一种用于制备电铸铜-铝复合药型罩的电铸芯模及方法

摘要

本发明公开一种用于制备电铸铜-铝复合药型罩的电铸芯模及方法。电铸芯模由内模、固定环、铆钉和铝罩组成。使用时首先将进行除油、酸洗、浸锌和化学镀镍处理后的铝罩和内模、固定环、铆钉一起组装成电铸芯模，然后在电铸芯模上进行电铸铜，电铸完成以后，将铆钉拔出，再将铝罩连同它外面的电铸铜层一起取下，即可得到电铸铜-铝复合药型罩。通过本发明的方法，可以制备出有较强结合力的电铸铜-铝复合药型罩，而且操作简便，脱模方便。

说明书

技术领域

本发明属于复合药型罩领域，提供了一种制备电铸铜-铝复合药型罩的电铸芯模，及用该电铸芯模制备电铸铜-铝复合药型罩的方法。

背景技术

药型罩是聚能装药战斗部的核心部件，主要用于摧毁敌方的混凝土工事。药型罩的选材和制备工艺决定了其在混凝土介质中的侵彻性能。

在药型罩的选材方面，目前国内外主要使用铜、钛、铝等金属材料^[1-2]。前期研究表明，上述几种药型罩材料各有优劣：铝及铝合金药型罩的毁伤孔径较大，但侵彻深度不足；纯铜药型罩的侵彻深度良好，但毁伤孔径过小；钛及钛合金药型罩虽然侵彻孔径大于铁、铜材料，但经济成本高，质量一致性差。因此，传统的单层金属药型罩难以获得理想的侵彻效果。数值模拟计算表明，铜-铝复合药型罩能够综合发挥铜罩的高侵彻深度和铝罩的大侵彻孔径方面的优势，是值得探索的一条技术途径。所以从选材的角度讲，铜-铝复合药型罩具有一定的研究价值和发展潜力。

在铜-铝复合药型罩的制备工艺方面，不仅要求药型罩材料的显微组织必须均匀可控以获得理想的侵彻效果，而且要求铜、铝金属之间要有良好的结合力以满足后续机加工的需要。目前国内外制备各类复合金属药型罩主要采用钎焊、爆炸复合-旋压、离子溅射以及气相沉积等工艺^[3-4]。由于结合不牢固，钎焊方法已经很少采用；爆炸复合-旋压方法也存在结合力不佳、连接层变形等致命缺陷；而离子溅射以及气相沉积等方法则存在金相组织不均匀、无法大量生产等缺点，因此，上述工艺难以制备性能良好的铜-铝复合药型罩。电铸法也是制备药型罩的重要方法，具有组织均匀可控、外形尺寸精密、成本低、纯度高等优点^[5]，所以在理论上，采用电铸方法制备的铜-铝复合药型罩能够获得理想的侵彻效果。因此从制备工艺的角度讲，电铸法可以成为制备铜-铝复合药型罩的候选方法。

利用电铸方法制备铜-铝复合药型罩需要解决以下问题：首先，由于铝及铝合金的表面极易出现氧化层，这对铝和电铸铜之间的结合力有很大影响，因此需要找到合理的表面处理工艺来改善铝和电铸铜之间的结合力；其次，需要对电铸芯模进行优化设计，简化电铸之后的脱模工序；同时，考虑到生产实际，电铸铜-铝复合药型罩的制备工艺还应该操作简便。

综合以上因素，本发明提供了一种能够同时满足上述要求的制备电铸铜-铝复合药型罩的方法，以及配套使用的电铸芯模设计方案。该方法和设计方案属完全自主创新，国内没有此方面的专利。

 

