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兵工業的粉末冶金技術

    兵器粉末冶金（jīn）技術是指采用金屬或其它粉末材料，經過混粉（fěn）、壓坯（pī）、燒結（jié）、成型和後處理等工藝過程製造各種多孔、半致密或全致密兵器零（líng）件與製品的技術。兵器粉末冶金技術是（shì）反坦克動能（néng）穿甲彈彈芯、導彈發動（dòng）機噴管、陶瓷裝（zhuāng）甲元件、坦克（kè）動力傳動係統（tǒng）摩擦片等元件的關鍵製造技術（shù），包括：兵器特殊零件的熱等靜（jìng）壓、冷等靜壓技術、燒（shāo）結工藝、自（zì）蔓燃高溫、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（sǔn）檢測（cè）技術（shù）等。由於粉末冶金技術具有工藝成本低、材料利（lì）用率（lǜ）高、能實現（xiàn）製造零件的淨（jìng）成型或近成型、特別適用於大批（pī）量生產，用於取代某些（xiē）兵（bīng）器零件的常規製造工藝，還（hái）能夠實現提高產品性能，縮短周期，延（yán）長使（shǐ）用壽命，降低（dī）生（shēng）產成本的（de）效果。

　　相關技術

　　彈（dàn）藥技術；發動機噴管技術；摩（mó）擦片技術；裝甲技術

　　技術難點

　　1、兵器特（tè）殊零件的熱等靜壓、冷（lěng）等靜（jìng）壓技術；

　　2 、預合金粉件燒結工藝及控（kòng）製技術；

　　3 、粉末冶金件致密化技術；

　　4 、粉末注射成型技術；

　　5 、粉末（mò）冶金件精密鍛造（zào）技術；

　　6 、自蔓燃高溫********；

　　7 、粉末冶金件性（xìng）能測試（shì）與無（wú）損檢測技（jì）術等

　　國外概況　

　　1、國外兵器粉末冶金技術研究和應用廣泛

　　粉（fěn）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為粉末冶金黃銅件；50mm（毫米）彈的引信保險器（qì）、Beehive戰鬥部的引信定時器殼和引信底座（zuò）等均采用了316L不鏽鋼粉末冶（yě）金件；此外，銅斑蛇導彈製（zhì）導（dǎo）係統中也有形狀複雜的粉末（mò）冶金鋼質件。　
　　粉末冶金技術在彈（dàn）藥中應用（yòng）廣泛。如（rú）20mm、50mm彈的純鐵（tiě）質粉末冶金（jīn）旋轉彈帶、鎢重金屬粉末冶金動能（néng）穿甲彈芯（xīn）、金屬粉末注射成型穿甲彈尾翼、破甲彈（dàn）藥形罩、自動尋的導引（yǐn）頭粉（fěn）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（yě）金成型彈（dàn）帶。

　　粉末冶金技術在槍械中的應（yīng）用非常廣闊。如12.7mm口徑M85機槍的快慢機、護筒（tǒng）、閉鎖機、閂鎖等（děng）22種（zhǒng）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（líng）件可（kě）用粉末冶金件代（dài）替；7.62mm M60機槍的撞針杆、送彈杆、前後瞄準（zhǔn）器（qì）等18種零件可由（yóu）粉

末冶金件代替。如金屬（shǔ）粉末注射成型槍械（xiè）發（fā）射阻鐵，為4340鋼粉末冶金件，熱處理後硬度達（dá）到38～42HRC（洛氏硬度），氧化發黑後可代（dài）替以前的精密鑄件。M16 步槍激光瞄準係統（tǒng）的可調旋鈕也（yě）采用黃銅、鋼及不鏽鋼粉末冶金件。
　　
　　在坦克裝甲車輛方麵，粉末冶金件的應用也越來越廣泛。美國（guó）XM-1坦（tǎn）克發（fā）動機齒（chǐ）輪即采用了粉末冶金件，其性能（néng）完全合格，且成本可降低約60％。M15lA2軍用車輛的差速器中，側麵（miàn）齒輪、軸齒輪（lún）、配對齒輪均為粉末冶金件，其性能均很好，成本降低約30％。M60坦克驅動係的正齒（chǐ）輪采用了4620鋼粉末冶金件。軍用車（chē）輛的製動泵活塞（sāi），燒結的鐵（tiě）質粉末冶金件比以往的鋁質產品在耐磨性、耐燒蝕性方麵均占優勢，顯著（zhe）提高產品壽命。
　
　　在火炮的應用上，奧地利用粉末冶金技術製造了耐燒燒蝕鎳（niè）基或鈷基合金內襯置於炮管內膛提高性能，具有耐燒蝕（shí）、耐磨損、耐（nài）磨（mó）蝕等特性，且製造技術比（bǐ）較成熟。美國用熱等靜壓技術製造（zào）形狀複雜的M113型（xíng）175mm炮斷（duàn）隔螺紋炮閂，每件可節省材料34kg（公斤（jīn）），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（tiān）然石（shí）墨混合料，通過粉（fěn）末鍛造方法製造近成（chéng）形的環形件，用於（yú）大口徑（jìng）火炮炮尾組合（hé）件中的閉氣環。
　　
　　2、取代傳統工藝和材料（liào）的研究（jiū）應用證實了其可行性

