一种安全弹药缓释结构用低熔点合金及其制备方法和应用

1.本发明涉及安全弹药设计领域，进一步地说，是涉及一种安全弹药缓释结构用低熔点合金及其制备方法和应用。


背景技术：

2.安全弹药缓释设计是提高武器弹药服役安全性的重要技术手段，在弹药壳体或装药约束结构上预设泄压通道是最主要的缓释方法。当弹药遭受意外热刺激时缓释结构提前失效形成泄压通道，及时抑止装药发生燃烧转爆燃或燃烧转爆轰等剧烈反应，进而降低弹药意外反应的剧烈程度，避免对人员和装备造成灾难性伤害。因此，安全弹药缓释设计对于提高弹药服役安全性尤其是热刺激作用下的安全性具有重要现实意义。
3.一方面，安全弹药缓释结构要求在火灾等异常高温条件下发生强度失效，进而解除或削弱封闭壳体对装药的约束，以实现对弹药意外反应剧烈程度的缓解。低熔点合金因为其特有的熔化特性和力学性能，可用作缓释结构材料。目前，安全弹药缓释设计主要依据装药慢速烤燃试验的点火温度，其范围通常在120℃～210℃之间。然而，常用于弹药缓释结构设计的sn-bi系低熔点合金的熔点范围在98℃～138℃之间，难以满足较高点火温度装药的安全性要求；sn-pb共晶合金熔点为183℃，可满足较高点火温度装药的安全性要求，但其具有毒性对人和环境都有危害，极大地限制了其使用范围。
4.另一方面，弹药的作战性能对其壳体强度、密封性和高低温环境适应性有一定的要求。因此，缓释结构除了具备在异常高温条件下可以迅速失效或破坏形成泄压通道的安全能力，还要在正常使用温度环境中必须具有一定的力学强度，满足弹药正常使用要求。目前，应用于安全弹药缓释结构的低熔点合金大多只考虑了异常高温环境下强度失效的功能，难以满足弹药在正常使用温度环境中(-50℃～70℃)具有较好力学性能的要求。sn-zn二元合金的共晶成分相为sn-9zn，熔点为198℃，接近sn-pb共晶合金熔点温度，具有较高的拉伸剪切强度和热疲劳性能，并且原材料价格低廉，资源丰富且无毒，在针对高点火温度弹药的热安全性增强设计中有很好的应用前景，但sn-9zn二元合金在-50℃～70℃条件下的力学性能较差。
5.因此，迫切需要发明一种熔化特性和力学性能均可满足异常高温条件下安全弹药缓释要求与一定温度范围内弹药正常使用要求的低熔点合金。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种安全弹药缓释结构用低熔点合金及其制备方法和应用。
7.本发明用锡、锌、铝、镧四种金属制备了低熔点合金，制备的低熔点合金的熔点为190℃～210℃，在-50℃～70℃具有良好的力学性能，抗拉强度较高，满足安全弹药缓释结构的设计需要和一定温度范围内弹药正常使用要求。
8.本发明的目的之一是提供一种安全弹药缓释结构用低熔点合金。
9.所述低熔点合金包括锡、锌、铝和镧；
10.以所述低熔点合金总重为100％计，
[0011][0012]
本发明的目的之二是提供一种安全弹药缓释结构用低熔点合金的制备方法。
[0013]
包括：
[0014]
(1)将锡、铝和镧金属混合物熔炼、熔化，得到熔融的金属液a，将金属液a快速浇注冷却成型，制得sn-al-la合金块；
[0015]
(2)将所得sn-al-la合金块和金属锌熔炼、熔化，得到熔融的金属液b，将金属液b快速浇注冷却成型，制得所述安全弹药缓释结构用低熔点合金。
[0016]
本发明的一种优选的实施方式中，
[0017]
方法包括：
[0018]
将步骤(2)得到的低熔点合金重复熔炼，次数不少于3次；更优选为3次。重复熔炼可以保证金属充分熔化混合。
[0019]
本发明的一种优选的实施方式中，
[0020]
所述锡和锌的原料纯度在99.9％以上；和/或，
[0021]
所述镧的原料为al-20la中间合金；和/或，
[0022]
所述铝的原料为al-20la中间合金或al-20la中间合金和纯度在99.9％以上的铝粒。
[0023]
先按照镧的质量百分比称取al-20la,如果al-20la中间合金中所含铝的质量不够，可再称取纯度在99.9％以上的铝粒，直到达到组分中需要铝的质量。
[0024]
本发明的一种优选的实施方式中，
[0025]
步骤(1)，
[0026]
所述金属混合物在石墨坩锅中熔炼，熔炼温度为800～850℃；
[0027]
熔炼后的金属混合物在加热炉内进行熔化，加热炉的温度为800～850℃，在加热炉中的保温时间为30～40min，期间每5～10min搅拌一次；
[0028]
冷却方法为水浴铜锅冷却凝固成型。
[0029]
本发明的一种优选的实施方式中，
[0030]
步骤(2)，
[0031]
所述sn-al-la合金块在石墨坩锅中熔炼，熔炼温度为600～650℃；
[0032]
