王偉杰,鄭添春,伍思榮,徐小官

(宜春先鋒軍工機(jī)械有限公司,江西 宜春 336000)

1 研究背景

導(dǎo)帶是彈丸重要組成部分,彈丸發(fā)射過(guò)程中,在發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體推動(dòng)下彈丸導(dǎo)帶嵌入炮管膛線中沿膛線運(yùn)動(dòng)[1],使彈丸做直線和旋轉(zhuǎn)復(fù)合加速運(yùn)動(dòng),出炮口后高速旋轉(zhuǎn)的彈丸有利于飛行穩(wěn)定性;彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)帶也起密閉火藥氣體的作用。旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的小口徑炮彈通常采用紫銅導(dǎo)帶,隨著小口徑高炮武器系統(tǒng)向高射速、高射頻、高膛壓和高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展[2],相對(duì)而言,熔點(diǎn)較低(1083 ℃)的紫銅導(dǎo)帶不能夠承受彈丸進(jìn)入炮管膛線時(shí)由于高速擠壓、強(qiáng)力摩擦產(chǎn)生的高溫,炮管膛線可將紫銅導(dǎo)帶陽(yáng)線削平,失去帶動(dòng)彈丸旋轉(zhuǎn)的作用。因此,國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的小口徑炮彈采用熔點(diǎn)高達(dá)1535 ℃及延伸率和抗拉強(qiáng)度優(yōu)于紫銅的純鐵導(dǎo)帶。

導(dǎo)帶毛坯原材料為導(dǎo)帶用無(wú)縫鋼管S08A。導(dǎo)帶毛坯由數(shù)控車床按照?qǐng)D紙要求加工而成,之后進(jìn)行脫碳生成純鐵導(dǎo)帶毛坯。純鐵導(dǎo)帶毛坯經(jīng)過(guò)彈體壓帶、車帶成為裝配彈體的純鐵導(dǎo)帶。彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)帶與炮管膛線直接接觸,若導(dǎo)帶硬度過(guò)高,則加快膛線磨損,縮短火炮身管壽命[3]。因此對(duì)影響純鐵導(dǎo)帶毛坯硬度的因素進(jìn)行分析,并通過(guò)改進(jìn)脫碳工藝,使導(dǎo)帶毛坯硬度達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求,保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性,對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有很重要的價(jià)值。

2 純鐵導(dǎo)帶毛坯技術(shù)指標(biāo)

檢測(cè)某小口徑炮彈彈丸的紫銅導(dǎo)帶硬度為82～130 HV10;對(duì)國(guó)外類似口徑炮彈彈丸的純鐵導(dǎo)帶進(jìn)行硬度檢測(cè),其硬度為102～138 HV10。退火狀態(tài)下低碳鋼的含碳量與硬度有直接相關(guān)性,含碳量越高的鋼件,其硬度值越大。由于裝配彈體的壓帶、車帶過(guò)程分別是沖床加工擠壓、數(shù)控車床加工切削的過(guò)程,此過(guò)程產(chǎn)生的加工硬化會(huì)使導(dǎo)帶硬度有較大的提升,因此脫碳后的純鐵導(dǎo)帶毛坯硬度應(yīng)處于較低范圍。為保證壓帶、車帶后裝配彈體純鐵導(dǎo)帶的硬度與同口徑炮彈紫銅導(dǎo)帶硬度相近,并處于國(guó)外同口徑類似炮彈純鐵導(dǎo)帶硬度值范圍內(nèi),收集了國(guó)外小口徑炮彈純鐵導(dǎo)帶毛坯的相關(guān)技術(shù)資料,以及借鑒國(guó)外研究純鐵導(dǎo)帶毛坯的成功經(jīng)驗(yàn),確定了某型小口徑炮彈用純鐵導(dǎo)帶毛坯技術(shù)指標(biāo)為：含碳量≤0.01%,硬度≤83 HV10。

