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各國粉末冶金技術在軍工工業方面的應用

行業資訊 | 2019-08-02 97

兵器粉末冶金技術不但是反坦克動能穿甲彈彈芯、導彈發動機噴管、陶瓷裝甲元件、坦克動力傳動系統摩擦片等元件的關鍵制造技術,而且由于它具有工藝成本低、材料利用率高、能實現淨成型或近成型、適用于批量生産,用于取代某些兵器零件的常規制造工藝,能夠實現提高産品性能,縮短周期,延長使用壽命,降低生産成本的效果,所以它將成爲新一代武器裝備發展的支撐性關鍵制造技術之一。

兵器粉末冶金技術是指采用金屬或其它粉末材料,經過混粉、壓坯、燒結、成型和後處理等工藝過程制造各種多孔、半致密或全致密兵器零件與制品的技術。兵器粉末冶金技術是反坦克動能穿甲彈彈芯、導彈發動機噴管、陶瓷裝甲元件、坦克動力傳動系統摩擦片等元件的關鍵制造技術,包括:兵器特殊零件的熱等靜壓、冷等靜壓技術、燒結工藝、自蔓燃高溫合成技術、粉末注射成型技術、粉末鍛造技術、粉末冶金件性能測試與無損檢測技術等。由于粉末冶金技術具有工藝成本低、材料利用率高、能實現制造零件的淨成型或近成型、特別適用于大批量生産,用于取代某些兵器零件的常規制造工藝,還能夠實現提高産品性能,縮短周期,延長使用壽命,降低生産成本的效果。  

相關技術

彈藥技術;發動機噴管技術;摩擦片技術;裝甲技術

技術難點

    1、兵器特殊零件的熱等靜壓、冷等靜壓技術;
    2 、預合金粉件燒結工藝及控制技術;
    3 、粉末冶金件致密化技術;
    4 、粉末注射成型技術;
    5 、粉末冶金件精密鍛造技術;
    6 、自蔓燃高溫合成技術;
    7 、粉末冶金件性能測試與無損檢測技術。

 

國外概況

 

1、國外兵器粉末冶金技術研究和應用廣泛

粉末冶金技術在美軍彈藥引信上的應用已超過30年。如M549、M550彈保險及解除保險裝置的卡銷均爲粉末冶金黃銅件;50mm(毫米)彈的引信保險器、Beehive戰鬥部的引信定時器殼和引信底座等均采用了316L不鏽鋼粉末冶金件;此外,銅斑蛇導彈制導系統中也有形狀複雜的粉末冶金鋼質件。

粉末冶金技術在彈藥中應用廣泛。如20mm、50mm彈的純鐵質粉末冶金旋轉彈帶、鎢重金屬粉末冶金動能穿甲彈芯、金屬粉末注射成型穿甲彈尾翼、破甲彈藥形罩、自動尋的導引頭粉末冶金件等等,其應用量非常大。俄羅斯大口徑炮彈也采用黃銅粉末冶金成型彈帶。
粉末冶金技術在槍械中的應用非常廣闊。如12.7mm口徑M85機槍的快慢機、護筒、閉鎖機、闩鎖等22種零件可用粉末冶金鋼鍛件來代替;12.7mm口徑M2機槍的計算尺、托架、槍栓等12種零件可用粉末冶金件代替;7.62mm M60機槍的撞針杆、送彈杆、前後瞄准器等18種零件可由粉末冶金件代替。如金屬粉末注射成型槍械發射阻鐵,爲4340鋼粉末冶金件,熱處理後硬度達到38~42HRC(洛氏硬度),氧化發黑後可代替以前的精密鑄件。M16 步槍激光瞄准系統的可調旋鈕也采用黃銅、鋼及不鏽鋼粉末冶金件。            

在坦克裝甲車輛方面,粉末冶金件的應用也越來越廣泛。美國XM-1坦克發動機齒輪即采用了粉末冶金件,其性能完全合格,且成本可降低約60%。M15lA2軍用車輛的差速器中,側面齒輪、軸齒輪、配對齒輪均爲粉末冶金件,其性能均很好,成本降低約30%。M60坦克驅動系的正齒輪采用了4620鋼粉末冶金件。軍用車輛的制動泵活塞,燒結的鐵質粉末冶金件比以往的鋁質産品在耐磨性、耐燒蝕性方面均占優勢,顯著提高産品壽命。             

