纯铁导带毛坯硬度影响因素的脱碳工艺研究.pdf

工艺研究October,2023RECHULI JISHU YU ZHUANGBEI2023年10 月Vol.44,No.5第44卷第5 期热处理技术与装备纯铁导带毛坏硬度影响因素的脱碳工艺研究王伟杰，郑添春，伍思荣，徐小官（宜春先锋军工机械有限公司，江西宜春336000)摘要：纯铁导带硬度与炮管膛线磨损程度直接相关，为减小膛线磨损量，对导带毛坏进行脱碳热处理，使纯铁导带毛坏的硬度8 3HV1o。在试炉验证可行的脱碳工艺基础上，研究环境温度差异引起的冷却速度变化以及不同批次原材料中磷含量对纯铁导带毛坏硬度的影响。试炉结果表明，环境温度差异引起的冷却速度的变化对纯铁导带毛坏硬度的影响较小；对比磷含量为0.0 15%和0.0 0 2%的原材料，磷含量高的原材料制成的纯铁导带毛坏的硬度显著增大，试样硬度最高达8 4.3HV1o，而含碳量变化不大。通过改进脱碳工艺可以使产品硬度明显小于8 3HV1o。关键词：纯铁导带毛坏；脱碳；硬度；冷却速度中图分类号：TG142.1;TG156.1文献标识码：A文章编号：16 7 3-49 7 1（2 0 2 3)0 5-0 0 0 1-0 4Research on Decarbonization Process of Factors Influencing theHardness of Pure Iron Bearing Band BlankWANG Wei-jie,ZHENG Tian-chun,WU Si-rong,XU Xiao-guan(Yichun Pioneer Military Machinery Co.,Ltd.,Yichun Jiangxi 336000,China)Abstract:The hardness of pure iron bearing band blank is directly related to the degree of barrel riflingwear.To reduce the amount of rifling wear,decarbonization heat treatment is carried out on the bearingband blanks,so that the hardness of the pure iron bearing band blanks is 83 HVio.On the basis of veri-fying the feasible decarburization process in the trial furnace,the cooling rate changed caused by environ-mental temperature differences and the influence of phosphorus content in different batches of raw materialson the hardness of pure iron bearing band blanks were studied.The trial furnace results showed that thechange in cooling rate caused by environmental temperature differences,had a relatively small impact on thehardness of pure iron bearing band blank.Compared with raw materials with a phosphorus content of0.002%and 0.015%,the hardness of pure iron bearing band blanks made from raw materials with highphosphorus content significantly increased,with the highest hardness of the sample reaching 84.3 HVio,while the carbon content did not change significantly.By optimizing