发明内容

   为了制备结合力良好的电铸铜-铝复合药型罩，同时满足脱模方便及操作简单

等要求，本发明提供了一种用于制备电铸铜-铝复合药型罩的电铸芯模及方法。

本发明的技术方案是：一种用于制备电铸铜-铝复合药型罩的电铸芯模，该电铸芯模是由内模、固定环、铆钉和铝罩组成，其中，所述内模的柄部的末端和侧面设有用于在电铸时固定和夹持整个芯模通孔，所述铝罩的侧壁上设有8个定位孔，所述的侧面设有8个固定孔，使用时首先将所述内模置于所述铝罩中，之后将固定环放入铝罩内转动，使其周围的固定孔与铝罩上的定位孔一一对应，再将所述铆钉插入锁紧，拼装在一起形成用于制备电铸铜-铝复合药型罩的电铸芯模。

进一步，所述的内模是用3A21或者其他防锈铝合金加工而成；内模在使用时和固定环及铝罩拼装在一起；内模可以反复使用。

进一步，所述的固定环是用3A21或者其他防锈铝合金加工而成；所述固定环的外径与内模的外径相同；在使用时和内模、铝罩通过铆钉组装在一起；固定环可反复使用。

进一步，所述的铆钉是用45号钢或者其他中碳钢加工而成，并进行调质处理，以满足使用过程中的强度要求；铆钉在使用时和固定环以及铝罩组装在一起；铆钉可反复使用。

进一步，所述的铝罩是用3A21或者其他防锈铝合金加工而成；铝罩内表面的尺寸与内模和固定环相吻合；使用时通过铆钉，将铝罩和内模拼装在一起，和固定环组装在一起；铝罩是一次性使用的。

本发明还提供一种利用电铸芯模制备电铸铜-铝复合药型罩的方法，具体步骤如下：

① 铝罩的电铸前处理：先后进行除油、酸洗、浸锌和化学镀镍四个步骤。

除油：将铝罩浸泡在80~85℃的除油液中，1~3分钟后取出，然后用水将表面残留的除油液清洗干净。除油液的配方为：碳酸钠（Na₂CO₃）30g/L、磷酸钠（Na₃PO₄）30g/L、氢氧化钠（NaOH）2g/L、OP乳化剂1ml/L。

酸洗：将除油后的铝罩浸泡在常温的酸洗液中，5~15秒后取出，然后用水将表面残留的酸洗液清洗干净。酸洗液的配方为：浓硫酸500ml/L、浓硝酸500ml/L。

浸锌：将经过除油和酸洗的铝罩浸泡在常温的浸锌液中进行第一次浸锌，30秒后取出。水洗后，浸泡在体积分数为50%的硝酸溶液中将锌层退去，然后再浸泡在常温的浸锌液中30秒进行第二次浸锌，最后用水将表面残留的浸锌液清洗干净。两次浸锌所使用的浸锌液是有区别的，第一次浸锌液的配方为：氧化锌（ZnO）100g/L、氢氧化钠（NaOH）500g/L、三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）2g/L、酒石酸钾钠（KNaC₄H₄O₆·4H₂O）10g/L；第二次浸锌液的配方为：氧化锌（ZnO）20g/L、氢氧化钠（NaOH）120g/L、三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）2g/L、酒石酸钾钠（KNaC₄H₄O₆·4H₂O）10g/L、硝酸钠（NaNO₃）1g/L。

化学镀镍：将经过浸锌的铝罩浸泡在常温的化学镀镍液中，2小时后取出，然后用水将表面残留的化学镀镍液清洗干净。化学镀镍液的配方为：氯化镍（NiCl₂·6H₂O）22g/L、次磷酸钠（NaH₂PO₂·H₂O）25g/L、焦磷酸钠（Na₄P₂O₇·10H₂O）50g/L、氨水20ml/L。化学镀镍完成后，铝罩的电铸前处理结束。

