蔡 浩

（武警杭州士官學(xué)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(fèi)大量的人力和物力。隨著科技不斷進(jìn)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(jìn)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(jī)械強(qiáng)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(xué)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(xué)反應(yīng)，這將進(jìn)一步加劇火炮身管內(nèi)膛的燒蝕磨損。三是炮管的機(jī)械磨損。除了火藥氣體的熱燒蝕和化學(xué)燒蝕，彈丸高速運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)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(jī)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(yùn)動大，摩擦比較劇烈的零部件磨損尤為嚴(yán)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(xué)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(dāng)鋼中含碳量達(dá)到1.0%～1.4%時，淬冷到室溫的殘余奧氏體會多達(dá)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(qiáng)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(dá)到-196℃，同時經(jīng)濟(jì)、無污染。目前用液氮為制冷劑進(jìn)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(jìn)行處理時液氮與工件直接接觸，可控性不強(qiáng)，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?dú)庵评?，在處理工件時使氮?dú)饨?jīng)噴管噴出后在深冷箱中汽化，通過控制處理過程中氮?dú)獾妮斎肓靠梢杂行У目刂平禍厮俾?，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(qiáng)度和韌性，改善力學(xué)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(rèn)為深冷處理可以很大程度的提高材料的耐磨性?；鹋诹慵牟牧?，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(dá)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(dāng)工件會開裂，故深冷處理后必須立即進(jìn)行低溫回火。這樣也保證了炮鋼的力學(xué)性能達(dá)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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