流動(dòng)溫壓成形射孔彈藥型罩的研究

謝 湛,付代軒,羅宏偉,趙世華,杜明章

(四川石油射孔器材有限公司,四川隆昌642177)

流動(dòng)溫壓成形射孔彈藥型罩的研究

謝 湛,付代軒,羅宏偉,趙世華,杜明章

(四川石油射孔器材有限公司,四川隆昌642177)

采用一定比例的粘結(jié)劑并嘗試?yán)昧鲃?dòng)溫壓成形結(jié)合熔滲制備射孔彈藥型罩。通過(guò)改變鎢(W)骨架中Cu粉類型(霧化Cu粉,電解Cu粉,超細(xì)Cu粉)、粘結(jié)劑添加量和成形溫度,考察不同工藝參數(shù)對(duì)杯狀試樣的密度分布影響,獲得流動(dòng)溫壓成形藥型罩鎢骨架的最佳工藝。結(jié)果表明,添加了超細(xì)Cu粉和35%(體積分?jǐn)?shù))粘結(jié)劑的混合粉末在55℃時(shí)成形的鎢骨架孔隙分布最均勻,該骨架在1 200℃熔滲30 min后,密度分布均勻,整體密度達(dá)到15.4 g/cm3(相對(duì)密度99.0%)。通過(guò)該工藝制備的127型射孔彈在大慶檢測(cè)中心檢測(cè),API RP19B標(biāo)準(zhǔn)混泥土靶穿深達(dá)到1 433 mm。

石油射孔彈;藥型罩;溫態(tài)流動(dòng);成形;熔滲

0 引 言

W/Cu復(fù)合材料兼有W和Cu具有高密度、良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、小的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于強(qiáng)電弧燒損或強(qiáng)耐熱環(huán)境中[1-5]。制備 W/ Cu復(fù)合材料通常采用混合粉液相燒結(jié)法[4]和熔滲技術(shù)[6-7]。前者由于 W、Cu之間不互溶性,很難制備出高致密復(fù)合材料;后者可以得到高致密度的銅鎢復(fù)合材料。制備工藝是否合理直接影響銅鎢合金的組織[7],進(jìn)而影響銅鎢合金的導(dǎo)電性、硬度、強(qiáng)度等性能[8-11]。

如何制備孔隙分布均勻的異形鎢骨架,一直是熔滲制備 W-Cu復(fù)合材料的難題。2001年德國(guó)Fraunhofer研究所開發(fā)了溫態(tài)流動(dòng)成形技術(shù),即流動(dòng)溫壓技術(shù)(Warm Flow Compaction,WFC),用以制備具有復(fù)雜形狀的粉末冶金零件[12-15]。該工藝是在溫壓工藝基礎(chǔ)上結(jié)合金屬注射成形工藝的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的,以不銹鋼粉為例,將粗粉(粒度150μm左右)和一定比例的細(xì)粉(粒度小于22μm)以及熱塑性潤(rùn)滑劑進(jìn)行混合,經(jīng)溫壓工藝制造形狀復(fù)雜的粉末冶金件,其關(guān)鍵技術(shù)是提高粉末在壓力作用下的流動(dòng)性。該工藝制品具有性能均一、高密度、低成本等特點(diǎn)[12-13,16]。利用該工藝可成形形狀非常復(fù)雜的零件,如垂直于壓制方向上零件的凹槽、孔以及螺紋孔等。

本文利用溫態(tài)流動(dòng)成形復(fù)雜形狀的鎢骨架,結(jié)合熔滲技術(shù)制備高密度鎢銅藥型罩。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原料有W粉(3μm)、霧化Cu粉(74μm)、電解Cu粉(43μm)、超細(xì)Cu粉(13μm);骨架中添加2.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu粉,為提高熔滲性能添加0.3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ni粉,粉末按球料比1:2干混6 h。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)30%、35%(體積分?jǐn)?shù))2種粘結(jié)劑的添加量,混合粉末在一定溫度下混煉2 h后制粒,壓制成d=18 mm的圓柱形預(yù)成形坯。將預(yù)成形坯加熱到壓制溫度(45～90℃)后,壓制成d=44 mm口徑的藥型罩。

