提高火炮零件耐磨性技术研究

蔡 浩

（武警杭州士官学校 军械系,杭州 310023）

火炮零部件失效的主要原因是零部件表面的过度磨损。如果火炮零部件的耐磨性比较差，非常容易造成精度下降，这样不但会导致材料消耗，而且会影响火炮的使用寿命和可靠性，在修复过程中，还会花费大量的人力和物力。随着科技不断进步和军事变革的需要，大大提高了对火炮可靠性的要求，一般来讲，火炮零部件的耐磨性很大程度决定了其可靠性。因此，提高火炮零部件的耐磨性和对其磨损进行控制已成为火炮设计生产的一个十分重要的问题。

1 国内火炮零件磨损现状

火炮在射击过程中，在高温高压高速的条件下，零件磨损非常普遍，特别是身管的磨损，对火炮的可靠性具有很大的影响。

一般来讲，火炮身管磨损产生的因素主要有以下三点。一是火药气体的热烧蚀。在影响火炮身管内膛烧蚀磨损的诸多因素中，热起着主导和控制作用。内膛温度升高，机械强度将急剧下降，从而使内膛烧蚀磨损量增大。二是火药气体的化学烧蚀。火炮发射时会产生高温、高压的火药气体，使炮管内膛产生一系列化学反应，这将进一步加剧火炮身管内膛的烧蚀磨损。三是炮管的机械磨损。除了火药气体的热烧蚀和化学烧蚀，弹丸高速运动产生的机械磨损也是火炮身管磨损的主要因素。

火炮其他零件的磨损状况与一般工程机械的零件磨损是类似的，由于动静载荷与摩擦的存在，零件与零件的接触面存在不同程度的磨损，相对运动大，摩擦比较剧烈的零部件磨损尤为严重。

2 深冷处理技术的原理和工艺

深冷处理是通过改变金属材料的内部结构来改善材料力学性能和加工性能的一种工艺方法。深冷处理是相对于热处理来说的，一般来说，将0～-100℃的冷处理定义为普通冷处理，将冷却温度低于-130℃的冷处理称为深冷处理。深冷处理主要是通过冷却介质降低材料的温度，是目前最新的强韧化处理工艺之一，冷却介质常用液氮。

2.1 残余奥氏体的产生与危害

钢件在进行淬火处理时，奥氏体转化为马氏体，从而使钢的硬度和强度明显提高。钢在淬火冷却时，温度降低到一定值时，奥氏体才开始转变为马氏体，这个温度我们称之为马氏体开始转变点，用Ms来表示。温度继续降低到一定值时，奥氏体完全转化为马氏体，这个温度我们称之为马氏体终止转变点，用Mf来表示。马氏体开始转变点(Ms)和终止转变点(Mf)很大程度上受到钢的含碳量影响，钢的含碳量越高，马氏体开始转变点(Ms)和终止转变点（Mf)都会降低，对于大多数钢来说，淬火冷却到室温（20℃）时奥氏体转化为马氏体不会完成，使部分奥氏体保留下来，即残余奥氏体。当钢中含碳量达到1.0%～1.4%时，淬冷到室温的残余奥氏体会多达20%～40%。

残余奥氏体对钢件的危害很大。残余奥氏体硬度较低，如大量存在会明显降低钢件的硬度；同时，还会由于钢件使用过程中发生微量马氏体转变导致零件尺寸的变化。

2.2 深冷处理的原理

深冷处理可以有效提高材料的耐磨性，主要有三个原因。第一，深冷处理可以使材料内部的残余奥氏体转变为马氏体，从而提高材料的硬度。第二，深冷处理可以使马氏体内析出弥散碳化物，从而提高材料的强韧性。第三，弥散碳化物的析出降低了马氏体的含碳量，从而使材料的塑性得到了改善。在以上三个因素的综合作用下，使深冷处理后的材料耐磨性大大提高。

2.3 深冷处理的工艺

深冷处理采用的制冷剂多为液氮。使用液氮作为制冷剂的原因主要是它的制冷温度可以达到-196℃，同时经济、无污染。目前用液氮为制冷剂进行深冷处理的方式主要有液体法和气体法两种。用液体法进行处理时液氮与工件直接接触，可控性不强，因此很少使用，这里主要介绍气体法。气体法主要利用液氮的汽化潜热或低温氮气制冷，在处理工件时使氮气经喷管喷出后在深冷箱中汽化，通过控制处理过程中氮气的输入量可以有效的控制降温速率，从而实现深冷处理温度的精确控制，并且在处理时没有热冲击作用，因此在研究中被广泛采用。

