CN109402468B - 一种轻量化的铝合金材料及其在制备弹壳方面的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及枪弹技术领域，具体涉及一种轻量化的铝合金材料及其在制备弹壳方面的应用。所述的铝合金材料的成分包括锌4.0~7.0wt.%，铜1.0~2.0wt.%，锰0.3~0.7wt.%，锂1.0~2.0wt.%，稀土0.01~0.05wt.%，钛0~0.05wt.%，铬0~0.05wt.%和铝。本发明采用所述材料制得的弹壳具有低密度、高比强度、良好的耐蚀性能和卓越的超塑成形性能，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，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，减轻轻武器重量。

Description

一种轻量化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，涉及一种轻量化的铝合金材料及其在制备弹壳方面的应用。

背景技术

现代战争对步兵要求越来越高，其携带的装备越来越齐全，包括通信装备、保障装备、武器装备，如何保障士兵的高效作战，对士兵的携带装备轻量化是一个重点。其中，轻武器是核心和关键，它的重量在很大程度上决定单兵负荷的高低及作战能力的有效发挥，在步兵远程机动和侦查中，负重越轻，越有利于节约士兵的体能和提高机动能力。

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。弹药的减重，弹壳减重首当其冲，弹壳的重量几乎占枪弹重量的一般，传统的金属弹壳为铜质、钢质材料已不能满足作战要求，铝合金材料的可作为发展轻量化弹药的研究重点。英国、德国、澳大利亚和美国均在对铝合金弹壳进行研究，美国空军已把铝合金弹壳作为发展轻型弹药的一个方向。

铝合金特别是高强韧铝合金因具有质量轻、耐腐蚀、比强度高等优点，已在机械、建材、化工、包装等民用领域被广泛使用。铝合金作为轻量化弹壳材料，可大幅度降低弹壳重量，提高单兵作战效能，在相同弹药携带量时，可以提高负重；在相同负重情况下，因此，轻量化弹药可以有效提高单兵作战效能。采用铝能减轻重量，而且可以使大携带量成为可能。

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，提供一种轻量化的铝合金材料。

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：

提供一种轻量化的铝合金材料，其成分含有：

锌4.0～7.0wt.％，

铜1.0～2.0wt.％，

锰0.3～0.7wt.％，

锂1.0～2.0wt.％，

稀土0.01～0.05wt.％，

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钛、铬中的一种或几种，其中钛含量为 0～0.05wt.％，铬含量为0～0.05wt.％。

进一步地，所述稀土为铈，其添加量0.01～0.05wt.％。

优选的，所述轻量化的铝合金材料的弹壳，成分包括：锌4.5wt.％，铜1.8wt.％，锰0.5wt.％，锂1.3wt.％，稀土0.03wt.％，钛0.02wt.％，铬0.02wt.％，其余成分为铝。

以铝为基材，添加铜、锰为主要成分，以及微量的稀土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，铜的添加可以增强铝合金材料的强度和硬度，满足弹壳的强度要求。

进一步地，锌加入铝合金材料中，铝合金材料的强度和硬度均大为提高。

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。

进一步地，锂元素的比重小，在铝中的溶解度高，加入锂元素之后，降低了铝合金材料的比重，增加刚度，同时铝合金材料仍保持较高的强度、抗腐蚀性、抗疲劳性以及适宜的延展性。

进一步地，稀土金属添加至铝合金材料，可以大幅度改善材料的物理化学性能，并提高铝合金材料的室温及高温机械性能。

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，所述的轻量化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。

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、锌、钛、铬、稀土、锂，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，优选应用于单兵携带的轻武器的子弹弹壳。

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、无水氩气。

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。稀土加入铝液，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。

所述轻量化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(包括底火)，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。

所述轻量化的铝合金材料的弹壳用于制备步兵轻武器子弹。

与现有技术相比，有益效果是：

铝合金来制备弹壳，与铜质、钢质弹壳相比较，同等数量的弹壳消耗的金属总重量下降2/3以上，尤其是采用铝质弹壳，子弹整体重量减轻20％以上，单兵的携弹量就可增加20％以上。本发明所述的轻量化的铝合金材料的弹壳，进一步降低弹壳的重量，用其取代常规铝合金，可使构件质量减轻，刚度提高，在强度相当的情况下，密度降低。本发明可进一步增加单兵在携带相同重量的弹药的数量，进一步提高单兵的打击能力、机动能力和生存能力。

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。

本发明公开了一种轻量化的铝合金的方法，铝合金由以下质量百分比的合金成分组成：

锌4.0～7.0wt.％，

铜1.0～2.0wt.％，

锰0.3～0.7wt.％，

锂1.0～2.0wt.％，

稀土0.01～0.05wt.％，

其余部分包含铝和杂质Si、Fe元素。

所述铝合金进一步含有钛、铬中的一种或几种，其中钛含量为0～0.05wt.％，铬含量为0～0.05wt.％。

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.％。

所述的轻量化的铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.将铝加入熔炼装置，加热至铝熔融，加入铜、锰、锌、钛、铬、稀土、锂，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。

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、锌、钛、铬、稀土、锂，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

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800℃加热至铝完全熔融，依次加入铜、锰、锌、钛、铬、稀土、锂，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

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、锌、钛、铬、稀土、锂，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

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、锌、钛、铬、稀土、锂，熔炼30min，通入无水氮气，精炼30min；

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。

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

对以上实施例所述的成分及制备步骤得到的铝合金材料及其弹壳进行表征测试。

在Instron 3369拉伸机进行试样的室温拉伸性能测试，拉伸速度为1.0 mm/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所得的铝合金材料制成弹壳。

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

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

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：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(12.7mm口径)；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，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。弹壳没有发现烧蚀、变形、开裂现象。铝合金弹壳可承受400MPa以上的膛压和1000℃的瞬时高温，弹头初速达1200m/s以上。

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 (5)

1.一种轻量化的铝合金材料的弹壳，其特征在于，包含承受500Mpa抗拉强度的铝合金，所述铝合金含有锌4.0~7.0wt.%，铜1.0~2.0wt.%，锰0.3~0.7wt.%，锂1.0~2.0wt.%，稀土铈0.01~0.05wt.%，钛0~0.05wt.%，铬0~0.05wt.%，其余部分包含铝和杂质Si、Fe元素，所述铝合金原材料的纯度大于99.9%，杂质Si、Fe含量小于0.2 wt.%；

所述铝合金材料的制备包括以下步骤：

S1.将铝加入熔炼装置，加热至熔融，依次加入铜、锰、锌、钛、铬、稀土、锂，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；

步骤S1所述的保护气体为无水氮气、无水氩气、无水氦气、无水氪气或无水氙气；

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。

2.根据权利要求1所述轻量化的铝合金材料的弹壳，其特征在于，所述铝合金含有锌4.5wt.%，铜1.8wt.%，锰0.5wt.%，锂1.3wt.%，稀土铈0.03wt.%，钛0.02wt.%，铬0.02wt.%，其余部分为铝。

3.权利要求1或2所述轻量化的铝合金材料的弹壳，其特征在于，所述弹壳应用于步兵轻武器子弹。

4.根据权利要求3所述轻量化的铝合金材料的弹壳，其特征在于，所述弹壳的制备方法包括以下步骤：

S3.将步骤S2得到的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。

5.根据权利要求4所述轻量化的铝合金材料的弹壳，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。