CN109055838A

CN109055838A - 一种高强韧的铝合金材料及其在制备弹壳方面的应用

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Publication number: CN109055838A
Application number: CN201811059092.5A
Authority: CN
Inventors: 范才河; 范语楠
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Hunan University of Technology
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2018-12-21

Abstract

本发明公开了一种高强韧的铝合金材料及其在制备弹壳方面的应用。所述铝合金材料的成分包括铜3.0~5.0wt.%，镁2.0~4.0wt.%，钛0.01~0.03wt.%，铬0.01~0.03wt.%，锆0.01~0.03wt.%、锰0.5~1.5wt.%和铝。本发明采用所述材料制得的弹壳具有轻质和强韧性的显著优点，能够耐弹腔内产生的瞬时高温、高压，发生弹性形变而不产生破裂，可承受400MPa的膛压和1000℃以上的瞬时高温，有效避免弹壳开裂、烧蚀现象，尤其适用于单兵轻武器子弹，弹头初速1200m/s以上，与钢弹壳相比较整体质量降低20%以上，各项参数达到军方使用标准，可成功替代目前使用的铜质、钢质弹壳，减轻武器重量。

Description

一种高强韧的铝合金材料及其在制备弹壳方面的应用

技术领域

本发明涉及枪弹技术领域，更具体地，涉及一种高强韧的铝合金材料及其在制备弹壳方面的应用。

背景技术

战场上，大口径武器作为大杀伤性武器，承担着压制敌方火力，摧毁敌方防御的重要武器，其打击范围、打击反应速度、打击强度在不断的提高。目前，所使用的大口径武器为强度高的钢质材料为弹壳，其重量大，携带不便，限制了重武器的机动性，特别是自动化武器，随车携带弹药，相同功率的车辆，载重量的减轻，可有效提高机动性。大口径弹药的轻量化，是提高大口径武器机动性的有效途径。

目前，采用轻量化技术得到轻质高效能弹壳己成为实现武器系统轻量化的主要途径和研究重点。一直以来，铝合金是用作替代铜质、钢质制造弹壳的主要材料。铝合金的原料丰富易得到，作为轻量化弹壳材料，可大幅度降低弹壳重量。可见，采用铝能减轻重量，而且可以使大携带量成为可能。

解决铝合金弹壳技术难题在于，寻找性能优异的铝合金材料，提高铝合金材料的强度、硬度，保证其具有良好的韧性和抗热蚀性。大口径武器在射击时膛压大，例如坦克的火炮膛压超过550MPa，远程火炮的膛压更高、射击时温度高；对弹壳强度、变形量、耐高温性能要求高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有铝合金材料的技术不足，尤其是作为弹壳材料的不足，提供一种高强韧的铝合金材料。

本发明要解决的另一技术问题是提供所述铝合金材料的应用，尤其是在弹壳材料方面的应用。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种高强韧的铝合金材料，其成分含有：

铜3.0～5.0wt.％，

镁2.0～4.0wt.％，

钛0.01～0.03wt.％，

铬0.01～0.03wt.％，

锆0.01～0.03wt.％，

其余部分包含铝和杂质Si、Fe元素。

进一步地，所述铝合金材料含有锰，其中锰0.5～1.5wt.％。

优选地，所述高强韧的铝合金材料，其成分包括：铜4.0wt.％、镁2.2wt.％、锰0.6wt.％、钛0.02wt.％、铬0.02wt.％、锆0.01wt.％，其余部分为铝。

以铝为基材，添加铜、镁为主要成分，以及微量的铬、钛、锆元素设计新型铝合金材料。主体铝元素的密度低，塑性好，可降低生产的弹壳重量，但纯铝的强度较低，不满足作为弹壳的强度要求。

进一步地，铜的固溶强化和时效强化效果，增加含铜量，提高合金的流动性，抗拉强度和硬度，使机械性能得以提高，切削性变好。

进一步地，镁提高抗拉强度和屈服极限，提高合金的切削加工性。

进一步地，钛的添加能够提高铝合金材料的抗腐蚀性，并且，钛可以作为晶粒细化剂，与Al形成传统的Al-Ti晶粒细化剂，Ti在Al中包晶反应生成TiAl₃，TiAl₃与液体金属接触面是铝凝固时的有效形核基面，增加了形核率，从而使结晶组织细化，提高铝合金材料的强韧度。

