專利名稱：一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒及直接擠壓制備方法
技術領域：
本發明涉及一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒及直接擠壓制備方法，特別是涉及用工業擠出機直接擠出鋁-鎂-釔阻尼合金，使擠出棒在擠出方向上產生0. lmm-l. 4咖的 片間距，獲得具有集高效散熱、阻尼和消聲于一體功能的合金棒材及其制備方法。快速的熱量積累、很強的震動以及由強震動產生的強噪音的應用場合，要求器件必 須具有高效散熱性能、高效阻尼減震性能以及通過阻尼減震減少、甚至完全消除震源產 生的強噪音。典型的應用場合或器件為機槍(machine gun)或沖鋒槍(submachine gun) 連續發射現場對槍筒或槍管(barrel或gun barrel)外安裝的散熱阻尼消聲件。1919年，美國紐約自動兵器公司(Auto-ordnance corporation of New York)在 美國專利商標局申請了題為"槍"的USP 346，040號保密專利。該專利揭示在所發明 的自動槍槍管上安裝18片鋼制冷卻片，從該發明圖紙可見，該18片冷卻片總長度超過 槍管長度的1/2、并被等距離安裝；冷卻片的片距遠超過10國，該冷卻片是怎樣組合到 槍管上的沒有揭示。該冷卻片的安裝可增大槍管在空氣中散熱面積，屬于風冷型散熱器 件。該專利在1922年以USP1， 403， 623號專利的公開專利形式公開。該專利的公開可能 與1919年凡爾賽條約有關； 一戰期間統計，步兵多數死亡于用水冷槍管的重機槍上， 因而凡爾賽條約明文禁止任何水冷槍管的重機槍研制，將水冷改為氣冷顯然代表一個國 家文明程度(輕兵器，1994年，3期，P2-3)。上述發明值得一提的地方還表現在:該發明為兵器工業知名度大和影響力大的發明 之一。該發明中的"槍"，就是后來以美國湯普森將軍命名的"湯普森沖鋒槍"。僅二戰 期間就生產l4 0多萬支，還廣泛為英、法等盟國軍隊所使用，并在戰中和戰后不斷改 進，其改進后的型號諸如M 1 9 2 1式、M 1 9 2 3式、M 1 9 2 8式、M 1 9 2 8 A 1式、M 1式(1942年)和M 1 A 1式沖鋒槍等。而該發明中的"槍"就是所有改進型 沖鋒槍的母體，也就是最早的M1 9 1 9式。在隨后改進的發明中，在注重風冷槍管材質選取的同時，同樣關注風冷槍管器件的 高效散熱性能、高效阻尼減震性能以及通過阻尼減震減少強噪音和加強對射擊目標的準 確性。代表性專利為①美國專利商標局1925年公開的題為"機槍或快速發射槍及相 關"的USP 1，551，617號專利(原保密專利序列號為702，322;1924年)中；②美國專 利商標局1949年公開的題為"槍管的冷卻方式"的USP 2， 467， 372號專利(原專利申 請號為688， 657; 1946年)中；③美國專利商標局1980年公開的題為"來復槍管"的USP4，2ii，146號專利(原專利申請號為865， 226; 1977年)中等。事實上，該發明獲得如此 成功，主要來源于在此之前美國國內對此有豐富的積累，其中包括對風冷槍管器件的高 效散熱性能、高效阻尼減震性能以及通過阻尼減震減少強噪音方面的研究和工藝設計。 代表性專利表現在美國專利商標局1919年公開的題為"氣動槍"的USP 1， 308， 016 號通信專利(原專利申請號序列為170,622; 1917年5月24日申請)，該專利文件中重 點強調"進一步的方法在于防止槍管因快速放槍而過度發熱"("It further consists in means to prevent heated from rapid discharges"等。該"氣動槍"的發明為"半 自動步槍"的母發明，也為沖鋒槍和機槍奠定連發基礎。