坦克裝甲鋼板橫向裂紋成因及冶金缺陷本質(zhì)

宋衛(wèi)星，武婧婧

(西部戰(zhàn)區(qū)陸軍裝備部綜合計(jì)劃處，甘肅 蘭州 730000)

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坦克裝甲鋼板橫向裂紋成因及冶金缺陷本質(zhì)

宋衛(wèi)星，武婧婧

(西部戰(zhàn)區(qū)陸軍裝備部綜合計(jì)劃處，甘肅 蘭州 730000)

高錳鋼是一種具有強(qiáng)大抗沖擊磨損功能的耐磨鋼，由于其生產(chǎn)成本低廉，工藝簡(jiǎn)單，擁有優(yōu)良的力學(xué)性能被廣泛采用制作坦克裝甲鋼板。但是技術(shù)的提升依然無(wú)法完全克服高錳鋼材料容易產(chǎn)生裂紋的特性。分析了高錳鋼材料鑄件橫向裂紋缺陷產(chǎn)生的原因，并對(duì)相關(guān)工藝進(jìn)行了闡述。

坦克裝甲；高錳鋼；裂紋成因；冶金缺陷

高錳鋼是一種合金鋼，其中錳的含量超過(guò)了10%，具有較好的抗沖擊磨損性能，因此成為制造坦克裝甲的重要材料之一。然而，高錳鋼材料鑄件的橫向裂紋問題，一直是困擾相關(guān)生產(chǎn)的重要課題。

1 高錳鋼的成分和性能

高錳鋼作為專為重工業(yè)提供使用的一種防磨鋼材，具有硬度高、塑性強(qiáng)、韌性高等良好的力學(xué)性能。自19世紀(jì)80年代誕生以來(lái)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，尤其是在坦克裝甲方面的運(yùn)用，將高錳鋼的抗沖擊、耐磨損的性能發(fā)揮到了極致。高錳鋼的化學(xué)成分為11%～15%的錳，0.95%～1.55%的碳，0.4%～1.0%的硅，小于0.05%的硫和小于0.1%的磷。這些化學(xué)成分對(duì)于高錳鋼的性能形成具有非常重要的影響。在高錳鋼的化學(xué)成分中，碳對(duì)單相奧氏體組織的形成起到了非常重要的促進(jìn)作用，能提高高錳鋼的耐磨性，保證其具有較高的力學(xué)性能。錳的加入，對(duì)鋼的組織由珠光體型向馬氏體型的轉(zhuǎn)變并最終形成更具韌性的奧氏體型起到?jīng)Q定作用，是穩(wěn)定奧氏體的主要原色。在高錳鋼中，錳碳比非常重要，可以避免高錳鋼在冷卻時(shí)的珠光體轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化鋼體的性能。硅則具有輔助高錳鋼脫硫的作用。而高錳鋼中的少量磷成分，正是導(dǎo)致相關(guān)鑄件增加開裂傾向的重要有害化學(xué)成分，在高錳鋼的生產(chǎn)過(guò)程中，是重點(diǎn)要降低含量的化學(xué)成分[1]。

由于高錳鋼優(yōu)良的特性，市場(chǎng)對(duì)其的需求量不斷攀升，也促進(jìn)了對(duì)錳礦的開發(fā)利用。中國(guó)的錳礦資源比較豐富，主要以低品位錳礦為主。但是受礦床規(guī)模、資源賦存等條件制約，在錳礦的開發(fā)利用方面存在礦區(qū)分散、規(guī)模小的問題。較大規(guī)模的錳礦開采主要集中在秀山、零陵、松桃、花垣、大新、靖西等地。目前，我國(guó)大約90%的錳礦產(chǎn)量用于鋼鐵工業(yè)，但由于我國(guó)的錳礦原礦品位過(guò)低，無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)的需求，因而還需要大量進(jìn)口來(lái)維持正常的生產(chǎn)。

2 高錳鋼加工硬化機(jī)理

1) 位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制

高錳鋼中所含的大量錳原子通過(guò)向鐵原子的置換，可以使其層錯(cuò)能顯著降低，從而實(shí)現(xiàn)更好的形變，增高位錯(cuò)密度，形成高錳鋼的堆垛層錯(cuò)和形變亞結(jié)構(gòu)，達(dá)到加工硬化的目的。