进一步地，铬在铝中形成CrMnAl₁₂和(CrFe)Al₇等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性、降低应力腐蚀及开裂敏感性。同时，(CrFe)Al₇可减少杂质铁元素对铝合金材料的不利影响。

进一步地，锆添加至铝合金材料，可以大幅度改善铝合金材料的耐烧蚀、耐腐蚀性能，并提高铝合金材料的室温及高温机械性能。

进一步地，所述的高强韧的铝合金材料的弹壳的原材料的纯度在99.9％以上，杂质铁及硅含量小于0.2wt.％，杂质硅会降低铝合金材料的延展性，铁会与铝形成FeAl₃化合物，导致铝合金材料变脆，机加工性能变差，损害表面光滑度。硅和镁形成Mg₂Si会使铝合金变脆。

进一步地，锰的添加可以提高铝合金材料的耐热性，增强铝合金的高温强度，锰通过阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，使其能耐1000℃以上的瞬时高温，锰并能通过形成MnAl₆化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用，显著细化再结晶颗粒，提高铝合金材料强度。MnAl₆的另一作用是能溶解杂质铁(Fe)，形成(Fe，Mn)Al₆减小铁的有害影响。

所述铝合金材料的制备方法，其具体步骤为：

S1.将铝加入熔炼装置，加热至熔融，依次加入铜、锰、钛、铬、锆、镁，熔炼，通入保护气体，精炼；

S2.将熔融的材料喷射成型，热处理，冷却即得所述铝合金材料。

优选地，步骤S1所述的气体为无水氮气、无水氩气、无水氦气、无水氪气、无水氙气、无水氡气的一种或多种。

优选地，步骤S1所述的升温温度为760～800℃，步骤S1所述的熔炼时间为30～60min，精炼时间为20～30min。

优选地，步骤S2所述的热处理温度为450～470℃，保温1～2h。

所述的制备方法制得的铝合金材料可应用于制备弹壳；优选应用于制备火炮、坦克炮或机载重型枪械的子弹的弹壳。

所述弹壳的制备方法包括以下步骤：

S3.将所述铝合金材料置于冲压模具中冲压成型铝合金弹壳，退火处理；

S4.对铝合金弹壳进行阳极氧化处理、表面着色。

优选地，步骤S3所述铝合金材料冲击成型的冲击次数为5～8次；步骤S3所述的退火温度为430～470℃，保温5～15min。

在熔炼过程中，铝合金熔液容易产生氢及氧化铝等夹杂物，在材料中形成气孔、夹渣的缺陷，降低铝合金材料的综合性能。通入惰性气体在熔液中，惰性气体与氢产生分压差，氢便进入气泡中排出熔液，且能吸附一些杂质排出铝合金材料。同时，防止在高温熔炼过程中，铝合金材料的氧化。进一步优选地，步骤S1所述的气体为无水氮气。

铝合金熔炼温度过高，会增加铝液的氧化、吸气、合金渗铁，降低铝合金的性能；温度过低，铝合金的晶粒细化效果慢，效果差。铝合金材料的铜锰镁铬钛锆元素加入铝液，需静置一定时间，使其扩散均匀。进一步优选地，步骤S1所述的加热熔融温度为780℃，所述熔炼时间为45min，精炼的时间为25min。

铝作为一种轻金属，有较好的延展性，但其硬度不满足制作弹壳要求。通过添加其他金属元素提高铝材料的力学性能。纯铝中加入其他合金元素，形成铝基固溶体，造成晶格畸变，阻碍位错运动，起到固溶强化作用，使铝合金材料的强度提高。合金元素对铝的另一种强化作用是通过热处理实现，铝元素没有同素异构的转变，合金元素在铝合金中有较大固溶度，且随温度降低而减小。铝合金材料加热到某一温度后，可得到过饱和的铝基固溶体，其强度和硬度随时间的延长而增高，时间的过长，合金元素析出聚集长大，强度下降。进一步优选地，步骤S2所述的热处理温度为460℃，保温1.5h。

