钨粉粒度分布对聚能射孔弹破甲性能影响的研究

李云, 付代轩, 赖康华, 余鹏

(四川石油射孔器材有限责任公司, 四川 隆昌 642150)

0 引 言

石油聚能射孔弹的破甲性能受到壳体内腔结构、炸药性能、药型罩结构、药型罩材料等众多因素的影响。药型罩被称为射孔弹的心脏[1],药型罩对射孔弹穿深性能的影响至关重要。国内外对于提高射孔弹穿深性能的研究大部分都集中在药型罩几何结构、制备材料、制造工艺等方面。药型罩的制备材料是聚能效应能量的最终载体,其性能的优劣对射流的质量,如连续射流长度、射流密度、射流速度等重要参数产生直接影响[2-4]。要提高射孔弹的破甲性能,药型罩所采用的制备材料的密度越高,声速越大,延展性越好,越有利于射流的充分拉长,药型罩的破碎性、侵彻力、渗透率等主要指标也随之提高[5-8]。金属钨因具有较高的声速(4.03 km/s)和较高的材料密度(19.35 g/cm3),是行业内最主要的药型罩制备材料[9],国内外大部分射孔弹的药型罩都含有不同比例的钨粉。

钨粉的主要性能包括化学成分、粒度分布、密度、形貌等[10]。这些物理化学性能对药型罩的破甲性能产生各种影响,进而影响射孔弹的破甲性能。药型罩属于多孔材料,孔隙度是影响多孔材料所形成射流稳定性的重要指标,合适的孔隙度可以延长聚能射流的断裂时间,使射流得到充分拉长,提高射流的稳定性和侵彻能力[9]。药型罩的孔隙度很大程度上取决于原料粉末的粒度分布。

本文研究通过制备以不同粒度级配钨粉为基粉的混合粉末压制成药型罩进行静破甲性能对比测试,采用激光粒度分析仪对不同粒度分布的钨粉进行粒度分析,从而得出钨粉粒度分布对于射孔弹穿深性能的影响规律。

1 试验

试验采用实际生产中常用的CTP250粗晶还原钨粉,将钨粉采用标准筛组(100目/200目/325目)筛分成不同粒度大小的颗粒,采用不同大小颗粒的钨粉按不同比例配比成6种级配钨粉(见表1),采用同一批-200目电解铜粉,机械混合成相同的药型罩配方粉末,在相同的设备上以相同的压制工艺压制成DP127型射孔弹,进行静破甲穿深性能对比试验;目标靶为同一批次钢材制备的直径Φ160 mm、长度250 mm的45号钢靶;炸高条件统一为60 mm。以上试验过程在最大程度上保证设备状态、工艺技术、检验标准的一致性,以减少其他因素对试验结果的影响。

通过对比穿深数据和钨粉的粒度分布,找到钨粉粒度分布对药型罩穿深的影响规律,确定钨粉粒度分布的最佳比例。

表1 不同粗细颗粒级配方案表

图1 6种级配钨粉颗粒占比柱状图

从图1可以看出,第1组配方1、2、3为细端颗粒占比逐步减少,粗端颗粒占比逐步增加。通过这个变化趋势,可以通过试验穿深找到不同粗细粒度的钨粉比例变化对产品性能的影响。

第2组配方4、5、6比例变化趋势与1、2、3相同,不同的是第2组配方去掉了粉末中极粗(+100目)或极细(-325目)的颗粒。如配方4中不含极粗颗粒,配方5中不含极粗与极细颗粒,配方6中不含极细颗粒。通过该组配方试验,找到粉末配方中两端极粗极细颗粒对产品性能的影响规律。

2 结果分析

2.1 穿深性能对比

通过图2、表2可以看出6种不同配方的对比穿深数据。第1组1、2、3号配方的穿深数据要高于第2组4、5、6号配方,其中2号和5号配方的穿深数据分别在第2组配方中达到最高。这是由于不同粒度大小的粉末颗粒可尽可能地填充颗粒间的孔隙,良好的级配使粗颗粒的孔隙恰好由中颗粒填充,中颗粒的孔隙恰好由细颗粒填充,如此逐级填充使粉末成密致的堆积状态,孔隙率降低,堆积密度提高,粉末的松比和压坯密度增大,压制过程中通过保证足够的保压时间和压制精度,降低药型罩内部弹性后效和尺寸偏差的影响[11]。这样压制出的药型罩压坯密度得到提高,保证所形成射流的连续性和稳定性,宏观反映在射孔弹穿深方面即穿深水平的提高。

表2 6种级配钨粉打靶数据表

图2 6种级配钨粉平均穿深数据对比图

采用金相显微镜对2组配方中穿深性能较优的2号和5号药型罩进行金相分析,在100倍下进行观察对比其金相结构和密度,照片中白色为钨粉,黄色为铜粉,黑色为孔隙。从图3和图4可以看出,5号药型罩的孔隙度要明显大于2号药型罩,密度也明显低于2号药型罩。

图3 2号药型罩金相图

图4 5号药型罩金相图

基于以上粉末级配原理及金相分析的结果,研究中,第1组粉末配方粒度分布的范围较宽,从粗到细的颗粒均占据一定的比例,粉末间的孔隙能够得到较好的填充,能够获得较大的压坯密度;当粒度分布比例为2号配方时,填充效果达到最好,粉末松比和压坯密度获得最大值,达到最佳穿深。