2) 形變孿晶機(jī)制

對(duì)高錳鋼進(jìn)行拉伸可以使硬化區(qū)出現(xiàn)層狀孿晶，這樣可以使硬度提升到HV460。而通過(guò)重錘錘擊，高錳鋼中也可出現(xiàn)層狀孿晶和位錯(cuò)纏結(jié)，使硬度提升到HV500。爆炸硬化的手段也可使高錳鋼形成硬化區(qū)的復(fù)合孿晶，使高錳鋼呈現(xiàn)出硬度提高、硬化層加厚的特性[2]。

3) 形變馬氏體機(jī)制

溫度是形成高錳鋼形成馬氏體的主要原因。通過(guò)對(duì)合金的快速冷卻至Ms點(diǎn)，即可獲得馬氏體，而在Ms點(diǎn)以下至更低的Md點(diǎn)之間，由于應(yīng)力作用，可形成高錳鋼的形變馬氏體。一般情況下，Ms點(diǎn)為低于200℃的溫度。當(dāng)Mn量為12%時(shí)，Ms點(diǎn)則為-230℃以下。如果把高錳鋼中的碳量降至0.8%，在形變?chǔ)?θ馬氏體的產(chǎn)生會(huì)發(fā)生在-196℃時(shí)，而調(diào)整錳的含量至4%，則在室溫中即可出現(xiàn)形變?chǔ)?δ馬氏體。常規(guī)成分的高錳鋼經(jīng)過(guò)固溶后，經(jīng)50%的變形量形變就可以硬度得到較大提高，當(dāng)變值量增至35%時(shí)，可發(fā)現(xiàn)約1.4%的少量δ馬氏體[3]。

3 高錳鋼鑄件裂紋缺陷分析

高錳鋼坦克裝甲鋼板橫向裂紋成因是多方面的，主要有以下幾種情況。

1) 化學(xué)成分和組織的影響

碳含量的多少，對(duì)于高錳鋼中鋼的屈服點(diǎn)具有重要作用。提高碳含量，會(huì)導(dǎo)致鋼延伸性的降低，如果控制不得當(dāng)，還會(huì)導(dǎo)致碳化物析出，進(jìn)一步造成對(duì)鋼的韌性和延伸性的降低，從面加大產(chǎn)生裂紋的幾率。同時(shí)，高錳鋼中磷的含量也會(huì)對(duì)材料延伸性造成不良影響，產(chǎn)生鑄件熱裂紋。

2) 鑄造工藝的影響

高錳鋼的鑄造工藝雖然簡(jiǎn)單，但是相關(guān)工藝的鑄件結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、澆筑溫度等問題如果處理不得當(dāng)，會(huì)直接導(dǎo)致高錳鋼裂紋缺陷的產(chǎn)生。因此，提高鑄造工藝是保證高錳鋼鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵。

3) 熱處理的影響

高錳鋼的生產(chǎn)，如果沒有進(jìn)行熱處理，或在熱處理的過(guò)程中沒有很好的控制相關(guān)條件，則會(huì)增強(qiáng)高錳鋼的脆性，進(jìn)而造成裂紋的出現(xiàn)。同時(shí)清理切割工藝的不到位也是造成鑄件裂紋產(chǎn)生幾率提升的重要原因[4]。

4 高錳鋼生產(chǎn)中的一些問題處理

1) 合理控制高錳鋼化學(xué)成分

碳、錳、磷、硅等是形成高錳鋼的主要化學(xué)成分，隨著相關(guān)研究的不斷發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)高錳鋼強(qiáng)度、硬度等相關(guān)性能的提升，目前已開始在高錳鋼生產(chǎn)中加入了一些合金成分。雖然合金成分的增加能提高高錳鋼的一些性能，然而對(duì)于控制裂紋的產(chǎn)生并沒有特別好的作用。想要在保證高錳鋼的延伸性和韌性的前提下避免裂紋的產(chǎn)生，最好的辦法依然是實(shí)現(xiàn)對(duì)高錳鋼中碳含量的中下限控制和錳含量中上限控制，從而盡量減少因碳化物的析出而產(chǎn)生裂紋。同時(shí)，前面已經(jīng)提到磷含量對(duì)高錳鋼裂紋產(chǎn)生的顯著影響，因此對(duì)于磷含量的控制也應(yīng)得到充分重視。將磷的含量控制0.06%以內(nèi)，可以在避免降低鋼的延伸性的同時(shí)控制熱裂紋的產(chǎn)生。對(duì)于相關(guān)化學(xué)成分的控制是控制高錳鋼裂紋產(chǎn)生的前提，在進(jìn)行相關(guān)工作時(shí)，還要注意保證材料的硬度、強(qiáng)度、韌性等重要性能，兩者兼顧才能實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的提高。