所述高强韧的铝合金材料的弹壳采用冲压成型。所述的成型方法可得到质量轻、厚度薄、高刚性的制品，适用于弹壳要求，生产性良好，适合大批量生产，成本低。可得到品质均一的制品，弹壳的尺寸公差取决于模具，不需要机械切割即可使用，材料利用率高及回收性好。

铝合金材料通过5～8道次冲压成型铝合金弹壳，将铝合金小圆柱锭置于模具中进行第1道次冲压，成型出弹壳底部形状，中间几道次主要是引伸弹筒部分，最后1道次为收口，最终成型出铝合金弹壳。

退火可以消除铝合金材料弹壳在冲压成型的残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向，细化晶粒，消除组织缺陷。进一步优选地，步骤S3所述的退火温度为450℃，保温10min。

所述铝合金材料的弹壳采用硬质阳极氧化处理工艺进一步提高铝合金弹壳的表面硬度和调制出所需要的外观颜色。

与现有技术相比，有益效果是：

我国大部分的大口径弹药使用的是钢质弹药壳，相较于现在的钢质弹药壳，本发明所述的高强韧的铝合金材料的弹壳可以大大减轻对武器零件的磨损，提高武器使用的寿命。所述的高强韧的铝合金材料的弹壳的回弹量小，不易卡壳。采用冲压成型的方法，工艺上易加工，可大批量生产。通过添加了钛、铬等金属元素提高了铝合金的强韧性，使其满足大口径武器弹药的高强、高韧、化学稳定性，不会在发射过程中出现弹壳破裂，底火漏气等情况。同时，铝合金材料的弹壳是实现武器装备轻量化的重要途径之一，如某大口径机枪，钢质弹壳为90g，当用本发明的高强韧的铝合金材料制得的弹壳替代之后，重量仅为30g左右，减少了几乎三分之二，在携带相同重量的弹药情况下，携弹量大大提高，增强了我军的打击能力。在机载武器弹药中，采用铝合金材料的弹壳减轻车体重量，利于部队快速机动反应能力，弹药的的轻量化，可增加弹药射程，扩大打击范围。

附图说明

图1为不同变形条件下高强韧铝合金板材的ODF截面图；

图2为不同变形条件下高强韧铝合金板材β取向线上取向密度的变化图；

图3为铝合金材料的微观组织图；

图4为铝合金材料弹壳射击前的微观组织图；

图5为铝合金材料弹壳射击后的微观组织图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步解释和阐明，但具体实施例并不对本发明有任何形式的限定。若未特别指明，实施例中所用的方法和设备为本领域常规方法和设备，所用原料均为常规市售原料。

本发明公开了一种高强韧的铝合金的方法，铝合金由以下质量百分比的合金成分组成：

铜3.0～5.0wt.％，

镁2.0～4.0wt.％，

钛0.01～0.03wt.％，

铬0.01～0.03wt.％，

锆0.01～0.03wt.％，

其余部分包含铝和杂质Si、Fe元素。

进一步地，所述铝合金材料含有锰，其中锰含量为0.5-1.5wt.％。

进一步地，所述的高强韧的铝合金材料的弹壳的原材料的纯度在99.9％以上，杂质铁及硅含量小于0.2wt.％。

所述的高强韧的铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.加热至熔融，依次加入铜、锰、钛、铬、锆、镁，熔炼，通入保护气体，精炼；

