破片鋼光譜標準樣品的制備

李本濤，黃輝，李穎，趙華

（中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031）

破片鋼光譜標準樣品的制備

李本濤，黃輝，李穎，趙華

（中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031）

研制了一種用于制備破片鋼光譜標準物質(zhì)的多孔澆注系統(tǒng)。介紹了該多孔澆鑄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及利用該系統(tǒng)制備光譜標準樣品的過程。利用該系統(tǒng)制備的破片鋼光譜標準樣品均勻性良好，同時，該系統(tǒng)具有很好的靈活性，可以制備不同尺寸、不同質(zhì)量的各種破片鋼光譜標準樣品。

破片鋼；光譜標準物質(zhì)；多孔澆注；均勻性檢驗

高破片鋼是在炸藥爆轟力作用下產(chǎn)生具有不同尺寸和質(zhì)量的大量有效破片，對人員和物體目標實施最大殺傷和破壞的具有特殊用途的合金，是國內(nèi)外研究和發(fā)展的重要彈體用鋼之一［1］。為了獲得具有高破片性能的鋼材，美國研究過多種碳含量從中到高的碳鋼以及多種合金鋼（包括工具鋼、軸承鋼、高磷標準合金鋼、硼鋼和特種鋼等），獲得了許多技術數(shù)據(jù)。大量數(shù)據(jù)表明，鋼的高破片性能與鋼中的化學成分有直接關系，不同的用途具有不同的化學元素和含量（如表1）［2-3］。我國也研究和生產(chǎn)出了多種型號的高破片鋼。

表1 3種高破片鋼的化學成分 %

由于化學成分對破片鋼性能的影響巨大，因此在冶煉過程中，需要對化學成分進行實時檢測，以確保出鋼后的產(chǎn)品性能滿足設計要求。目前，用于爐前破片鋼中化學成分的測試手段包括X射線熒光光譜法、直讀光譜法，還有新發(fā)展的輝光放電發(fā)射光譜法，以上這些儀器定量方法均為相對測量方法，即必須有符合要求的標準物質(zhì)對該儀器進行校準才能保證測量結(jié)果的準確可靠［4］。

作為光譜標準樣品的最基本條件是均勻性，均勻性是測量結(jié)果準確度的保證。為了保證光譜標準樣品的均勻性，常釆用以下制備方法：

（1）鍛軋法。鍛軋法是目前制備光譜標準樣品的最常用方法［5］。該方法首先將冶煉合格的鋼水澆注成鑄錠，鑄造出的標準樣品鑄錠經(jīng)油壓擠壓機擠壓成直徑略大于標準樣品直徑設計值的棒材，然后經(jīng)退火、去頭、切尾、車皮、切割等工藝，加工成所需尺寸的合金標準樣品。通過擠壓工序軋制成的標準樣品，由于經(jīng)過了大變形量的擠壓，內(nèi)部的粗大晶粒充分粉碎，化學成分更加均勻，從而減少了頭尾和徑向的偏析［6］。該方法不適用于硬度較大、質(zhì)地較脆的合金鋼標準物質(zhì)的制備，因為壓力增加會導致樣品塊產(chǎn)生裂紋甚至碎裂。

（2）切割法。該方法主要用于硬度較大、質(zhì)地較脆的鋼（如破片鋼）。由于難以鍛軋，該類鋼材應首先澆注成鑄錠，再利用線切割的方式切割成直徑符合設計要求的棒材，然后將棒材切割成所需尺寸的光譜標準樣品。由于澆注過程中中心位置和鑄錠外層的冷卻溫度差異較大，容易形成氣孔而造成偏析，因此對切割的位置有嚴格要求：既要遠離中心位置，又要剝離較厚的皮層。還要對每根切割的棒材進行充分的檢驗，以確保其均勻性符合要求。該方法最大的缺點是均勻性差、浪費嚴重。

鑒于以上兩種方法均存在缺陷，筆者研制了多孔澆鑄系統(tǒng)。

1 多孔澆鑄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

多孔澆鑄系統(tǒng)由陶瓷緩流器、金屬模具（無縫鋼管）、底盤（帶底錐）和固定支架4 部分組成。其中，陶瓷緩流器上有多個直徑2cm 的小孔，方便鋼水流入金屬模具。金屬模具由無縫鋼管組成，直徑應大于所設計的光譜標準樣品的直徑（一般大于 5 mm），長度和數(shù)量依據(jù)所加工的標準物質(zhì)候選物的量來確定。底盤焊有多個底錐，底錐直徑略小于金屬模具的內(nèi)徑（一般約為 1 mm），底錐的位置與陶瓷緩流器上的小孔位置相同。固定支架將陶瓷緩流器、金屬模具和底盤固定在一起，方便澆注、移動和拆卸。示意圖見圖1，實物圖見圖2。

圖1 多孔澆鑄系統(tǒng)示意圖

圖2 多孔澆鑄系統(tǒng)整體實物圖

2 光譜標準樣品制備過程

2.1 澆注

首先將金屬模具套在底盤的底錐上，上端與陶瓷緩流器的小孔對齊，多余的小孔用陶瓷塞塞緊，然后用支架固定。將固定好的裝置吊入烘烤爐中，于300℃下烘烤不少于 1 h。趁熱將該裝置吊往冶煉爐前，將檢驗合格的鋼水沿陶瓷緩流器的斜坡澆入緩流器。待冷卻后，將支架拆開，取下金屬模具，取出標準樣品棒材。