2) 提升冶煉技術(shù)

在冶煉的階段，首先應(yīng)精選爐料，尤其是冶煉的電爐為感應(yīng)電爐時(shí)，這個(gè)工作更為重要。由于錳鐵中磷的含量較高，而磷含量的增加會(huì)直接影響高錳鋼產(chǎn)生裂紋的幾率，因此，要選含磷低的錳鐵合金。在冶煉時(shí)，為減少燒損量應(yīng)后加入錳鐵。鐵合金要先經(jīng)過(guò)烘烤才可加入電爐進(jìn)行冶煉。出鋼前，可以采用澆注后直接水韌處理的12 mm×20 mm×300 mm試棒以冷彎的角度對(duì)鋼水質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)[5]。

高錳鋼的碳量較高，由此造成了其本身導(dǎo)熱性低及結(jié)晶速度較快的特性，而這些特性會(huì)導(dǎo)致在高錳鋼結(jié)構(gòu)中形成粗大的結(jié)晶組織，尤其是傳熱有方向性時(shí)，會(huì)在高錳鋼結(jié)構(gòu)中形成柱狀晶，而這些柱狀晶中必然存在疏松問題和夾雜物，這樣就會(huì)對(duì)高錳鋼的性能產(chǎn)生影響。即使是通過(guò)熱處理，依然很難改變標(biāo)準(zhǔn)高錳鋼鑄態(tài)的晶粒大小。而國(guó)家建材部的相關(guān)規(guī)定要求高錳鋼鑄件晶粒度不粗于2級(jí)，一些要求較嚴(yán)的文件還提出了壁厚不大于20 mm的鑄件不允許出現(xiàn)有柱狀晶、大于20 mm的鑄件其斷面兩邊柱狀晶厚度之和應(yīng)不超過(guò)該斷面厚度五分之二的合格要求。

3) 優(yōu)化鑄造工藝

在減少碳化物析出量方面，要合理控制澆注溫度，以1 450～1 470℃之間為好，且要保證澆注一次性完成。除了控制澆注溫度，對(duì)厚大件要放置外冷件，以避免因溫差過(guò)大在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力而形成裂紋缺陷，同時(shí)還可以提高鑄件的致密度，減少縮孔、疏松問題的出現(xiàn)。內(nèi)冷鐵則不需這樣處理。高錳鋼體收縮大，由于工藝的進(jìn)步，可以保證不出現(xiàn)縮孔，僅表現(xiàn)為不影響鑄件使用的軸線疏松形式，這也是高錳鋼的性能優(yōu)勢(shì)所在。因此對(duì)于厚度小于25 mm的鑄件，無(wú)需設(shè)置冒口；當(dāng)厚度超過(guò)50 mm時(shí)，則必須設(shè)置冒口，以保證對(duì)鑄件裂紋的控制。高錳鋼鑄件的毛坯在進(jìn)行水韌處理之前，一般處于脆性狀態(tài)，如果不做相關(guān)處理，極易對(duì)鑄件澆筑后的收縮性造成影響，從而導(dǎo)致鑄件裂紋缺陷的產(chǎn)生，因此需要將鋸末、泡沫等物質(zhì)加入芯中，保證砂芯的退讓性。

4) 熱處理和切割清理

針對(duì)未進(jìn)行熱處理或熱處理不當(dāng)而產(chǎn)生的高錳鋼鑄件裂紋，生產(chǎn)時(shí)間證明固溶溫度應(yīng)控制在1 070℃左右。在進(jìn)行固溶處理時(shí)，應(yīng)采用慢加熱，溫度控制在650℃左右，防止裂紋的產(chǎn)生。由于高錳鋼的導(dǎo)熱性較差，鑄件澆注后保溫時(shí)間太短，冷卻速度快，往往使鑄件在收縮應(yīng)力增加而導(dǎo)致高錳鋼鑄件裂紋的產(chǎn)生，對(duì)此應(yīng)盡可能在砂型內(nèi)緩慢冷卻，使保溫時(shí)間得到延長(zhǎng)，并使熱影響區(qū)溫差控制在最小范圍內(nèi)，澆冒口和毛刺切割采用水池內(nèi)淬水切割，進(jìn)而防止裂紋產(chǎn)生。此外，在補(bǔ)焊前不要預(yù)熱，經(jīng)水韌熱處理后，方可進(jìn)行焊補(bǔ)。在去除裂紋缺陷時(shí)，應(yīng)采用風(fēng)鏟和砂輪，焊補(bǔ)的工藝方法應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)工藝來(lái)執(zhí)行[5]。