鎢骨架坯件在 H2氣氛預(yù)燒結(jié)。以3℃/min的速度升溫至960℃,燒結(jié)30 min。

利用線切割將燒結(jié)坯沿軸向切下1個(gè)條樣。制樣后利用leica MEF3A型金相顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行面孔隙度分析。將試樣逆流動(dòng)方向等距取17個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。分析這17個(gè)點(diǎn)的面孔隙度,得出試樣軸向的孔隙分布規(guī)律。

鎢骨架與Cu在1 200℃下進(jìn)行熔滲30 min制備W70Cu材料。將熔滲后的樣品沿徑向切割成9部分(見(jiàn)圖1)。利用排水法測(cè)得各部分密度。

圖1 熔滲后切割測(cè)試密度編號(hào)示意

2 結(jié)果與討論

2.1 壓制溫度對(duì)鎢骨架孔隙度分布的影響

圖2為添加電解Cu粉、粘結(jié)劑添加量為35% (體積分?jǐn)?shù))的混合粉末在55℃、60℃、65℃時(shí)所成形的骨架960℃燒結(jié)后的孔隙度變化曲線。從圖2可知55℃、60℃成形的骨架孔隙度曲線變化都較平滑,孔隙分布均勻,而50℃曲線變化較大,測(cè)試點(diǎn)1孔隙度偏大是由于壓制溫度較低,導(dǎo)致混合粉末流動(dòng)性能不佳,混合粉末無(wú)法完整填充模腔,致使壓坯在藥型罩口部(測(cè)試點(diǎn)1)附近殘留有宏觀孔隙。而在藥型罩尖端位置(測(cè)試點(diǎn)17)粉末無(wú)法流動(dòng),在壓力作用下被壓實(shí),導(dǎo)致測(cè)試點(diǎn)17的孔隙度(φ)較小。

圖2 骨架孔隙度分布1

由于粉末顆粒的流動(dòng)性能有限,混合粉末的流動(dòng)行為的變化主要隨粘結(jié)劑的流變行為而變化。Cross-Arrhenius黏度模型可以解釋在不同溫度下粘結(jié)劑的黏度變化規(guī)律。Cross黏度模型中聚合物黏度為溫度、剪切速率的函數(shù),并考慮了壓力對(duì)黏度的影響。

Cross-Arrhenius黏度模型[17]為

根據(jù)Cross-Arrhenius黏度模型,在壓力一定的條件下,τ＊和剪切速率˙γ為常數(shù),即黏度為溫度的函數(shù)。由于η0與 Tb/T呈指數(shù)關(guān)系,當(dāng) T減小時(shí), η0急劇增大,代入式(1)后導(dǎo)致流動(dòng)指數(shù)η增大。所以當(dāng)溫度過(guò)低時(shí),粘結(jié)劑的流動(dòng)性能下降,導(dǎo)致混合粉末流動(dòng)性能不佳,成形的試樣孔隙度分布不均勻,孔隙度曲線變化較大。

2.2 粘結(jié)劑含量對(duì)鎢骨架孔隙度分布的影響

圖3為添加30%和35%(體積分?jǐn)?shù))粘結(jié)劑、霧化Cu粉的混合粉末在55℃壓制、960℃燒結(jié)后試樣不同觀測(cè)點(diǎn)孔隙率曲線。