② 电铸芯模的组装：将内模、固定环、铆钉和处理后的铝罩一起，按照如权利要求1所述的方法组装成电铸芯模。

③ 电铸：将电铸芯模放在酸性硫酸铜镀液中进行电铸操作。镀液的配方为：硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）220g/L、硫酸（H₂SO₄）60g/L、氯化铜（CuCl₂·2H₂O）0.1g/L、WT-400低泡润湿剂1ml/L（电铸过程中每100A·h补充3ml的酸性硫酸铜镀液）。镀液温度为30℃，阴极电流密度为4A/dm²，阳极采用含磷铜板（含磷量0.02%~0.1%，铜板外面套两层阳极袋）。待电铸铜层达到所需厚度时，关闭电源和传动装置，用水将电铸铜层表面残留的电铸液清洗干净。

④ 脱模：电铸完成以后，将铆钉拔出，再将铝罩连同它外面的电铸铜层一起取下，即可得到电铸铜-铝复合药型罩。

本发明的一种用于制备电铸铜-铝复合药型罩的电铸芯模及方法，其突出优点在于：首先将进行除油、.酸洗、浸锌和化学镀镍处理后的铝罩和内模、固定环、铆钉一起组装成电铸芯模，然后在电铸芯模上进行电铸铜，电铸完成以后，将铆钉拔出，再将铝罩连同它外面的电铸铜层一起取下，即可得到电铸铜-铝复合药型罩。通过本发明的方法，可以制备出有较强结合力的电铸铜-铝复合药型罩，而且操作简便，脱模方便。

 

附图说明

图1 是本发明一种用于制备电铸铜-铝复合药型罩的电铸芯模的结构示意图。

图2 是本发明一种用于制备电铸铜-铝复合药型罩的电铸芯模的组装示意图。

图3 是为电铸设备示意图。

图4 是本发明电铸铜-铝复合药型罩示意图。

图5 是本发明用于结合力试验的试样尺寸图； a.铝层，b.电铸铜层。

图6 是本发明用于胶粘剂拉伸剥离试验的拉伸试样示意图；a.用于结合力试验的试样，b.胶粘剂。

图7 是本发明胶粘剂拉伸剥离试验得到的应力-距离曲线示意图。a.实施例1，b.实施例2，c.实施例3。

图中：

1.内模，2.固定环，3.铆钉，4.铝罩，5.固定孔，6.液压升降起重机，7.减速电动机，8.调速装置，9.稳压直流电源，10.热电偶，11.温度调节箱，12.加热管（两组），13.支架，14.电铸槽，15.电流屏蔽罩，16.不锈钢恒温水浴槽，17.不锈钢导电环，1.电铸芯模，19.含磷铜板，20.电镀铜层，21.定位孔。

 

具体实施例1

结合附图对本发明做如下详述：

图1是本发明中用于制备电铸铜-铝复合药型罩的电铸芯模示意图。如图1所示，用于制备电铸铜-铝复合药型罩的电铸芯模包括：内模1、固定环2、铆钉3和铝罩4。内模1采用3A21或者其他防锈铝合金加工而成，其柄部的末端和侧面设有通孔，以便电铸时固定和夹持整个芯模，内模可以反复使用。固定环2采用3A21或者其他防锈铝合金加工而成，固定环2的外径与内模1的外径相同，侧面有8个固定孔5，固定环2可以反复使用。铆钉3是用45号钢或者其他中碳钢加工而成，并进行调质处理，可以满足使用过程中的强度要求，铆钉可以反复使用。铝罩4是用3A21或者其他防锈铝合金加工而成，铝罩内表面的尺寸与内模1和固定环2相吻合，铝罩4的侧面有8个通孔，铝罩是电铸铜-铝复合药型罩成品的组成部分，是一次性使用的。如图2所示，使用时首先将所述内模1置于所述铝罩4中，之后将固定环2放入铝罩4内转动，使其周围的固定孔5与铝罩4上的定位孔21一一对应，再将所述铆钉3插入锁紧，之连接成一体，即可进行电铸操作。