the decarbonization process,the prod-uct hardness could be significantly less than 83 HVio.Key words:pure iron bearing band blank;decarburization;hardness;cooling rate1研究背景导带是弹丸重要组成部分，弹丸发射过程中，在发射药燃烧产生的高温、高压气体推动下弹丸导带嵌人炮管膛线中沿膛线运动 ，使弹丸做直线和旋收稿日期：2 0 2 3-0 6-15作者简介：王伟杰（19 8 5 一），男，工程师，硕士，主要从事脱碳热处理工艺研究。联系电话：15 0 7 0 5 6 9 6 7 5;E-mail：137 6 7 5 16 3 q q.c o m基金项目：2 0 18 年度江西省重点新产品计划（S2018CXCPB1002）。第44卷热处理技术与装备转复合加速运动，出炮口后高速旋转的弹丸有利于飞行稳定性；弹丸在膛内运动时导带也起密闭火药气体的作用。旋转稳定的小口径炮弹通常采用紫铜导带，随着小口径高炮武器系统向高射速、高射频、高膛压和高转速方向发展2 ，相对而言，熔点较低（10 8 3）的紫铜导带不能够承受弹丸进入炮管膛线时由于高速挤压、强力摩擦产生的高温，炮管膛线可将紫铜导带阳线削平，失去带动弹丸旋转的作用。因此，国内外越来越多的小口径炮弹采用熔点高达1535及延伸率和抗拉强度优于紫铜的纯铁导带。导带毛坏原材料为导带用无缝钢管S08A。导带毛坏由数控车床按照图纸要求加工而成，之后进行脱碳生成纯铁导带毛坏。纯铁导带毛坏经过弹体压带、车带成为装配弹体的纯铁导带。弹丸在膛内运动时，导带与炮管膛线直接接触，若导带硬度过高，则加快膛线磨损，缩短火炮身管寿命3。因此对影响纯铁导带毛坏硬度的因素进行分析，并通过改进脱碳工艺，使导带毛坏硬度达到技术指标要求，保证产品质量稳定性，对实际生产具有很重要的价值。2纯铁导带毛坏技术指标检测某小口径炮弹弹丸的紫铜导带硬度为8 2 130HV1o;对国外类似口径炮弹弹丸的纯铁导带进行硬度检测，其硬度为10 2 138 HV1o。退火状态下低碳钢的含碳量与硬度有直接相关性，含碳量越高的钢件，其硬度值越大。由于装配弹体的压带、车带过程分别是冲床加工挤压、数控车床加工切削的过程，此过程产生的加工硬化会使导带硬度有较大的提升，因此脱碳后的纯铁导带毛坏硬度应处于较低范围。为保证压带、车带后装配弹体纯铁导带的硬度与同口径炮弹紫铜导带硬度相近，并处于国外同口径类似炮弹纯铁导带硬度值范围内，收集了国外小口径炮弹纯铁导带毛坏的相关技术资料，以及借鉴国外研究纯铁导带毛坏的成功经验，确定了某型小口径炮弹用纯铁导带毛坏技术指标为：含碳量0.01%,硬度8 3 HV1o 3研究分析过程与方法实际脱碳热处理生产时，导带毛坏以工艺要求的装炉数量分别均匀平铺到料盘各层，然后将料盘放人井式气体脱碳炉内。工艺试炉时，各层摆放一定数量由45 钢加工的类似外形尺寸的钢环，然后第一层、中间层和最后一层各放4个无缝钢管S08A导带毛坏。由于45 钢含碳量（0.45%）近似为无缝钢管S08A含碳量（0.0 8%）的6 倍，因此装炉数量定为工艺要求的1/6。保温时间是脱碳工艺的重要参数，时间过短，会使导带毛坏的含碳量超过0.0 1%；时间过长，虽然减小了含碳量，但会降低生产效率，增加生产成本。在能够保证含碳量0.0 0 8%、硬度8 3HV1o时，不宜延长保温时间，以减小含碳量的方式使产品硬度远小于技术指标上限要求在前期微型脱碳试验炉试制基础上，初定脱碳气氛流量、保温温度、保温时间、冷却方法等工艺参数，并验证了脱碳可行性。利用生产用井式气体脱碳炉进行工艺摸底试验，根据试炉产品检测分析结果，优化调整工艺参数，确定了脱碳气氛流量、保温温度、保温时间等工艺参数范围。由于夏天和冬天的工房温度差异比较大，很可能造成炉膛冷却速度有差异，而低碳钢冷却速度与硬度有很大的关系，产品冷却速度越快，其硬度越大4-5 ；炉膛内缓慢冷却的降温方式，可以保证材料内部残留的能量较少且分布相对均匀6 。通过试炉，获得外界温度对冷却速度以及冷却速度对纯铁导带毛坏硬度的影响数据。此外不同批次原材料的主要化学成分有差异，需要通过试炉验证脱碳工艺能否使纯铁导带毛坏技术指标满足要求。