1938年，英國專利局公開了法國發明家鮑曼，沃爾申請的題為"連發槍空冷方式 的改進"的GB1937000薩(或GB19370322號、或法國專利號為FRT815262、或FRT 19360320)專利，該發明不但對風冷槍管器件散熱性能的高效化作出大量改進，而且將 阻尼減震性能以及通過阻尼減震減少強噪音提到相當的高度，甚至使用高阻尼材料—— 鎂合金，在取得阻尼減震效果同時，也使得武器輕量化。1943年，美國專利商標局公開了英國的摩靈機械有限公司(Molings Machine co即any Limited)申請的題為"連珠炮的裝載和擊發機構"的USP 2， 439， 142號專利。 該發明對風冷槍管器件散熱性、阻尼減震、降噪進一步改進，后來成為用于守護橋梁、 機場等場合使用的防空高射機槍；該發明的改進如此之好，以至于達到"三無"，即無 聲、無光和無煙，即使在夜間發射，防空基地也不容易被空中飛機發現(輕兵器，1994 年，3期，P2-3)。總之，檢索上述發明風冷槍管散熱件或散熱-降噪一體器件或散熱-阻尼-降噪一體 器的發明專利，沒有檢索到用鋁基合金為原料并通過工業擠出機直接擠壓合金、使合金 產生目標裂紋、并用該"裂紋"形成的裂片取代風冷槍管散熱片的發明；也沒有檢索到 與本發明目的或目標以及擠出工藝相同的專利公開或研究論文報道。 發明內容本發明的目的在于提供一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒及直接擠壓制備方法。一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒設計原理 (1)、散熱包括風冷槍管散熱件在內的所有散熱器件的基本要求是材質足夠高 的導熱系數以利于熱傳遞；散熱總表面足夠大以保證散熱效率；散熱片合適形狀、合適 片間距以保證冷熱空氣或其它傳熱介質對流散熱；散熱片表面構造、構型和色澤存在利 于熱輻射的要素。對于本發明而言鋁合金類屬導熱系數大的合金之一；直接擠出鋁合 金片距平均達到毫米級，形成極大散熱總表面積，Al-Mg-Y合金表面氧化膜材質屬于高 熱輻射系數功能陶瓷膜，本發明合金所具有的要素滿足高效散熱片傳導、對流和熱輻射 的基本要求。如附圖1本發明擠出棒在擠出方向上產生0. lmm-1. 4mi的裂片間距的實物 照片所示。附圖2為1919年美國紐約自動兵器公司申請的USP1， 403， 623號專利附圖中4風冷槍管片剪裁圖片(2) 、阻尼與阻尼-散熱一體化包括風冷槍管在內的所有阻尼-散熱一體化器件對 阻尼的基本要求是材質足夠高的阻尼系數以利于震動能量的吸收和耗散。采用本發明 工藝獲得的合金中產生大量的P相(Al3Mg2)和其它穩定與不穩定相(如附圖3對本發明合金的XRD分析結果)，這些穩定和不穩定相為"弱釘扎作用"或"中等強度釘扎作 用"相，為本發明合金的"阻尼因子"奠定高品質基礎。特別是在用于風冷槍管過程中，連發子彈與槍筒內壁的摩擦熱和火藥噴發熱快速積 累與槍筒、槍筒由將熱量傳遞給其外部的外散熱器，若外散熱片因溫度升高后阻尼下降 或消失，吸收和耗散震動能量的阻尼特性將消失，在長時間連發子彈的情況下，外散熱 片金屬溫升至35(TC可能性存在。本發明合金解決這一棘手問題獲得較好結果，表現在: ①附圖4的溫度-阻尼系數關系圖顯示2(TC—20(TC的溫升過程中，本發明合金阻尼系 數上升，超過20(TC，阻尼系數仍呈現升高趨勢。②附圖5對本發明合金DSC測定結果 顯示圖中DTA顯示20(TC—35(TC吸-放熱曲線峰仍存在可吸收外界能量。這一結果成 因是(3相與其它穩定與不穩定相形成的系列相轉化(Journal of alloys and compounds, 2001年，320巻，P93-102;)。