　　粉末冶金技術除了用於製造一（yī）些特殊（shū）的兵器產品零件（如動（dòng）能穿甲（jiǎ）彈芯、火（huǒ）炮、彈箭防燒蝕內襯等）之外，還可以取代傳統材料和工藝，用於製造裝甲車輛、槍械、火炮或（huò）彈箭零件（jiàn），進一步改進性能和降低成本。國外許多研究或（huò）應用實例已證實了在（zài）性能、使用壽命、成本方麵的可行性，例如：

　　（1）105mm榴彈炮凸輪

　　該（gāi）零件件尺寸約241mm ×152mm ，厚約12.7mm，加（jiā）強肋高度/厚度比大於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（rú）變鍛造技術的應用可行性。他們采用（yòng）100目7075鋁粉，於276MPa（兆帕）壓力下冷等靜壓製坯，在

550 ℃氮氣中（zhōng）燒結2 小時後，將（jiāng）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（xiè）性（xìng）能滿足QQ－A－367H技（jì）術規範，抗拉強度大於490MPa，屈（qū）服強度超過434MPa，延伸率高於3 ％。工藝成本對比分析表（biǎo）明，可節約開支（zhī）30%。

　　（2）151A2軍車差速（sù）器齒輪和製動泵活塞

　　美國陸軍采用4620鋼粉，通過粉（fěn）末冶金等溫鍛造技術製造差速側齒輪和傘齒輪，最終材料（liào）密度可達到（dào）99.5％理論密度，抗拉強度876MPa，屈服強度630MPa，延伸率11.6％，斷麵收縮率54.4％，衝擊值與4600鍛鋼性能（néng）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（chē）考核，結果證（zhèng）明是合格的。但是用這種粉末冶金等溫鍛造（zào）技術製造的齒輪，成本降低（dī）了25％。製動泵活塞采用（yòng）燒結鐵是為了取代鋁活（huó）塞，解決腐蝕問題。燒結鐵粉中有少量錫銻銅合金粉，經製坯壓實、燒結，硬度達到85－95HB，與標準鋁活塞（sāi）接近。氣孔率為2％，浸漬聚氧乙二醇類合成（chéng）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（guò）度磨損或腐（fǔ）蝕，性能優於鋁活（huó）塞。

　　（3）M60坦（tǎn）克正齒輪

　　這種正齒輪（lún）用於M60坦（tǎn）克驅（qū）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（rèn）為，用粉末冶金技術製造這種高性能齒輪替代鍛鋼件是可（kě）行的。采用工業（yè）水霧（wù）化4620鋼粉，在414MPa壓力下冷等靜壓製成預型坯，然後在1200℃氫（qīng）氣中燒結1小時，再於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％，麵縮率40％。

　　（4）海軍127mm製導炮彈尾翼

　　這種尾翼（yì）有極嚴（yán）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（dī）強度為1172MPa.美國海軍海麵武器中（zhōng）心認為，可（kě）以用粉末冶金鍛造技（jì）術製造這種高（gāo）強度精（jīng）密尾翼。他們采用4640鋼粉340g（克），與0.48％石墨（mò）和0.75％硬脂酸鋅混合壓坯，