若试样硬度检测和含碳量分析结果满足要求，则按照现行工艺正式生产；若不满足要求，需要根据实际生产情况调整脱碳工艺，使产品满足技术指标要求。采用井式气体脱碳炉进行脱碳热处理，出炉后从第1层、中间层和底层各取2 件试样，试样编号依次为1#6#，使用维氏硬度计进行硬度检测；剩余6件试样依次编号为7#12#，使用高频红外碳硫分析仪测定含碳量。4硬度影响因素分析4.1冷却速度对硬度影响分析采用I批原材料加工的导带毛坏，其化学成分见表1。分别在夏天（30 左右）和冬天（8 左右）进行脱碳热处理，工艺曲线如图1所示。起始位置至A点为升温阶段，AB段为保温阶段，BC段为第一次随炉冷却阶段，CD段为第一次炉膛风冷阶段，DE段为第二次随炉冷却阶段，EF段为第二次炉膛风冷阶段。第二次炉膛风冷至规定时间后结束脱碳，产品出炉，抽取试样进行检测分析。第5 期王伟杰等手：纯铁导带毛坏硬度影响因素的脱碳工艺研究表1I批原材料的化学成分（质量分数，%）Table1Chemical composition of batchI rawmaterials(massfraction,%)元素CSiMnPSCrNiCuAI含量0.060.040.360.0020.0040.060.030.040.03ABCDEF时间/h图1月脱碳热处理A工艺曲线Fig.1Decarburization heat treatment process A curve从炉膛外表面温度记录仪中导出时间-温度数据，拟合的第一次随炉冷却阶段的时间-温度曲线，如图2 所示，曲线1、2 分别为夏天、冬天时炉膛温度随时间变化曲线。由图2 可知，第一次随炉冷却阶段，冬天时炉膛冷却速度比夏天时较快，说明环境温度对炉膛冷却有一定影响。/1夏天2冬天时间/h图2时间-温度曲线Fig.2Time-temperature curves试样的维氏硬度检测结果见表2，含碳量分析结果见表3。由表2、3可知，在不同环境温度条件下进行脱碳热处理，虽然冷却速度有差异，但试样的硬度、含碳量变化量不大，因此相差较大的工房温度引起的冷却速度变化对硬度影响不明显。表3中含碳量分析结果说明，纯铁导带毛坏脱碳后已成为超低碳钢。文献7 表明，冷却速度对超低碳钢实际晶粒度无显著影响，超低碳钢件硬度对冷却速度不敏感，硬度不会发生显著变化。实际生产中将第一次炉膛风冷阶段的起始温度提高10 0，通过冷风机提前工作加快炉膛冷却速度，而脱碳后试样的硬度检测结果与之前相比基本无变化。因此，脱碳工艺可以适当提高冷却速度，提高生产效率。表2硬度检测结果(HV10)Table2Hardness testing results(HVo)试样编号1#2#3#4#5#6#夏天74.867.273.568.866.363.5冬天68.274.775.369.172.367.8表3含碳量分析结果(%)Table 3Carbon content analysis results(%o)试样编号7#8#9#10#11#12#夏天0.041.0.0420.0250.0290.0320.033冬天0.0340.0350.0290.0430.0310.0294.2原材料中磷含量对硬度影响分析采用脱碳热处理工艺A对批原材料加工的导带毛坏进行脱碳热处理试炉，其化学成分见表4。同时在上、中、下三层各放2 件I批原材料加工的导带毛坏，作为硬度对比试样。出炉后抽取试样进行检测分析，硬度检测结果见表5，含碳量分析结果见表6。表4II批原材料的化学成分（质量分数，%）Table 4Chemical composition ofbatch I rawmaterials(mass fraction,%)元素CSiMnPSCrNiCuA1含量0.080.050.340.0150.0050.060.02 0.040.01表5硬度检测结果(HV10)Table5Hardness testing results(HVro)试样编号1#2#3#4#5#6#I批原材料70.770.461.3 66.068.664.2批原材料84.3 81.582.181.282.683.2表6 含碳量分析结果（%）Table 6carbon content analysis results(%o)试样编号7#8#9#10#11#12#批原材料0.0520.0480.0460.0390.0280.027由表5 可知，由批原材料加工的导带毛坏经脱碳热处理后硬度明显高于I批原材料的，其中1#和6#试样的硬度大于8 3HV1o。