3 研究分析過(guò)程與方法

實(shí)際脫碳熱處理生產(chǎn)時(shí),導(dǎo)帶毛坯以工藝要求的裝爐數(shù)量分別均勻平鋪到料盤各層,然后將料盤放入井式氣體脫碳爐內(nèi)。工藝試爐時(shí),各層擺放一定數(shù)量由45鋼加工的類似外形尺寸的鋼環(huán),然后第一層、中間層和最后一層各放4個(gè)無(wú)縫鋼管S08A導(dǎo)帶毛坯。由于45鋼含碳量(0.45%)近似為無(wú)縫鋼管S08A含碳量(0.08%)的6倍,因此裝爐數(shù)量定為工藝要求的1/6。

保溫時(shí)間是脫碳工藝的重要參數(shù),時(shí)間過(guò)短,會(huì)使導(dǎo)帶毛坯的含碳量超過(guò)0.01%;時(shí)間過(guò)長(zhǎng),雖然減小了含碳量,但會(huì)降低生產(chǎn)效率,增加生產(chǎn)成本。在能夠保證含碳量≤0.008%、硬度≤83 HV10時(shí),不宜延長(zhǎng)保溫時(shí)間,以減小含碳量的方式使產(chǎn)品硬度遠(yuǎn)小于技術(shù)指標(biāo)上限要求。

在前期微型脫碳試驗(yàn)爐試制基礎(chǔ)上,初定脫碳?xì)夥樟髁?、保溫溫度、保溫時(shí)間、冷卻方法等工藝參數(shù),并驗(yàn)證了脫碳可行性。利用生產(chǎn)用井式氣體脫碳爐進(jìn)行工藝摸底試驗(yàn),根據(jù)試爐產(chǎn)品檢測(cè)分析結(jié)果,優(yōu)化調(diào)整工藝參數(shù),確定了脫碳?xì)夥樟髁?、保溫溫度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)范圍。

由于夏天和冬天的工房溫度差異比較大,很可能造成爐膛冷卻速度有差異,而低碳鋼冷卻速度與硬度有很大的關(guān)系,產(chǎn)品冷卻速度越快,其硬度越大[4-5];爐膛內(nèi)緩慢冷卻的降溫方式,可以保證材料內(nèi)部殘留的能量較少且分布相對(duì)均勻[6]。通過(guò)試爐,獲得外界溫度對(duì)冷卻速度以及冷卻速度對(duì)純鐵導(dǎo)帶毛坯硬度的影響數(shù)據(jù)。此外不同批次原材料的主要化學(xué)成分有差異,需要通過(guò)試爐驗(yàn)證脫碳工藝能否使純鐵導(dǎo)帶毛坯技術(shù)指標(biāo)滿足要求。若試樣硬度檢測(cè)和含碳量分析結(jié)果滿足要求,則按照現(xiàn)行工藝正式生產(chǎn);若不滿足要求,需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況調(diào)整脫碳工藝,使產(chǎn)品滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

采用井式氣體脫碳爐進(jìn)行脫碳熱處理,出爐后從第1層、中間層和底層各取2件試樣,試樣編號(hào)依次為1#～6#,使用維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè);剩余6件試樣依次編號(hào)為7#～12#,使用高頻紅外碳硫分析儀測(cè)定含碳量。

4 硬度影響因素分析

4.1 冷卻速度對(duì)硬度影響分析

采用Ⅰ批原材料加工的導(dǎo)帶毛坯,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。分別在夏天(30 ℃左右)和冬天(8 ℃左右)進(jìn)行脫碳熱處理,工藝曲線如圖1所示。起始位置至A點(diǎn)為升溫階段,AB段為保溫階段,BC段為第一次隨爐冷卻階段,CD段為第一次爐膛風(fēng)冷階段,DE段為第二次隨爐冷卻階段,EF段為第二次爐膛風(fēng)冷階段。第二次爐膛風(fēng)冷至規(guī)定時(shí)間后結(jié)束脫碳,產(chǎn)品出爐,抽取試樣進(jìn)行檢測(cè)分析。

表1 Ⅰ批原材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)Table 1 Chemical composition of batch I raw materials(mass fraction,%)

圖1 脫碳熱處理A工藝曲線Fig.1 Decarburization heat treatment process A curve

從爐膛外表面溫度記錄儀中導(dǎo)出時(shí)間-溫度數(shù)據(jù),擬合的第一次隨爐冷卻階段的時(shí)間-溫度曲線,如圖2所示,曲線1、2分別為夏天、冬天時(shí)爐膛溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖2可知,第一次隨爐冷卻階段,冬天時(shí)爐膛冷卻速度比夏天時(shí)較快,說(shuō)明環(huán)境溫度對(duì)爐膛冷卻有一定影響。