利用电铸芯模制备电铸铜-铝复合药型罩的具体步骤如下：

除油：将铝罩4浸泡在80℃的除油液中，1分钟后取出，然后用水将表面残留的除油液清洗干净。除油液的配方为：碳酸钠（Na₂CO₃）25g/L、磷酸钠（Na₃PO₄）25g/L、氢氧化钠（NaOH）1g/L、OP乳化剂0.5ml/L。

酸洗：将除油后的铝罩4浸泡在常温的酸洗液中，15秒后取出，然后用水将表面残留的酸洗液清洗干净。酸洗液：浓硫酸与浓硝酸按照体积比1:1的比例混合配置。

浸锌：将经过除油和酸洗的铝罩4浸泡在常温的浸锌液中进行第一次浸锌，25秒后取出。水洗后，浸泡在体积分数为50%的硝酸溶液中将锌层退去，然后再浸泡在常温的浸锌液中25秒进行第二次浸锌，最后用水将表面残留的浸锌液清洗干净。两次浸锌所使用的浸锌液是有区别的，第一次浸锌液的配方为：氧化锌（ZnO）90g/L、氢氧化钠（NaOH）450g/L、三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）1g/L、酒石酸钾钠（KNaC₄H₄O₆·4H₂O）9g/L；第二次浸锌液的配方为：氧化锌（ZnO）10g/L、氢氧化钠（NaOH）110g/L、三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）1g/L、酒石酸钾钠（KNaC₄H₄O₆·4H₂O）9g/L、硝酸钠（NaNO₃）0.5g/L。

化学镀镍：将经过浸锌的铝罩4浸泡在常温的化学镀镍液中，2小时后取出，然后用水将表面残留的化学镀镍液清洗干净。化学镀镍液的配方为：氯化镍（NiCl₂·6H₂O）21g/L、次磷酸钠（NaH₂PO₂·H₂O）24g/L、焦磷酸钠（Na₄P₂O₇·10H₂O）45g/L、氨水15ml/L。化学镀镍完成后，铝罩4的电铸前处理结束。

② 电铸芯模的组装：先将内模1置于所述铝罩4中，之后将固定环2放入铝罩4内转动，使其周围的固定孔5与铝罩4上的定位孔6一一对应，再将所述铆钉3插入锁紧；

③ 电铸：将电铸芯模放在酸性硫酸铜镀液中进行电铸操作。镀液的配方为：硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）200g/L、硫酸（H₂SO₄）50g/L、氯化铜（CuCl₂·2H₂O）0.1g/L、WT-400低泡润湿剂1ml/L（电铸过程中每100A·h补充3ml）。镀液温度为15℃，阴极电流密度为1A/dm²，阳极采用含磷铜板（含磷量0.02%~0.1%，铜板外面套两层阳极袋）。待电铸铜层达到所需厚度时，关闭电源和传动装置，用水将电铸铜层表面残留的电铸液清洗干净。

④ 脱模：电铸完成以后，将铆钉3拔出，再将铝罩4连同它外面的电铸铜层一起取下，即可得到电铸铜-铝复合药型罩，见图4。

样品性能检测：根据GB/T 5270-85《金属基体上的金属覆盖层（电沉积层和化学沉积层）附着强度试验方法》对电铸铜层和铝层之间的结合力进行考察。结合药型罩的具体情况，分别采用热振试验和胶粘剂拉伸剥离试验两种方法来测试结合力。首先用线切割方法从药型罩上分别截取尺寸为10mm×10mm的两个试样，进行结合力测试，如图5所示。然后将一个试样放在小坩埚中，并在其上铺一定厚度的氧化铝粉以防止氧化。加热至220℃，保温1h，之后放入室温水中骤冷，热振试验检查结果电铸铜层没有脱落；再将另一试样利用胶粘剂将它和夹头一起组装成拉伸试样，如图6所示。待胶粘剂固化24h后，在拉力试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为2mm/min。在拉伸过程中，当电铸铜层与铝层分离时，记录此时的拉力值F，通过公式P=F/S即可计算出电铸铜层与铝层之间的结合力。公式中，S为电铸铜层与铝层之间的结合面积，P为电铸铜层与铝层之间的结合力。胶粘剂拉伸剥离试验得到的应力-距离曲线如图7a所示，电铸铜层与铝层之间的结合力约为25MPa。试验结果表明，该复合药型罩的结合力良好，能够满足后续机加工的要求。

