CC BY
42
УДК 621.78.01
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ УПРОЧНЕНИЯ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 18ЮА
Г. А. Данилин, Е.В. Затеруха
Предлагается способ упрочнения малоуглеродистой конструкционной стали 18ЮА, применяемой при изготовлении гильз. Рекомендованы оптимальная схема и режимы обработки стали с целью повышения прочностных характеристик, требуемых при функционировании.
Ключевые слова: упрочнение, закалка, низкий отпуск, механические свойства.
В настоящее время ведутся активные исследования по снижению массы оружия и патронов (выстрелов) путем разработки конструкции облегченных, тонкостенных гильз. Очевидно, что решение этой проблемы имеет важное значение как с точки зрения уменьшения массы носимых боекомплектов в боевых условиях, облегчающего его использование, так и с точки зрения экономической за счет снижения расхода металла и технологической себестоимости изготовления гильз. Однако для обеспечения надежного функционирования гильз при выстреле должна решаться одновременно задача повышения прочностных свойств материала гильз либо путем введения в технологический процесс специальной термомеханической обработки, либо изменением химического состава материала, либо комбинации этих способов. Кроме того, применение тонкостенных, облегченных гильз за счет увеличения внутреннего объема может дать возможность повысить максимальное давление и начальную скорость пуль (снарядов).
Авторами рассматривается возможность обеспечения повышенных прочностных свойств артиллерийских гильз за счет применения стали 18ЮА взамен стали 11ЮА (в соответствии с авторским свидетельством кафедры Е4), применяемой в патронном производстве и обладающей хорошей штампуемостью.
Сталь 18ЮА отвечает основным требованиям, предъявляемым к материалам для изготовления цельноштампованных гильз:
- высокая пластичность при обработке штамповкой в холодном состоянии, обеспечивающая упругопластическую деформацию при выстреле без нарушения прочности;
- способность к деформационному упрочнению для получения необходимых свойств;
- высокая прочность, обеспечивающая надёжное функционирование гильзы при выстреле;
- неизменяемость механических свойств в процессе длительного хранения, стойкость против старения и самопроизвольного растрескивания;
- высокая антикоррозионная стойкость в процессе изготовления и последующего хранения;
- простота термической обработки в процессе производства и стойкость против воздействия высокой температуры при выстреле;
- химическая инертность по отношению к пороховому заряду;
- высокая технологичность, т.е. пригодность к холодной обработке давлением и механической обработке резанием;
- низкая стоимость и недефицитность.
Химический состав стали, применяемой для изготовления гильз, приведен в табл. 1 [1].
Таблица 1
Химический состав гильзовой стали, %
Марка материала Углерод Марганец Хром Никель Кремний Медь Сера Фосфор Алюминий
Сталь 18ЮА 0,16.0,22 0,25.0,50 0,20 0,20 0,13 0,20 0,03 0,025 0,02.0,07
Характерной особенностью технологии изготовления артиллерийских гильз является применение закалки полуфабриката (п - 2)-й вытяжки с высоким отпуском и двух вытяжных операций с низкотемпературным отжигом после каждой из них. Подобной обработкой заготовкигильзе можно придать предел прочности ов~850... 950 МПа.
В процессе закалки и низкого отпуска происходят фазовые превращения и переход перлита в троостит и троостосорбит, что приводит к значительному повышению прочности. В процессе деформации и окончательного низкотемпературного отпуска происходят изменения в тонкой структуре материала, увеличение количества дислокаций, что вызывает дальнейшее повышение прочности материала.
Задачей исследования является - выявление оптимальных режимов упрочнения стали 18ЮА (табл. 2).
Таблица 2
Механические характеристики стали 18ЮА [2]
Наименование механической характеристики Обозначение Числовое значение
Условный предел текучести, МПа 225
Временное сопротивление, МПа 400
Предельная до потери устойчивости деформация £1у 0,35
Предельная до разрушения деформация 1,59
Равномерное относительное удлинение, % 5р 32
Анализ литературных данных показал, что одним из эффективных способов упрочнения конструкционных сталей является применение следующей их обработки: деформация, закалка, низкий отпуск, повторная деформация, завершающий низкий отпуск. Главными отличиями этого способа от применяемой в настоящее время упрочняющей термомеханической обработки является то, что вместо высокого отпуска, почти целиком снимающего упрочнение закаленной стали, проводят низкий отпуск, а величина степени деформации на штамповочных операциях здесь значительно ниже ((е = 60...75 %), т.е. при этой обработке используется эффект упрочнения мартенсита закалки. Выявлено, что стали со структурой мартенсита склонны к интенсивному деформационному упрочнению, причем величина упрочнения зависит от степени деформации закаленного мартенсита. Низкий отпуск после пластической деформации закаленной и отпущенной стали приводит к дополнительному увеличению значений ее прочности. Причем степень упрочнения стали при этом способе определяется содержанием углерода и количеством легирующих элементов, следовательно, наибольшего упрочнения можно добиться из стали 18ЮА.
Таким образом, задача по получению гильз повышенной прочности сводится:
1) «к разработке оптимальных режимов упрочнения стали 18ЮА по схеме: деформация + закалка + низкий отпуск + повторная деформация + низкий отпуск»,
2) к определению технологических параметров упрочнения степени деформации на штамповочной операции, предшествующей закалке и следующей за ней, режимов отпуска.
Экспериментальное исследование заключалось в пластическом деформировании заготовки вытяжкой с утонением с различными степенями деформации, последующей закалке и низком отпуске, повторной пластической деформации (также вытяжкой с различными степенями деформации) и окончательном низком отпуске.
