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兵器工业的粉末冶金技术

时间:2009-12-26 16:58:42  来源:中国钢铁新闻网  作者:

     兵器粉末冶金技术是指采用金属或其它粉末材料,经过混粉、压坯、烧结、成型和后处理等工艺过程制造各种多孔、半致密或全致密兵器零件与制品的技术。兵器粉末冶金技术是反坦克动能穿甲弹弹芯、导弹发动机喷管、陶瓷装甲元件、坦克动力传动系统摩擦片等元件的关键制造技术,包括:兵器特殊零件的热等静压、冷等静压技术、烧结工艺、自蔓燃高温合成技术、粉末注射成型技术、粉末锻造技术、粉末冶金件性能测试与无损检测技术等。由于粉末冶金技术具有工艺成本低、材料利用率高、能实现制造零件的净成型或近成型、特别适用于大批量生产,用于取代某些兵器零件的常规制造工艺,还能够实现提高产品性能,缩短周期,延长使用寿命,降低生产成本的效果。
    
    相关技术
    弹药技术;发动机喷管技术;摩擦片技术;装甲技术

    技术难点
    1、兵器特殊零件的热等静压、冷等静压技术;
    2 、预合金粉件烧结工艺及控制技术;
    3 、粉末冶金件致密化技术;
    4 、粉末注射成型技术;
    5 、粉末冶金件精密锻造技术;
    6 、自蔓燃高温合成技术;
    7 、粉末冶金件性能测试与无损检测技术等

    国外概况
                
    1、国外兵器粉末冶金技术研究和应用广泛
    粉末冶金技术在美军弹药引信上的应用已超过30年。如M549、M550弹保险及解除保险装置的卡销均为粉末冶金黄铜件;50mm(毫米)弹的引信保险器、Beehive战斗部的引信定时器壳和引信底座等均采用了316L不锈钢粉末冶金件;此外,铜斑蛇导弹制导系统中也有形状复杂的粉末冶金钢质件。
                
    粉末冶金技术在弹药中应用广泛。如20mm、50mm弹的纯铁质粉末冶金旋转弹带、钨重金属粉末冶金动能穿甲弹芯、金属粉末注射成型穿甲弹尾翼、破甲弹药形罩、自动寻的导引头粉末冶金件等等,其应用量非常大。俄罗斯大口径炮弹也采用黄铜粉末冶金成型弹带。

    粉末冶金技术在枪械中的应用非常广阔。如12.7mm口径M85机枪的快慢机、护筒、闭锁机、闩锁等22种零件可用粉末冶金钢锻件来代替;12.7mm口径M2机枪的计算尺、托架、枪栓等12种零件可用粉末冶金件代替;7.62mm M60机枪的撞针杆、送弹杆、前后瞄准器等18种零件可由粉末冶金件代替。如金属粉末注射成型枪械发射阻铁,为4340钢粉末冶金件,热处理后硬度达到38~42HRC(洛氏硬度),氧化发黑后可代替以前的精密铸件。M16 步枪激光瞄准系统的可调旋钮也采用黄铜、钢及不锈钢粉末冶金件。
                
    在坦克装甲车辆方面,粉末冶金件的应用也越来越广泛。美国XM-1坦克发动机齿轮即采用了粉末冶金件,其性能完全合格,且成本可降低约60%。M15lA2军用车辆的差速器中,侧面齿轮、轴齿轮、配对齿轮均为粉末冶金件,其性能均很好,成本降低约30%。M60坦克驱动系的正齿轮采用了4620钢粉末冶金件。军用车辆的制动泵活塞,烧结的铁质粉末冶金件比以往的铝质产品在耐磨性、耐烧蚀性方面均占优势,显著提高产品寿命。
                
    在火炮的应用上,奥地利用粉末冶金技术制造了耐烧烧蚀镍基或钴基合金内衬置于炮管内膛提高性能,具有耐烧蚀、耐磨损、耐磨蚀等特性,且制造技术比较成熟。美国用热等静压技术制造形状复杂的M113型175mm炮断隔螺纹炮闩,每件可节省材料34kg(公斤),工时15个,质量减轻近25%。另外,美国还利用钒改性4600钢粉和天然石墨混合料,通过粉末锻造方法制造近成形的环形件,用于大口径火炮炮尾组合件中的闭气环。
    
    2、取代传统工艺和材料的研究应用证实了其可行性
    粉末冶金技术除了用于制造一些特殊的兵器产品零件(如动能穿甲弹芯、火炮、弹箭防烧蚀内衬等)之外,还可以取代传统材料和工艺,用于制造装甲车辆、枪械、火炮或弹箭零件,进一步改进性能和降低成本。国外许多研究或应用实例已证实了在性能、使用寿命、成本方面的可行性,例如:

    (1)105mm榴弹炮凸轮
    该零件件尺寸约241mm ×152mm ,厚约12.7mm,加强肋高度/厚度比大于10,加强肋厚度约5mm.该凸轮槽具有复杂构形,允许误差±50μm(微米)。美国陆军研究证实了粉末冶金蠕变锻造技术的应用可行性。他们采用100目7075铝粉,于276MPa(兆帕)压力下冷等静压制坯,在550 ℃氮气中烧结2 小时后,将预型坯和锻模预热到530℃,进行等温蠕变锻造。结果表明,最终机械性能满足QQ-A-367H技术规范,抗拉强度大于490MPa,屈服强度超过434MPa,延伸率高于3 %。工艺成本对比分析表明,可节约开支30%。