熔炼后的sn-al-la合金块在加热炉内进行熔化，加热炉的温度为600～650℃，在加热炉中保温时间为30～40min，期间每5～10min搅拌一次；
[0033]
冷却方法为水浴铜锅冷却凝固成型。
[0034]
步骤(1)先形成sn-al-la中间合金，步骤(2)形成sn-zn-al-la低熔点合金，其原因是zn的沸点为907℃，所以熔化温度应该尽可能低，确保zn挥发最少，所以先形成熔化温度
较低的sn-al-la中间合金，再在较低温度下加入锌，这样可以确保锌挥发最少，并且加入的全部金属原料能充分地熔化，形成sn-zn-al-la低熔点合金。
[0035]
本发明制备的合金熔点在190℃～210℃。少量铝和镧的加入细化了晶粒，合金抗拉强度明显提高。
[0036]
本发明的目的之三是提供一种安全弹药缓释结构用低熔点合金的应用。
[0037]
所述的安全弹药缓释结构用低熔点合金应用于安全弹药缓释结构设计中。
[0038]
本发明具体可采取以下技术方案：
[0039]
一种应用于安全弹药缓释结构设计的低熔点合金，所述低熔点合金包括锡、锌、铝和镧；
[0040]
以所述低熔点合金总重为100％计，
[0041][0042]
一种应用于安全弹药缓释结构设计的低熔点合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0043]
步骤(1)，
[0044]
按质量百分比分别称取锡和锌；
[0045]
优选地，步骤(1)中称取的锡和锌纯度在99.9％以上。
[0046]
按质量百分比称取铝和镧，分别称取铝和al-20la中间合金；
[0047]
优选地，步骤(1)中称取的镧，来自于al-20la中间合金；
[0048]
优选地，步骤(1)中称取的铝，一部分来自于al-20la中间合金，如果al-20la中间合金中所含铝的质量不够，可再称取纯度在99.9％以上的铝粒，直到达到组分中需要铝的质量。
[0049]
将锡、铝和al-20la中间合金混合物放入石墨坩埚中熔炼，再将石墨坩埚放置到加热炉内进行熔化，得到熔融的金属液，再将熔融的金属液快速浇注冷却成型，形成sn-al-la低熔点合金。
[0050]
优选地，步骤(1)中熔炼温度控制在800～850℃，加热炉的温度为800～850℃，在加热炉中的保温时间30～40min，期间每5～10min搅拌一次。
[0051]
优选地，步骤(1)中的冷却方法为水浴铜锅冷却凝固成型。
[0052]
步骤(2)，
[0053]
将凝固成型的sn-al-la合金块和锌纯金属放置于石墨坩锅中再进行熔炼，再将石墨坩埚放置到加热炉内进行熔化，得到熔融的金属液，再将熔融的金属液快速浇注冷却成型，形成sn-zn-al-la低熔点合金。
[0054]
优选地，步骤(2)中熔炼温度控制在600～650℃，加热炉的温度为600～650℃，在加热炉中的保温时间30～40min，期间每5～10min搅拌一次。
[0055]
优选地，步骤(2)中的冷却方法为水浴铜锅冷却凝固成型。
[0056]
优选地，将步骤(2)中浇注成型的sn-zn-al-la低熔点合金重复熔炼三次。
[0057]
本发明的有益效果：
[0058]
与现有技术中应用于安全弹药缓释结构设计的低熔点合金相比，本发明具有以下显著优点：
[0059]
(1)原料绿色环保，相比于含铅的低熔点合金对人和环境的危害较小；
[0060]
(2)熔点更接近于sn-pb系低熔点合金，可以满足点火温度在175℃以上的弹药；
[0061]
(3)加入铝和镧，改善共晶低熔点合金sn-9zn在-50℃～70℃的力学性能，抗拉强度提升20～30％以上。
附图说明
[0062]
图1为实施例1、2和3制得的低熔点合金和共晶合金sn9zn在-50℃～70℃下的抗拉强度比较图；
[0063]
图2为实施例1制得的低熔点合金的dsc曲线图；从图中可以看出制得的低熔点合金的熔点为206.2℃；
[0064]
图3为实施例2制得的低熔点合金的dsc曲线图；从图中可以看出制得的低熔点合金的熔点为205.6℃；
[0065]
图4为实施例3制得的低熔点合金的dsc曲线图；从图中可以看出制得的低熔点合金的熔点为199.6℃。
具体实施方式
[0066]
下面结合具体附图及实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
[0067]
实施例中所用原料均为常规市购原料。
[0068]
实施例1
[0069]
本实施例的一种低熔点合金，按质量百分比由以下组分组成：锡90.1％，锌8.9％，铝0.8％，镧0.2％，上述各组份的质量百分比之和为100％。所用锡、锌的原料纯度为99.9％以上，所用铝和镧来自于al-20la中间合金。
[0070]
该低熔点合金的制备方法如下：
[0071]
