弹带喷涂技术

邹志强，吴 斌

(陆军军官学院，合肥 230031)

在兵器制造业中，弹带是各种弹丸的密封件，是炮弹弹体结构的重要组成部分。弹带在火炮发射时在膛内传递扭矩，使弹丸获得旋转运动，以达到稳定飞行所需的炮口转速;同时，弹带还有密闭火药燃气的作用。对于大口径火炮的分装式炮弹来说，弹带还有固定弹丸位置的作用［1］。因此，要求弹带具有较高的强度，良好的塑性、耐磨性，同时和弹体应具有较高的结合强度。

目前，人们大多采用紫铜、黄铜、纯铁和工程塑料［2］等材料来制造弹带。其装配工艺大致分为2种，一种是机械嵌合方式［3］，这是最传统的弹带装配工艺，即在弹体上加工弹带凹槽(大口径炮弹是燕尾槽)，并在其中辊压花纹，使紫铜或纯铁弹带在强压下与弹体嵌合。这种工艺必须在弹体上加工弹带环槽，必然削弱弹体强度，要保证弹体强度就必须增加环槽处的壁厚，增加环槽处的壁厚会使该处弹体内腔孔径缩小，增加加工难度，且装药量减少，爆炸威力降低。同时，弹体上开槽会产生应力集中，也将影响弹体强度;另一种是焊接方式，采用MIG钎焊、熔敷焊、摩擦焊等技术在弹体上焊接铜弹带，采用这种工艺装配弹带时不需在弹体上开槽滚花，且焊后接头强度高。马王哲等［4］采用MIG钎焊制备了铜合金弹带，研究结果表明制备的弹带满足炮弹弹带的要求。王克鸿等［5］研究了熔敷焊接方法制备弹带，重点研究了弹带的力学性能、组织成分、能谱分析，并用靶试验证熔敷焊弹带符合射击要求。徐晓菱等［6］利用摩擦焊技术制备了小口径炮弹弹带，并通过多轮射击证实摩擦焊技术制备弹带的可行性。马铁军和杨思乾［7］发明了磁力脉冲焊接制备弹带的方法，该方法克服了现有技术中加热时间长而造成的焊接强度不高、操作不便等不足。尽管焊接制备的弹带结合强度满足使用要求，但是焊接方式制备弹带时温度梯度大，对弹带材料性能以及弹体变形均造成不利的影响且不易保证弹体和弹带同心，同时存在残余应力。

为了克服机械嵌合和焊接方法制备弹带的不利影响，研究新的弹带制备工艺具有重要的实用价值。本文探讨了利用电弧喷涂技术在弹体上直接成型弹带的方法。电弧喷涂［8］是一种金属零件成形处理和表面处理工艺，具有成本低、性能好、能延长零件寿命、涂层零件尺寸不受限制、涂层厚度变化范围大的优点。其原理是以电弧为热源，将熔化的金属丝用高速气流雾化，并以高速喷射到工件表面形成涂层的一种工艺。喷涂时，2根丝状喷涂材料经送丝机构均匀、连续地送进喷枪的2个导电嘴内，导电嘴分别接喷涂电源的正、负极，并保证2根丝材端部接触前的绝缘性。当2根丝材端部接触时，由于短路产生电弧。高压空气将电弧熔化的金属雾化成微熔滴，并将微熔滴加速喷射到工件表面，经冷却、沉积过程形成涂层。电弧喷涂制备弹带原理如图1所示。

图1 电弧喷涂制备弹带原理示意图

1 试验研究

1.1 试验材料

1)模拟弹体材料。模拟弹体采用直径为75 mm的45号钢。

2)弹带材料。铝青铜具有耐高温、耐磨损、防腐蚀、抗疲劳的性能，与弹带材料的要求相符，探索用铝青铜制备弹带，其化学成分见表1。

表1 铝青铜的化学成分

1.2 试验设备

试验采用CDMAS3000电弧喷涂系统制备铝青铜弹带，采用WE-10A万能材料试验机测试弹带的结合强度，采用HXD-1000显微硬度仪测量弹带横截面的显微硬度，采用Philips XL30型扫描电子显微镜观察弹带截面的组织形貌，利用MTS810材料测试系统进行了弹带的挤进试验。

1.3 试验过程

1)弹带制备。试验采用改进的HAS-02型高速电弧喷涂枪和CDMAS3000电弧喷涂系统在模拟弹体上制备铝青铜弹带。喷涂前模拟弹体表面用丙酮清洗，然后用棕刚玉喷砂。喷砂工艺见表2。