由表6 可知，试样的含碳量均明显小于0.0 1%，与表3相比，含碳量差异不大，说明含碳量不是造成纯铁导带毛坏硬度高的主要影响因素。对比表1和表4可以看出，两种原材料的磷含量相差较大,其余元素成分相近,其中批原材料的磷含量是纯铁导带毛坏含碳量的3 6倍。磷的固溶强化作用非常明显，而固溶强化可以使钢的硬度显著提高8 ，因此纯铁导带毛坏的硬度高与批原材料的磷含量偏高有关。磷为脆性杂质，随着钢中磷含量增加，材料的韧性降低；而在磷第44卷热处理技术与装备含量相同的条件下，晶粒细化可以提高材料的韧性8 。由于一定的保温温度、保温时间和热处理循环次数可以使晶粒细化9 ，为降低纯铁导带毛坏的硬度，细化晶粒提高其韧性，对已完成一次脱碳热处量的批原材料加工的导带毛坏再次进行热处理，同时将6 件已完成硬度检测的纯铁导带毛坏进行标记，放人上、中、下层各2 件。热处理B工艺如图3所示，AB段为保温阶段，保温温度为9 5 0，保温时间1h;BC段为第一次随炉冷却阶段，时间为6 7 h;CD段为第一次炉膛风冷阶段，时间为2 0 30 min;DE段为第二次随炉冷却阶段，时间为2 2.5 h;EF段为第二次炉膛风冷阶段，时间为1 1.5 h;FG段为第三次随炉冷却阶段，时间为1 1.5 h;CH段为第三次炉膛风冷阶段时间为1 1.5 h。2/ABCDEFGH时间/h图3热处理B工艺Fig.3Heattreatment process B6件标记的纯铁导带毛坏第二次硬度检测结果见表7。对比表7 与表5 可知，热处理后纯铁导带毛坏的硬度明显降低,均小于8 3HV1o，满足指标要求。说明该热处理工艺可以减弱原材料中磷含量偏高对硬度产生的不利影响，改善纯铁导带毛坏的性能，为改进导带毛坏脱碳工艺提供依据表7 热热处理后硬度检测结果（HV1o），Table 7hardness testing results after heat treatment(HVro)试样编号1#2#3#4#5#6#批原材料79.579.278.475.175.975.34.3工艺改进后验证性试炉在热处理A工艺和B工艺基础上改进脱碳热处理工艺，改进后工艺流程为：根据A工艺要求升温、保温，A工艺第一次随炉冷却结束后，按照B工艺要求升温、保温和冷却，改进后工艺如图4所示。图4中，起始位置至A点为升温阶段，AB段为保温阶段，BC段为第一次随炉冷却阶段，CD段为升温阶段，DE段为保温阶段，EF段为第二次随炉冷却阶段，FG段为第一次炉膛风冷阶段，GH段为第三次随炉冷却阶段，HI段为第二次炉膛风冷阶段，IJ段为第四次随炉冷却阶段，JK为第三次炉膛风冷阶段。/ABDEFGCHK时间/h图4改进后工艺示意图Fig.4Schematic diagram after process improvement按照改进后的工艺，对批原材料加工的导带毛坏进行试炉。由于决定脱碳效果的工艺参数保持不变，根据之前试炉结果，本次试炉不分析样件含碳量，只检测样件硬度。样件硬度检测结果见表8。表8 工艺改进后硬度检测结果（HV1o）Table8Hardness testing results after process improvement试样编号1#2#3#4#5#6#批原材料79.879.974.977.376.975.1表8 中6 件试样的硬度均小于8 3HV1o，与表5中纯铁导带毛坏的硬度相比，有明显降低。说明改进后的脱碳热处理工艺适用于批原材料加工的导带毛坏，经脱碳热处理后产品硬度满足指标要求。5结论1)环境温度差异引起的冷却速度的变化对纯铁导带毛坏硬度的影响较小，因此生产中可以适当提高脱碳热处理的冷却速度，以提高脱碳效率、节约生产成本。2)磷元素含量0.0 15%的批原材料加工的导蒂毛坏，经脱碳热处理后，其硬度偏高，含碳量满足要求；经过重新加热至9 5 0 保温1h，再按工艺要求降温后,硬度明显降低,均8 3 HV1o。