淺談部分武器用鋼

常規武器用鋼(steels for conventional weapons)主要包括厚壁大口徑火炮身管用鋼

炮彈彈體用鋼均質裝甲鋼導彈發動機殼體用鋼。武器用鋼對於技術要求較高,能生產民用鋼,如汽車用鋼,並不代表能生產優良的武器用鋼。

以下介紹兩類鋼材。

1.均質裝甲鋼

裝甲防護系統中最簡單的結構單元為均質裝甲,均質裝甲是由單一的均質材料構成,如單純的非金屬或金屬材料。通常“均質”指具有同一成分、均勻的組織結構和均一的機械性能的裝甲鑄件或軋材。均質裝甲的均質性保證在裝甲板的縱橫截面上不出現反射應力波的第二介質。金屬材料的均質性需要由高水平的冶金工藝來保證,均質裝甲鋼的抗彈性能取決於鋼質純淨度、強度、韌性和厚度。

淺談部分武器用鋼
淺談部分武器用鋼

一戰時,裝甲戰鬥車輛在設計上就採用了鋼裝甲,當時鋼裝甲的厚度一般在8mm~14mm。

鋼材料在用途上適應性強,改變其成分並經熱處理後便可獲得破壞能量或吸收能量的特性。一戰期間採用的鋼裝甲經過熱處理具有很高的硬度,鉚接安裝在車輛上。而焊接較厚的甲板就要求降低硬度,於是便製造出了布氏硬度值(HBW)為390HBW的薄裝甲乃至220HBW的厚裝甲。二戰時的軍用車輛採用了更厚的裝甲,其中“虎”式坦克250mm厚的鋼裝甲更是達到了極致。

二戰以後,均質鋼裝甲成為軍用車輛採用最廣泛的裝甲材料,通過軋製相應化學成分的鋼錠使其成形以獲得所要求的彈道特性。鋼板通常要加熱到820℃~860℃,之後在油或水中淬火,進行硬化處理。由於處理後的鋼板剛性高、韌性低,所以還要在400℃~650℃的火爐中進行數小時的回火處理,最後的產品才能具有合適韌度和剛性的均勻微結構(即均質鋼)。

回火溫度要根據所要求的機械和彈道特性確定,硬度較高、厚度較薄的鋼材要求的溫度較低,韌性較好、厚度較大的鋼材要求的溫度較高。

採用單一的、具有不同貫通厚度特性的鋼板還有其他優點。對低碳厚鋼板的一面進行表面硬化處理,可以使一種材料同時具備硬質破壞和韌性吸收的雙重特性,其主要優點在於底層甲板的可塑性更大,從而阻止裝甲板上的裂紋延展;而表面層硬度高,則能夠使攻擊彈丸變形或破碎。

製造具有不同貫通硬度特性的鋼裝甲的最常用辦法是進行表面硬化處理,早期使用的是碳化處理技術,曾於19世紀90年代用來製造戰列艦的船體,將碳浸入鋼材的外表面層以增加碳含量,進而提高其硬度,稱為高硬度鋼


二戰期間,德國曾對“虎王”坦克的裝甲進行火焰硬化處理,用瓦斯火焰對甲板表面高溫加熱,再迅速淬火冷卻加工出硬度極高的脆層。這種甲板隨著厚度的增大,其硬度逐漸減小。

把不同的鋼板軋合在一起可以製造出雙硬度甲板。與單一硬度的裝甲材料相比,這種甲板具有不同的硬度值。早在二戰時,就採用這種技術製造出了雙硬度鋼

目前美國在該技術領域居於領先地位,其方法是將兩塊鎳合金鋼緊密軋合在一起,表面層碳含量較高,經熱處理後具有較高的硬度,硬度值可以達到580HBW~710HBW,而另一面硬度較低,為450HBW~530HBW。


淺談部分武器用鋼

另外,二戰後,若要增加車輛的防護,就意味著要增加更厚的鋼板,而這會減少機動性。因此開始將空氣、陶瓷或是貧鈾(depleted uranium,簡稱DU)等材料加入鋼材而成為複合裝甲,兼具防護與輕便的特性。日新月異的反坦克武器使傳統的軋壓均質裝甲的防護能力捉襟見肘,遂由更新型的複合裝甲取代,而測量單位隨之改變。