第2组配方中,由于缺少极粗或极细的粉末颗粒,粉末中的粗颗粒或细颗粒占据了绝大部分,粗颗粒之间搭桥形成的孔隙没有细颗粒进行填充,导致压坯中存在较多的孔隙,显然压坯密度也普遍低于第1组配方,穿深效果要较第1组差。

2.2 粒度分布对比

采用激光粒度分析仪对1～6号配方的钨粉进行粒度对比分析,将激光粒度仪3个关键指标设置为D10、D50、D90,D代表粉体颗粒的直径,D10、D50、D90表示累计粒度分布百分数分别为10%、50%、90%的直径,物理意义是粒径小于该粒度值的颗粒分别占比10%、50%、90%,这3个指标通常用来描述粉末细端、平均及粗端的粒度指标。确定这3个关键指标以及粒度曲线形态及分布跨度就能确定粉末的粒度分布曲线。1～6号配方钨粉的粒度分布对比分析结果如表3所示。通过分析,可以得出在穿深测试中性能最优的2号配方钨粉的粒度分布关键指标。

表3 6种级配钨粉粒度分布统计表

图5 6种级配钨粉粒度分布曲线叠加对比图

从图5可以看出,1号与4号钨粉分布曲线位于偏左位置,代表粉末粒度小于其他钨粉,3号与6号钨粉分布曲线位于偏右位置,代表粉末粒度大于其他钨粉;2号与5号钨粉的D50值落在75 μm附近,2号与5号钨粉正是2组级配钨粉中穿深最好的比例;5号钨粉的曲线跨度小于2号钨粉,表明5号钨粉的颗粒分布范围略小于2号钨粉,计算得出2号钨粉分布范围约为126 μm,5号约为100 μm。

试验的6种级配钨粉中,2号钨粉的穿深数据在6种钨粉中达到最大值,比最低穿深值193 mm提升14.5%。2号钨粉的粒度分布关键指标是D10=41 μm,D50=73 μm,D90=167 μm,粒度分布范围约126 μm,曲线符合正态分布,可以作为药型罩生产用钨粉粒度分布的推荐指标。

3 结 论

(1) 钨粉粒度分布范围过窄、粒度粗细分布不均等现象均会导致药型罩穿深性能的下降。

(2) 配比的穿深性能较优的钨粉其粒度分布范围约为126 μm,曲线符合正态分布,粒径指标为D10=41 μm、D50=73 μm、D90=167 μm左右的钨粉能够获得较好的粉末填充效果,降低药型罩压坯孔隙度,提升药型罩压制密度,有利于提升射孔弹的破甲性能,可以作为药型罩制备用钨粉的推荐粒度指标。

(3) 石油射孔弹药型罩制备的还原钨粉其粒度分布指标是影响射孔弹穿深性能的重要因素。不同粒度分布的钨粉直接影响射孔弹的穿深性能,粒度分布曲线范围、高度及位置,直观反映出钨粉的分布范围、粒度粗细等指标。

(4) 药型罩制备采用添加少量的铅粉或铋粉等技术。铜粉、铅粉和铋粉等其他组分的粒度分布同样对射孔弹的破甲性能起着直接的影响。通过级配试验得出不同比例的粉末混合配方下所添加的其他元素粉末的粒度分布对射孔弹破甲性能的影响趋势,最终获得较好的混合粉末粒度级配参数。

(5) 这一研究应作为药型罩原料粉末粒度分布指标对破甲性能影响的主要研究方向。

参考文献:

[1] 赵慧慧, 刘天生. 浅析钨药型罩 [J]. 机械管理开发, 2006, 12(6): 68.

[2] 张天生. 高密度. 金属药型罩高能成形技术研究 [J]. 国外兵器动态, 1997(12): 12.

[3] 韩欢庆, 甘乐, 陈飞雄, 等. 钨在药型罩中的应用 [J]. 中国钨业, 2004(2): 26-28.

[4] 韩欢庆, 姜伟, 张鹏, 等. 金属粉末在药型罩中的应用 [J]. 粉末冶金工业, 2004(3): 1-4.

[5] 李正. 国外破甲药型罩材料科技发展分析 [J]. 国外兵器动态, 2006(6): 12.

[6] 张全孝, 高云, 贾万明, 等. 机械合金化铜—钨药型罩材料的研究 [J]. 兵器材料科学与工程, 2000, 23(3): 44.

[7] 李国宾. 复合药型罩的研究进展 [J]. 兵器材料科学与工程, 1995, 18(1): 63.

[8] 刘瑞. 国外纯钨药型罩的制备与研究进展 [J]. 国外兵器动态, 1999(12): 24.

[9] 陈赐君, 刘天生. 粉末药型罩材料在聚能破甲中的发展 [J]. 科技向导, 2012(5): 24.

[10] 黄培云. 粉末冶金原理 [M]. 北京: 冶金工业出版社, 1997.

[11] 赖康华, 杜明章, 雷新华, 等. 正交试验在粉末药型罩制造工艺参数研究中的应用 [J]. 爆破器材, 2010(6): 34-36.