大口徑彈帶材料黃銅的磨損機理研究

盧鳳生，張 雷，王 波，房海明，王 舜，王 猛

(1.北方華安工業(yè)集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046；2.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 110159)

新一代火炮系統(tǒng)要求進一步提高彈丸的初速和射程，因此需要使用更高能量的發(fā)射藥，這無疑加劇了身管的燒蝕。目前，身管的燒蝕壽命已成為制約火炮設(shè)計的瓶頸問題，解決這一瓶頸問題的手段包括在發(fā)射藥中添加緩蝕劑、身管內(nèi)膛涂覆耐燒蝕涂層、合理的彈帶結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇等[1-2]。

彈帶作為彈丸的一個重要組成部分，主要有以下三個作用：(1)密閉火藥氣體；(2)嵌入膛線以賦予彈丸一定的轉(zhuǎn)速；(3)使彈丸裝填處于合適的位置。彈帶對彈丸初速、射程、精度以及火炮身管壽命起著至關(guān)重要的作用。因此，國內(nèi)外學(xué)者采用試驗和有限元仿真手段，對彈帶從彈丸裝填到彈丸出炮口的內(nèi)彈道過程展開了大量的研究。如彈帶擠進的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律[3-5]、彈帶的擠進動力和擠進阻力[4]、彈帶擠進過程的彈丸運動規(guī)律[4-5]、彈帶與身管的相互作用[6-8]、彈帶膛內(nèi)運動的塑性變形[8]等。

在高發(fā)射膛壓下，傳統(tǒng)的軟銅基彈帶材料由于嚴(yán)重磨損而使發(fā)射藥氣體大量泄漏，進而導(dǎo)致彈丸初速下降、精度下降和身管內(nèi)膛掛銅嚴(yán)重等問題。在更高的發(fā)射膛壓下，軟銅基彈帶甚至?xí)幌鞴鈱?dǎo)致彈體刻蝕，進一步加劇了身管內(nèi)膛的燒蝕。因此，實現(xiàn)彈丸增程，迫切需要開發(fā)新一代具有優(yōu)異耐磨性的彈帶材料。對傳統(tǒng)黃銅彈帶材料摩擦磨損機理的研究，對開發(fā)適用于高膛壓發(fā)射條件的新型彈帶材料具有的理論指導(dǎo)意義。因此 ，本文研究彈帶材料黃銅在不同摩擦條件下的摩擦磨損機理。

1 實驗材料及方法

以黃銅為實驗材料，將黃銅彈帶環(huán)形坯料在線切割機上加工成尺寸為20mm×10mm×5mm的長方體試樣。將試樣用砂紙打磨至800#后，用粒度為2.5μm的金剛石研磨膏進行拋光，再經(jīng)丙酮酒精混合液超聲清洗5min后，立刻用風(fēng)筒進行吹干放入干燥皿待用。

用HSR-2M往復(fù)式摩擦實驗機測試黃銅的摩擦磨損性能，對磨件為直徑Φ4mm的淬火GCr15鋼球(HRC61～63)，往復(fù)行程為10mm，運行時間為5min。磨損后的試樣經(jīng)過丙酮酒精混合液超聲清洗30min后，立刻用風(fēng)筒進行吹干，并在精度為0.01mg天平上進行稱量，磨損前后的質(zhì)量差為試樣的磨損量。

磨損試樣經(jīng)硫酸銅溶液腐刻后，用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察磨損試樣截面組織變化；用帶能譜的掃描電鏡(SEM/EDS)觀察磨損后試樣的表面形貌及成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)與磨損量

圖1為黃銅在不同摩擦條件下的摩擦系數(shù)。

由圖1可以看出，往復(fù)速度為200r/min時的摩擦系數(shù)比往復(fù)速度為400r/min時的摩擦系數(shù)隨時間跑合上升較為平緩，兩者的摩擦系數(shù)都較大，而往復(fù)速度為600r/min時的摩擦系數(shù)較小，沒有明顯的跑合上升階段。

由于黃銅和GCr15鋼球的硬度相差較大，且摩擦磨損條件為高載、高速，因此，摩擦系數(shù)總體起伏較大，說明黃銅表面磨損劇烈。為了進一步定量比較摩擦系數(shù)，將摩擦系數(shù)進行平均，得到黃銅在不同摩擦條件下的摩擦系數(shù)平均值，如表1所示。

表1 黃銅在不同摩擦條件下的摩擦系數(shù)平均值

由表1可以看出，摩擦系數(shù)隨著往復(fù)速度的增大先增大后減小，往復(fù)速度為600r/min時的摩擦系數(shù)要明顯小于其它兩種往復(fù)速度的摩擦系數(shù)。表2為黃銅在不同摩擦條件下的磨損量。由表2可以看出，隨著往復(fù)速度的增加，磨損量增大，往復(fù)速度為600r/min時的磨損量明顯比其它兩種往復(fù)速度的磨損量大。