步骤1，按质量百分比锡90.1％，锌8.9％，铝0.8％，镧0.2％，分别称取锡，锌和al-20la中间合金，上述各组份的质量百分比之和为100％；
[0072]
步骤2，锡和al-20la中间合金混合物放入石墨坩埚中熔炼，再将石墨坩埚放置到加热炉内进行熔化，熔炼温度控制在800℃，得到熔融的金属液，保温40min，期间每10min搅拌一次，再将熔融的金属液快速倒入水浴铜锅冷却凝固成型，形成sn-al-la合金块。
[0073]
步骤3，将凝固成型的sn-al-la合金块和zn纯金属放置于石墨坩锅中再进行熔炼，再将石墨坩埚放置到加热炉内进行熔化，熔炼温度控制在600℃，得到熔融的金属液，保温40min，期间每10min搅拌一次，再将熔融的金属液快速倒入水浴铜锅冷却凝固成型，形成sn-zn-al-la低熔点合金，将浇注成型的sn-zn-al-la合金重复熔炼三次。
[0074]
采用差示扫描量热仪(dsc)研究sn-zn-al-la合金的熔化特性，dsc分析样品为2mg
的合金粉末，放入刚玉坩埚容器，测试温度范围为50～850℃，在氮气气氛下以5℃/min的升温速率进行；抗拉强度，依据gb/t228.1_4-2019《金属材料拉伸试验》的实验方法。
[0075]
如图1所示，实施例1所得低熔点合金在-50℃～70℃时的抗拉强度比sn-9zn二元合金高30％以上；如图2所示，所得低熔点合金的熔点为206.2℃，在190℃～210℃的范围内；所得低熔点合金可以应用于安全弹药缓释结构设计中。
[0076]
实施例2
[0077]
本实施例的一种低熔点合金，按质量百分比由以下组分组成：锡88.1％，锌8.7％，铝3％，镧0.2％，上述各组份的质量百分比之和为100％。所用锡、锌的原料纯度为99.9％以上，所用镧来自于al-20la中间合金，所用铝来自于al-20la中间合金和纯度为99.9％以上的铝粒。
[0078]
该低熔点合金的制备方法如下：
[0079]
步骤1，按质量百分比锡88.1％，锌8.7％，铝3％，镧0.2％，分别称取锡，锌，铝和al-20la中间合金，上述各组份的质量百分比之和为100％；
[0080]
步骤2，锡、铝和al-20la中间合金混合物放入石墨坩埚中熔炼，再将石墨坩埚放置到加热炉内进行熔化，熔炼温度控制在820℃，得到熔融的金属液，保温40min，期间每5min搅拌一次，再将熔融的金属液快速倒入水浴铜锅冷却凝固成型，形成sn-al-la合金块。
[0081]
步骤3，将凝固成型的sn-al-la合金块和锌纯金属放置于石墨坩锅中再进行熔炼，再将石墨坩埚放置到加热炉内进行熔化，熔炼温度控制在620℃，得到熔融的金属液，保温40min，期间每5min搅拌一次，再将熔融的金属液快速倒入水浴铜锅冷却凝固成型，形成sn-zn-al-la低熔点合金，将浇注成型的sn-zn-al-la合金重复熔炼三次。
[0082]
如图1所示，实施例2所得低熔点合金在-50℃～70℃时的抗拉强度比sn-9zn二元合金高30％以上；如图3所示，所得低熔点合金的熔点为205.6℃，在190℃～210℃的范围内；所得低熔点合金可以应用于安全弹药缓释结构设计中。
[0083]
实施例3
[0084]
本实施例的一种低熔点合金，按质量百分比由以下组分组成：锡72.5％，锌7.2％，铝20％，镧0.3％，上述各组份的质量百分比之和为100％。所用锡、锌的原料纯度为99.9％以上，所用镧来自于al-20la中间合金，所用铝来自于al-20la中间合金和纯度为99.9％以上的铝粒。
[0085]
该低熔点合金的制备方法如下：
[0086]
步骤1，按质量百分比锡72.5％，锌7.2％，铝20％，镧0.3％，分别称取锡，锌，铝和al-20la中间合金，上述各组份的质量百分比之和为100％；
[0087]
步骤2，锡、铝和al-20la中间合金混合物放入石墨坩埚中熔炼，再将石墨坩埚放置到加热炉内进行熔化，熔炼温度控制在850℃，得到熔融的金属液，保温40min，期间每8min搅拌一次，再将熔融的金属液快速倒入水浴铜锅冷却凝固成型，形成sn-al-la合金块。
[0088]
步骤3，将凝固成型的sn-al-la合金块和锌纯金属放置于石墨坩锅中再进行熔炼，再将石墨坩埚放置到加热炉内进行熔化，熔炼温度控制在650℃，得到熔融的金属液，保温40min，期间每8min搅拌一次，再将熔融的金属液快速倒入水浴铜锅冷却凝固成型，形成sn-zn-al-la低熔点合金，将浇注成型的sn-zn-al-la合金重复熔炼三次。
[0089]
如图1所示，实施例3所得低熔点合金在-50℃～70℃时的抗拉强度比sn-9zn二元
合金高20％以上；如图4所示，所得低熔点合金的熔点为199.6℃，在190℃～210℃的范围内；所得低熔点合金可以应用于安全弹药缓释结构设计中。