圖2 時(shí)間-溫度曲線Fig.2 Time-temperature curves

試樣的維氏硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2,含碳量分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表2、3可知,在不同環(huán)境溫度條件下進(jìn)行脫碳熱處理,雖然冷卻速度有差異,但試樣的硬度、含碳量變化量不大,因此相差較大的工房溫度引起的冷卻速度變化對(duì)硬度影響不明顯。表3中含碳量分析結(jié)果說(shuō)明,純鐵導(dǎo)帶毛坯脫碳后已成為超低碳鋼。文獻(xiàn)[7]表明,冷卻速度對(duì)超低碳鋼實(shí)際晶粒度無(wú)顯著影響,超低碳鋼件硬度對(duì)冷卻速度不敏感,硬度不會(huì)發(fā)生顯著變化。實(shí)際生產(chǎn)中將第一次爐膛風(fēng)冷階段的起始溫度提高100 ℃,通過(guò)冷風(fēng)機(jī)提前工作加快爐膛冷卻速度,而脫碳后試樣的硬度檢測(cè)結(jié)果與之前相比基本無(wú)變化。因此,脫碳工藝可以適當(dāng)提高冷卻速度,提高生產(chǎn)效率。

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果(HV10)Table 2 Hardness testing results(HV10)

表3 含碳量分析結(jié)果(‰)Table 3 Carbon content analysis results(‰)

4.2 原材料中磷含量對(duì)硬度影響分析

采用脫碳熱處理工藝A對(duì) Ⅱ 批原材料加工的導(dǎo)帶毛坯進(jìn)行脫碳熱處理試爐,其化學(xué)成分見(jiàn)表4。同時(shí)在上、中、下三層各放2件 Ⅰ 批原材料加工的導(dǎo)帶毛坯,作為硬度對(duì)比試樣。出爐后抽取試樣進(jìn)行檢測(cè)分析,硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5,含碳量分析結(jié)果見(jiàn)表6。

表4 Ⅱ批原材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表5 硬度檢測(cè)結(jié)果(HV10)Table 5 Hardness testing results(HV10)

表6 含碳量分析結(jié)果(‰)Table 6 carbon content analysis results(‰)

由表5可知,由Ⅱ批原材料加工的導(dǎo)帶毛坯經(jīng)脫碳熱處理后硬度明顯高于Ⅰ批原材料的,其中1#和6#試樣的硬度大于83 HV10。由表6可知,試樣的含碳量均明顯小于0.01%,與表3相比,含碳量差異不大,說(shuō)明含碳量不是造成純鐵導(dǎo)帶毛坯硬度高的主要影響因素。對(duì)比表1和表4可以看出,兩種原材料的磷含量相差較大,其余元素成分相近,其中Ⅱ批原材料的磷含量是純鐵導(dǎo)帶毛坯含碳量的3～6倍。磷的固溶強(qiáng)化作用非常明顯,而固溶強(qiáng)化可以使鋼的硬度顯著提高[8],因此純鐵導(dǎo)帶毛坯的硬度高與Ⅱ批原材料的磷含量偏高有關(guān)。磷為脆性雜質(zhì),隨著鋼中磷含量增加,材料的韌性降低;而在磷含量相同的條件下,晶粒細(xì)化可以提高材料的韌性[8]。由于一定的保溫溫度、保溫時(shí)間和熱處理循環(huán)次數(shù)可以使晶粒細(xì)化[9],為降低純鐵導(dǎo)帶毛坯的硬度,細(xì)化晶粒提高其韌性,對(duì)已完成一次脫碳熱處量的Ⅱ批原材料加工的導(dǎo)帶毛坯再次進(jìn)行熱處理,同時(shí)將6件已完成硬度檢測(cè)的純鐵導(dǎo)帶毛坯進(jìn)行標(biāo)記,放入上、中、下層各2件。