圖3 骨架孔隙度分布2

從圖3可以看出,添加35%粘結(jié)劑的混合粉末在55℃壓制燒結(jié)后得到的試樣孔隙度曲線變化平緩,孔隙度偏差在2%以內(nèi),可知試樣在流動(dòng)方向上孔隙度分布較均勻;當(dāng)粘結(jié)劑添加量下降到30%后,試樣各觀測(cè)點(diǎn)孔隙度偏差較大,藥型罩口部位置,即觀測(cè)點(diǎn)1處孔隙度較大。而藥型罩尖部位置,即觀測(cè)點(diǎn)17處孔隙度最小,孔隙度偏差達(dá)到7%。這主要是由于粘結(jié)劑添加量較小,混合粉末的黏度較大,在較低溫度下流動(dòng)性能不佳,造成流動(dòng)方向上孔隙度有增大趨勢(shì)。

由 Einstein黏度定律進(jìn)行定性分析[18]

式中,ηγ為粘結(jié)劑和金屬粉末組成的分散系黏度與粘結(jié)劑黏度之比;φ為固體粉末的體積分?jǐn)?shù)。由式(2)可以看出,在粘結(jié)劑含量升高以后,粉末所占的體積減小了,即φ變小了,ηγ也相應(yīng)減小。ηγ是分散系黏度與粘結(jié)劑黏度之比。溫度一定時(shí),粘結(jié)劑的黏度是一定的,則混合粉末這個(gè)分散系的黏度也隨著ηγ減小而減小。所以粘結(jié)劑含量較高的混合粉末的黏度較小,在較低溫度下即可表現(xiàn)出較好的流動(dòng)性能,能成形孔隙度小和孔隙分布均勻的壓坯。

增加粘結(jié)劑添加量還有利于在粉末顆粒表面形成完整的潤(rùn)滑膜,在壓制過(guò)程中減小顆粒之間、顆粒與模壁之間的摩擦力,使試樣密度分布均勻。

2.3 原料粉末對(duì)鎢骨架成形性的影響

不同Cu粉形貌見(jiàn)圖4。電解Cu粉形貌為樹枝狀而一次顆粒粒徑細(xì)小,霧化Cu、超細(xì)Cu粉則為表面光滑的多面體。超細(xì)Cu的二次顆粒粒徑要比電解Cu粉細(xì)很多。

圖4 Cu粉的SEM形貌

圖5 粘結(jié)劑添加量為35%,添加不同類型Cu粉在55℃成形的骨架孔隙度分布

圖5為添加35%(體積分?jǐn)?shù))粘結(jié)劑,在55℃壓制960℃預(yù)燒時(shí),添加不同類型Cu粉的骨架燒結(jié)后孔隙度分布曲線。圖5可以發(fā)現(xiàn),骨架中添加霧化Cu粉的試樣孔隙度分布曲線最平緩,但孔隙度略高;添加電解粉和超細(xì)粉末的試樣孔隙沿壓制方向雖有小幅變化,但整體孔隙分布也較為均一且孔隙度略低;這些說(shuō)明添加35%的粘結(jié)劑含量在流動(dòng)成形3種類型粉末形成密度較為均勻的骨架時(shí)還是比較合適的。在含電解Cu粉和超細(xì)Cu粉的預(yù)燒骨架中,孔隙度分布曲線出現(xiàn)輕微擾動(dòng)的可能原因主要是粉末和粘結(jié)劑混料時(shí)沒(méi)有達(dá)到理想的均勻程度所致。雖然電解Cu粉的一次顆粒粒徑大且形狀不規(guī)則,在壓制力作用下細(xì)粒徑的一次粉末顆粒將從團(tuán)聚體中部分分離出來(lái),同超細(xì)粉一樣,擁有比較高的表面積,這賦予了粉末-粘結(jié)劑體系比較高的粉末流動(dòng)性,其結(jié)果是壓制成型后的骨架孔隙度較小(大約為40%);而霧化粉壓制得到的骨架孔隙度較高(大約為45%)。3種骨架的金相圖見(jiàn)圖6。由圖6可以看出,添加超細(xì)Cu粉時(shí)骨架組織均勻,晶粒細(xì)小,不存在Cu或W富積的區(qū)域。這種組織形貌的鎢骨架有利于熔滲。

