自潤滑彈頭殼用鋼摩擦行為研究

胡春東， 董瀚， 趙洪山， 向多倫， 王俊紅， 李峻松

(1.上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200444； 2.重慶長江電工工業(yè)集團有限公司， 重慶 401336；3.中國兵器工業(yè)第208研究所， 北京 102202)

0 引言

身管壽命偏低是長期以來制約我國槍械性能提高的瓶頸。為解決槍管壽命與系統(tǒng)壽命不匹配的問題，一般采用備份身管的方式交付部隊使用，嚴重地影響了我國武器的機動性能，給后勤保障也帶來很大難度。

身管服役時，由于彈頭殼材質(zhì)的不同，身管壽命也不同，由此可知彈頭殼材質(zhì)對身管壽命有重要影響。彈頭殼材質(zhì)采用Cu時，內(nèi)膛表面磨損小，身管壽命高，但容易出現(xiàn)熱散熱偏等問題；而彈頭殼材質(zhì)采用低碳鋼或超低碳鋼時，內(nèi)膛表面磨損大，身管壽命低，但能解決熱散熱偏等問題。目前常用的F11彈頭殼用鋼，服役時對內(nèi)膛表面損傷嚴重，造成身管壽命低，而H90銅彈頭殼服役時，雖然身管壽命高，但是掛銅、熱散熱偏等問題嚴重。因此，急需開發(fā)一種減小身管內(nèi)膛磨損的彈頭殼用鋼。

槍械常以火藥燃氣為能量并利用管壁發(fā)射彈頭。服役時熱、化學(xué)和力三者共同作用于身管內(nèi)膛，導(dǎo)致內(nèi)膛直徑不斷增大，直至失效[1-5]。彈頭受到擠壓和推進力作用，與身管內(nèi)膛表面(一般是Cr層)產(chǎn)生摩擦。這種摩擦磨損是造成身管失效的重要因素[1-3, 6]。而通過減小彈頭與Cr層的摩擦系數(shù)，可提高身管壽命[7-8]。

常用減小鋼被甲彈頭與內(nèi)膛摩擦系數(shù)的方法有在彈頭上涂潤滑劑(如MoS2、WS2和六方氮化硼(HBN))，或在彈頭上覆蓋一層較軟的材料(如銅)。但這些材料因為覆蓋層較薄，起到的潤滑作用有限，有時甚至產(chǎn)生副作用，如身管掛銅會造成射擊精度下降等問題。鋼基體本身也可通過添加一些易切削元素，如S、P、Pb等元素，改善其摩擦性能[9-10]。S添加到鋼中形成的硫化物因具有密排六方結(jié)構(gòu)，易沿密排面滑移，塑性流變能力強，呈鱗片狀，具有優(yōu)良的潤滑性能，是一種優(yōu)良的固體潤滑劑[11-12]。Pb在鋼中完全不溶，以細小的質(zhì)點分布于鋼中，使切削易斷，同時起潤滑作用。但S和Pb添加至鋼中易造成一些副作用。因為S和Pb易造成凝固裂紋和顯微裂紋，使得奧氏體不銹鋼難以熔焊[13]。S易于在晶界偏析，導(dǎo)致塑性差。因此，在要求高深沖性能的彈頭殼用鋼中，S和Pb常被作為雜質(zhì)元素，盡量降低S和Pb含量。本文通過在超低碳鋼中添加S和Pb自潤滑元素，采用銷盤摩擦方式模擬彈頭與線膛的摩擦行為，研究彈頭殼用鋼減磨技術(shù)，用以指導(dǎo)新型彈頭殼用鋼的開發(fā)。

1 試驗材料及方法

摩擦磨損試驗采用銷盤式滑動磨損方式，試驗溫度分別為室溫和700 ℃高溫。采用6種不同材質(zhì)的銷，用以模擬彈頭殼，兩種溫度銷試樣尺寸相同。

本文通過銷硬度和潤滑性能的兩種變化方式來對比研究減磨效果。不同材質(zhì)銷的主要元素和硬度如表1所示。通過退火工藝變化，得到4種硬度Fe-A鋼和2種硬度Fe-C鋼。銷自潤滑性能的改變主要通過S和Pb加入Fe-D鋼中獲得。為了對比鋼質(zhì)銷與Cr層對磨效果，采用兩種Cu合金作為銷材質(zhì)。