具体实施例2

所用电铸芯模与具体实施例1相同。

利用电铸芯模制备铝铁合金药型罩的具体步骤：

① 铝罩4的电铸前处理：先后进行除油、酸洗、浸锌和化学镀镍四个步骤。

除油：将铝罩4浸泡在85℃的除油液中， 3分钟后取出，然后用水将表面残留的除油液清洗干净。除油液的配方为：碳酸钠（Na₂CO₃）30g/L、磷酸钠（Na₃PO₄）30g/L、氢氧化钠（NaOH）2g/L、OP乳化剂1ml/L。

酸洗：将除油后的铝罩4浸泡在常温的酸洗液中，5秒后取出，然后用水将表面残留的酸洗液清洗干净。酸洗液：浓硫酸与浓硝酸按照1:1的比例混合配置。

浸锌：将经过除油和酸洗的铝罩4浸泡在常温的浸锌液中进行第一次浸锌，30秒后取出。水洗后，浸泡在体积分数为50%的硝酸溶液中将锌层退去，然后再浸泡在常温的浸锌液中30秒进行第二次浸锌，最后用水将表面残留的浸锌液清洗干净。两次浸锌所使用的浸锌液是有区别的，第一次浸锌液的配方为：氧化锌（ZnO）100g/L、氢氧化钠（NaOH）500g/L、三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）2g/L、酒石酸钾钠（KNaC₄H₄O₆·4H₂O）10g/L；第二次浸锌液的配方为：氧化锌（ZnO）20g/L、氢氧化钠（NaOH）120g/L、三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）2g/L、酒石酸钾钠（KNaC₄H₄O₆·4H₂O）10g/L、硝酸钠（NaNO₃）1g/L。

化学镀镍：将经过浸锌的铝罩4浸泡在常温的化学镀镍液中，2小时后取出，然后用水将表面残留的化学镀镍液清洗干净。化学镀镍液的配方为：氯化镍（NiCl₂·6H₂O）22g/L、次磷酸钠（NaH₂PO₂·H₂O）25g/L、焦磷酸钠（Na₄P₂O₇·10H₂O）50g/L、氨水18ml/L。化学镀镍完成后，铝罩4的电铸前处理结束。

② 电铸芯模的组装：首先将内模1置于所述铝罩4中，之后将固定环2放入铝罩4内转动，使其周围的固定孔5与铝罩4上的定位孔6一一对应，再将所述铆钉3插入锁紧；

③ 电铸：将电铸芯模放在酸性硫酸铜镀液中进行电铸操作。镀液的配方为：硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）220g/L、硫酸（H₂SO₄）60g/L、氯化铜（CuCl₂·2H₂O）0.3g/L、WT-400低泡润湿剂1ml/L（电铸过程中每100A·h补充3ml）。镀液温度为30℃，阴极电流密度为3A/dm²，阳极采用含磷铜板（含磷量0.02%~0.1%，铜板外面套两层阳极袋）。待电铸铜层达到所需厚度时，关闭电源和传动装置，用水将电铸铜层表面残留的电铸液清洗干净。

④ 脱模：电铸完成以后，将铆钉3拔出，再将铝罩4连同它外面的电铸铜层一起取下，即可得到电铸铜-铝复合药型罩，见图4。

样品性能检测：在药型罩上切取试样，并进行热振试验和胶粘剂拉伸剥离试验来考察结合力。经过热振试验，电铸铜层和铝层没有分离；胶粘剂拉伸剥离试验得到的应力-距离曲线如图7b所示，电铸铜层与铝层之间的结合力约为28MPa。试验结果表明，该药型罩的结合力良好，能够满足后续机加工的要求。