淺談部分武器用鋼

新產生的裝甲估量數被稱作

“等效軋製均質裝甲”(Rolled Homogeneous Armour equivalency),簡稱RHAe),其作為一種估計的單位用以衡量防護性能。但是,因為各類型裝甲形式、材料以及裝配等不同,RHAe是否能有效的比對各類裝甲,仍有許多爭議性。


淺談部分武器用鋼

表1是雙硬度裝甲的彈道性能數據,包括阻擋槍彈所要求的裝甲厚度、面積密度(即阻擋槍彈所要求的每平方米質量)和質量效能(Em)。後者的量值可以用具有所要求防護能力的均質裝甲鋼的面積密度除以相關裝甲材料的面積密度求得。

如表1所示,就穿甲彈而言,雙硬度裝甲(DHA)的彈道性能要優於高硬度裝甲(HHA)。但是,儘管採用雙硬度裝甲具有明顯的優點,大多數主流裝甲材料生產商卻並不願意生產這種裝甲,其主要原因是用戶較少,而製造工藝複雜,成本太高。

高硬度裝甲通常是指硬度值超過450HBW的均質鋼裝甲,其製造方法與均質鋼裝甲相似,只是回火溫度要低一些。通常,只要求高硬度裝甲中較薄的部分能夠防護鉛銻子彈,3mm即可防護手槍子彈,8mm足以抵禦高初速步槍子彈,例如初速約為920 m/s的5.56×45mm SS109子彈。

若要防護鋼芯穿甲彈,厚度則要增加到12mm~13mm,而對付更堅硬的碳化鎢彈芯,如7.62×51mm FFV槍彈,則還要進一步增大厚度。瑞士莫瓦格公司製造的“鋸脂鯉”裝甲車上採用了焊接高硬度鋼,能夠防護7.62mm槍彈。其它採用高硬度鋼的裝甲車輛還有由美國卡迪拉克·蓋奇公司生產的“魚工”輕型坦克和LAV 300 系列輪式裝甲車。


淺談部分武器用鋼

瑞士“鋸脂鯉”裝甲車


淺談部分武器用鋼

美國LAV 300輪式裝甲車

2.厚壁大口徑火炮身管用鋼


淺談部分武器用鋼

隨著世界材料和工藝技術的不斷髮展 ,高強鋼以及新型複合材料的不斷湧現 ,採用新型材料的火炮身管也在逐漸開發,但炮鋼仍然是當今用來製造加農炮、榴彈炮等大口徑厚壁火炮身管的主要材料,炮鋼的性能水平直接關係到火炮威力及機動性。由於火炮身管特殊的工況條件,火炮身管材料要同時具備 耐高壓 、耐高溫 、耐高速火藥氣體燒蝕 、耐彈帶磨損和 耐低周疲勞等的特殊性能 。因此,炮鋼材料 除具有一 般合金結構鋼 的共同特點外,還有更為嚴格的技術性能要求 。炮管鍛件標準是炮管生產和驗收的依據 ,直接反映炮鋼材料科研和生產技術 的水平 。

目前 ,世界各國的大口徑厚壁炮鋼基 採用 Cr—Ni—Mo一V中碳低合金系鋼,且鋼中鎳的質量分數在3%左右 。這類鋼具有較高 的淬透性 ,能保證大截面鋼淬火和調質處理後獲得較好的強度 和 塑性配合 ,具有較高的抗脆斷能力 ,成分範圍經過多年的研究和生產,已經非常成熟,幾十年來一直被作為製造火炮身管的材料


淺談部分武器用鋼

我國的炮鋼標準中,對同等強度級別鋼的塑性 、韌性要求與美國標準(美帝掌握核心科技)相同。


淺談部分武器用鋼

減輕質量,隨著火炮內膛壓力的遞減,身管的壁厚設計成梯度減薄的結構,同時保證身管各處都具有足夠的強度,必須保證炮管鍛件沿長度方向力學特性的均勻性 。美國標準規定炮管鍛件上任一試片中和任何兩個相鄰試片間的強度變化不超過40MPa。與AemetlO0,AF1410等用於航空結構件的鋼相 比,炮鋼雖然性能水平不是最高,在性能控制上卻最為嚴格


