【综述】
火炮是以火药为能源,利用火药燃烧形成燃气压力来发射弹丸的一种身管射击式武器[1]。18世纪初逐渐出现线膛炮,在炮膛中刻筑膛线可以使弹丸旋转起来,以加强火炮射击精度与威力。因此,在19世纪60年代采用线膛炮后,随着铜质弹带的使用,火炮射击时,弹丸在膛内高速运动时,其弹带在膛线上受到切割与摩擦,使部分铜黏附在膛线上;膛线上积铜增多,使阴线与阳线表面不平滑,从而影响了弹丸的正常运动和降低射击精度,在积铜严重时甚至出现炸膛现象[2]。
为了减少和消除炮膛内部积铜的影响,需要在发射药装药中加入除铜剂,其用量占装药总量0.5%~2.0%。除铜剂是一种低熔点的合金,其在火药燃气的作用下,变成蒸汽状态,和积铜生成共熔物附在膛面上,很容易被燃气或下一发弹带走,进而达到除去积铜的目的[2]。目前,铅作为除铜剂使用在发射药装药中已经有近百年的历史了。由于加入了除铜剂,在发射时容易形成炮口烟,炮口烟中所含的铅对火炮乘员存在着潜在的威胁。另外,铅烟与铅尘颗粒小,在空气中漂浮时间长,易被人吸入体内,会使长期从事相关科研、射击等工作的人员造成铅中毒[3-4]。
尽管大量的实验证明金属铅作为除铜剂能够有效除去炮膛内部的积铜,但铅除铜剂的锈蚀问题还未能解决。不但直接影响着弹药的长期贮存,还影响着弹药的正常使用,排放在环境中的铅物质也会严重危害着使用人员的生命健康。因此,急需一种绿色除铜材料来代替铅的使用,以提高弹丸发射的稳定性和射击精度。本文分析比较了多种低熔点金属的性质,得出与铅一样有低熔点的金属铋,具有除铜的潜力,重点介绍了火炮除铜试剂的国内外研究现状以及几种低熔点合金与铜扩散性和金属间化合物的研究现状。
在发射时,发射药产生的高温、高压火药燃气高速流过枪管,以对流放热方式和辐射放热方式向膛壁散热;弹头在挤进膛线的过程中,会发生变形,从而产生热量。因此弹头上铜会沉积在内膛表面,从而影响弹丸弹道,使外弹道飞行不稳定,降低了射击精度,甚至严重时会出现炸膛,危及装备和人员安全。铅除铜剂在发射药中的应用已有上百年的历史。国外对铅除铜剂的除铜原理作了详细论述,而且还研究了一些除铜添加剂,来考虑替代铅除铜剂。
Wayne M.Robertson[5]早在1975年就提出了金属铅在枪管上的除铜作用的机理:铅熔化并以液态金属形式存在身管中;液态铅溶解沉积的铜; 然后将溶解铜的铅液滴的从身管中带出。并指出低熔点金属铋和铋合金是可以有效取代铅的除铜合金。
Darwin B.Harting[6]在1995年发明了一种适用于中型和大型口径火炮的衬垫。该衬垫可以防止膛线磨损,能有效减少火药气体对膛线的侵蚀。在该衬垫内部涂上了一种可以有效减少火炮挂铜的物质,并指出该物质由过渡金属化合物和非过渡金属化合物组合而成,如铋、锡、铟等金属及其化合物。
Henry H.Raines等[7]在1996年发明了一种无铅除铜添加剂,其由分散在可燃粘合剂中的粉状添加剂组成。其中最合适的除铜剂是将金属铋分散在硝酸纤维素粘合剂中。当发射药装药被点燃时,铋金属蒸发或液化,并且使铜残留物脆化或溶解,使铜更容易去除。
Sven-Eric Johansson[8]在2003年发明了一种混合在发射药中的除铜剂,主要包含锡和铋的混合物,并且指出锡和铋的混合物是一种非常好的除铜剂,尤其是锡和铋之间的比例在10%~62%Sn和90%~38%Bi之间,特别是在42%Sn58%Bi的比例下,该组合的熔点是138 ℃,比其中任何一个物质熔点低的多。