对于黑色金属的深冷处理工艺一般采用深冷急热法和冷热循环处理法。两种方法均可降低材料的内应力，提高尺寸稳定性，减少加工变形，提高强度和韧性，改善力学性能。一般来说，冷热循环处理法的效果要好于深冷急热法。

3 基于深冷处理技术提高火炮零部件耐磨性技术研究

前面主要研究了深冷处理的由来、原理和工艺，那么深冷处理对火炮零部件耐磨性影响是怎么样的呢，我们来共同研究一下。

3.1 深冷处理提高火炮零部件耐磨性技术研究

目前深冷处理研究领域中，钢是最常见的研究对象，特别是对工具钢的研究。通过研究和报道，一般认为深冷处理可以很大程度的提高材料的耐磨性。火炮零件的材料，炮钢也是钢的一种，因此，深冷处理技术应用于火炮零件耐磨性的提高从理论上是可行的，至于其作用如何，我们通过一个实验来进行探究。

实验的总体思路是：取炮钢样件五个，分别编号0-5号，对0-5号样件分别进行相同温度、不同次数的深冷-回火处理，0-5号处理次数分别为0、1、2、3、4、5次，然后测量样件的硬度，通过对比，来研究深冷处理对火炮零件的作用。

硬度测量进行显微硬度测量和布氏硬度测量。显微硬度测量是在显微硬度计上进行的，显微硬度计用较小的力就可以测出工件的硬度值，在测量的同时还可以观察工件金相，对不同的位置测量出不同的硬度值，提高了测量的准确性。通过硬度测量，实验数据，显微硬度三次测量结果平均值（HV）由0号到5号工件分别为360.0、540.5、553.8、608.8、667.9、736.0；布氏硬度测量值（HB）分别为37.8、52.6、55.2、58.9、63.5、75.2。

通过实验数据可以看出，炮钢在进行深冷处理后，硬度明显高于未处理工件，且深冷-回火处理次数越多，硬度越高。此外，经过深冷处理的工件硬度显著提高，是未处理工件的1.5到2倍。

实验表明，深冷处理可以有效的增强炮钢的硬度，同时在深冷处理过程中，由于金相组织的改变，炮钢的强韧性和塑性也有所提高，综合起来就使炮钢的耐磨性提高。由此可见，深冷处理可以提高炮钢的使用寿命。

3.2 火炮零部件深冷处理时的注意事项

由实验结论可以得出，火炮零部件是可以通过深冷处理来提高耐磨性进而提高寿命的。如对火炮零部件深冷处理还需要注意以下几点，仅供参考。

3.2.1 火炮零件淬火后应立即施行深冷处理

由于在炮钢的淬火冷却过程中间停留有奥氏体稳定化效应，为了使炮钢在淬冷到室温，然后继续冷却时有更多的奥氏体转变为马氏体，淬火后应立即施行深冷处理。

3.2.2 低温保持只需冷透即可，不必太长时间

残留奥氏体转变成马氏体的量只取决于冷却达到的温度，因为残留奥氏体转变为马氏体在低温冷却的瞬间即完成。所以低温保持时间只需使工件从外到里冷透，不必在低温保持太长的时间。

3.2.3 深冷处理后会产生应力，需回火处理

由于炮钢淬火后施行冷处理会导致残余应力增大，处理不当工件会开裂，故深冷处理后必须立即进行低温回火。这样也保证了炮钢的力学性能达到要求。

3.2.4 为保证零件尺寸，需循环处理

为了减轻奥氏体稳定化效应，一般零件淬火后须先冷处理，然后再施行160～175℃的低温回火。但对于火炮零件，为使其奥氏体和尺寸稳定，经常先回火再冷处理或回火+冷处理多次循环。

3.2.5 深冷处理时要用纸张包裹

为了减少火炮零件的应力和畸变，减少淬火到室温的残留奥氏体量，其淬火加热温度应尽可能低，深冷处理时将钢件缓慢冷却到0℃以下，为此在冷处理前火炮零件最好用纸张包裹。

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