在火炮的應用上,奧地利用粉末冶金技術制造了耐燒燒蝕鎳基或钴基合金內襯置于炮管內膛提高性能,具有耐燒蝕、耐磨損、耐磨蝕等特性,且制造技術比較成熟。美國用熱等靜壓技術制造形狀複雜的M113型175mm炮斷隔螺紋炮闩,每件可節省材料34kg(公斤),工時15個,質量減輕近25%。另外,美國還利用釩改性4600鋼粉和天然石墨混合料,通過粉末鍛造方法制造近成形的環形件,用于大口徑火炮炮尾組合件中的閉氣環。   

2、取代傳統工藝和材料的研究應用證實了其可行性
粉末冶金技術除了用于制造一些特殊的兵器産品零件(如動能穿甲彈芯、火炮、彈箭防燒蝕內襯等)之外,還可以取代傳統材料和工藝,用于制造裝甲車輛、槍械、火炮或彈箭零件,進一步改進性能和降低成本。國外許多研究或應用實例已證實了在性能、使用壽命、成本方面的可行性,例如:

(1)105mm榴彈炮凸輪
該零件件尺寸約241mm ×152mm ,厚約12.7mm,加強肋高度/厚度比大于10,加強肋厚度約5mm.該凸輪槽具有複雜構形,允許誤差±50μm(微米)。美國陸軍研究證實了粉末冶金蠕變鍛造技術的應用可行性。他們采用100目7075鋁粉,于276MPa(兆帕)壓力下冷等靜壓制坯,在550 ℃氮氣中燒結2 小時後,將預型坯和鍛模預熱到530℃,進行等溫蠕變鍛造。結果表明,最終機械性能滿足QQ-A-367H技術規範,抗拉強度大于490MPa,屈服強度超過434MPa,延伸率高于3 %。工藝成本對比分析表明,可節約開支30%。

(2)151A2軍車差速器齒輪和制動泵活塞
美國陸軍采用4620鋼粉,通過粉末冶金等溫鍛造技術制造差速側齒輪和傘齒輪,最終材料密度可達到99.5%理論密度,抗拉強度876MPa,屈服強度630MPa,延伸率11.6%,斷面收縮率54.4%,沖擊值與4600鍛鋼性能相當。將這些齒輪裝在7部M15lA2車上進行35000km(公裏)公路和越野跑車考核,結果證明是合格的。但是用這種粉末冶金等溫鍛造技術制造的齒輪,成本降低了25%。制動泵活塞采用燒結鐵是爲了取代鋁活塞,解決腐蝕問題。燒結鐵粉中有少量錫銻銅合金粉,經制坯壓實、燒結,硬度達到85-95HB,與標准鋁活塞接近。氣孔率爲2%,浸漬聚氧乙二醇類合成防腐潤滑劑後,他們將該燒結鐵活塞裝車,進行20000km考核試驗,對比結果表明,鋁活塞出現嚴重腐蝕、粘合,但燒結鐵活塞無任何過度磨損或腐蝕,性能優于鋁活塞。

(3)M60坦克正齒輪
這種正齒輪用于M60坦克驅動鏈,與主驅動齒輪相匹配。美國TRW公司在陸軍支持下研究認爲,用粉末冶金技術制造這種高性能齒輪替代鍛鋼件是可行的。采用工業水霧化4620鋼粉,在414MPa壓力下冷等靜壓制成預型坯,然後在1200℃氫氣中燒結1小時,再于900℃,10t(噸)/平方英寸下進行精密等溫鍛造。最終材料密度可達99.5%理論密度,機械性能與鍛鋼件性能相當,抗拉強度約758MPa,屈服強度約580MPa,延伸率15%,面縮率40%。