    (2)151A2军车差速器齿轮和制动泵活塞
    美国陆军采用4620钢粉,通过粉末冶金等温锻造技术制造差速侧齿轮和伞齿轮,最终材料密度可达到99.5%理论密度,抗拉强度876MPa,屈服强度630MPa,延伸率11.6%,断面收缩率54.4%,冲击值与4600锻钢性能相当。将这些齿轮装在7部M15lA2车上进行35000km(公里)公路和越野跑车考核,结果证明是合格的。但是用这种粉末冶金等温锻造技术制造的齿轮,成本降低了25%。制动泵活塞采用烧结铁是为了取代铝活塞,解决腐蚀问题。烧结铁粉中有少量锡锑铜合金粉,经制坯压实、烧结,硬度达到85-95HB,与标准铝活塞接近。气孔率为2%,浸渍聚氧乙二醇类合成防腐润滑剂后,他们将该烧结铁活塞装车,进行20000km考核试验,对比结果表明,铝活塞出现严重腐蚀、粘合,但烧结铁活塞无任何过度磨损或腐蚀,性能优于铝活塞。

    (3)M60坦克正齿轮
    这种正齿轮用于M60坦克驱动链,与主驱动齿轮相匹配。美国TRW公司在陆军支持下研究认为,用粉末冶金技术制造这种高性能齿轮替代锻钢件是可行的。采用工业水雾化4620钢粉,在414MPa压力下冷等静压制成预型坯,然后在1200℃氢气中烧结1小时,再于900℃,10t(吨)/平方英寸下进行精密等温锻造。最终材料密度可达99.5%理论密度,机械性能与锻钢件性能相当,抗拉强度约758MPa,屈服强度约580MPa,延伸率15%,面缩率40%。

    (4)海军127mm制导炮弹尾翼
    这种尾翼有极严格的几何形状要求,总长198mm,翼型宽58mm,厚约9mm.原设计采用17-4PH钢铸件,最低强度为1172MPa.美国海军海面武器中心认为,可以用粉末冶金锻造技术制造这种高强度精密尾翼。他们采用4640钢粉340g(克),与0.48%石墨和0.75%硬脂酸锌混合压坯,烧结后达到80%-85%理论密度,然后于1200℃预热后立即进行精密等温模锻,锻后密度可达99.5%~100%理论密度,尺寸精度可达±2.5 μm.机械性能均可满足设计要求,抗拉强度可达1207MPa,屈服强度达1193MPa ,延伸率5.3%,断面收缩率25.0%,材料利用率达83%。

    (5)M567引信定位栓
    美国陆军证实了可以用粉末冶金技术制造炮弹引信中的铝件。其中,60和81mm迫弹引信定位栓原设计采用2014-T6铝棒坯,切削加工,材料抗拉强度为400MPa,根据该件功能,实际并不需要达到这一强度等级。采用粉末冶金技术制造这种零件,材料是工业201AB铝粉,成分与2014铝相似,经多模压机制成坯件后,于593℃氮气氛中烧结30分钟,再进行T4或T6状态固溶、时效热处理,机加为成品件。机械性能试验表明,T4热处理条件下,抗拉强度超过290MPa,屈服强度240MPa,延伸率5%-6 %,T6条件下抗拉强度达350 MPa ,延伸率1 %-2 %。尺寸分析和密度测量结果表明,最终尺寸变化小于0.3%,材料密度达到99%理论密度。为证实其使用性能。进行了空气炮发射试验,将定位栓装在M567引信件中,评价其发射后的结构完整性,试验结果表明,未出现任何破坏或尺寸变化。成本分析表明,传统切削工艺中,有60%材料成为切削废料,而粉末冶金件中的切削材料损失不超过5 %。分析表明总成本可降低25%。

    (6)粉末冶金弹带
    美国陆军为改进铁粉末冶金弹带性能,研究了铜熔渗铁粉末烧结弹带材料性能,结果表明铜熔渗可提高铁粉末冶金弹带强度。例如,铁粉压坯经1120℃烧结8分钟后,抗拉强度为365MPa,屈服强度为172MPa,延伸率21%,尺寸变化0.006,经铜熔渗1分钟后,抗拉强度提高到372MPa,屈服强度提高到220MPa,延伸率下降到19%,尺寸变化为0.008。

    (7 )粉末冶金枪械零件
    美国陆军0.50口径M85机枪快慢机是一个复杂结构件。原采用4640钢锤锻、切削工艺制造。为降低成本,TRW公司用4640预合金钢粉通过粉末冶金锻造技术制造了400个粉末冶金锻造快慢机交给陆军进行考核。经过大量性能试验和室温与低温射击考核,结果非常令人满意。因此陆军制定了M-85机枪26种零件粉末冶金锻造的军用技术标准(MIL-F-45961)。 对比分析结果表明,4640钢粉末冶金件的强度、韧性与锻钢件相当,硬度为30~33HRC ,疲劳强度414MPa,室温夏氏V型缺口冲击值6.9kgf.m(公斤.力米),纤维组织为细回火马氏体。但是与传统工艺相比,成本降低50% ,制造工序从27道减至7道,材料利用率从17%提高到90%。

    影响 
    未来武器装备和技术的发展对武器零部件制造质量、经济可承受性、研制和制造生产周期、应急生产能力等都提出了一系列新挑战,新一代武器装备需要更先进的制造技术来满足这些要求。兵器粉末冶金技术不但是反坦克动能穿甲弹弹芯、导弹发动机喷管、陶瓷装甲元件、坦克动力传动系统摩擦片等元件的关键制造技术,而且由于它具有工艺成本低、材料利用率高、能实现净成型或近成型、适用于批量生产,用于取代某些兵器零件的常规制造工艺,能够实现提高产品性能,缩短周期,延长使用寿命,降低生产成本的效果,所以它将成为新一代武器装备发展的支撑性关键制造技术之一。BIA中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

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