具体实施例3

所用电铸芯模与具体实施例1相同。

利用电铸芯模制备铝铁合金药型罩的具体步骤：

① 铝罩4的电铸前处理：先后进行除油、酸洗、浸锌和化学镀镍四个步骤。

除油：将铝罩4浸泡在80℃的除油液中， 3分钟后取出，然后用水将表面残留的除油液清洗干净。除油液的配方为：碳酸钠（Na₂CO₃）35g/L、磷酸钠（Na₃PO₄）35g/L、氢氧化钠（NaOH）3g/L、OP乳化剂1.5ml/L。

酸洗：将除油后的铝罩4浸泡在常温的酸洗液中，5秒后取出，然后用水将表面残留的酸洗液清洗干净。酸洗液：浓硫酸与浓硝酸按照1:1的比例混合配置。

浸锌：将经过除油和酸洗的铝罩4浸泡在常温的浸锌液中进行第一次浸锌， 35秒后取出。水洗后，浸泡在体积分数为50%的硝酸溶液中将锌层退去，然后再浸泡在常温的浸锌液中35秒进行第二次浸锌，最后用水将表面残留的浸锌液清洗干净。两次浸锌所使用的浸锌液是有区别的，第一次浸锌液的配方为：氧化锌（ZnO）110g/L、氢氧化钠（NaOH）550g/L、三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）3g/L、酒石酸钾钠（KNaC₄H₄O₆·4H₂O）11g/L；第二次浸锌液的配方为：氧化锌（ZnO）30g/L、氢氧化钠（NaOH）130g/L、三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）3g/L、酒石酸钾钠（KNaC₄H₄O₆·4H₂O）11g/L、硝酸钠（NaNO₃）1.5g/L。

化学镀镍：将经过浸锌的铝罩4浸泡在常温的化学镀镍液中，2小时后取出，然后用水将表面残留的化学镀镍液清洗干净。化学镀镍液的配方为：氯化镍（NiCl₂·6H₂O）23g/L、次磷酸钠（NaH₂PO₂·H₂O）26g/L、焦磷酸钠（Na₄P₂O₇·10H₂O）55g/L、氨水20ml/L。化学镀镍完成后，铝罩4的电铸前处理结束。

② 电铸芯模的组装：先将内模1置于所述铝罩4中，之后将固定环2放入铝罩4内转动，使其周围的固定孔5与铝罩4上的定位孔6一一对应，再将所述铆钉3插入锁紧；

③ 电铸：将电铸芯模放在酸性硫酸铜镀液中进行电铸操作。镀液的配方为：硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）250g/L、硫酸（H₂SO₄）80g/L、氯化铜（CuCl₂·2H₂O）0.5g/L、WT-400低泡润湿剂1ml/L（电铸过程中每100A·h补充3ml）。镀液温度为40℃，阴极电流密度为4A/dm²，阳极采用含磷铜板（含磷量0.02%~0.1%，铜板外面套两层阳极袋）。待电铸铜层达到所需厚度时，关闭电源和传动装置，用水将电铸铜层表面残留的电铸液清洗干净。

④ 脱模：电铸完成以后，将铆钉3拔出，再将铝罩4连同它外面的电铸铜层一起取下，即可得到电铸铜-铝复合药型罩，见图4。

样品性能检测：在药型罩上切取试样后，进行热振试验和胶粘剂拉伸剥离试验。经过热振试验，电铸铜层和铝层没有分离；胶粘剂拉伸剥离试验得到的应力-距离曲线如图7c所示，电铸铜层与铝层之间的结合力约为26MPa。试验结果表明，该药型罩的结合力良好，能够满足后续机加工的要求。

参考文献

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