实施例1

本实施例提供制备高强韧铝合金材料的方法，所有原材料的纯度均在99.9％以上，铝合金材料的成分含量如表1所示，其具体制备步骤为：

S1.将纯度99.99％的铝加入熔炼炉，在780℃加热至铝完全熔融，依次加入铜、锰、钛、铬、锆、镁，熔炼45min，通入无水氮气，精炼25min；

S2.将熔融的材料喷射成型，在460℃热处理1.5h，冷却即得所述铝合金材料。

实施例2

S1.将纯度99.99％的铝加入熔炼炉，在800℃加热至铝合金完全熔融，依次加入铜、锰、钛、铬、锆、镁，熔炼60min，通入无水氮气，精炼20min；

S2.将熔融的材料喷射成型，在470℃热处理1.0h，冷却即得所述铝合金材料。

实施例3

S1.将纯度99.99％的铝加入熔炼炉，在780℃加热至铝合金完全熔融，依次加入铜、锰、钛、铬、锆、镁，熔炼45min，通入无水氮气，精炼25min；

S2.将熔融的材料喷射成型，在460℃热处理2.0h，冷却即得所述铝合金材料。

实施例4

S1.将纯度99.99％的铝加入熔炼炉，在780℃加热至铝合金完全熔融，依次加入铜、锰、钛、铬、锆、镁，熔炼30min，通入无水氮气，精炼30min；

铝合金材料成分含量如表1所示：

表1铝合金材料成分含量

对以上实施例制备的铝合金材料进行表征测试。

1.拉伸性能测试

在Instron 3369拉伸机进行试样的室温拉伸性能测试，拉伸速度为1.0mm/min。根据实施例1～4测试的拉伸性能，其结果如表2：

表2

根据表2所示，所制备的铝合金材料抗拉强度性能得到提升，延展性增强，其中实施例1中的强度和韧性最佳。将实施例1所得的铝合金材料进行织构测试，并将所制备的铝合金材料制成弹壳。

2.织构测试

实施例1的铝合金材料经过1500号砂纸打磨后进行电解抛光，抛光液的成分为硝酸+甲醇(体积比为1:3)，工作温度为-25℃，工作电压为20V，电流为0.5A，抛光时间约为40s。样品抛光后立即用酒精反复冲洗、吹干，并放干燥皿内保存。织构测定在BrukerD8Discover X射线衍射仪上进行，管电压为40kV，管电流为40mA。采用CuKα辐射，极图测量范围：α为5°～85°，β为0°～360°。

将弹壳铝合金采用单向轧制(AAA)和交叉轧制(CBA)来测试其织构特征，并与挤压态材料进行对比。不同变形条件下高强韧铝合金板材的ODF截面图如图1所示，不同变形条件下弹壳铝合金板材β取向线上取向密度的变化如图2所示。

由图1可见，挤压态合金的织构特征表现为典型的Brass织构{110}<112>和S织构{123}<634>，轧制态合金的织构特征主要以Brass{110}<112>、Copper{112}<111>和S{123}<634>织构为主，但在中间退火过程中会演变为以Cube{001}<100>、Goss{011}<100>和R{124}<211>织构为主要组分的织构特征；与AAA轧制态合金相比较，CBA轧制态合金没有典型的织构特征，织构强度显著减小。

由图2可知，AAA轧制态板材中Brass织构{110}<112>取向密度最强，等级为11.3级，挤压态态板材次之，约为6级，CBA轧制态合金板材较弱，约为2.5级。挤压态合金中Copper织构{112}<111>取向密度最强，接近5级，CBA轧制态板材次之，约为1.5级，AAA轧制态板材较小，约为0.5级。对比三种变形方式，CBA轧制态板材在β取向线上取向密度均较低，没有典型的织构特征。