在国内,关于除铜剂的研究只报道了一些用于武器保养的擦拭剂以及炮膛擦拭的设备。2010年,田庆涛[9]分析了身管内膛特别是膛线起始部的擦拭对起始弹道中弹丸挤进压力、首发近弹、胀膛、膛炸、身管寿命等有重要影响。武器擦拭是指在弹丸射击试验完成后对武器身管内膛进行清理所采用的一种工艺方法,目的是去除射击残留物铜垢及发射药燃烧产物,清洁炮膛,保障武器的正常使用[10]。
张林萱[11]研究了在弹药的长期储存时,铅除铜剂的锈蚀、防护问题。通过在除铜剂的制造时均匀地涂覆一层护膛剂来克服除铜剂的锈蚀。
毛法根[12]在1985年指出火炮挂铜不是存粹的铜,它是在连续射击中形成的,是一层铜一层火药残渣的多层结构,与一般除铜有区别。并在原一号除铜擦拭剂(200 g/L碳酸铵,5~10 g/L重铬酸钾)的基础上,研究了铜在身管中的腐蚀规律和放电机构,介绍了研制适合我国防锈清洗剂的特点:除铜、去垢两用,操作简单,生产简单,安全可靠性强。
朱绒霞[13]在2005年论证了利用化学方法除铜的机理,并对清洗溶液(氧化剂Na2S2O3∶络合剂NH4HCO3∶缓蚀剂NaNO2=1∶1∶0.6)的除铜机理进行了研究:铜能被强氧化剂Na2S2O3氧化成铜离子,铜离子又与NH3生成[Cu(NH3)4]2+络离子;缓蚀剂NaNO2防止身管材料发生腐蚀。
谭胜等[14-15]研制出了一种清除火药残渣的QF炮膛擦拭剂(润滑基础油,有机溶剂5%~30%,粘度指数改进剂3%~10%,油溶性缓蚀剂5%~20%),经实验测定和实际使用结果表明,其对火药残渣和和尼龙残渣有良好的去除作用,是一种应用前景广泛的武器维护保养新材料。
刘庆君[10]等在2010年阐述了火炮射击和残留物产生的过程以及其主要成分;并总结了除去火炮身管内膛内不同残留物的不同的擦拭工艺,分别是利用化学方法除去挂铜,机械方法除去火炮燃烧残留物,机械力除去弹带的黏附。
杨国锋[16]在2015年发明了一种包括电解水的武器保养液,可以很方便、快捷地提供pH值可调的电解水,有效地擦拭武器射击后枪管和炮膛内产生的金属挂铜及其他污垢,并且擦拭保养武器后不会有金属离子残留,防锈可达3个月以上。
综上所述,对于身管武器射击后残留在身管内的挂铜,通常采取将低熔点合金加入到发射药装药中或对武器身管进行擦拭的方式将其去除。
目前,国内在不断研制新型除铜擦拭剂来提高当前的除铜效果,但是炮膛擦拭方法多采用人工擦拭模式,存在劳动强度大、擦拭效率低等问题。尽管有许多人也研制了不少配备的火炮自动擦拭设备[17-19],来替代人工擦拭模式,但设备的体积、重量、功能设置及操作均无法实现单兵可以搬运和操作的程度,已不能满足部队现代化装备保障快速高效的有关要求。因此,采用添加低熔点合金加入到发射药装药中除铜是未来除铜剂的主要方向。
为了获得最佳的除铜效果,可以考虑其他具有铅类似除铜效果的低熔点金属。表1列举了一些候选低熔点金属以及它的性质。
表1 低熔点金属
元素熔点/℃沸点/℃性质锂Li1811 330不稳定,易与空气、水分、装药物质发生剧烈反应钠Na98892不稳定,易与空气、水分、装药物质发生剧烈反应钾K64760不稳定,易与空气、水分、装药物质发生剧烈反应镓Ga302 237价格昂贵,且有微弱毒性,在温度略高于室温会熔化锌Zn420906易氧化,氧化锌熔点很高1 975℃,会与铜生成金属间化合物镉Cd321765有毒有害,会与铜生成金属间化合物汞Hg-39357有剧毒铟In1562 000价格昂贵,会与铜生成金属间化合物锡Sn2322 270会与铜生成金属间化合物铅Pb3271 725有毒有害,目前使用的除铜剂铋Bi2711 560熔点与沸点略低于铅,不与铜生成金属间化合物