表2 黃銅在不同摩擦條件下的磨損量

2.2 磨損機制

圖2為30N-200r/min摩擦條件下的磨損形貌及EDS分析結(jié)果。由圖2a低倍截面金相可以看出，黃銅表面發(fā)生了嚴(yán)重的磨損，形成了不規(guī)則的凹槽。由圖2b高倍截面金相可以看出，磨損表面存在明顯的再結(jié)晶細(xì)晶區(qū)，而在細(xì)晶區(qū)的下方由于晶粒受壓而存在較為明顯的晶粒變形區(qū)。由圖2c表面磨損形貌可以看出，磨損表面出現(xiàn)許多平行于滑動方向的犁溝，還有許多細(xì)小磨屑的存在，這是典型的磨粒磨損的特征。接觸面間的硬顆粒對表面材料的磨削，導(dǎo)致了細(xì)小磨屑的脫落。對圖2c中的A區(qū)域進行EDS分析后得到的能譜中顯示出了較強的氧峰，如圖2d所示，表明黃銅在滑動過程中產(chǎn)生的摩擦熱使其表面材料升溫而發(fā)生氧化，黃銅的磨損機制主要為氧化磨損與磨粒磨損。

圖2 30N-200r/min摩擦條件下的磨損形貌及EDS分析結(jié)果

圖3為30N-400r/min摩擦條件下的磨損形貌及EDS分析結(jié)果。由圖3a低倍截面金相可以看出，相對于往復(fù)速度為200r/min時的摩擦條件，黃銅表面發(fā)生了更為嚴(yán)重的磨損，形成的不規(guī)則凹槽加深。由圖3b高倍截面金相可以看出，其磨損后的組織結(jié)構(gòu)與往復(fù)速度為200r/min時的組織相似。由圖3c表面磨損形貌可以看出，磨損表面的材料變形嚴(yán)重，形成了平行于摩擦方向的犁溝；同時，B區(qū)域的能譜分析中亦發(fā)現(xiàn)含有較強的氧峰，如圖3d所示，表明其磨損機制與往復(fù)速度為200r/min時的相同。

圖3 30N-400r/min摩擦條件下的磨損形貌及EDS分析結(jié)果

圖4為30N-600r/min摩擦條件下的磨損形貌及EDS分析結(jié)果。由圖4a低倍截面金相可以看出，黃銅的磨損表面形成了更深的規(guī)則凹槽，這與表2往復(fù)速度為600r/min時的磨損量最大相符。由圖4b高倍截面金相可以看出，其磨損表面形成了更厚的細(xì)晶區(qū)，而在細(xì)晶區(qū)層下方的晶粒變形區(qū)相對較薄。由圖4c表面磨損形貌可以看出，與往復(fù)速度為200r/min和400r/min時的磨損形貌不同，磨損表面出現(xiàn)了大量顆粒狀的磨粒，在磨粒區(qū)和平整區(qū)的交界上出現(xiàn)了一個細(xì)小的多層邊緣結(jié)構(gòu)，這表明表面熔化是這一階段主要的磨損機制。在大載荷和高滑動速度下，接觸表面的溫度超過了材料的熔化溫度，材料沿著滑動方向在接觸表面擴展，并在邊緣重新凝固形成薄層，隨著磨損的進行，反復(fù)的熔化和凝固導(dǎo)致了邊緣結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。C區(qū)域的能譜分析中亦發(fā)現(xiàn)含有較強的氧峰，如圖4d所示，表明其表面也發(fā)生了氧化。因此，在滑動速度為400r/min時的磨損機制主要為熔化磨損和氧化磨損。

圖4 30N-600r/min摩擦條件下的磨損形貌及EDS分析結(jié)果

根據(jù)Lim S等[9]提出的接觸表面溫度關(guān)系式，GCr15鋼球與黃銅接觸表面的平均溫度Tb可表示為

(1)

式中：T0通常為25 ℃；μ為摩擦系數(shù)；v為滑動速度；An為表觀接觸面積；lb為黃銅的平均擴散距離；Kmp為黃銅的熱傳導(dǎo)率；f為摩擦熱傳入黃銅的分配系數(shù)。

由式(1)可以看出，黃銅表面溫度的升高隨著滑動速度的升高而升高。當(dāng)滑動速度由200r/min提高到600r/min時，黃銅摩擦接觸表面的溫度達到了熔點溫度，導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低和磨損量加大，磨損機制由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槿刍p。

3 結(jié)論

(1)在30N載荷下，滑動速度按照200r/min、400r/min、600r/min次序增加時，黃銅的摩擦系數(shù)先增大后減小，磨損量在滑動速度為600r/min時急劇增大；

(2)在30N載荷下，滑動速度為200r/min和400r/min時，黃銅的磨損機制為磨粒磨損和氧化磨損；

(3)在30N載荷下，滑動速度為600r/min時，黃銅摩擦表面溫度升高至黃銅的熔點，黃銅的磨損機制為熔化磨損和氧化磨損。