3）要提高原材料人厂验收标准，避免因主要元素含量偏高而改进脱碳工艺，影响正常生产；此外在导带毛坏脱碳热处理生产中，不同批次原材料加工的导带毛坏应先进行试炉，根据试炉结果选用最优工艺进行脱碳热处理，避免生产出不合格的产品(下转第9 页）上接第4页）第5 期廖庚峰等：4340 钢与40 CrNiMo钢的热处理特点(a)(b)(c)(d)20um50m20m20me()(g)(h)20m20m20um20m(i)20m20uml（a）退火态40 CrNiMo原材料；（b）完全退火态4340 原材料；（c）40 C r Ni M o 钢，9 0 0 正火；（d)4340钢，9 0 0 正火（e)40 C r Ni M o 钢，7 6 0 淬火+49 6 回火；（f)4340钢，7 6 0 火+49 6 回火；（g)40CrNiMo钢，8 5 0 淬火+6 7 0 回火；（h）4340 钢，8 5 0 淬火+6 7 0 回火；（i)40CrNiMo钢，19 0 等温；（j)4340钢19 0 等温图7 不同热处理状态试样的金相组织(a)annealed 40CrNiMo raw material;(b)fully annealed 4340 raw material;(c)40CrNiMo steel,normalized at 900 C;(d)4340 steel,normalized at 900 C;(e)40CrNiMo steel,quenched at 760 +t e mp e r e d a t 49 6 C;(f)4340 s t e e l,q u e n c h e d a t 7 6 0 +t e mp e r e d a t 49 6 ;(g)40 C r Ni M o s t e e l,q u e n c h e d a t 8 5 0 +tempered at 670 ;(h)4340 s t e e l,q u e n c h e d a t 8 5 0 +t e mp e r e d a t 6 7 0 ;(i)40 C r Ni M o s t e e l,19 0 i s o t h e r ma l;(j)4340 s t e e l,19 0 i s o t h e r ma lFig.7Microstructure of sample in different heat treatment states4)在相同的淬、回火工艺下,4340 钢的硬度略高于40 CrNiMo钢，这是因为4340 钢具有比40CrNiMo钢更低的临界冷却速度和M参考文献1樊新民，王洁雯.结构钢热处理技术数据手册M.北京：机械工业出版社，2 0 13：40 8-415.2夏恭忧，石玉珍.中国航空材料手册第1卷结构钢.不锈钢M.北京：中国标准出版社，19 8 8：2 8 6-30 4.参考文献1苑大威，周光磊，李晓寅，等.弹头挤进枪管过程膛线应力仿真研究J.兵器装备工程学报，2 0 2 0,41（8）：30-35.2张春，李鹏，邢士勇，等未来高炮防空技术发展趋势J.火炮发射与控制学报，2 0 2 2,43（4）：9 3-9 6.3赵潇雨，周维.小口径炮弹用纯铁弹带脱碳工艺J.兵器装备工程学报（原四川兵工学报），2 0 10,31（3）：42 43.4纪仁峰，刘年富，钟芳华.一种连杆用非调质钢的连续冷却转变J.热处理技术与装备，2 0 19,40(1)：46-49.5杨伟光，刘年富，宋加兵.冷却速度对42 CrMo4钢组织3王春芳，厉勇，李男，等.热处理对AISI4340钢临界点及CCT曲线的影响J.钢铁，2 0 17,5 2（3）：7 0-7 5.4孙兴德.40 CrNiMo钢退火热处理工艺与性能的研究J.金属制品,2 0 14,40(3）：19-2 2.5秦征平.40 CrNiMo热处理工艺的改进J.一重技术，2009(1):31 32.6陈国辉，张小聪，余荣杰.带状偏析对40 CrNiMo钢组织和性能的影响J.材料热处理技术,2 0 12,41（8）：16-18.转变及性能影响J.热处理技术与装备，2 0 2 1,42（1）：19 23.6徐亮，李涛，马永强，等.退火工艺对高温轴承钢M50钢材晶粒度的影响J.特殊钢2 0 2 2,43（6）：5 0-5 3.7罗国华，范植金，刘文艳.含铜超低碳钢CCT曲线及组织J.金属热处理，2 0 12,37（9）：32-34.8贾书君，曲鹏，翁宇，等.磷和晶粒尺寸对低碳钢力学性能的影响J.钢铁,2 0 0 5,40(6):5 9-6 3.9周文风，黄文荣，张永腺.纯铁晶粒细化与均匀化的热处理工艺研究J.热加工工艺，2 0 16,45（2 0）：2 2 8-2 31.