尽管具有低熔点的金属有很多种,但真正能适用到除铜剂的金属不多。部分低熔点金属都有缺点:性质活泼、价格昂贵、有毒有害等。而除铜剂必须具有低熔点的性能和与铜有良好的结合能力,来适应枪管内膛环境。铅铜二元平衡相图[5]如图1,此系统只存在Cu、Pb两个固体相,没有其他金属间化合物。铅和铜在固态时不互溶,铅在固态铜中的溶解度都极小且铜和铅之间也不形成金属间化合物;此外,铜对铅的熔点影响很小,在液态铅的溶解度很小且铜在液态铅中的溶解度随着温度的升高而升高。铋铜二元平衡相图[5]如图2,此系统只存在Cu、Bi两个固体相,没有金属间化合物。铜在铋中或铋在铜中的溶解度极小,但铜在液体铋中的溶解度比在液体铅中的溶解度高。900 ℃时,铜在铋中的溶解度约为50wt.%。铋比铅对铜的浸润要好得多,有渗入铜晶界的趋势,因此,铜在铋中的溶解速度可能要比铅中的溶解速度快。综上考虑,替代铅除铜剂的材料是金属铋以及以金属铋为主体的低熔点合金。
图1 铅铜相图
图2 铋铜相图
合金除铜剂的除铜效果主要受到润湿性以及金属间化合物等因素的影响。目前对合金润湿性的研究,主要是通过差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)等设备观察和分析合金样品的组织、成分和结构。许轲等[20]在2009年采用光学金相、差热分析、扫描电镜、能谱分析等方法分析了Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金的组织性能。XU CHEN等[21]在2013年采用扫描电镜、X射线衍射和差示扫描量热仪(DSC)研究了Sn-Bi-Zn钎料合金的组织、相变和润湿性。邢飞[22]在2015年差示扫描量热法(DSC),扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)研究了具有不同Sn含量的Zn-Cu-Bi-Sn(ZCBS)高温焊料的微观结构和性能。
锡铜二元平衡相图[23]如图3,此系统存在有Cu、β、γ、δ(Cu4Sn)、ξ(Cu10Sn3)、ε(Cu3Sn)、η、η″(Cu6Sn5)、Sn等固体相,除了Cu、Sn以外,其他皆为金属间化合物。铟铜二元平衡相图[24]如图4,从0~1 200 ℃的温度区域内一共有7个固体相,分别是αCu、β(Cu4In)、γ、δ(Cu7In3)、η、Cu11In9和In,除了Cu、In以外,其他均为金属间化合物。Wayne M.Robertson[5]指出铟和锡具有低熔点和低沸点,但都能与铜形成固态合金和金属间化合物,如果想要除去液体中的铜,必须添加大量的铟或锡到装药中。为此,结合上文,可以考虑以铋为主体的低熔点合金,如铟铋合金、锡铋合金、铅铋合金作为除铜剂材料。
图3 锡铜相图
图4 铟铜相图
1.2.1 锡铋/铜金属间化合物
Hongqin Wang等[25]在2005年探讨了钎料与铜基体之间的反应润湿行为,得出加入少量Sn能显著提高Pb-xSn焊料对Cu的润湿性,并通过理论计算和EDX分析得出,提高润湿性的原因是生成了金属间化合物Cu3Sn。
Z.Moser等[26]在2006年研究了将不同比例的Bi加入Sn-Ag-Cu共晶中所组成的液态合金的润湿性(润湿时间、接触角,界面张力),并将计算所得的结果与实验测的的润湿性结果进行验证,得出在合金中添加Bi能够改善润湿性。