表1 不同材質(zhì)銷的主要元素和硬度

在鋼表面電鍍了約30 μm厚的Cr層，作為對磨盤，用以模擬身管內(nèi)膛表面。在室溫和700 ℃高溫下對磨盤試樣尺寸分別為φ46 mm×5 mm和36 mm×12 mm×5 mm.

室溫摩擦磨損試驗在濟南唯品試驗機有限公司生產(chǎn)的MM-W1A立式萬能摩擦磨損試驗機上進行，轉(zhuǎn)速為500 r/min，三銷壓力為21 N，平均單銷壓力為7 N，運行時間為30 min. 高溫摩擦磨損試驗在德國布魯克公司生產(chǎn)的Bruker UMT-3機上進行，試驗溫度為700 ℃，壓力為7 N，頻率為10 Hz，運行時間為2 min.

不同材質(zhì)銷制樣腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察其組織形貌。采用掃描電子顯微鏡觀察摩擦后銷的摩擦面。采用德國布魯克公司生產(chǎn)的Bruker Contour GTK光學(xué)輪廓儀測量室溫和700 ℃高溫下摩擦盤刻痕深度；采用瑞士梅特勒- 托利多公司生產(chǎn)的MS-TS電子天平稱量磨損前后的銷試樣質(zhì)量損失。

2 試驗結(jié)果

2.1 銷的組織形貌

銷試驗用材狀態(tài)均為退火態(tài)，其組織形貌如圖1所示。由圖1可知：Fe-A組織為鐵素體，晶粒較為粗大，而且大小不均勻，平均晶粒尺寸為61.2 μm；Fe-B組織亦為鐵素體，其中黑色小點為滲碳體，晶粒也較為粗大，平均晶粒尺寸為48.5 μm；Cu-A為退火孿晶組織，晶粒直徑約為22.6 μm；Fe-D組織為鐵素體，晶粒較為細小，約為8.2 μm，其組織內(nèi)有大量夾雜，用能譜半定量分析可知夾雜物成分主要為硫化錳(硫化錳夾雜形貌如圖2所示)。按照國家標準GB/T 10561—2005非金屬夾雜評級標準評級，A類細系大于3級，D類細系0.5級。

2.2 室溫摩擦

不同材質(zhì)銷的摩擦系數(shù)如圖3所示。由圖3(a)可知，F(xiàn)e-A的4種硬度分別為161HV0.2、175HV0.2、185HV0.2和191HV0.2，其對應(yīng)的平行段摩擦系數(shù)分別為0.76、0.73、0.71和0.73. 兩種硬度的Fe-C共做4組摩擦試驗，其與Cr層的摩擦系數(shù)如圖3(b)所示。從圖3(b)中可以看出，硬度為227HV0.2的兩種摩擦系數(shù)分別為0.68和0.69，硬度為212HV0.2的兩個試樣摩擦系數(shù)均為0.67. 6種不同材質(zhì)銷與Cr層的摩擦系數(shù)如圖3(c)所示。從圖3(d)中可以看出，Cu-A、Cu-B和Fe-D摩擦系數(shù)較低，其值分別為0.49、0.51和0.55，而Fe-A (191HV0.2)、Fe-B和Fe-C(227HV0.2)的摩擦系數(shù)相對較高。除Cu基材料外，F(xiàn)e基的幾種材料硬度與摩擦系數(shù)的關(guān)系如圖3(d)所示，圖3(d)中顯示Fe-A和Fe-C的硬度和摩擦系數(shù)大致呈線性關(guān)系，且摩擦系數(shù)隨硬度的增加而輕微下降。Fe-D的摩擦系數(shù)較小，不在擬合直線上，這是因為Fe-D有不同的潤滑機制。

不同硬度材質(zhì)銷的磨損量如圖4所示。由圖4可知，銅質(zhì)銷Cu-A的磨損量最大，約308 mg，Cu-B的磨損量約為86 mg. 鋼質(zhì)銷磨損量最小的是Fe-D約1 mg，最大的是Fe-C (227HV0.2)約243 mg. 由此可見，鋼質(zhì)銷硬度和磨損量并非呈線性關(guān)系。

使用Bruker Contour GTK光學(xué)輪廓儀對盤的刻痕深度進行測量，圖5為Fe-A(191HV0.2)、Fe-B、Cu-A和Fe-D試樣摩擦后在盤上的刻痕形貌及深度。從圖5可以看出：Fe-A和Fe-B銷摩擦后，在盤上留下的刻痕較深，二者深度約為1 μm；而Cu-A和Fe-D在盤上幾乎沒有留下摩擦痕跡。由此可知，F(xiàn)e-A和Fe-B對Cr層的磨損較大，Cu-A和Fe-D對Cr層的磨損較小。

Fe-A (191HV0.2) 摩擦后，盤的摩擦面元素分布如圖6(a)所示，摩擦面元素含有的元素有Cr、Fe和O，而劃痕邊部有較少的Fe元素。由此可知，F(xiàn)e-A與Cr摩擦?xí)r，F(xiàn)e-A的Fe元素被磨損，殘留在盤的表面，表明Fe-A與Cr層對磨時，其本身受到損傷。與Fe-A不同，F(xiàn)e-D未在摩擦面上殘留有Fe元素(見圖6(b))，表明Fe-D與Cr層對磨時，F(xiàn)e-D損傷較小。綜上所述可知，F(xiàn)e-A與Cr之間是黏著磨損，而Fe-C中由于固體潤滑的存在，磨損機制發(fā)生變化，不再是黏著磨損。這一結(jié)論與磨損量的結(jié)果一致，F(xiàn)e-D的磨損量是幾種材料中最小的，殘留在盤面上的Fe元素較少；而Cu-A與Cr層摩擦后，盤面幾乎沒有劃痕，Cu-A銷的磨損量是最大的。由此可知，Cu與Cr對磨時，Cu易于磨損。

2.3 高溫摩擦

高溫摩擦系數(shù)如圖7所示。由圖7可知，F(xiàn)e-A (161 HV0.2)、Fe-B及Cu-A的高溫摩擦系數(shù)平穩(wěn)段在0.30～0.35范圍內(nèi)，而Fe-D約為0.23. Fe-D相比其他幾種材料，摩擦系數(shù)降低23%～34%. 與室溫摩擦系數(shù)相比較，室溫摩擦系中Cu基和Fe-D摩擦系數(shù)相當，低于其他試驗鋼。而高溫時，F(xiàn)e-D平穩(wěn)段的摩擦系數(shù)最低，Cu-A和其他試驗鋼的摩擦系數(shù)相當。

高溫摩擦后，F(xiàn)e-A (191 HV0.2)、Fe-D和Cu-A銷摩擦面形貌如圖8所示。圖8中，顏色較深的區(qū)域為銷試樣表面凸起部分，淺色區(qū)域為深色掉落區(qū)域。每種材料均出現(xiàn)了深色區(qū)，其中Fe-A (191 HV0.2)深色區(qū)較多，幾乎占據(jù)了全部摩擦面，Cu-A只有局部有深色區(qū)，F(xiàn)e-D也有較多的深色區(qū)。深色區(qū)域放大形貌如圖8(b)、圖8 (d)、圖8 (f)所示，從中可以看出：Fe-A和Fe-D均有顆粒存在，不同的是Fe-A顆粒小，F(xiàn)e-D顆粒大；Cu-A的形貌與鋼基不同，呈流動狀，未出現(xiàn)顆粒。

圖9是高溫摩擦后，盤與Fe-A、Cu-A和Fe-D對磨后的摩擦形貌及刻痕深度。由圖9可見：Fe-A對磨盤刻痕較深，最深至約7 μm；Cu-A對磨盤刻痕則與Fe-A對磨盤刻痕不同，磨痕處呈凸起狀，這可能是因為700 ℃高溫時Cu變軟，Cu與Cr對磨時，較軟的Cu附著在較硬的Cr上。此現(xiàn)象與銅被甲造成身管內(nèi)膛掛銅現(xiàn)象類似。這是因為高溫使得接觸面表層金屬軟化，發(fā)生塑性流動，接觸點發(fā)生黏合，同時銷和盤表面彼此連續(xù)不斷的滑動，引起接觸點的剪切和新的接觸點的形成，進而黏合、撕脫、再黏合、再撕脫的過程循環(huán)。結(jié)合高溫環(huán)境下Cu-A銷試樣流動狀形貌(見圖8(d))，可推知Cu-A與Cr是黏著磨損。Fe-D的對磨盤則顯示了幾乎沒有刻痕。由此可知，自潤滑元素的添加能顯著減輕對磨盤的磨損。

3 討論

3.1 摩擦系數(shù)對損傷的影響

彈頭與Cr層是一對摩擦副，減小二者的摩擦系數(shù)可提高身管壽命[7-8]。自潤滑彈頭殼用鋼的設(shè)計依據(jù)就是減少鋼與Cr層的摩擦系數(shù)，以減少身管內(nèi)膛表面磨損。

從摩擦系數(shù)看，室溫下Cu-A、Cu-B和Fe-D有相對較低的摩擦系數(shù)(見圖3(c))，分別為0.49、0.51和0.55，其他幾種材質(zhì)的摩擦系數(shù)在0.7上下浮動。Fe-D鋼的室溫摩擦系數(shù)相比其他幾種鐵基材料降低約25%，700 ℃高溫下摩擦系數(shù)降低23%～34%. 高溫下摩擦情況與室溫摩擦相比較，有兩點不同：1)室溫摩擦系中Cu基和Fe-D摩擦系數(shù)相當，低于其他試驗鋼；高溫時，F(xiàn)e-D平穩(wěn)段的摩擦系數(shù)最低，Cu-A和其他試驗鋼的摩擦系數(shù)相當；2)室溫摩擦?xí)r，銷在圓盤上旋轉(zhuǎn)，運行時間為30 min，運行時銷的速率是恒定不變的；高溫時，銷在盤上進行往復(fù)運動，運行時間為2 min，運行時銷的速率是周期變化的。從磨損情況看，Cu-A和Fe-D對Cr表面的磨損最小，對磨后表面無明顯損傷。以上兩點也證明了通過減小摩擦系數(shù)降低磨損的方案是可行的。

3.2 硬度對摩擦系數(shù)的影響

彈頭殼加工工藝要求其用材具有良好的深沖性能，此項要求限制了其不能有高的硬度。

室溫(見圖3)和高溫(見圖7)的摩擦試驗結(jié)果顯示，在低硬度范圍(試驗Fe基材硬度范圍是161～227HV0.2)內(nèi)，除Fe-D外，室溫摩擦系數(shù)隨硬度增加緩慢降低(約11%)，700 ℃高溫時摩擦系數(shù)幾乎沒有變化。Fe-D的摩擦系數(shù)低是因為固體潤滑劑的存在。Fe-A的硬度范圍是161～191HV0.2，其平衡段摩擦系數(shù)平均值約為0.73，F(xiàn)e-C兩個硬度的摩擦系數(shù)平均值約為0.68，稍低于Fe-A. 說明通過改變硬度以減小摩擦系數(shù)的方式效果不明顯。

3.3 自潤滑機制探討

Fe-D的室溫和高溫摩擦系數(shù)均較低，高溫摩擦系數(shù)甚至低于Cu基摩擦系數(shù)。作為被甲彈頭殼材料，鋼比銅有優(yōu)勢。這是因為，首先鋼比較廉價，其次鋼彈頭殼能解決熱散熱偏等問題。