Вытяжка с утонением проводилась на прессе К-480, закалка - в бариевых соляных ваннах с охлаждением в воде, отпуск - в шахтных электропечах с охлаждением на воздухе. На каждом этапе проводилось определение механических свойств путем испытания кольцевых образцов на разрыв (табл. 3).
Режимы экспериментального исследования варьировались в следующих пределах: е = 0...50%; tзак = 900...1100 °С;tотп = 200...300 °С.
Анализируя результаты исследования, можно сделать следующие выводы.
1. Закалка с низким отпуском значительно повышает прочностные характеристики материала - оВ возрастает более чем в 2 раза по сравнению с исходным значение оВ0, в то время как закалка с высоким отпуском повышает характеристику о в лишь на 10... 20%.
2. Величина степени деформации на операции, предшествующей закалке с низким отпуском, существенно влияет на свойства закаленного металла. При закалке с высоким отпуском это влияние незначительно.
3. С повышением температуры закалки эффект упрочнения возрастает.
4. При температуре отпуска 300 °С наблюдается более высокая пластичность у металла с одной и той же схемой обработки, что и при 1отп=200 °С.
5. Повышение прочности стали до о в ^ 1000 МПа по указанной схеме обработки достигается при суммарной степени деформации на обеих штамповочных операциях вг£ не менее 60 %.
6. С увеличением степени деформации на штамповочной операции, предшествующей закалке, пластичность закаленного металла возраста-ет,т.е. при одной и той же суммарной степени деформации на двух штамповочных упрочняющих операциях большая величина деформации на первой штамповочной операции дает лучшее сочетание свойств металла (при высокой прочности о в ^ 1000 МПа достаточную пластичность -еу > 4%).
7. Рекомендуемыми оптимальной схемой и режимами упрочнения стали 18ЮА являются: деформация вц = 40...60%+ закалка 950. 1000 °С + отпуск 200...300 °С + деформация в2 = 10...25% + + отпуск 200...300 °С.
Таблица 3
Механические свойства стали 18ЮА при различных
№ Схема обработки Механические свойства
п/п о В, МПа е у ,%
1 в1 = 0 + зак.900 °С + отп.300 °С 740 20
2 в1 = 25 % + зак.900 °С + отп.300 °С 870 12
3 в1 = 25 % + зак.900 °С + отп.300 °С + в2 = 50% + отп.300 °С 960 8,5
4 в1 = 0 + зак.900 °С + отп.300 °С + в2 = 25% + отп.300 °С 840 15,0
5 в1 = 50% + зак.900 °С + отп.300 °С + в2 = 25% + отп.300 °С 1000 7,0
6 в1 = 50% + зак.950 °С + отп.200 °С + в2 = 15% + отп.200 °С 1170 4,5
7 в1 = 50% + зак.950 °С + отп.200 °С + в2 = 20% + отп.200 °С 1110 2,5
Окончание табл. 3
№ п/п Схема обработки Механические свойства
о В, МПа £ у,%
8 е1 = 0 + зак.1000 °С + отп.300 °С 800 12,0
9 е1 = 50% + зак.1000 °С + отп.300 °С 920 4,0
10 е1 = 50% + зак.1000 °С + отп.300 °С + е2 = 15% + отп.300 °С 1200 4,3
11 е1 = 50% + зак.1000 °С + отп.300 °С + е2 = 30% + отп.300 °С 1170 2,8
12 е1 = 50% + зак.1000 °С + отп.300 °С + е2 = 50% + отп.300 °С 1170 2,5
13 е1 = 15% + зак.1000 °С + отп.300 °С + е2 = 50% + отп.300 °С 1130 2,0
14 е1 = 0 + зак. 1100 °С + отп.300 °С 860 14,0
15 е1 = 25% + зак. 1100 °С + отп.300 °С + е2 = 50% + отп.300 °С 1100 2,7
16 е1 = 50% + зак.1100 °С + отп.300 °С + е2 = 25% + отп.300 °С 1070 4,0
17 е1 = 25% + зак.1100 °С + отп.300 °С 970 12,0
На основании проведенных исследований в качестве упрочняющих финишных операций при изготовлении гильзы повышенной прочности с о в ^ 1000 МПа приняты следующие:
1) (п - 1)-я вытяжка со степенью деформации в нижнем расчетном сечении 50 %;
2) закалка при 1=1000 °С;
3) отпуск при 1=300 °С;
4) п-я вытяжка со степенью деформации в нижнем расчетном сечении 15%;
5) отпуск при 1=300 °С.
Список литературы
1. ГОСТ 803-81. Прокат полосовой горячекатаный для плакирования из углеродистой качественной и высококачественной стали. Технические условия.
2. Агеев Н.П., Спинул Г.П. Механические и технологические свойства конструкционных металлических материалов патронно-гильзового производства: учеб.пособие по курсовому и дипломному проектированию. СПб.: БГТУ, 1993. 87 с.
Данилин Геннадий Александрович, д-р техн. наук, проф., зав.кафедрой, bgtu_e4@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ»,
Затеруха Екатерина Владимировна, кенд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ»
THE STUDY OF MODES OF HARDENING LOW CARBON STEEL 18UA
G.A. Danilin, Y. V. Zaterukha
The article proposes a method of strengthening low carbon structural steel 18UA used in the manufacture of cartridges. Recommended the optimal scheme and modes of treatment began with the aim of increasing the strength charactistic required during the operation.
Key words: hardening, quenching, low vacation, mechanical properties.
Danilin Gennadiy Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, bgtu e4/amail. ru, Russia, St. Petersburg, Baltic State Technical University "VOENMEKH",
Zaterukha Yekaterina Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, bgtu_e4@,mail. ru, Russia, St. Petersburg, Baltic State Technical University "VOENMEKH"