(4)海軍127mm制導炮彈尾翼
這種尾翼有極嚴格的幾何形狀要求,總長198mm,翼型寬58mm,厚約9mm.原設計采用17-4PH鋼鑄件,最低強度爲1172MPa.美國海軍海面武器中心認爲,可以用粉末冶金鍛造技術制造這種高強度精密尾翼。他們采用4640鋼粉340g(克),與0.48%石墨和0.75%硬脂酸鋅混合壓坯,燒結後達到80%-85%理論密度,然後于1200℃預熱後立即進行精密等溫模鍛,鍛後密度可達99.5%~100%理論密度,尺寸精度可達±2.5 μm.機械性能均可滿足設計要求,抗拉強度可達1207MPa,屈服強度達1193MPa ,延伸率5.3%,斷面收縮率25.0%,材料利用率達83%。

(5)M567引信定位栓
美國陸軍證實了可以用粉末冶金技術制造炮彈引信中的鋁件。其中,60和81mm迫彈引信定位栓原設計采用2014-T6鋁棒坯,切削加工,材料抗拉強度爲400MPa,根據該件功能,實際並不需要達到這一強度等級。采用粉末冶金技術制造這種零件,材料是工業201AB鋁粉,成分與2014鋁相似,經多模壓機制成坯件後,于593℃氮氣氛中燒結30分鍾,再進行T4或T6狀態固溶、時效熱處理,機加爲成品件。機械性能試驗表明,T4熱處理條件下,抗拉強度超過290MPa,屈服強度240MPa,延伸率5%-6 %,T6條件下抗拉強度達350 MPa ,延伸率1 %-2 %。尺寸分析和密度測量結果表明,最終尺寸變化小于0.3%,材料密度達到99%理論密度。爲證實其使用性能。進行了空氣炮發射試驗,將定位栓裝在M567引信件中,評價其發射後的結構完整性,試驗結果表明,未出現任何破壞或尺寸變化。成本分析表明,傳統切削工藝中,有60%材料成爲切削廢料,而粉末冶金件中的切削材料損失不超過5 %。分析表明總成本可降低25%。

(6)粉末冶金彈帶
美國陸軍爲改進鐵粉末冶金彈帶性能,研究了銅熔滲鐵粉末燒結彈帶材料性能,結果表明銅熔滲可提高鐵粉末冶金彈帶強度。例如,鐵粉壓坯經1120℃燒結8分鍾後,抗拉強度爲365MPa,屈服強度爲172MPa,延伸率21%,尺寸變化0.006,經銅熔滲1分鍾後,抗拉強度提高到372MPa,屈服強度提高到220MPa,延伸率下降到19%,尺寸變化爲0.008。

(7 )粉末冶金槍械零件
美國陸軍0.50口徑M85機槍快慢機是一個複雜結構件。原采用4640鋼錘鍛、切削工藝制造。爲降低成本,TRW公司用4640預合金鋼粉通過粉末冶金鍛造技術制造了400個粉末冶金鍛造快慢機交給陸軍進行考核。經過大量性能試驗和室溫與低溫射擊考核,結果非常令人滿意。因此陸軍制定了M-85機槍26種零件粉末冶金鍛造的軍用技術標准(MIL-F-45961)。 對比分析結果表明,4640鋼粉末冶金件的強度、韌性與鍛鋼件相當,硬度爲30~33HRC ,疲勞強度414MPa,室溫夏氏V型缺口沖擊值6.9kgf.m(公斤.力米),纖維組織爲細回火馬氏體。但是與傳統工藝相比,成本降低50% ,制造工序從27道減至7道,材料利用率從17%提高到90%。

影響

未來武器裝備和技術的發展對武器零部件制造質量、經濟可承受性、研制和制造生産周期、應急生産能力等都提出了一系列新挑戰,新一代武器裝備需要更先進的制造技術來滿足這些要求。兵器粉末冶金技術不但是反坦克動能穿甲彈彈芯、導彈發動機噴管、陶瓷裝甲元件、坦克動力傳動系統摩擦片等元件的關鍵制造技術,而且由于它具有工藝成本低、材料利用率高、能實現淨成型或近成型、適用于批量生産,用于取代某些兵器零件的常規制造工藝,能夠實現提高産品性能,縮短周期,延長使用壽命,降低生産成本的效果,所以它將成爲新一代武器裝備發展的支撐性關鍵制造技術之一。