Likun Zang等[27]在2009年研究了新型Sn-Bi-Cu-Pb钎料在493~623 K温度范围内Ar-H2流中的润湿行为。得出Sn-Bi-Cu钎料与Cu基体的接触角随温度的升高而减小,并指出金属间化合物的形成能改善了焊料对基体的润湿性,钎料与Cu界面形成的金属间化合物分别是与焊料相邻的Cu6Sn5和与Cu基体相邻的Cu3Sn。
JIN-YI WANG[28]在2012年将Bi-xSn合金(x=2、5、10)与Cu基体连接起来,并在300 ℃下反应,研究熔融的富Bi合金与Cu之间的界面反应。发现在所有合金成分的界面上仅形成一种金属间化合物Cu3Sn。Cu3Sn相没有粘附到Cu基底上,而是从其上脱离。由于Bi和Cu通过Cu3Sn相相互扩散,在Cu3Sn相和Cu衬底之间形成了富Bi层。并使用Bi-Sn-Cu等温截面解释了富Bi合金/Cu接头中仅Cu3Sn相的形成和复杂的界面微观结构。之后,在2014年的实验中[29],还指出Bi-Sn合金的金属间化合物形成和界面形貌随基底和Sn浓度的变化而变化。
张明明[30]在2012年对不同Sn、In添加量的Cu-Sn-In合金进行研究,探讨了Sn和In在Cu中对于组织性能的影响规律,指出Sn元素的加入在Cu基体中形成了Cu3Sn相,该相呈白色颗粒弥散分布在Cu基体中,并且稳定存在,不随Sn元素的增加和热轧、冷轧而改变。且随着Sn含量的增加,合金的抗拉强度是一直升高的。
Xiaowu Hu等[31]在2013年观察到Cu/Sn-58Bi/Cu焊点在120 ℃等温老化不同时间后,由于Bi偏析导致其顶部和底部界面均有不对称的界面微观结构。此外,随着时效时间的增加,Bi在Cu3Sn/Cu界面底部堆积,Bi的偏析也促进了Cu6Sn5金属间化合物的生长,阻止了Sn向Cu3Sn金属间化合物迁移。
李琴等[32]在2016年研究了低熔点Sn-Bi-In无铅焊料的特性,得出xSn-Bi-12In(x=38,41,44,47,50,53)焊料的微观结构由β-Sn,Bi和InBi相组成。金属间化合物(IMC)层主要由Cu6Sn5组成,且随着元素Bi含量的增加其厚度略有增加。焊料的熔化温度约为100 ℃至104 ℃。但是,当Sn含量超过50 wt%时,熔融范围变大,润湿性变差。之后[33]又研究了焊料的微观组织、热学特性、润湿性能以及力学性能随合金成分的变化特点。指出随着Sn含量的增加,钎料的熔程先减小后增大,铺展面积先增大后减小;且钎料的显微硬度随着Bi含量的增加而增大,抗拉强度和断后伸长率随着Bi含量的增大而降低。
Fengjiang Wang等[34]在2017年研究了Sn-Bi钎料中Bi含量对钎料界面组织的影响,指出在Cu钎焊过程中,Sn-Bi钎料中Bi含量的增加使界面Cu6Sn5金属间化合物(IMC)厚度略有增加,IMC形貌逐渐扁平化,促使更多的Bi原子向界面Cu6Sn5 IMC聚集,此外,Sn-Bi中Bi含量的增加使焊点的剪切强度变差。
1.2.2 铟铋/铜金属间化合物
谭艳芳[35]在2009年采用电沉积方法在Cu基底上制备一层In薄膜得到Cu-In扩散偶。将扩散偶在453 K、503 K和553 K时分别进行20 min、40 min、60 min和90 min的热处理。实验结果发现:在Cu-ln扩散偶界面形成了不同厚度的金属间化合物层Cu11In9相,金属间化合物Cu11In9相层的生长速率受扩散和固态铜在液态铜中的溶解共同控制。