实施例5

本实施例提供高强韧的铝合金材料在制备弹壳方面的应用，选用上述实施例中最佳实施例1的铝合金材料进行制备，其制备轻质弹壳的方法包括以下步骤：

S3.将所述铝合金材料置于冲压模具中，加入润滑液，通过7次冲压成型铝合金弹壳，在450℃退火处理10min，空气中冷却；

S4.对铝合金弹壳进行阳极氧化处理、表面着色。

实施例6

S3.将所述铝合金材料置于冲压模具中，加入润滑液，通过8次冲压成型铝合金弹壳，在430℃退火处理15min，空气中冷却；

S4.对铝合金弹壳进行阳极氧化处理、表面着色。

实施例7

S3.将所述铝合金材料置于冲压模具中，加入润滑液，通过5次冲压成型铝合金弹壳，在470℃退火处理5min，空气中冷却；

S4.对铝合金弹壳进行阳极氧化处理、表面着色。

将所制备的弹壳进行实弹射击实验，实弹射击后对弹壳进行测试。

物理化学性能测量结果表明：本发明制备的铝合金弹壳的质量约为铜弹壳、钢弹壳的1/3，实现减轻整个子弹重量的20％以上；阳极氧化表面处理后铝合金弹壳的耐腐蚀性能是钢质弹壳的10倍以上。

实弹测试后结果表明：铝合金弹壳在实弹射击后，没有发现烧蚀、变形、开裂现象。铝合金弹壳可承受600MPa以上的膛压和1000℃的瞬时高温，弹头初速达1200m/s以上。

通过对铝合金材料、铝合金材料弹壳射击前、铝合金材料弹壳射击后进行物理化学性能检测及微观组织观察，微观组织观察结果如图3～5所示。

微观组织观察测试方法如下：

将铝合金材料、成品弹壳、射击后弹壳经研磨、抛光后用混合酸溶液(体积配比为：2ml HF+3ml HCl+5ml HNO3+250ml H2O)腐蚀，然后烘干，在MN6型金相显微镜上观察合金板材的微观组织。采用Titan G260-300透射电镜(TEM)和Helios Nanolab 600i扫描电镜(SEM)的电子背散射成像技术(EBSD)分析试样的微观结构，透射试样采用机械预减薄至80um左右后进行双喷电解，电解液为硝酸+甲醇(体积比为1:3)，温度低于-25℃；EBSD试样采用电解抛光，电解液的成分为10％高氯酸+90％无水乙醇，抛光电压20V，电流1.0A，抛光时间30s，温度低于-25℃；EBSD试样实验数据采用TSL OIM软件进行分析和处理，加速电压20kV，角度70°，扫描步长0.2um。

显微组织测试结果如图3～5所示：挤压态原材料的组织为回复态组织，尚存在一定量的位错，局部区域出现了位错缠结和位错胞；成品弹壳的显微形貌主要为高密度的位错，射击后弹壳的位错密度显著降低，发生了完全再结晶，组织为均匀、等轴的纳米晶组织。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围之内。

Claims

1.一种高强韧的铝合金材料，其特征在于，包含铝合金，所述铝合金含有：

铜3.0~5.0wt.%，

镁2.0~4.0wt.%，

钛0.01~0.03wt.%，

铬0.01~0.03wt.%，

锆0.01~0.03wt.%，

其余部分包含铝和杂质Si、Fe元素。

2.根据权利要求1所述高强韧的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金进一步含有锰，其中锰含量为0.5~1.5wt.%。

3.根据权利要求1或2所述高强韧的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金含有铜4.0wt.%、镁2.2wt.%、锰0.6wt.%、钛0.02wt.%、铬0.02wt.%、锆0.01wt.%，其余部分为铝。

4.根据权利要求1所述高强韧的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金原材料的纯度大于99.9%，杂质Si、Fe含量小于0.2wt.%。

5.权利要求1至4任一项所述的高强韧的铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的保护气体为无水氮气、无水氩气、无水氦气、无水氪气、无水氙气或无水氡气；步骤S1所述的加热温度为760~800℃；步骤S1所述熔炼时间为30~60min，精炼的时间为20~30min；步骤S2所述的热处理温度为450~470℃，保温的时间为1~2h。

7.权利要求5或6所述的制备方法制得的铝合金材料。

8.权利要求1、2、4或7所述高强韧的铝合金材料的应用，其特征在于，应用于制备弹壳；优选应用于制备火炮、坦克炮或机载重型枪械的子弹的弹壳。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述弹壳的制备方法包括以下步骤：

S4.对铝合金弹壳进行阳极氧化处理、表面着色。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，步骤S3所述铝合金材料冲击次数为5~8次；

步骤S3所述退火的温度为430~470℃，保温的时间5~15min。