燒結後達到80％－85％理論密度，然後於1200℃預熱後立即進（jìn）行精密等溫模（mó）鍛，鍛後（hòu）密度可達99.5％～100％理論密度，尺寸精度可達±2.5μm.機械性能（néng）均（jun1）可滿足設計要求，抗拉強度可達1207MPa，屈服強度（dù）達（dá）1193MPa ，延（yán）伸（shēn）率5.3％，斷麵收縮率25.0％，材料利用（yòng）率達83％。

　　（5）M567引信定位栓

　　美國陸軍證實了可以用（yòng）粉（fěn）末冶金技術製造炮彈引信中的鋁件。其中（zhōng），60和（hé）81mm迫彈（dàn）引信定位栓原設計采用2014－T6鋁棒坯，切削加工（gōng），材料抗拉（lā）強度為400MPa，根據該件功能，實（shí）際（jì）並不需要達到這（zhè）一強度等級。采（cǎi）用粉末冶金技術製造這種零件，材料是工業（yè）201AB鋁粉，成分與（yǔ）2014鋁相似，經多模壓機製成坯件後，於593℃氮氣氛中（zhōng）燒結30分鍾，再進行T4或T6狀態固溶、時效熱處理，機加為成品件。機械性能試驗表明，T4熱處理條件下，抗拉強度超過（guò）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（chǐ）寸分析和密度測（cè）量結果表明，最終尺寸變化小於0.3％，材料密度達到99％理論密度。為證實其使用性能。進（jìn）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（shè）後的結構完整性，試驗結（jié）果（guǒ）表明，未出現任何（hé）破壞或尺寸變化。成本分析表明，傳統切削工藝中，有60%材料成為切削廢料，而粉末冶金件中的切削材料損失不超過5 ％。分析表明（míng）總成本可降低25%。

　　（6）粉末（mò）冶金彈帶

　　美國陸（lù）軍為改進鐵粉末冶金彈帶（dài）性（xìng）能，研究了銅熔滲鐵粉末（mò）燒結彈帶材料性能，結果表（biǎo）明銅熔滲可（kě）提高鐵粉末冶金（jīn）彈帶強度。例如，鐵粉壓坯經1120℃燒結8分（fèn）鍾後，抗拉強度為365MPa，屈服強度為172MPa，延伸率21％，尺寸變化（huà）0.006，經銅熔（róng）滲1分鍾後，抗拉強度提高到372MPa，屈服強度提高到220MPa，延伸（shēn）率（lǜ）下（xià）降到19％，尺寸變化（huà）為0.008。

　　（7 ）粉（fěn）末冶金槍械零（líng）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、切削工藝製造。為降低成本，TRW公司（sī）用4640預合金鋼粉通過粉末冶金鍛造技術製造了400個粉末冶金鍛造快慢機交給陸軍（jun1）進行（háng）考（kǎo）核。經過大量性能試驗和（hé）室溫與低（dī）溫射擊（jī）考核，結果非常令人滿意。因此陸軍製定了M-85機槍26種零件粉末冶金鍛造的（de）軍（jun1）用技術標準（MIL-F-45961）。 對比分析結果表明，4640鋼粉末冶金件的（de）強度、韌性與鍛鋼件相當，硬度為30～33HRC ，疲勞強度414MPa，室（shì）溫（wēn）夏氏V型缺口衝擊值6.9kgf.m（公斤.力米（mǐ）），纖維組織為細回火馬氏體。但是與傳統工（gōng）藝相比，成本降低50% ，製造工序從27道減（jiǎn）至7道，材料（liào）利用率從17％提高到90%。

　　影響

　　未來武（wǔ）器裝備和技術的發展對武器零部件製造質量、經濟可承受性（xìng）、研製和製造生產周期、應急生產能力等都提出了一係列新挑戰，新一代武器裝備需要更先（xiān）進的製造（zào）技術來滿足這些要求。兵器粉末冶金技（jì）術不但是（shì）反坦克動能穿甲彈（dàn）彈芯、導彈發動機噴管、陶（táo）瓷裝甲元件、坦克動力傳動係統摩擦片等元件的（de）關鍵製造技術，而且由於它具有工藝成本低、材料（liào）利用率高、能實現淨（jìng）成型或近成型、適用（yòng）於批量（liàng）生產，用於取代某些兵（bīng）器零件的常規製造工藝，能夠實現提高產品性能，縮短周期，延長使用壽命，降低生產成本的（de）效果，所以它（tā）將成為新一（yī）代武器裝備發展的支撐性關鍵製造技術之一。