彈帶噴涂技術(shù)

鄒志強(qiáng)，吳 斌

(陸軍軍官學(xué)院，合肥 230031)

在兵器制造業(yè)中，彈帶是各種彈丸的密封件，是炮彈彈體結(jié)構(gòu)的重要組成部分。彈帶在火炮發(fā)射時(shí)在膛內(nèi)傳遞扭矩，使彈丸獲得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到穩(wěn)定飛行所需的炮口轉(zhuǎn)速;同時(shí)，彈帶還有密閉火藥燃?xì)獾淖饔?。?duì)于大口徑火炮的分裝式炮彈來說，彈帶還有固定彈丸位置的作用［1］。因此，要求彈帶具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性、耐磨性，同時(shí)和彈體應(yīng)具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。

目前，人們大多采用紫銅、黃銅、純鐵和工程塑料［2］等材料來制造彈帶。其裝配工藝大致分為2種，一種是機(jī)械嵌合方式［3］，這是最傳統(tǒng)的彈帶裝配工藝，即在彈體上加工彈帶凹槽(大口徑炮彈是燕尾槽)，并在其中輥壓花紋，使紫銅或純鐵彈帶在強(qiáng)壓下與彈體嵌合。這種工藝必須在彈體上加工彈帶環(huán)槽，必然削弱彈體強(qiáng)度，要保證彈體強(qiáng)度就必須增加環(huán)槽處的壁厚，增加環(huán)槽處的壁厚會(huì)使該處彈體內(nèi)腔孔徑縮小，增加加工難度，且裝藥量減少，爆炸威力降低。同時(shí)，彈體上開槽會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，也將影響彈體強(qiáng)度;另一種是焊接方式，采用MIG釬焊、熔敷焊、摩擦焊等技術(shù)在彈體上焊接銅彈帶，采用這種工藝裝配彈帶時(shí)不需在彈體上開槽滾花，且焊后接頭強(qiáng)度高。馬王哲等［4］采用MIG釬焊制備了銅合金彈帶，研究結(jié)果表明制備的彈帶滿足炮彈彈帶的要求。王克鴻等［5］研究了熔敷焊接方法制備彈帶，重點(diǎn)研究了彈帶的力學(xué)性能、組織成分、能譜分析，并用靶試驗(yàn)證熔敷焊彈帶符合射擊要求。徐曉菱等［6］利用摩擦焊技術(shù)制備了小口徑炮彈彈帶，并通過多輪射擊證實(shí)摩擦焊技術(shù)制備彈帶的可行性。馬鐵軍和楊思乾［7］發(fā)明了磁力脈沖焊接制備彈帶的方法，該方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中加熱時(shí)間長而造成的焊接強(qiáng)度不高、操作不便等不足。盡管焊接制備的彈帶結(jié)合強(qiáng)度滿足使用要求，但是焊接方式制備彈帶時(shí)溫度梯度大，對(duì)彈帶材料性能以及彈體變形均造成不利的影響且不易保證彈體和彈帶同心，同時(shí)存在殘余應(yīng)力。

為了克服機(jī)械嵌合和焊接方法制備彈帶的不利影響，研究新的彈帶制備工藝具有重要的實(shí)用價(jià)值。本文探討了利用電弧噴涂技術(shù)在彈體上直接成型彈帶的方法。電弧噴涂［8］是一種金屬零件成形處理和表面處理工藝，具有成本低、性能好、能延長零件壽命、涂層零件尺寸不受限制、涂層厚度變化范圍大的優(yōu)點(diǎn)。其原理是以電弧為熱源，將熔化的金屬絲用高速氣流霧化，并以高速噴射到工件表面形成涂層的一種工藝。噴涂時(shí)，2根絲狀噴涂材料經(jīng)送絲機(jī)構(gòu)均勻、連續(xù)地送進(jìn)噴槍的2個(gè)導(dǎo)電嘴內(nèi)，導(dǎo)電嘴分別接噴涂電源的正、負(fù)極，并保證2根絲材端部接觸前的絕緣性。當(dāng)2根絲材端部接觸時(shí)，由于短路產(chǎn)生電弧。高壓空氣將電弧熔化的金屬霧化成微熔滴，并將微熔滴加速噴射到工件表面，經(jīng)冷卻、沉積過程形成涂層。電弧噴涂制備彈帶原理如圖1所示。

圖1 電弧噴涂制備彈帶原理示意圖

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

1)模擬彈體材料。模擬彈體采用直徑為75 mm的45號(hào)鋼。

2)彈帶材料。鋁青銅具有耐高溫、耐磨損、防腐蝕、抗疲勞的性能，與彈帶材料的要求相符，探索用鋁青銅制備彈帶，其化學(xué)成分見表1。

表1 鋁青銅的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用CDMAS3000電弧噴涂系統(tǒng)制備鋁青銅彈帶，采用WE-10A萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試彈帶的結(jié)合強(qiáng)度，采用HXD-1000顯微硬度儀測(cè)量彈帶橫截面的顯微硬度，采用Philips XL30型掃描電子顯微鏡觀察彈帶截面的組織形貌，利用MTS810材料測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了彈帶的擠進(jìn)試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)過程

1)彈帶制備。試驗(yàn)采用改進(jìn)的HAS-02型高速電弧噴涂槍和CDMAS3000電弧噴涂系統(tǒng)在模擬彈體上制備鋁青銅彈帶。噴涂前模擬彈體表面用丙酮清洗，然后用棕剛玉噴砂。噴砂工藝見表2。

表2 噴砂工藝參數(shù)

通過考察噴涂電壓、電流、霧化氣壓、噴涂距離對(duì)彈帶性能的影響，優(yōu)化了工藝參數(shù)。優(yōu)化后的電弧噴涂工藝參數(shù)見表3。

表3 電弧噴涂工藝參數(shù)

