm处平均晶粒尺寸约0.6μm。
表3药型罩沿厚度、母线方向的晶粒组织分布
| 离内表面距离 | 0.2mm | 0.4mm | 0.6mm | 0.8mm | 1mm |
| 1-小锥 | 0.61 | 1.0 | 1.9 | 2.7 | 4.5 |
| 2-圆弧 | 0.56 | 1.2 | 1.8 | 3.1 | 5.1 |
| 3-大锥 | 0.68 | 1.3 | 2.1 | 3.2 | 4.8 |
| 4-口部 | 0.75 | 1.1 | 1.9 | 2.8 | 5.2 |
| 平均值 | 0.65 | 1.15 | 1.93 | 2.95 | 4.9 |
实施例2
(1)坯料的准备：以内腔形状是单锥结构的等壁厚药型罩为例，药型罩口径尺寸为φ156mm、高度162mm、内锥深度148mm、最大壁厚3.2mm，内锥角60°，依据塑性加工成形理论与近均匀塑性变形原理，在多道次挤压药型罩成形件外表面留0.4mm的加工余量，并在药型罩成形件顶部设计φ20mm的成形工艺凸台；采用UG、DEFORM软件对成形过程进行模拟，并计算出坯料的体积，选取φ60mm的拉制T2铜棒为原材料，下料并车削外表面制成直径58mm、高度80mm的坯料。将坯料在VQG-2500型智能控温真空热处理炉中400±1℃保温2小时，真空度为1.5×10-3Pa，保温热处理后进行随炉冷却至80℃出炉。
获得成分、组织均匀的坯料，硬度HB32～35，Cu晶粒尺寸约为70μm。
(2)多道次挤压成形：将步骤(1)所得的坯料放入挤压模具模腔内，在三向压应力和一定的变形速率作用下，经过6道次的挤压变形，每道次变形量分配如表4所示。多道次挤压成形模具包括凹模系统、凸模系统、顶出系统，多道次挤压成形设备为1600吨的液压机，液压机的变形速率2～5mm/s，挤压模具的凹模系统安装在液压机的工作台面上，顶出系统与液压机的顶出机构相连接，凸模系统和液压机的工作滑块相连接，通过液压机的工作滑块带动挤压凸模进行挤压成形，挤压凸模与挤压凹模配合使坯料处于三向应力状态。第1道次为坯料的大变形开坯成形，获得锥形坯；后续2-5道次成形为扩孔挤压成形(变形量小于30％)，使药型罩的壁部逐渐减薄，随着挤压道次增加加工硬化效应增强，变形量逐渐减小；最后1道次为终成形，提高成形件的尺寸精度与尺寸稳定性，变形量一般小于10％。经过多道次挤压变形后，获得所需形状、尺寸、表面质量以及具有一定力学性能的锥形药型罩。
表4道次变形量等参数
(3)再结晶热处理：将步骤(2)获得的锥形药型罩放入真空热处理炉中，在200℃条件下保温60min，通过再结晶处理进行晶界优化，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，药型罩平均晶粒尺寸约4μm。
(4)高频冲击梯度化：将步骤(3)所得的锥形药型罩在高频振动敲击设备上进行内表层细晶化处理，敲击速度35000次/分，敲击力2000N，次数3次。
(5)精整形：将步骤(4)所得的构件放入挤压模具模腔内，在三向压应力和变形速率为2mm/s的作用下，经过1道次的精整形，道次的变形量约1％。
锥形药型罩圆周壁厚差0.02～0.05mm、内表面粗糙度Ra0.01～0.08μm、锥角度偏差≤1′。
将上述得到的药型罩，采用金相显微方法分析晶粒组织尺寸分布(表5)，沿药型罩壁厚方向形成梯度细晶组织，离内壁厚度0.8mm处平均晶粒尺寸约2μm，离内壁厚度0.2mm处平均晶粒尺寸约0.2μm。
表5药型罩沿厚度、母线方向的晶粒组织分布
| 离内表面距离 | 0.2mm | 0.4mm | 0.6mm | 0.8mm | 1mm |
| 1-小锥 | 0.15 | 0.47 | 1.1 | 1.7 | 2.4 |
| 2-圆弧 | 0.20 | 0.54 | 1.4 | 1.8 | 2.8 |
| 3-大锥 | 0.18 | 0.72 | 1.2 | 2.1 | 2.7 |
| 4-口部 | 0.24 | 0.58 | 1.5 | 1.9 | 2.9 |
| 平均值 | 0.19 | 0.58 | 1.30 | 1.88 | 2.7 |
结果表明：
采用多道次的挤压成形的累积大变形控制技术实现深锥形药型罩成形与表面质量控制；通过静态再结晶处理，改善材料的塑性，并得到细晶组织；应用高频冲击细晶化技术，在药型罩内表层形成沿厚度方向分布的超细晶梯度组织。通过该方法获得药型罩圆周壁厚差0.02～0.07mm、内表面粗糙度Ra0.01～0.1μm、锥角角度偏差≤2′，且内部组织结构具有超细晶梯度化，有效充分利用细晶材料的物理特性；通过X射线照相表明，比传统工艺药型罩的射流断裂时间延长约6％，有效射流长度增加约10％，准直性更好。采用实施例1制备的药型罩进行静破甲试验，能有效穿透1450mm厚的均质钢靶，比传统成形工艺药型罩侵彻深度提高200mm以上。
Claims (2)
1.一种深锥形铜药型罩组织超细晶化梯度控制方法，包括坯料准备、退火处理、多道次挤压成形、再结晶热处理、高频冲击、精整形步骤，所述挤压成形采用多道次挤压；所述高频冲击敲击速度30000～40000次/分，敲击力1600～2000N，次数1～3次；
所述多道次挤压是在三向压应力和变形速率为2～5mm/s的作用下，经过4～8道次的挤压变形，每道次的变形量在5～30%；所述再结晶热处理是在真空热处理炉中保温温度180～220℃，保温时间45～75min。
2.如权利要求1所述的深锥形铜药型罩组织超细晶化梯度控制方法，包括以下步骤：
（1）坯料制备：选取铜棒材，铜棒材的直径φ60～90mm，材料牌号是TU1、TU2、T2或T3；
（2）将坯料放入真空热处理炉进行退火处理，退火温度400～450℃，退火时间1.5～2h，再随炉冷却至100℃以下出炉，真空度≥3×10-3Pa；
（3）多道次挤压成形：将步骤（2）所得的坯料放入挤压模具型腔内，在三向压应力和变形速率为2～5mm/s的作用下，经过4～8道次的挤压变形，每道次的变形量在5～30%；
（4）再结晶热处理：将步骤（3）获得的深锥形铜药型罩放入真空热处理炉中，保温温度180～220℃，保温时间45～75min；
（5）高频冲击梯度化：将步骤（4）所得的锥形药型罩在高频振动敲击设备上进行内表层细晶化处理，敲击速度30000～40000次/分，敲击力1600～2000N，次数1～3次；
（6）精整形：将步骤（5）所得的锥形药型罩放入挤压模具模腔内，在三向压应力和变形速率为1～3mm/s的作用下，经过1～4道次的精整形，每道次的变形量≤2%。
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