提高火炮零件耐磨性技術(shù)研究

蔡 浩

（武警杭州士官學校 軍械系,杭州 310023）

火炮零部件失效的主要原因是零部件表面的過度磨損。如果火炮零部件的耐磨性比較差，非常容易造成精度下降，這樣不但會導(dǎo)致材料消耗，而且會影響火炮的使用壽命和可靠性，在修復(fù)過程中，還會花費大量的人力和物力。隨著科技不斷進步和軍事變革的需要，大大提高了對火炮可靠性的要求，一般來講，火炮零部件的耐磨性很大程度決定了其可靠性。因此，提高火炮零部件的耐磨性和對其磨損進行控制已成為火炮設(shè)計生產(chǎn)的一個十分重要的問題。

1 國內(nèi)火炮零件磨損現(xiàn)狀

火炮在射擊過程中，在高溫高壓高速的條件下，零件磨損非常普遍，特別是身管的磨損，對火炮的可靠性具有很大的影響。

一般來講，火炮身管磨損產(chǎn)生的因素主要有以下三點。一是火藥氣體的熱燒蝕。在影響火炮身管內(nèi)膛燒蝕磨損的諸多因素中，熱起著主導(dǎo)和控制作用。內(nèi)膛溫度升高，機械強度將急劇下降，從而使內(nèi)膛燒蝕磨損量增大。二是火藥氣體的化學燒蝕?；鹋诎l(fā)射時會產(chǎn)生高溫、高壓的火藥氣體，使炮管內(nèi)膛產(chǎn)生一系列化學反應(yīng)，這將進一步加劇火炮身管內(nèi)膛的燒蝕磨損。三是炮管的機械磨損。除了火藥氣體的熱燒蝕和化學燒蝕，彈丸高速運動產(chǎn)生的機械磨損也是火炮身管磨損的主要因素。

火炮其他零件的磨損狀況與一般工程機械的零件磨損是類似的，由于動靜載荷與摩擦的存在，零件與零件的接觸面存在不同程度的磨損，相對運動大，摩擦比較劇烈的零部件磨損尤為嚴重。

2 深冷處理技術(shù)的原理和工藝

深冷處理是通過改變金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來改善材料力學性能和加工性能的一種工藝方法。深冷處理是相對于熱處理來說的，一般來說，將0～-100℃的冷處理定義為普通冷處理，將冷卻溫度低于-130℃的冷處理稱為深冷處理。深冷處理主要是通過冷卻介質(zhì)降低材料的溫度，是目前最新的強韌化處理工藝之一，冷卻介質(zhì)常用液氮。

2.1 殘余奧氏體的產(chǎn)生與危害

鋼件在進行淬火處理時，奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，從而使鋼的硬度和強度明顯提高。鋼在淬火冷卻時，溫度降低到一定值時，奧氏體才開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這個溫度我們稱之為馬氏體開始轉(zhuǎn)變點，用Ms來表示。溫度繼續(xù)降低到一定值時，奧氏體完全轉(zhuǎn)化為馬氏體，這個溫度我們稱之為馬氏體終止轉(zhuǎn)變點，用Mf來表示。馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(Ms)和終止轉(zhuǎn)變點(Mf)很大程度上受到鋼的含碳量影響，鋼的含碳量越高，馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(Ms)和終止轉(zhuǎn)變點（Mf)都會降低，對于大多數(shù)鋼來說，淬火冷卻到室溫（20℃）時奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體不會完成，使部分奧氏體保留下來，即殘余奧氏體。當鋼中含碳量達到1.0%～1.4%時，淬冷到室溫的殘余奧氏體會多達20%～40%。

殘余奧氏體對鋼件的危害很大。殘余奧氏體硬度較低，如大量存在會明顯降低鋼件的硬度；同時，還會由于鋼件使用過程中發(fā)生微量馬氏體轉(zhuǎn)變導(dǎo)致零件尺寸的變化。

2.2 深冷處理的原理

深冷處理可以有效提高材料的耐磨性，主要有三個原因。第一，深冷處理可以使材料內(nèi)部的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而提高材料的硬度。第二，深冷處理可以使馬氏體內(nèi)析出彌散碳化物，從而提高材料的強韌性。第三，彌散碳化物的析出降低了馬氏體的含碳量，從而使材料的塑性得到了改善。在以上三個因素的綜合作用下，使深冷處理后的材料耐磨性大大提高。

2.3 深冷處理的工藝

深冷處理采用的制冷劑多為液氮。使用液氮作為制冷劑的原因主要是它的制冷溫度可以達到-196℃，同時經(jīng)濟、無污染。目前用液氮為制冷劑進行深冷處理的方式主要有液體法和氣體法兩種。用液體法進行處理時液氮與工件直接接觸，可控性不強，因此很少使用，這里主要介紹氣體法。氣體法主要利用液氮的汽化潛熱或低溫氮氣制冷，在處理工件時使氮氣經(jīng)噴管噴出后在深冷箱中汽化，通過控制處理過程中氮氣的輸入量可以有效的控制降溫速率，從而實現(xiàn)深冷處理溫度的精確控制，并且在處理時沒有熱沖擊作用，因此在研究中被廣泛采用。

