鎢粉粒度分布對聚能射孔彈破甲性能影響的研究

李云, 付代軒, 賴康華, 余鵬

(四川石油射孔器材有限責(zé)任公司, 四川 隆昌 642150)

0 引 言

石油聚能射孔彈的破甲性能受到殼體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、炸藥性能、藥型罩結(jié)構(gòu)、藥型罩材料等眾多因素的影響。藥型罩被稱為射孔彈的心臟[1],藥型罩對射孔彈穿深性能的影響至關(guān)重要。國內(nèi)外對于提高射孔彈穿深性能的研究大部分都集中在藥型罩幾何結(jié)構(gòu)、制備材料、制造工藝等方面。藥型罩的制備材料是聚能效應(yīng)能量的最終載體,其性能的優(yōu)劣對射流的質(zhì)量,如連續(xù)射流長度、射流密度、射流速度等重要參數(shù)產(chǎn)生直接影響[2-4]。要提高射孔彈的破甲性能,藥型罩所采用的制備材料的密度越高,聲速越大,延展性越好,越有利于射流的充分拉長,藥型罩的破碎性、侵徹力、滲透率等主要指標(biāo)也隨之提高[5-8]。金屬鎢因具有較高的聲速(4.03 km/s)和較高的材料密度(19.35 g/cm3),是行業(yè)內(nèi)最主要的藥型罩制備材料[9],國內(nèi)外大部分射孔彈的藥型罩都含有不同比例的鎢粉。

鎢粉的主要性能包括化學(xué)成分、粒度分布、密度、形貌等[10]。這些物理化學(xué)性能對藥型罩的破甲性能產(chǎn)生各種影響,進(jìn)而影響射孔彈的破甲性能。藥型罩屬于多孔材料,孔隙度是影響多孔材料所形成射流穩(wěn)定性的重要指標(biāo),合適的孔隙度可以延長聚能射流的斷裂時(shí)間,使射流得到充分拉長,提高射流的穩(wěn)定性和侵徹能力[9]。藥型罩的孔隙度很大程度上取決于原料粉末的粒度分布。

本文研究通過制備以不同粒度級配鎢粉為基粉的混合粉末壓制成藥型罩進(jìn)行靜破甲性能對比測試,采用激光粒度分析儀對不同粒度分布的鎢粉進(jìn)行粒度分析,從而得出鎢粉粒度分布對于射孔彈穿深性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)采用實(shí)際生產(chǎn)中常用的CTP250粗晶還原鎢粉,將鎢粉采用標(biāo)準(zhǔn)篩組(100目/200目/325目)篩分成不同粒度大小的顆粒,采用不同大小顆粒的鎢粉按不同比例配比成6種級配鎢粉(見表1),采用同一批-200目電解銅粉,機(jī)械混合成相同的藥型罩配方粉末,在相同的設(shè)備上以相同的壓制工藝壓制成DP127型射孔彈,進(jìn)行靜破甲穿深性能對比試驗(yàn);目標(biāo)靶為同一批次鋼材制備的直徑Φ160 mm、長度250 mm的45號鋼靶;炸高條件統(tǒng)一為60 mm。以上試驗(yàn)過程在最大程度上保證設(shè)備狀態(tài)、工藝技術(shù)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的一致性,以減少其他因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

通過對比穿深數(shù)據(jù)和鎢粉的粒度分布,找到鎢粉粒度分布對藥型罩穿深的影響規(guī)律,確定鎢粉粒度分布的最佳比例。

表1 不同粗細(xì)顆粒級配方案表

圖1 6種級配鎢粉顆粒占比柱狀圖

從圖1可以看出,第1組配方1、2、3為細(xì)端顆粒占比逐步減少,粗端顆粒占比逐步增加。通過這個(gè)變化趨勢,可以通過試驗(yàn)穿深找到不同粗細(xì)粒度的鎢粉比例變化對產(chǎn)品性能的影響。

第2組配方4、5、6比例變化趨勢與1、2、3相同,不同的是第2組配方去掉了粉末中極粗(+100目)或極細(xì)(-325目)的顆粒。如配方4中不含極粗顆粒,配方5中不含極粗與極細(xì)顆粒,配方6中不含極細(xì)顆粒。通過該組配方試驗(yàn),找到粉末配方中兩端極粗極細(xì)顆粒對產(chǎn)品性能的影響規(guī)律。

2 結(jié)果分析

2.1 穿深性能對比

通過圖2、表2可以看出6種不同配方的對比穿深數(shù)據(jù)。第1組1、2、3號配方的穿深數(shù)據(jù)要高于第2組4、5、6號配方,其中2號和5號配方的穿深數(shù)據(jù)分別在第2組配方中達(dá)到最高。這是由于不同粒度大小的粉末顆?？杀M可能地填充顆粒間的孔隙,良好的級配使粗顆粒的孔隙恰好由中顆粒填充,中顆粒的孔隙恰好由細(xì)顆粒填充,如此逐級填充使粉末成密致的堆積狀態(tài),孔隙率降低,堆積密度提高,粉末的松比和壓坯密度增大,壓制過程中通過保證足夠的保壓時(shí)間和壓制精度,降低藥型罩內(nèi)部彈性后效和尺寸偏差的影響[11]。這樣壓制出的藥型罩壓坯密度得到提高,保證所形成射流的連續(xù)性和穩(wěn)定性,宏觀反映在射孔彈穿深方面即穿深水平的提高。