董明杰[36]在2012年研究了Bi-In-Zn-Ag无铅焊料体系,指出Bi能提高合金的硬度和抗拉强度,改善合金的蠕变和延展特性。且当Bi含量低时合金具有较高的可靠性,含量较高时会出现Bi的偏析,合金会变脆。另外,In组元会通过增大Bi在Sn基体中的溶解度,减小Zn在基体中的溶解度而影响焊料组织和性能。
张明明[30]在2012年对不同Sn、In添加量的Cu-Sn-In合金进行研究,探讨了Sn和In在Cu中对于组织性能的影响规律,指出In元素的加入在Cu基体中形成了Cu11In9相,该相呈白色颗粒弥散分布在Cu基体中,并且稳定存在,不随In元素的增加和热轧、冷轧而改变。并且随着In含量的增加,抗拉强度先是升高,当In含量高于0.2%时,抗拉强度开始下降。
Xu Chen等[37]在2015年研究了In元素对Sn-Bi系无铅钎料组织和性能的影响。指出当In含量增加到4%时,在Sn基体中形成颗粒状BiIn相,并沿Bi相分布。随着In含量的增加,复合材料的抗拉强度变化不大,而延伸率在加入2.5%In后先显著增加后降低。此外,In元素参与了Cu-Sn-In金属间化合物的界面反应,影响了Sn-Bi钎料在Cu基体上的润湿性。
Yunzhu Ma等[38]在2016年研究了Bi添加对In-3Ag-xBI/Cu接头界面反应和力学性能的影响。指出增加Bi的含量(0~2wt%)可获得较好的润湿性,但当Bi含量增加到3wt%时,润湿性降低。且在In-3Ag-XBi/Cu界面形成的金属间化合物(IMC)均为(Ag,Cu)In2,随着Bi含量的增加,界面IMC晶粒粗化,IMC层变厚。此外,EPMA图谱表明,Bi的加入既不与In反应,也不与Ag反应生成金属间化合物,而是以固溶体形式均匀溶解在铟基体中。另外,Bi的加入提高了焊点的剪切强度,在Bi添加量为2wt%时,剪切强度达到最大值。
马超力等[39]在2017年研究了In元素的添加对低银Ag-Cu-Zn钎料(ωAg≦20%)的显微组织和性能的影响,指出随着In含量增加,钎料的固、液相线温度明显下降,且钎料在母板上的铺展面积随着In含量的增加而不断增大;另外,钎焊接头的抗剪强度随着In含量增加而增大,In的添加也在低银钎料中起到了更好的固溶强化作用。
Jim,S.等[40]在2018年研究了各种时效条件下Cu/In-Bi合金/Cu接头的横截面微观结构,指出In-Bi合金的微观结构包含主要的In相,Bi3In5和BiIn2相。随着In含量的增加,IMC厚度随时效时间的增加而增加。热老化后形成在Cu衬底上的IMC是CuxIny。
A.Nabihah[41]在2019年研究了将不同含量In添加到Sn-Cu钎料(SN100C)中的组织、润湿性和强度性能。指出In的加入改善了钎料合金的润湿性,表现为较大的铺展直径和较小的润湿角。显微结构观察表明,β-Sn结构细化,In掺杂使Cu-Sn-Ni-In颗粒细小圆整,且Sn-Cu焊点的剪切强度随In含量的增加而提高。
1.2.3 铅铋/铜的扩散
L.C.Prasad等[42]在1999年研究了Sn-Pb、Bi-Sn和Bi-Pb液态合金的表面性能。得出随着Pb含量的增加,Sn-Pb合金的表面张力降低。相比之下,Pb原子的加入增加了Bi-Pb液态合金的表面张力,而Bi原子导致Bi-Sn合金表面张力降低。此外,在Bi-Sn和Bi-Pb体系中还表现出Bi原子向表面的偏析现象,在所有体系中,偏析程度随温度的降低而增加。