對于黑色金屬的深冷處理工藝一般采用深冷急熱法和冷熱循環(huán)處理法。兩種方法均可降低材料的內(nèi)應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性，減少加工變形，提高強度和韌性，改善力學性能。一般來說，冷熱循環(huán)處理法的效果要好于深冷急熱法。

3 基于深冷處理技術(shù)提高火炮零部件耐磨性技術(shù)研究

前面主要研究了深冷處理的由來、原理和工藝，那么深冷處理對火炮零部件耐磨性影響是怎么樣的呢，我們來共同研究一下。

3.1 深冷處理提高火炮零部件耐磨性技術(shù)研究

目前深冷處理研究領(lǐng)域中，鋼是最常見的研究對象，特別是對工具鋼的研究。通過研究和報道，一般認為深冷處理可以很大程度的提高材料的耐磨性。火炮零件的材料，炮鋼也是鋼的一種，因此，深冷處理技術(shù)應(yīng)用于火炮零件耐磨性的提高從理論上是可行的，至于其作用如何，我們通過一個實驗來進行探究。

實驗的總體思路是：取炮鋼樣件五個，分別編號0-5號，對0-5號樣件分別進行相同溫度、不同次數(shù)的深冷-回火處理，0-5號處理次數(shù)分別為0、1、2、3、4、5次，然后測量樣件的硬度，通過對比，來研究深冷處理對火炮零件的作用。

硬度測量進行顯微硬度測量和布氏硬度測量。顯微硬度測量是在顯微硬度計上進行的，顯微硬度計用較小的力就可以測出工件的硬度值，在測量的同時還可以觀察工件金相，對不同的位置測量出不同的硬度值，提高了測量的準確性。通過硬度測量，實驗數(shù)據(jù)，顯微硬度三次測量結(jié)果平均值（HV）由0號到5號工件分別為360.0、540.5、553.8、608.8、667.9、736.0；布氏硬度測量值（HB）分別為37.8、52.6、55.2、58.9、63.5、75.2。

通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，炮鋼在進行深冷處理后，硬度明顯高于未處理工件，且深冷-回火處理次數(shù)越多，硬度越高。此外，經(jīng)過深冷處理的工件硬度顯著提高，是未處理工件的1.5到2倍。

實驗表明，深冷處理可以有效的增強炮鋼的硬度，同時在深冷處理過程中，由于金相組織的改變，炮鋼的強韌性和塑性也有所提高，綜合起來就使炮鋼的耐磨性提高。由此可見，深冷處理可以提高炮鋼的使用壽命。

3.2 火炮零部件深冷處理時的注意事項

由實驗結(jié)論可以得出，火炮零部件是可以通過深冷處理來提高耐磨性進而提高壽命的。如對火炮零部件深冷處理還需要注意以下幾點，僅供參考。

3.2.1 火炮零件淬火后應(yīng)立即施行深冷處理

由于在炮鋼的淬火冷卻過程中間停留有奧氏體穩(wěn)定化效應(yīng)，為了使炮鋼在淬冷到室溫，然后繼續(xù)冷卻時有更多的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，淬火后應(yīng)立即施行深冷處理。

3.2.2 低溫保持只需冷透即可，不必太長時間

殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的量只取決于冷卻達到的溫度，因為殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體在低溫冷卻的瞬間即完成。所以低溫保持時間只需使工件從外到里冷透，不必在低溫保持太長的時間。

3.2.3 深冷處理后會產(chǎn)生應(yīng)力，需回火處理

由于炮鋼淬火后施行冷處理會導(dǎo)致殘余應(yīng)力增大，處理不當工件會開裂，故深冷處理后必須立即進行低溫回火。這樣也保證了炮鋼的力學性能達到要求。

3.2.4 為保證零件尺寸，需循環(huán)處理

為了減輕奧氏體穩(wěn)定化效應(yīng)，一般零件淬火后須先冷處理，然后再施行160～175℃的低溫回火。但對于火炮零件，為使其奧氏體和尺寸穩(wěn)定，經(jīng)常先回火再冷處理或回火+冷處理多次循環(huán)。

3.2.5 深冷處理時要用紙張包裹

為了減少火炮零件的應(yīng)力和畸變，減少淬火到室溫的殘留奧氏體量，其淬火加熱溫度應(yīng)盡可能低，深冷處理時將鋼件緩慢冷卻到0℃以下，為此在冷處理前火炮零件最好用紙張包裹。

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