(3) 、消聲對于槍管震源已經發出的噪聲，極大散熱總表面積保證聲波被黏滯 消耗的面積，擠出裂紋的表面粗糙、擠斷形成的自然起伏也利于聲波被黏滯消耗起到降 噪和消聲作用，如附圖l顯示的直接擠出裂紋的產生與裂紋間距。(4) 、直接擠出與毫米級片距即直接擠出裂紋的產生與裂紋間距、深度控制的相 關原理，能否產生裂紋或產生的裂紋深度合適或裂紋達到毫米片距，其內因主要為，-相(AlsMg2)和其它穩定與不穩定相生成、合金中存在方式和狀態，這一因素主要與合 金配方設計相關；其外因主要為P相等數量控制，控制主要為合金凝固速度和合金擠出 參數。附圖6中擠出合金不產生裂紋的擠出棒，其合金配方中Mg添加量相對(裂紋棒) 減少3wtJ，顯然相對減少合金中的P相，而其它鑄造和擠出工藝均相同，該對比形式 的實物照片旨在揭示"內因"差別對直接擠出裂紋產生影響。附圖7的擠出開裂照片旨 在說明"外因"對直接擠出裂紋影響，該開裂合金配方中Mg添加量為正常的13wt.呢， 合金凝固速度也于直接擠出不開裂合金的凝固速度相同，顯然，擠出開裂的原因為合金 擠出參數這一 "外因"控制不當所致。(5) 、受熱環境下抗氧化性作為風冷槍管散熱器件工作環境為受熱和受流動空氣 中氧氣的環境，本發明合金中添加稀土釔(Y)為黑色和有色金屬中抗高溫氧化最好的 添加元素之一。附圖8旨在顯示模擬實驗部分結果，附圖8四種擠出前合金胚胎，放到 循環熱空氣高溫烘箱中，在35(TC下熱風循環加熱6小時，觀察車削合金光亮表面的氧 化變暗淡情況；由圖可見，添加稀土釔合金表面相對最為光亮，抗熱空氣中氧氣的氧化 能力相對最強。(6)、機加、組裝與相關力學性能良好機械加工和方便組裝特性是生產出標準器件的前提與保證。用鉆床很容易在直擠直接擠出毫米級散阻尼消聲棒中心處鉆孔的實物 照片顯示在圖9;將直擠毫米級散阻尼消聲棒與發射管組裝到一起的實物照片顯示在圖 l(Hl;合適的強度、剛度、硬度抗沖擊和抗磨損等力學性能為標準器件獲得使用的前 提與保證，同時也涉及生產與加工性能。諸如壓縮性能與使用相關外也于生產中固定擠 出能力的擠出機能否擠出一定擠出比的合金相關，本發明圖12為測定合金壓縮曲線之一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒，其組成為Mg為13wtt Y為(0-0.8) wt°/。， 雜質元素Fe、 Ni、 Cu和Si的總量小于0.05wt%，用Al平衡總量到100wt%。一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒的直接擠壓制備方法，步驟和條件如下以純度99.W的Al錠和Mg錠，Al-Y母合金錠為原料，所述的A1錠、Mg錠和母合 金錠經分割、除油、干燥和去除氧化皮得到塊狀料，所述的A1-Y母合金錠中Y占10wt%， 雜質元素Fe、 Ni、 Cu和Si的總量小于0. 02wt%，鋁余量；按照Mg為13wt°/。， Y為(0-0. 8) wt°/。，雜質元素Fe、 Ni、 Cu和Si的總量小于0.05wt°/。，用Al平衡總量到100wt。/。的配比 進行稱量和配料；配料裝入鐵坩堝，電阻爐的爐溫達到79(TC時，將裝有爐料的鐵坩堝 放入電阻爐加熱至所有爐料熔化，坩堝中金屬爐料表面澆入占金屬爐料重量10%的KC1 融化鹽覆蓋在金屬爐料上表面以避免金屬高溫氧化；坩堝中合金熔化后攪拌50秒鐘； 停止加熱降低爐溫至750。C靜置合金液30分鐘，再次降低爐溫至72(TC靜置合金液20 分鐘，最后一次降低爐溫至700。C靜置合金液10分鐘；合金液出爐前在已經結殼的KC1 鹽殼上打洞，從該洞口向外澆鑄，合金液澆鑄到滿足擠出機擠出腔形狀和尺寸要求的模 具中，該模具為0.4mm薄鋼板加工而成；合金液冷卻后出模，獲得合金擠出毛坯，該合 金擠出毛坯放入退火爐在35(TC退火，退火時間為4小時；退火后的合金擠出毛坯再用 于擠出，擠出條件為擠出毛坯預熱溫度為350°C-370°C，擠壓溫度為420。