5 高錳鋼生產(chǎn)工藝的發(fā)展

1) 精煉

為了提高鋼水質(zhì)量，爐外精煉工藝被愈來(lái)愈廣泛應(yīng)用，從20世紀(jì)80年代起，在高錳鋼生產(chǎn)上也得到使用，精煉后，夾雜物減少，分布改善，使強(qiáng)度提高，可由657 MPa提高到834 MPa，耐磨性也能提高30%。

2) 懸浮澆注

澆注溫度對(duì)高錳鋼性能的影響很大，生產(chǎn)廠家往往爐子容量大，澆注時(shí)間長(zhǎng)，控溫較難，雖然采取各樣的措施，仍不能避免晶粒粗大的弊病。人們研究在澆注時(shí)，隨鋼水連續(xù)加入2%～3%(尺寸為0.15～0.3 m)鐵粉或錳鐵粉與鐵粉的混合物，它起內(nèi)冷鐵作用和增加結(jié)晶核心，改善高錳鋼性能還使耐磨性提高30%～50%，但要注意加入后使鋼水流動(dòng)性降低。

3) 表面合金化

為了既提高耐磨性又節(jié)約合金元素，采用表面加入合金的方法可以達(dá)到目的，具體措施是在鑄型表面刷含合金涂料，撒錳鐵粉或是貼上合金鑄鐵片，鋼水澆入后熔化與熔接這些材料，提高了鑄件表面性能，現(xiàn)在還有用含鉻焊條在高錳鋼上進(jìn)行堆焊，以提高耐磨性。

6 結(jié) 語(yǔ)

目前，雖然相關(guān)技術(shù)和工藝的提升，高錳鋼的橫向裂紋問題已得到了一定的控制，然而完會(huì)杜絕這類問題的發(fā)生不太可能。同時(shí)，隨著相關(guān)研發(fā)人員對(duì)裝甲材料的不斷開發(fā)，坦克裝甲鋼板的材料己不僅局限于高錳鋼這一種材料。

[1] 杜金山, 龍鵬飛. 坦克裝甲鋼板橫向裂紋成因及冶金缺陷本質(zhì)研究[C]//中國(guó)兵工學(xué)會(huì)金屬材料學(xué)會(huì)兵器產(chǎn)品失效分析交流會(huì),江蘇：[出版者不詳]，1985.

[2] 程玉蘭. 消防坦克功能介紹[C]//第八屆科博會(huì)中國(guó)能源戰(zhàn)略高層論壇論文集, 北京：[出版者不詳]，2005.

[3] 陳威, 高一翔, 朱磊, 等. ZrO2涂層在坦克局部隔熱隱身中的應(yīng)用研究[J]. 熱加工工藝, 2013, 42(16): 140-143.

[4] 陳永. 坦克裝甲車輛的動(dòng)用期和戰(zhàn)傷評(píng)估研究[D]. 南京: 東南大學(xué), 2014.

[5] 高原, 姚凱. 軍用車輛裝甲防護(hù)材料與技術(shù)發(fā)展的研究[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2015, 28(2): 10-12.

The Crack of Tank Armor Plate Transverse and Metallurgical Defects

SONG Weixing, WU Jingjing

(TheWesternTheaterArmyEquipmentDepartmentinIpo,Lanzhou,Gansu730000,China)

High manganese steel is a kind of wear-resistant steel strong impact wear function, The mechanical properties in low production cost, simple process and excellent quality and performance of high manganese steel have been greatly improved. Therefore, it is widely used to manufacture the tank armor plate. But the characteristics of promotion of technology is still unable to completely overcome the crack of high manganese steel materials. This paper analyzes the causes of defects of high manganese steel casting transverse crack, and also the related technology is discussed.

Tank armor; High manganese steel; Crack formation; Metallurgical defects

2016-10-11

宋衛(wèi)星(1982-)，男，河北人，工程師，研究方向：軍事裝備學(xué)，手機(jī)：13919913705,E-mail:swx1120@sohu.com.

TG115.27

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.025