2.2 制備

將成型的棒材車皮，使其達到所要求的直徑尺寸，將棒材的兩端切掉約 3～5 cm，然后切割成設計厚度的光譜標準樣品。選取具有代表性的塊樣進行均勻性檢驗，合格后打號、涂防銹漆、裝盒，完成光譜標準樣品的制備。

3 均勻性檢驗

對于標準物質(zhì)候選物來說，均勻性是其最基本的條件［7］。某批次標準物質(zhì)候選物的某一特性量值應在可接受的不確定度范圍內(nèi)，且與該批次其它任意部分的特性量值具有可比性和等效一致性。因此，候選物在分裝成獨立的單元后，應當測試一定數(shù)量具有代表性的樣品單元，用來檢驗候選物單元間的均勻性是否符合設計要求。同時通過均勻性檢驗可以驗證該制備方法的可行性。為此，利用 150 kg中頻感應爐冶煉了 100 kg 高破片鋼，利用研制的多孔澆注系統(tǒng)依據(jù) 2.1澆注過程制備了15根直徑45mm、長500mm的光譜標準樣品。將每根棒材車皮，使其成為直徑 40 mm 的棒材，并將兩端分別切掉 3 cm。分別切取每根棒材的上、中、下厚度為 35 mm的塊樣進行編號，作為均勻性檢驗的樣品。利用美國 LECO 公司的 GD850 輝光放電發(fā)射光譜儀進行檢測，每個樣品在同一面的不同部位激發(fā)3次。為了避免系統(tǒng)誤差造成的組間方差增大，將 45 塊樣品的激發(fā)順序隨機化［8］，激發(fā)順序見表2。測得數(shù)據(jù)釆用方差法進行統(tǒng)計檢驗［9］，檢驗結(jié)果列于表3。

表2 輝光放電發(fā)射光譜儀激發(fā)順序與樣品對應表

表3 均勻性檢驗結(jié)果

由表3可知，所檢測元素的均勻性檢驗結(jié)果F值均小于臨界值Fα，說明利用該多空澆鑄系統(tǒng)制備的光譜標準物質(zhì)均勻性良好。

3 結(jié)語

研制的多孔澆鑄系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)冶煉的鋼液由電爐先注入鋼包、再由鋼包注入成型模具這一環(huán)節(jié)，減少了鋼液的二次氧化，有利于 V，Ti，B 元素的穩(wěn)定控制。鋼水由緩流器進入金屬模具，限制了鋼水的沖擊，起到了緩沖作用，防止了出爐鋼水的飛濺。穩(wěn)定的鋼液進入金屬模具中，使鑄后的模具型腔穩(wěn)定，有利于模具鑄件致密度的提高，確保光譜標準樣品的均勻性，可用于破片鋼類光譜標準樣品的制備。該澆注系統(tǒng)另一大優(yōu)點是可使鑄件模具的尺寸靈活多變，通過調(diào)節(jié)金屬模具的個數(shù)、直徑和高度，實現(xiàn)一次澆注不同尺寸、不同質(zhì)量標準物質(zhì)候選物的要求。

［1］ 鄭娜娜，董素榮，王曉蓉，等 .高破片率鋼預制破片彈毀傷效能分析［J］.彈箭與制導學報，2013，33(3): 59-61.

［2］ MIL-HDBK-756: 1991 Manufacture of Projectiles，Projectile Components，and Cartridge Case for Artillery，Tank Main Armament，and Mortars［S］.

［3］ 臧曉京 .國外攻擊硬目標和深埋地下目標的引戰(zhàn)技術發(fā)展［J］.飛航導彈，2006(1): 43-51.

［4］ 鄭國經(jīng)，計子華，余興 .原子發(fā)射光譜分析技術及應用［M］ .北京：化學工業(yè)出版社，2010: 5-6.

［5］ 張存貴，王惠萍，楊櫻 .光譜校正標樣制備工藝技術開發(fā)［J］.太鋼科技，2014(1): 61-65.

［6］ 王月慶，趙教育，張衛(wèi)國，等 .提高合金鋼光譜標準樣品均勻性的措施［J］.金屬鑄鍛焊技術，2009，38(9): 140-141.

［7］ 王玉娟，張增坤，倪衛(wèi)兵 .合理評估光譜標準樣品的均勻性［J］.金屬功能材料，2011，18(1): 49-51

［8］ 柯瑞華 .光譜分析用塊狀標準物質(zhì)均勻性檢驗試驗方案研究［J］.理化檢驗：化學分冊，2002，38(3): 114-115.

［9］ 全國標準物質(zhì)委員會 .標準物質(zhì)的研制、管理與應用［M］.北京：中國計量出版社，2010: 99-100.

Preparation of Projectile Steel Standard Spectrum Specimen

Li Bentao, Huang Hui, Li Ying, Zhao Hua
(CNGC Institue 53, Jinan 250031, China)

A kind of porous gating system used for projectile steel was developed, and its structure and application were introduced detailedly. By the testing results, the projectile steel standard sample for spectrometric analysis had good homogeneity. This system had the advantages of fl exible, and it could be used to prepare various size or weight of projectile steel, which was worth of popularizing and applying.

projectile steel; spectrum reference material; porous gating system; homogeneity test

O652.3

A

1008-6145(2014)05-0007-03

聯(lián)系人：李本濤；E-mail: lbt43444@163.com

2014-08-15

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.05.003