表2 6種級配鎢粉打靶數(shù)據(jù)表

圖2 6種級配鎢粉平均穿深數(shù)據(jù)對比圖

采用金相顯微鏡對2組配方中穿深性能較優(yōu)的2號和5號藥型罩進(jìn)行金相分析,在100倍下進(jìn)行觀察對比其金相結(jié)構(gòu)和密度,照片中白色為鎢粉,黃色為銅粉,黑色為孔隙。從圖3和圖4可以看出,5號藥型罩的孔隙度要明顯大于2號藥型罩,密度也明顯低于2號藥型罩。

圖3 2號藥型罩金相圖

圖4 5號藥型罩金相圖

基于以上粉末級配原理及金相分析的結(jié)果,研究中,第1組粉末配方粒度分布的范圍較寬,從粗到細(xì)的顆粒均占據(jù)一定的比例,粉末間的孔隙能夠得到較好的填充,能夠獲得較大的壓坯密度;當(dāng)粒度分布比例為2號配方時(shí),填充效果達(dá)到最好,粉末松比和壓坯密度獲得最大值,達(dá)到最佳穿深。

第2組配方中,由于缺少極粗或極細(xì)的粉末顆粒,粉末中的粗顆?；蚣?xì)顆粒占據(jù)了絕大部分,粗顆粒之間搭橋形成的孔隙沒有細(xì)顆粒進(jìn)行填充,導(dǎo)致壓坯中存在較多的孔隙,顯然壓坯密度也普遍低于第1組配方,穿深效果要較第1組差。

2.2 粒度分布對比

采用激光粒度分析儀對1～6號配方的鎢粉進(jìn)行粒度對比分析,將激光粒度儀3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)置為D10、D50、D90,D代表粉體顆粒的直徑,D10、D50、D90表示累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)分別為10%、50%、90%的直徑,物理意義是粒徑小于該粒度值的顆粒分別占比10%、50%、90%,這3個(gè)指標(biāo)通常用來描述粉末細(xì)端、平均及粗端的粒度指標(biāo)。確定這3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)以及粒度曲線形態(tài)及分布跨度就能確定粉末的粒度分布曲線。1～6號配方鎢粉的粒度分布對比分析結(jié)果如表3所示。通過分析,可以得出在穿深測試中性能最優(yōu)的2號配方鎢粉的粒度分布關(guān)鍵指標(biāo)。

表3 6種級配鎢粉粒度分布統(tǒng)計(jì)表

圖5 6種級配鎢粉粒度分布曲線疊加對比圖

從圖5可以看出,1號與4號鎢粉分布曲線位于偏左位置,代表粉末粒度小于其他鎢粉,3號與6號鎢粉分布曲線位于偏右位置,代表粉末粒度大于其他鎢粉;2號與5號鎢粉的D50值落在75 μm附近,2號與5號鎢粉正是2組級配鎢粉中穿深最好的比例;5號鎢粉的曲線跨度小于2號鎢粉,表明5號鎢粉的顆粒分布范圍略小于2號鎢粉,計(jì)算得出2號鎢粉分布范圍約為126 μm,5號約為100 μm。

試驗(yàn)的6種級配鎢粉中,2號鎢粉的穿深數(shù)據(jù)在6種鎢粉中達(dá)到最大值,比最低穿深值193 mm提升14.5%。2號鎢粉的粒度分布關(guān)鍵指標(biāo)是D10=41 μm,D50=73 μm,D90=167 μm,粒度分布范圍約126 μm,曲線符合正態(tài)分布,可以作為藥型罩生產(chǎn)用鎢粉粒度分布的推薦指標(biāo)。

3 結(jié) 論

(1) 鎢粉粒度分布范圍過窄、粒度粗細(xì)分布不均等現(xiàn)象均會(huì)導(dǎo)致藥型罩穿深性能的下降。

(2) 配比的穿深性能較優(yōu)的鎢粉其粒度分布范圍約為126 μm,曲線符合正態(tài)分布,粒徑指標(biāo)為D10=41 μm、D50=73 μm、D90=167 μm左右的鎢粉能夠獲得較好的粉末填充效果,降低藥型罩壓坯孔隙度,提升藥型罩壓制密度,有利于提升射孔彈的破甲性能,可以作為藥型罩制備用鎢粉的推薦粒度指標(biāo)。

(3) 石油射孔彈藥型罩制備的還原鎢粉其粒度分布指標(biāo)是影響射孔彈穿深性能的重要因素。不同粒度分布的鎢粉直接影響射孔彈的穿深性能,粒度分布曲線范圍、高度及位置,直觀反映出鎢粉的分布范圍、粒度粗細(xì)等指標(biāo)。

(4) 藥型罩制備采用添加少量的鉛粉或鉍粉等技術(shù)。銅粉、鉛粉和鉍粉等其他組分的粒度分布同樣對射孔彈的破甲性能起著直接的影響。通過級配試驗(yàn)得出不同比例的粉末混合配方下所添加的其他元素粉末的粒度分布對射孔彈破甲性能的影響趨勢,最終獲得較好的混合粉末粒度級配參數(shù)。

(5) 這一研究應(yīng)作為藥型罩原料粉末粒度分布指標(biāo)對破甲性能影響的主要研究方向。

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