薛松柏等[43]在2000年研究了微量Pb、Bi对Ag-Cu-Zn钎料其铺展性能和强度的影响,指出Bi的存在会显著降低钎料的铺展性能,但当Bi含量达到0.15%时,铺展面积下降约1/3;当Pb含量小于0.15%时,Pb对钎料的铺展性能影响不大,但当Pb含量大于0.15%时,钎料铺展性能严重退化。且当Pb、Bi以分离状态存在钎料中,当Pb含量大于0.15%时,会先熔化且液态铅会聚集成连续相并污染钎料表面,在钎料表面形成一个隔离层,阻碍钎料与母材的接触。
Jaehyun Moon等[44]研究了Bi和Pb-Bi单分子层在Cu(111)上的扩散动力学,结果表明,Bi扩散系数随金属Bi覆盖率的增大而增大,在中等覆盖率(c~0∶75)下,有序六边形覆盖层结构的存在限制了Bi原子的运动,减慢了Bi随着覆盖率增加的扩散率。在Pb-Bi合金扩散的情况下,Bi的存在显著减缓了Pb的扩散动力学,同时,在Pb的存在下,Bi的扩散动力学也较慢,但影响不明显。
J.P.Monchoux等[45]在2004年通过扫描俄歇显微镜研究了在473 K下大量纯Pb和Bi吸附层的扩散及其在Cu基体上的混合,得到纯Pb层的扩散速度快于Bi层,且当纯层相遇时,由于被Bi置换了吸附的Pb,两个吸附层的接合线发生漂移。而在此漂移上,Pb和Bi层也相互扩散。在2006年利用扫描俄歇显微镜研究了在T=513 K下分离的3D纯体体源扩散的Pb、Bi吸附层在Cu(100)面上的碰撞和互扩散[46]。当纯Pb和Bi扩散剖面的前缘受到冲击时,它们都由低覆盖率的晶格气体表面合金相组成。在这些低覆盖阶段,Pb使表面合金Bi发生位移,剖面交点向Bi源漂移。这些特征导致了在Cu(100)中Pb原子在表面合金化位点的结合比Bi原子强的结论。
诸小丽等[47]在2007年指出一般Cu-Pb合金难以混溶,有严重的成分偏析。添加新的元素(一类是扩大混合界域的元素,如S、Ag、Ni等;一类是缩小混合界域的元素,如Sn等)可以减少偏析和以金属间化合物的形式促进Cu-Pb互溶。
夏春智等[48]在2009年研究了低温Sn-Pb钎料钎焊Cu/Al异种金属接头的组织结构,指出钎缝区主要形成Sn-Pb共晶组织及分布于其中的β(Sn)初晶,基体组织为富Sn相,富Pb颗粒镶嵌在富Sn基体上,且SnPb形成的是层片状共晶组织,该层片状结构是一种Pb相在Sn相中的层片;而在铜侧过渡区生成Cu3Sn和Cu6Sn5两种金属间化合物。
目前去除身管武器内膛残留的积铜主要是填装除铜剂在发射时除铜或通过擦拭剂和清洗剂对身管武器进行擦拭除铜。对于低熔点合金除铜剂,与铅有类似除铜效果的金属铋以及以铋基低熔点合金是非常好的除铜材料。
以铋基低熔点合金如锡铋、铟铋、铅铋合金是未来除铜剂的主要研究对象;而合金的熔点以及合金与铜之间的润湿性、扩散性等是主要研究内容,最终目的是要快速、高效的筛选出综合性能更好的除铜剂。
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Citation format:LIANG Jiahao, XU Nuo, CHEN Chunlin, et al.Research on Decoppering Agent for Barrel Weapon[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2020,41(10):22-28.