C-44(TC和 擠壓比為14.1-44.2;獲得一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒。本發明的有益效果1、 一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒及直接擠壓制備方法， 避開鑄造散熱片很難達到毫米級片距工藝難點；相對棒材"車溝樓槽"式后機械加工散 熱片生產工藝，縮短工藝鏈條長度，開發出散熱片生產新工藝。2、 一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒及直接擠壓制備方法，將散熱片多功能化， 集散熱-阻尼-消聲功能于一體；利于滿足快速的熱量積累、很強的震動以及由強震動產 生的強噪音的應用場合；諸如連續發射的輕、重武器所需要安裝散熱阻尼消聲件的應用 場合。3、 本發明的直接擠壓制備方法直接擠出的一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒， 其密度小于常用鋁合金密度(平均在2.8g/cni3左右)，利于需要輕量化的場合應用，諸 如武器和通訊裝備的減重場合。


圖1是本發明的一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒實物照片。該合金棒在擠出方向上小裂片間距最小值0. lfflffl、最大值1.4mrn，裂片最大深度為合金棒直徑的1/3。 圖2是本發明所引用代表性專利文獻(1919年美國紐約自動兵器公司申請的USP1，403，623號專利)附圖中風冷槍管片剪裁圖片。引用該剪裁圖片目的是方便對一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒的理解。圖3是本發明的組成為Al — 13wt窗g-0.8Y wt。/。均勻化合金的代表性XRD分析結果。 圖4是本發明的Al — 13wt%Mg-0.3Ywrt毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒從外向內用車床切削、獲得直徑為6nmi的棒材后進行熱處理，熱處理后在MAK-04型粘彈分析儀上測定阻尼性能，所獲得的溫度-阻尼系數關系曲線圖。圖5是本發明為Al — 13wt懇g-0.8Y wtt均勻化合金的代表性DSC分析結果。圖6是本發明研究毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒的"內因"變化規律過程中的實物對比圖片。圖片中1所示的兩根棒,其材質合金配方中Mg添加量相對(2)減少3wt. %;圖片中2所示的兩根裂紋棒，其合金組成配方是通式為Al — 13wt錫g的配方，二者除配方不同外，其它工藝條件均相同。圖7是本發明研究毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒的過度開裂規律過程中的實物圖片。圖片中合金組成配方是通式為Al — 13wt懇g，過度開裂重要原因之一擠壓比過大(擠壓比達到60)。圖8是本發明包含合金組成通式Al — 13wtfl/cMg、 Al — 13wt懇g-0.3wt%Y在內的四種 擠出前合金胚胎模擬高溫氧化實驗結果對比圖。模擬條件為四種擠出前合金胚胎，放 到循環熱空氣高溫烘箱中，在35(TC下熱風循環加熱6小時，觀察車削合金光亮表面的 氧化變暗溪情況。其觀察到的結果為添加稀土釔合金表面相對最為光亮，抗熱空氣中 氧氣的氧化能力相對最強。圖9是本發明合金組成通式為A卜13w價g-0.3wt%Y的毫米級片距散熱阻尼消聲合 金棒用鉆床鉆孔后實物照片。鉆孔過程顯示鉆孔很容易。圖10是本發明合金組成通式為Al—13wt%Mg-0.3wt%Y的毫米級片距散熱阻尼消聲 合金棒與鋼質模擬發射管組裝到一起的實物照片。圖11是本發明合金組成通式為Al—13wt彌g的毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒與鈦質模擬輸送熱流質管組裝到一起的實物照片。圖12是本發明組成為Al — 13wt%Mg-0.8Y wrt均勻化合金進行壓縮實驗的代表性未處理的原始應力-應變曲線。