表2 喷砂工艺参数

通过考察喷涂电压、电流、雾化气压、喷涂距离对弹带性能的影响，优化了工艺参数。优化后的电弧喷涂工艺参数见表3。

表3 电弧喷涂工艺参数

对喷涂的弹带进行车削加工，加工后弹带宽10 mm，厚2 mm。

2)弹带的结合强度试验。采用WE-10A万能材料试验机测试弹带的结合强度，设计了2种强度试验，一是轴向剪切试验，二是切向剪切试验，在常温下进行试验。

3)弹带的硬度检测。为了考察弹带横截面的硬度分布规律，在HXD-1000显微硬度仪上测试弹带横截面的显微硬度。试验条件:载荷为100 g，加载时间为15 s，在弹带表面的垂直方向上每隔50 μm取点测量，取3次测量的平均值。

4)弹带的组织形貌。采用Philips XL30型扫描电子显微镜观察弹带横截面的组织形貌。

5)弹带的挤进试验。在MTS810材料测试系统上对制备的铝青铜弹带在自制的模拟短身管中进行挤进试验。模拟短身管材料采用CrNiMo合金钢，机加工后热处理，使其机械性能与现役身管接近。为加工方便，短身管膛线加工为直线(实为螺旋线)，共24条，阴线直径为76.7 mm，膛线高为1.5 mm，阳线宽为3 mm，阴线宽7 mm。模拟短身管如图2所示。

2 试验结果与讨论

2.1 弹带外观

电弧喷涂制备的铝青铜弹带经车削加工后如图3所示，铝青铜弹带外观成型良好，无气孔、裂缝等明显缺陷。

图2 模拟短身管

图3 电弧喷涂弹带

2.2 弹带的结合强度

喷涂弹带的结合强度如表4和表5所示，利用电弧喷涂技术制备的铝青铜弹带的结合强度可达50 MPa，满足了炮弹设计对弹带强度的要求。

表4 轴向剪切强度 MPa

表5 切向剪切强度 MPa

2.3 弹带的硬度检测

图4显示出电弧喷涂弹带横截面的硬度分布。由图4可以看出弹带的硬度值在90～145 HV，保证了弹丸在膛内运动的挤进压力。弹带的硬度值分布较大，是由于电弧喷涂的高温使部分弹带材料氧化所致，降低喷涂的温度有待进一步研究。

2.4 弹带的组织形貌

喷涂弹带横截面的组织形貌如图5所示，喷涂弹带界面平整光洁，无缺陷，弹带内无夹渣、气孔、裂缝等明显缺陷，显示出了电弧喷涂制备的弹带具有均匀致密的截面形貌。

2.5 弹带的挤进试验

弹带挤进后如图6所示，弹带被挤出清晰的凹槽，弹带无裂纹、崩落等现象，说明电弧喷涂制备的铝青铜弹带的塑性和强度满足弹带的性能要求。此外，铝青铜弹带与基体结合牢固，弹带和模拟弹体之间未产生任何位移，进一步证实了电弧喷涂制备的铝青铜弹带与模拟弹体之间有较高的结合强度。

图4 电弧喷涂弹带横截面的硬度分布

图5 电弧喷涂弹带横截面组织形貌

图6 挤进后的电弧喷涂弹带

3 结论

1)采用电弧喷涂方法制备的弹带与弹体的结合强度可达50 MPa，具有良好的塑性和强度，满足了弹带的设计要求。因此，电弧喷涂技术有望代替传统的机械压嵌技术和焊接技术来制备弹带。

2)铝青铜具有良好的塑性和高的耐磨性，可以满足弹带的性能要求，为制备弹带提供了新的材料选择。

3)由于电弧喷涂的温度较高，喷涂后的弹带材料有一定的氧化，影响了弹带的性能。为了进一步解决这些问题可以探索冷喷涂技术制备弹带。

［1］魏惠之，朱鹤松，汪东晖，等.弹丸设计理论［M］.北京：国防工业出版社，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，王志军.弹药学［M］.北京：北京理工大学出版社，2012：121-123.

［4］马王哲，张善保，杨永波，等.弹带的MIG钎堆焊技术研究［C］//第十一次全国焊接会议.上海：［出版社不详］，2005：234-236.

［5］王克鸿，徐越兰，王建平，等.弹带熔敷扩散焊接技术研究［J］.兵器材料科学与工程，2002，25(2)：34-35.

［6］徐晓菱，徐元泽，吴玮.小口径弹带摩擦焊技术［J］.兵工学报，2007，28(3)：346-348.

［7］马铁军，杨思乾.弹带的焊接方法［P］.中国专利：03114647.3，2003-04-17.

［8］徐滨士，朱绍华.表面工程的理论与技术［M］.北京：国防工业出版社，1999：259-261.