熱處理B工藝如圖3所示,AB段為保溫階段,保溫溫度為950 ℃,保溫時(shí)間1 h;BC段為第一次隨爐冷卻階段,時(shí)間為6～7 h;CD段為第一次爐膛風(fēng)冷階段,時(shí)間為20～30 min;DE段為第二次隨爐冷卻階段,時(shí)間為2～2.5 h;EF段為第二次爐膛風(fēng)冷階段,時(shí)間為1～1.5 h;FG段為第三次隨爐冷卻階段,時(shí)間為1～1.5 h;GH段為第三次爐膛風(fēng)冷階段時(shí)間為1～1.5 h。

圖3 熱處理B工藝Fig.3 Heat treatment process B

6件標(biāo)記的純鐵導(dǎo)帶毛坯第二次硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。對(duì)比表7與表5可知,熱處理后純鐵導(dǎo)帶毛坯的硬度明顯降低,均小于83 HV10,滿足指標(biāo)要求。說(shuō)明該熱處理工藝可以減弱原材料中磷含量偏高對(duì)硬度產(chǎn)生的不利影響,改善純鐵導(dǎo)帶毛坯的性能,為改進(jìn)導(dǎo)帶毛坯脫碳工藝提供依據(jù)。

表7 熱處理后硬度檢測(cè)結(jié)果(HV10)Table 7 hardness testing results after heat treatment(HV10)

4.3 工藝改進(jìn)后驗(yàn)證性試爐

在熱處理A工藝和B工藝基礎(chǔ)上改進(jìn)脫碳熱處理工藝,改進(jìn)后工藝流程為：根據(jù)A工藝要求升溫、保溫,A工藝第一次隨爐冷卻結(jié)束后,按照B工藝要求升溫、保溫和冷卻,改進(jìn)后工藝如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后工藝示意圖Fig.4 Schematic diagram after process improvement

圖4中,起始位置至A點(diǎn)為升溫階段,AB段為保溫階段,BC段為第一次隨爐冷卻階段,CD段為升溫階段,DE段為保溫階段,EF段為第二次隨爐冷卻階段,FG段為第一次爐膛風(fēng)冷階段,GH段為第三次隨爐冷卻階段,HI段為第二次爐膛風(fēng)冷階段,IJ段為第四次隨爐冷卻階段,JK為第三次爐膛風(fēng)冷階段。

按照改進(jìn)后的工藝,對(duì)Ⅱ批原材料加工的導(dǎo)帶毛坯進(jìn)行試爐。由于決定脫碳效果的工藝參數(shù)保持不變,根據(jù)之前試爐結(jié)果,本次試爐不分析樣件含碳量,只檢測(cè)樣件硬度。樣件硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 工藝改進(jìn)后硬度檢測(cè)結(jié)果(HV10)Table 8 Hardness testing results after process improvement

表8中6件試樣的硬度均小于83 HV10,與表5中純鐵導(dǎo)帶毛坯的硬度相比,有明顯降低。說(shuō)明改進(jìn)后的脫碳熱處理工藝適用于Ⅱ批原材料加工的導(dǎo)帶毛坯,經(jīng)脫碳熱處理后產(chǎn)品硬度滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

1)環(huán)境溫度差異引起的冷卻速度的變化對(duì)純鐵導(dǎo)帶毛坯硬度的影響較小,因此生產(chǎn)中可以適當(dāng)提高脫碳熱處理的冷卻速度,以提高脫碳效率、節(jié)約生產(chǎn)成本。

2)磷元素含量0.015%的Ⅱ批原材料加工的導(dǎo)帶毛坯,經(jīng)脫碳熱處理后,其硬度偏高,含碳量滿足要求;經(jīng)過(guò)重新加熱至950 ℃保溫1 h,再按工藝要求降溫后,硬度明顯降低,均≤83 HV10。

3)要提高原材料入廠驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),避免因主要元素含量偏高而改進(jìn)脫碳工藝,影響正常生產(chǎn);此外在導(dǎo)帶毛坯脫碳熱處理生產(chǎn)中,不同批次原材料加工的導(dǎo)帶毛坯應(yīng)先進(jìn)行試爐,根據(jù)試爐結(jié)果選用最優(yōu)工藝進(jìn)行脫碳熱處理,避免生產(chǎn)出不合格的產(chǎn)品。