具體實施方式
實施例l:以純度99.9%的Al錠和Mg錠，Al-Y母合金錠為原料，Al錠、Mg錠和母合金錠經 分割、除油、干燥和去除氧化皮得到塊狀料，其中含有稀土釔的Al-Y母合金錠中Y占 10wt%，雜質元素Fe、 Ni、 C'j和Si的總量小于0.02wtl鋁余量；按照通式Al - 13w價g 配比進行稱量和配料；配制完成的爐料裝入鐵坩堝，電阻爐的爐溫達到79(TC時，將裝 有爐料的鐵坩堝放入電阻爐加熱至所有爐料熔化，在坩堝中金屬爐料表面澆入占金屬爐 料重量10%的KC1融化鹽覆蓋在金屬爐料上表面、以避免金屬高溫氧化；坩堝中合金熔 化后隨之攪拌50秒鐘；停止加熱降低爐溫至75(TC靜置合金液30分鐘，再次降低爐溫 至720。C靜置合金液20分鐘，最后一次降低爐溫至70(TC靜置合金液10分鐘；合金液 出爐前在已經結殼的KC1鹽殼上打洞，從該洞口向外澆鑄、合金液澆鑄到滿足擠出機擠 出腔形狀和尺寸要求的薄壁模具中，該薄壁模具為0.4lM薄鋼板加工而成；合金液冷卻 后出模，獲得合金擠出毛坯，該合金擠出毛坯放入退火爐在35(TC退火，退火時間為4 小時;退火過的合金擠出毛坯在用于擠出機擠出，擠出條件為:擠出毛坯預熱溫度為350 °C，擠壓溫度42(TC和擠壓比為14.1;獲得直接擠出毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒。物理測量直擠毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒的裂片間距及開裂深度是否達到要 求，其方法為，隨機選擇長度為20cm的直擠棒為檢測和統計單位，用已知直徑的合金 絲或金屬絲、或已知厚度的合金片或金屬片、或已知厚度的聚脂片勒進、或卡進裂片的 裂縫中，檢測在擠出方向上裂片間距最小值是否達到0. lmm和最小值是否達到1. 4mm， 達到視為片間距合格。同時統計裂片深度值，裂片深度值落在直擠棒直徑的1/3_1/2 的比例范圍視為合格品。阻尼系數測量使用MAK-04型粘彈分析儀，方法為將直接擠出棒用車床從外向內切 削、去掉外部裂片全部或一部分，獲得直徑為6mm的棒材后，或直接測量或進行熱處理 后測量，測量過程中固定溫度或頻率等條件。其它測量，諸如密度、力學性能等采用常規浮力法、壓縮或拉伸試樣等方法。本實施例的直擠毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒的裂片間距及開裂深度指標合格； 直接測量直接擠出合金棒阻尼條件為實溫下，共振頻率為80Hz時，扣除空白后的阻尼 系數tanS為0.0079;合金擠出毛坯的密度為2.57 g/cm3、維氏硬度122HV、布氏硬度 97HB、壓縮強度(o b)為518MPa、屈服強度(o 0.2)為312 MPa。實施例2:與實施例1所不同的是①按照通式Al - 13wt錫g-0. 3 w線Y配比進行稱量和配料; ②擠出毛坯預熱溫度為37(TC;③擠壓溫度為43(TC;④擠壓比為28.4。其佘步驟和條 件同實施例l。本實施例的直接擠出毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒的裂片間距及開裂深度指標 合格；直接測量直擠棒阻尼條件為實溫下，共振頻率為100Hz時，扣除空白后的阻尼系 數tanS為0.0089;合金擠出毛坯的密度為2. 56 g/cra3、維氏硬度126HV、布氏硬度99HB、壓縮強度(o b)為530MPa、屈服強度(o 。.2)為321 MPa。 實施例3:與實施例1所不同的是①按照通式Al - 13wt窗g-0.8 wt%Y配比進行稱量和配料; ②擠出毛坯預熱溫度為36(TC;③擠壓溫度為44(TC; @擠壓比為44.2。其余步驟和條 件同實施例l。本實施例的直接擠出毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒的裂片間距及開裂深度指標 合格；直接測量棒阻尼條件為實溫下，共振頻率為60Hz吋，扣除空白后的阻尼系數tanS 為0.0092;合金擠出毛坯的密度為2.6g/cm3、維氏硬度119HV、布氏硬度90HB、壓縮 強度(o b)為425MPa、屈服強度(o 。.2)為236 MPa。
權利要求
1、一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒，其特征在于，其組成為Mg占13wt％，Y占(0-0.8)wt％，雜質元素Fe、Ni、Cu和Si的總量小于0.05wt％，用Al平衡總量到100wt％。
2、 如權利要求1所述的一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒的制備方法，其特征 在于步驟和條件如下以純度99.將的Al錠和Mg錠，Al-Y母合金錠為原料，所述的A1錠、Mg錠和母合 金錠經分割、除油、干燥和去除氧化皮得到塊狀料，所述的Al-Y母合金錠中Y占10wt%， 雜質元素Fe、 Ni、 Cu和Si的總量小于0.02wt%，鋁余量；按照Mg為13wt%， Y為(0-0.8) wt%，雜質元素Fe、 Ni、 Cu和Si的總量小于0.05wt。/。，用Al平衡總量到100wt。/。的配比 進行稱量和配料；配料裝入鐵坩堝，電阻爐的爐溫達到79(TC時，將裝有爐料的鐵坩堝 放入電阻爐加熱至所有爐料熔化，坩堝中金屬爐料表面澆入占金屬爐料重量10%的KC1 融化鹽覆蓋在金屬爐料上表面以避免金屬高溫氧化；坩堝中合金熔化后攪拌50秒鐘； 停止加熱降低爐溫至75(TC靜置合金液30分鐘，再次降低爐溫至72(TC靜置合金液20 分鐘，最后一次降低爐溫至70(TC靜置合金液10分鐘；合金液出爐前在已經結殼的KC1 鹽殼上打洞，從該洞口向外澆鑄，合金液澆鑄到滿足擠出機擠出腔形狀和尺寸要求的模 具中，該模具為0.4腿薄鋼板加工而成；合金液冷卻后出模，獲得合金擠出毛坯，該合 金擠出毛坯放入退火爐在35(TC退火，退火時間為4小時；退火后的合金擠出毛坯再用 于擠出，擠出條件為擠出毛坯預熱溫度為350°C-370°C，擠壓溫度為42(TC-44(TC和 擠壓比為14.1-44.2;獲得一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒。
全文摘要
本發明涉及一種毫米級片距散熱阻尼消聲合金棒及制備方法。該合金棒的組成為Mg占13wt％，Y占(0-0.8)wt％，雜質元素Fe、Ni、Cu和Si的總量小于0.05wt％，用Al平衡總量到100wt％。采用工業擠出機直接擠出該合金，使擠出棒在擠出方向上產生0.1mm-1.4mm的裂片間距，獲得具有集高效散熱、阻尼和消聲于一體功能的合金棒材。該棒材經過后續加工可以制造散熱器件，散熱-阻尼減震一體化器件以及散熱-阻尼-消聲一體化器件。該生產工藝填補散熱片傳統鑄造工藝、“車溝樓槽”式后機械加工工藝等之間存在的空白。
文檔編號C22C1/00GK101255516SQ200810050399
公開日2008年9月3日 申請日期2008年2月27日 優先權日2008年2月27日
發明者吳耀明, 偉 孫, 楊曉鵬, 畢廣利, 王立東, 王立民 申請人:中國科學院長春應用化學研究所