圖6 粘結(jié)劑添加量為35%(體積分?jǐn)?shù)),添加不同類型Cu粉在55℃成形的骨架金相圖

圖7 添加不同類型Cu的骨架熔滲后樣品密度分布

2.4 原料粉末對(duì)于熔滲后樣品密度分布的影響

利用最佳條件下制備的鎢骨架進(jìn)行熔滲。熔滲后,不同原料粉末樣品密度分布見(jiàn)圖7。圖7中可以看出,鎢骨架中添加超細(xì)Cu粉時(shí),熔滲后樣品各部分密度較為均勻;而添加霧化Cu粉的鎢骨架在熔滲后,樣品不同測(cè)試位置的密度相差較大,且整體密度偏低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是由于霧化Cu雜質(zhì)含量較高,降低熔滲時(shí)熔滲劑Cu對(duì)于鎢顆粒表面的潤(rùn)濕性,導(dǎo)致熔滲后樣品密度分布不均勻,表面質(zhì)量較差;同時(shí),預(yù)燒骨架的孔隙度偏高也是造成熔滲密度偏低的原因。

圖8 添加不同Cu粉的鎢骨架熔滲后樣品金相圖

表1 127射孔彈穿深檢測(cè)

圖8為添加不同Cu粉的鎢骨架在熔滲后的金相照片?？梢钥闯?添加超細(xì)Cu粉和電解Cu粉的樣品金相組織都較為細(xì)小且分布均勻;而添加霧化Cu粉的樣品出現(xiàn)了大量孔洞。

2.5 射孔彈穿深性能檢測(cè)

采用上述工藝制備了9發(fā)127型深穿透射孔彈,于2009年9月在大慶檢測(cè)中心進(jìn)行了環(huán)靶穿深檢測(cè)。數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從表 1中可以看出,采用上述工藝制備的SDP127型深穿透射孔彈穿深性能大幅提高,較常規(guī)127型射孔彈穿深性能提高40%左右,穩(wěn)定性也較為理想。

3 結(jié) 論

(1)超細(xì)Cu粉和電解Cu粉由于具有微細(xì)的一次顆粒組成,其粉末-粘結(jié)劑系統(tǒng)擁有較高的粉末流動(dòng)性,成形的骨架在密度分布均勻性方面均高于霧化銅粉為原料的體系,骨架經(jīng)熔滲后微觀組織均勻無(wú)孔洞出現(xiàn)。超細(xì)Cu粉的效果略高于電解Cu粉;含霧化Cu粉的體系所得的骨架密度較低,燒結(jié)密度分布不均勻,顯微組織中存在空洞。

(2)壓制時(shí)較理想的成型工藝為粘結(jié)劑添加量為35%(體積分?jǐn)?shù)),成形骨架的溫度為55～60℃。

(3)采用溫態(tài)流動(dòng)成型可以制備密度均勻、致密度較高的鎢銅藥型罩。

(4)采用該工藝成型的藥型罩制備的高性能射孔彈穿深性能得到大幅度提高。在大慶檢測(cè)中心檢測(cè)127型射孔彈穿深平均達(dá)到1 433 mm,且性能穩(wěn)定,穿深標(biāo)準(zhǔn)偏差為91 mm。

[1] 曹順華,林信平,李炯義.納米晶W-Cu復(fù)合粉末燒結(jié)行為[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2005,15(2):248-255.

[2] 黃伯云,范景蓮.納米鎢合金材料的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)鎢業(yè),2001,15(6):38-44.

[3] 陶應(yīng)啟,王祖平.鎢銅復(fù)合材料的制造工藝[J].粉末冶金技術(shù),2002,20(1):49-51.

[4] Kim J C.Densification Behavior of Mechanically Alloyed W-Cu Composite Powders by the Double Rearrangement Process[J]. ScrMetalMater,1998, 39(6):669.

[5] Yang B,German R.Powder Injection Molding and Lnfiltration Sintering of Superfine Grain W-Cu[J]. The International Journal ofPowder Metallurgy , 1997,33(4):55-63.