淺談部分武器用鋼

火炮常常在寒冷的環境下服役,為保證炮管在低溫發射時的安全性,防止脆斷,炮鋼的韌脆轉變溫度應該低於火炮使用環境的最低溫度 。現代鉻鎳鉬釩炮鋼的韌脆轉變溫度可以達到一60℃。

火炮身管在火藥燃燒的高溫作用下 ,膛面產生嚴重裂紋 ,裂紋的不斷髮展最終導致身管在低於設計允許應力的低周載荷下發生斷裂失效。因而要求火炮身管有足夠高的對裂紋擴展的抑制力、足夠低的疲勞裂紋擴展速率 ,以確保身管有足夠的疲勞壽命。 斷裂韌性是衡量炮鋼低周疲勞性能的重要指標 ,在強度級別相同的情況下,炮管的臨界裂紋深度 隨炮鋼的斷裂韌性增高而增大,身管疲勞壽命也隨之而增高。 雖然在現行標準中還沒有對炮鋼的斷裂韌性作明確規 定 ,但在火炮的設計中,斷裂韌性早已成為與屈服強度 同樣重要的指標。

高強度炮鋼對氫致裂紋造成的延遲斷裂非常敏感 ,而回火溫度對

耐延遲破壞抗力有顯著影響,回火溫度越高,延遲斷裂的抗力越高。因此美標中明確規定 強度在 1173~1310MPa的炮鋼鍛件的回火溫度不低於 510℃。最低 回火溫度 的要求不但利於火炮火力的發揮 ,而且可以去除炮身內應力 ,減少火炮發生低應力 延遲破壞的危險性。

用於常規武器的炮鋼材料的應用量很大,必須考慮其使用的經濟合理性 ,過多地增加合金元素往往給炮鋼的均質性和工藝性能帶來負影響 ,力學均勻性更加不易保證。因此在滿足使用性能要求的條件下,炮鋼材料儘可能採用低合金含量。

合金成分與炮鋼性能緊密相關 。提高鋼中鋁含量 ,並加入少量釩 ,在高溫回火後 ,鋼中析出大量鉬和釩的碳化物 ,彌散分佈產生二次強化效應 ,可以提高炮鋼的強度 。同時鉬在炮鋼中提高鋼 的淬透性 、抑制回火脆性和提高鋼的回火穩定性,少量釩還能細化晶粒 ,改善鋼的塑性和韌性 ,使鋼的強度和韌性得到良好配合 。增加鋼中鎳含量有利於提高淬透性 ,改善鋼的韌性。

在鋼中加入稀土元素可以起到脫硫 、控制夾雜形態的作用,從而改善鋼的韌性。採用稀土渣系,使稀土金屬在電渣重熔過程中還原進入鋼液 ,可以提高稀土改善鋼韌性的效果。

鋼中硫 、磷等非金屬夾雜,鋁、氣體(氧、氫 、氮)、 有害微量元素 (砷 、銻 、鉍 、鉛 、鋅 )對鋼性能的危害都經過了深入的研究 ,高潔淨度是炮鋼有足夠的強度 、疲勞壽命和斷裂韌性的必要保證。美A723鋼與法國 HB7高強鋼都是超純淨鋼 ,鋼中硫含量達到 0.002% , 磷含量達到0.01%以下 ,通過超純淨的冶煉工藝和適當的成分調整 ,HB7的屈服強度達到了 1360 MPa,夏比衝擊功(一40℃)達到 60J。


淺談部分武器用鋼

旋轉精鍛機

炮鋼韌、塑性的提高主要依靠先進的冶煉和熱加工技術爐外精煉 (真空除氣 )+電渣重熔是目前高純淨炮鋼冶煉所普遍採用的工藝 。改進炮管毛坯的成型工藝可以改善金屬組織、提高力學特性,並提高材料利用率、降低成本。如採用旋轉精鍛機,可以比水壓機單鍛節約 20%以上的材料 ,還可以少切削 ,同時保證身管幾何外形尺寸精確 ,鍛比達到 8.4,獲得性能良好的炮管 。


淺談部分武器用鋼

電渣重熔

歡迎您在評論區討論。



分享到:


相關文章: