純鐵導(dǎo)帶毛坯硬度影響因素的脫碳工藝研究

王偉杰,鄭添春,伍思榮,徐小官

(宜春先鋒軍工機械有限公司,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)射過程中,在發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體推動下彈丸導(dǎo)帶嵌入炮管膛線中沿膛線運動[1],使彈丸做直線和旋轉(zhuǎn)復(fù)合加速運動,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)運動時導(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],相對而言,熔點較低(1083 ℃)的紫銅導(dǎo)帶不能夠承受彈丸進入炮管膛線時由于高速擠壓、強力摩擦產(chǎn)生的高溫,炮管膛線可將紫銅導(dǎo)帶陽線削平,失去帶動彈丸旋轉(zhuǎn)的作用。因此,國內(nèi)外越來越多的小口徑炮彈采用熔點高達1535 ℃及延伸率和抗拉強度優(yōu)于紫銅的純鐵導(dǎo)帶。

導(dǎo)帶毛坯原材料為導(dǎo)帶用無縫鋼管S08A。導(dǎo)帶毛坯由數(shù)控車床按照圖紙要求加工而成,之后進行脫碳生成純鐵導(dǎo)帶毛坯。純鐵導(dǎo)帶毛坯經(jīng)過彈體壓帶、車帶成為裝配彈體的純鐵導(dǎo)帶。彈丸在膛內(nèi)運動時,導(dǎo)帶與炮管膛線直接接觸,若導(dǎo)帶硬度過高,則加快膛線磨損,縮短火炮身管壽命[3]。因此對影響純鐵導(dǎo)帶毛坯硬度的因素進行分析,并通過改進脫碳工藝,使導(dǎo)帶毛坯硬度達到技術(shù)指標(biāo)要求,保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性,對實際生產(chǎn)具有很重要的價值。

2 純鐵導(dǎo)帶毛坯技術(shù)指標(biāo)

檢測某小口徑炮彈彈丸的紫銅導(dǎo)帶硬度為82～130 HV10;對國外類似口徑炮彈彈丸的純鐵導(dǎo)帶進行硬度檢測,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、車帶過程分別是沖床加工擠壓、數(shù)控車床加工切削的過程,此過程產(chǎn)生的加工硬化會使導(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,并處于國外同口徑類似炮彈純鐵導(dǎo)帶硬度值范圍內(nèi),收集了國外小口徑炮彈純鐵導(dǎo)帶毛坯的相關(guān)技術(shù)資料,以及借鑒國外研究純鐵導(dǎo)帶毛坯的成功經(jīng)驗,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 研究分析過程與方法

實際脫碳熱處理生產(chǎn)時,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,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個無縫鋼管S08A導(dǎo)帶毛坯。由于45鋼含碳量(0.45%)近似為無縫鋼管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。

保溫時間是脫碳工藝的重要參數(shù),時間過短,會使導(dǎo)帶毛坯的含碳量超過0.01%;時間過長,雖然減小了含碳量,但會降低生產(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,不宜延長保溫時間,以減小含碳量的方式使產(chǎn)品硬度遠小于技術(shù)指標(biāo)上限要求。

在前期微型脫碳試驗爐試制基礎(chǔ)上,初定脫碳氣氛流量、保溫溫度、保溫時間、冷卻方法等工藝參數(shù),并驗證了脫碳可行性。利用生產(chǎn)用井式氣體脫碳爐進行工藝摸底試驗,根據(jù)試爐產(chǎn)品檢測分析結(jié)果,優(yōu)化調(diào)整工藝參數(shù),確定了脫碳氣氛流量、保溫溫度、保溫時間等工藝參數(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均勻[6]。通過試爐,獲得外界溫度對冷卻速度以及冷卻速度對純鐵導(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,需要通過試爐驗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,試樣編號依次為1#～6#,使用維氏硬度計進行硬度檢測;剩余6件試樣依次編號為7#～12#,使用高頻紅外碳硫分析儀測定含碳量。

4 硬度影響因素分析

4.1 冷卻速度對硬度影響分析

采用Ⅰ批原材料加工的導(dǎo)帶毛坯,其化學(xué)成分見表1。分別在夏天(30 ℃左右)和冬天(8 ℃左右)進行脫碳熱處理,工藝曲線如圖1所示。起始位置至A點為升溫階段,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)定時間后結(jié)束脫碳,產(chǎn)品出爐,抽取試樣進行檢測分析。

表1 Ⅰ批原材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(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)出時間-溫度數(shù)據(jù),擬合的第一次隨爐冷卻階段的時間-溫度曲線,如圖2所示,曲線1、2分別為夏天、冬天時爐膛溫度隨時間變化曲線。由圖2可知,第一次隨爐冷卻階段,冬天時爐膛冷卻速度比夏天時較快,說明環(huán)境溫度對爐膛冷卻有一定影響。

圖2 時間-溫度曲線Fig.2 Time-temperature curves

試樣的維氏硬度檢測結(jié)果見表2,含碳量分析結(jié)果見表3。由表2、3可知,在不同環(huán)境溫度條件下進行脫碳熱處理,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硬度影響不明顯。表3中含碳量分析結(jié)果說明,純鐵導(dǎo)帶毛坯脫碳后已成為超低碳鋼。文獻[7]表明,冷卻速度對超低碳鋼實際晶粒度無顯著影響,超低碳鋼件硬度對冷卻速度不敏感,硬度不會發(fā)生顯著變化。實際生產(chǎn)中將第一次爐膛風(fēng)冷階段的起始溫度提高100 ℃,通過冷風(fēng)機提前工作加快爐膛冷卻速度,而脫碳后試樣的硬度檢測結(jié)果與之前相比基本無變化。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 原材料中磷含量對硬度影響分析

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

表4 Ⅱ批原材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)

表5 硬度檢測結(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。磷的固溶強化作用非常明顯,而固溶強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,晶粒細化可以提高材料的韌性[8]。由于一定的保溫溫度、保溫時間和熱處理循環(huán)次數(shù)可以使晶粒細化[9],為降低純鐵導(dǎo)帶毛坯的硬度,細化晶粒提高其韌性,對已完成一次脫碳熱處量的Ⅱ批原材料加工的導(dǎo)帶毛坯再次進行熱處理,同時將6件已完成硬度檢測的純鐵導(dǎo)帶毛坯進行標(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 ℃,保溫時間1 h;BC段為第一次隨爐冷卻階段,時間為6～7 h;CD段為第一次爐膛風(fēng)冷階段,時間為20～30 min;DE段為第二次隨爐冷卻階段,時間為2～2.5 h;EF段為第二次爐膛風(fēng)冷階段,時間為1～1.5 h;FG段為第三次隨爐冷卻階段,時間為1～1.5 h;GH段為第三次爐膛風(fēng)冷階段時間為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結(jié)果見表7。對比表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。說明該熱處理工藝可以減弱原材料中磷含量偏高對硬度產(chǎn)生的不利影響,改善純鐵導(dǎo)帶毛坯的性能,為改進導(dǎo)帶毛坯脫碳工藝提供依據(jù)。

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

4.3 工藝改進后驗證性試爐

在熱處理A工藝和B工藝基礎(chǔ)上改進脫碳熱處理工藝,改進后工藝流程為：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,改進后工藝如圖4所示。

圖4 改進后工藝示意圖Fig.4 Schematic diagram after process improvement

圖4中,起始位置至A點為升溫階段,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。

按照改進后的工藝,對Ⅱ批原材料加工的導(dǎo)帶毛坯進行試爐。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,只檢測樣件硬度。樣件硬度檢測結(jié)果見表8。

表8 工藝改進后硬度檢測結(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。說明改進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收標(biāo)準(zhǔn),避免因主要元素含量偏高而改進脫碳工藝,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)先進行試爐,根據(jù)試爐結(jié)果選用最優(yōu)工藝進行脫碳熱處理,避免生產(chǎn)出不合格的產(chǎn)品。