[6] 林信平,曹順華,李炯義,謝 湛,蔡志勇.納米晶W-25Cu復(fù)合粉末燒結(jié)行為的研究[J],中國(guó)鎢業(yè),2005, 20(1):39-43.

[7] Maneshian M H,Simchi A,Razavi Hesabi Z.Synthesis and Characterization of W-Cu Nanocomposites Developed by Mechanical Alloying[J].Materials Science and Engineering:A,2006,443(1-2):161-168.

[8] 王志法,劉正春,姜國(guó)圣.W/Cu電子封裝材料的氣密性[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),1999,9(2):323-326.

[9] Yang B,German R M.Powder Injection Molding and Infiltration Sintering of Superfine Grain W-Cu[J].The International Journal ofPowder Metallurgy,1997, (4):55-63.

[10]Lee G G,Ha G H,Kim B K.Synthesis of High Density Ultrafine W/Cu Composite Alloy by MechanothermochemicalProcess[J]. PowderMetallurgy, 2000,43(1):79-82.

[11]Hong S H,Kim B K.Fabrication of W-20%Cu Composite Nanopowder and Sintered Alloy with High Thermal Conductivity[J].Materials Letters,2003, 57:2761-2767.

[12]肖志瑜,柯美元,李元元,倪東惠.溫壓工藝最新進(jìn)展-流動(dòng)溫壓技術(shù)[J].粉末冶金工業(yè),2002,12(5):28-32.

[13]張菊紅,肖志瑜,李元元.粉末冶金流動(dòng)溫壓成形技術(shù)[J].粉末冶金技術(shù),2006,24(1):45-48.

[14]易健宏,葉途明,彭元東.粉末冶金溫壓工藝的研究進(jìn)展及展望[J].粉末冶金技術(shù),2005,25(2):140-144.

[15]李元元,肖志瑜,羅術(shù)華,王 軍.粉末冶金流動(dòng)溫壓技術(shù)及其思考[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程,2006,11 (4):189-193.

[16]Veltl G,Oppert A,Petzoldt F.Warm Flow Compaction Fasters More Complex PM Parts[J].Metal Powder Report,2001,56(2):26-28.

[17]董斌斌,申長(zhǎng)雨.薄壁件注射成型流動(dòng)分析[J].塑料工業(yè),2003,31(4):25-29.

[18]Einstein A.Berichtigung Zu Meiner Arbeit:Eine Nene Bestimmung Der Molekuldimension[J].Ann Physik, 1911,34:591-592.

Line Shape Jet Manufactured by Warm Flow Compaction

XIE Zhan,FU Daixuan,LUO Hongwei,ZHAO Shihua,DU Mingzhang
(Sichuan Petroleum Perforating Materials L TD.,Longchang,Sichuan 642177,China)

To near-net-form complex parts has drawn extensive interest in the field of powder metallurgy,in the present paper,W70Cu materials with a complex liner shape manufactured by a novel process(warm flow compaction+ sintering filtration)were studied systematically.The effects of the type of copper powder(atomization copper powder,electrolytic copper powder and ultra-fine grained copper powder),content of the binder,and pressing temperature on porosity distribution were investigated.It was shown that the W-skeleton with a homogeneous porosity distribution can be obtained at 55℃,as the ultra-fine copper powder with slick and regular surface was used as a copper source and 35 vol%binder was dispersed in the powder composite.As a result,a homogeneous density distribution and a general density of 15.4 g/cm3(R.D.99.0%) can be achieved by infiltrating at 1 200℃for 30 min.The SDP127 jet which is manufactured by this technique can penetrate 1 433 mm in RP19B target.

petroluem perforating charge,linershape,warm flow compaction,shaping,infiltration

TF125

A

2010-01-08 本文編輯 李總南)

1004-1338(2010)04-0403-05

謝 湛,男,1982年生,工程師,從事射孔器材研發(fā)。