Pb添加至鋼中可改善摩擦性能。Fe-D摩擦表面有兩種不同形貌(見圖10)：一種形貌呈暗色，表面較為光滑；另一種形貌則是呈亮色，表面粗糙。兩種區(qū)域的元素含量有所不同，能譜儀(EDS)能譜顯示暗色區(qū)域含有19.13%O、18.36%Cr和62.51%Fe，而亮色區(qū)域含有14.22%O、20.74%Cr、57.04%Fe和7.99%Pb. 二者的不同是前者不含Pb，而后者含有較高的Pb含量(高于基體)。亮色區(qū)域占整個摩擦面面積的約50%，而Fe-A、Fe-B和Fe-C的摩擦面均呈暗色，可推知含有Pb的亮色粗糙區(qū)域有利于降低摩擦系數(shù)。Pb在Fe基體中一般以單質(zhì)形式存在，Pb的熔點為327 ℃，Cu的熔點為1 083 ℃，故在700 ℃高溫下，熔融狀態(tài)的Pb可作為潤滑劑，降低摩擦。這可能是因為Fe-D高溫摩擦系數(shù)低于Cu基材。Pb由于具有低的剪切強度而成為一種良好的邊界潤滑劑，能持久或在初期跑合階段起到有效地減小摩擦作用[14-15]。純Pb的摩擦系數(shù)大約為0.05～0.07，可見在鐵基中添加Pb 可起到減小摩擦作用。Pb在鋼中完全不熔，以細小的極細質(zhì)點分布于鋼中，使切削易斷，同時起潤滑作用，改善了鋼的切削性能。

S與鋼基體中一些元素形成的硫化物也可改善摩擦性能。MnS破壞了金屬基體的連續(xù)性，使切削抗力降低，切屑易于碎斷，在易切削鋼中S的質(zhì)量分數(shù)可達0.08%～0.30%. 高硫合金鋼作為一種新型自潤滑材料，經(jīng)過特殊方法，在鋼中加入比常規(guī)鋼高出數(shù)十倍甚至上百倍的元素硫。含有大量硫化物的鋼具有優(yōu)良的自潤滑和耐磨性能。FeS因具有密排六方結(jié)構(gòu)，易沿密排面滑移，塑性流變能力強，呈鱗片狀，具有優(yōu)良的潤滑性能，是一種優(yōu)良的固體潤滑劑[11]。鋼表面由于形成 FeS 涂層而能夠顯著減輕工件間的摩擦, 提高其耐磨性和抗黏著性, 延長零件的使用壽命[12]。含有大量 FeS 的合金鋼具有耐高溫、自潤滑、耐磨損、抗黏結(jié)(咬合)的優(yōu)良性能。

另外，考慮到彈頭殼用鋼需具有良好的深沖性能，因此基體組織設(shè)計為超低碳鋼，超低碳鐵素體是深沖性能的重要保證。自潤滑彈頭殼組織示意圖如圖11所示(鐵素體基體上均勻分布固體潤滑劑)。

4 結(jié)論

為了減輕身管內(nèi)膛磨損，提高身管壽命，本文研究了常用彈頭殼用材料和自潤滑彈頭殼用鋼對磨Cr層的摩擦行為。得出以下主要結(jié)論：

1)彈頭殼用鋼在低硬度范圍內(nèi)(161～227HV0.2)，隨硬度的增加，室溫下摩擦系數(shù)緩慢降低(約11%)，700 ℃高溫下摩擦系數(shù)則變化不大，說明通過改變硬度以減小摩擦系數(shù)的方式效果不明顯。

2)在鐵基體(223HV0.2)中添加S和Pb，可形成固體潤滑劑硫化物和Pb，室溫下摩擦系數(shù)可降低約25%，700 ℃高溫下摩擦系數(shù)可降低23%～34%，有效減輕了Cr層磨損。

致謝中國兵器工業(yè)第208研究所王光華研究員級高級工程師、喬自平博士等在射擊試驗上的幫助；重慶長江電工工業(yè)集團有限公司郭睦基高級工程師在試樣制備方面的幫助；四川華慶機械有限責任公司杜金虎工程師在Cr層制備上的幫助；上海大學(xué)韋習(xí)成教授、吳曉春教授在摩擦試驗上的幫助。