對(duì)噴涂的彈帶進(jìn)行車削加工，加工后彈帶寬10 mm，厚2 mm。

2)彈帶的結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)。采用WE-10A萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試彈帶的結(jié)合強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了2種強(qiáng)度試驗(yàn)，一是軸向剪切試驗(yàn)，二是切向剪切試驗(yàn)，在常溫下進(jìn)行試驗(yàn)。

3)彈帶的硬度檢測(cè)。為了考察彈帶橫截面的硬度分布規(guī)律，在HXD-1000顯微硬度儀上測(cè)試彈帶橫截面的顯微硬度。試驗(yàn)條件:載荷為100 g，加載時(shí)間為15 s，在彈帶表面的垂直方向上每隔50 μm取點(diǎn)測(cè)量，取3次測(cè)量的平均值。

4)彈帶的組織形貌。采用Philips XL30型掃描電子顯微鏡觀察彈帶橫截面的組織形貌。

5)彈帶的擠進(jìn)試驗(yàn)。在MTS810材料測(cè)試系統(tǒng)上對(duì)制備的鋁青銅彈帶在自制的模擬短身管中進(jìn)行擠進(jìn)試驗(yàn)。模擬短身管材料采用CrNiMo合金鋼，機(jī)加工后熱處理，使其機(jī)械性能與現(xiàn)役身管接近。為加工方便，短身管膛線加工為直線(實(shí)為螺旋線)，共24條，陰線直徑為76.7 mm，膛線高為1.5 mm，陽線寬為3 mm，陰線寬7 mm。模擬短身管如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 彈帶外觀

電弧噴涂制備的鋁青銅彈帶經(jīng)車削加工后如圖3所示，鋁青銅彈帶外觀成型良好，無氣孔、裂縫等明顯缺陷。

圖2 模擬短身管

圖3 電弧噴涂彈帶

2.2 彈帶的結(jié)合強(qiáng)度

噴涂彈帶的結(jié)合強(qiáng)度如表4和表5所示，利用電弧噴涂技術(shù)制備的鋁青銅彈帶的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)50 MPa，滿足了炮彈設(shè)計(jì)對(duì)彈帶強(qiáng)度的要求。

表4 軸向剪切強(qiáng)度 MPa

表5 切向剪切強(qiáng)度 MPa

2.3 彈帶的硬度檢測(cè)

圖4顯示出電弧噴涂彈帶橫截面的硬度分布。由圖4可以看出彈帶的硬度值在90～145 HV，保證了彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的擠進(jìn)壓力。彈帶的硬度值分布較大，是由于電弧噴涂的高溫使部分彈帶材料氧化所致，降低噴涂的溫度有待進(jìn)一步研究。

2.4 彈帶的組織形貌

噴涂彈帶橫截面的組織形貌如圖5所示，噴涂彈帶界面平整光潔，無缺陷，彈帶內(nèi)無夾渣、氣孔、裂縫等明顯缺陷，顯示出了電弧噴涂制備的彈帶具有均勻致密的截面形貌。

2.5 彈帶的擠進(jìn)試驗(yàn)

彈帶擠進(jìn)后如圖6所示，彈帶被擠出清晰的凹槽，彈帶無裂紋、崩落等現(xiàn)象，說明電弧噴涂制備的鋁青銅彈帶的塑性和強(qiáng)度滿足彈帶的性能要求。此外，鋁青銅彈帶與基體結(jié)合牢固，彈帶和模擬彈體之間未產(chǎn)生任何位移，進(jìn)一步證實(shí)了電弧噴涂制備的鋁青銅彈帶與模擬彈體之間有較高的結(jié)合強(qiáng)度。

圖4 電弧噴涂彈帶橫截面的硬度分布

圖5 電弧噴涂彈帶橫截面組織形貌

圖6 擠進(jìn)后的電弧噴涂彈帶

3 結(jié)論

1)采用電弧噴涂方法制備的彈帶與彈體的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)50 MPa，具有良好的塑性和強(qiáng)度，滿足了彈帶的設(shè)計(jì)要求。因此，電弧噴涂技術(shù)有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械壓嵌技術(shù)和焊接技術(shù)來制備彈帶。

2)鋁青銅具有良好的塑性和高的耐磨性，可以滿足彈帶的性能要求，為制備彈帶提供了新的材料選擇。

3)由于電弧噴涂的溫度較高，噴涂后的彈帶材料有一定的氧化，影響了彈帶的性能。為了進(jìn)一步解決這些問題可以探索冷噴涂技術(shù)制備彈帶。

［1］魏惠之，朱鶴松，汪東暉，等.彈丸設(shè)計(jì)理論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1985：25-27.

［2］M.Schupfer，K.Steinhoff，R.Rothlisberger.New materials for large-caliber rotating bands for high chargers［C］//19th inernational Symposium Ballistics.Interlaken：［s.n.］，2001：379-385.

［3］尹建平，王志軍.彈藥學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2012：121-123.

［4］馬王哲，張善保，楊永波，等.彈帶的MIG釬堆焊技術(shù)研究［C］//第十一次全國焊接會(huì)議.上海：［出版社不詳］，2005：234-236.

［5］王克鴻，徐越蘭，王建平，等.彈帶熔敷擴(kuò)散焊接技術(shù)研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2002，25(2)：34-35.

［6］徐曉菱，徐元澤，吳瑋.小口徑彈帶摩擦焊技術(shù)［J］.兵工學(xué)報(bào)，2007，28(3)：346-348.

［7］馬鐵軍，楊思乾.彈帶的焊接方法［P］.中國專利：03114647.3，2003-04-17.

［8］徐濱士，朱紹華.表面工程的理論與技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999：259-261.