某炮弹弹体内膛裂纹原因分析

夏克祥，姜春茂，刘海艳，方晓玲，孙家利，迟维恒

（北方华安工业集团有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161046）

9260钢是我国应用较为普遍的硅猛系合金弹簧材料，具有较高的屈服极限、高的屈强比、广泛的适应性，以及良好的淬透性、冷脆性、热加工性能、冷加工性能等，广泛应用于兵器行业中作为关键零部件的材料，其战术性能相当于国外高破片弹钢的水平［1］。我公司某弹关键零部件弹体采用鞍山特种钢铁有限公司生产的9260钢154 mm×154 mm进行热冲压加工。该钢材的加工方式为连铸、连轧。2014年在弹体生产中，检验员在冲孔工序、水浸探伤工序共计发现90发弹体存在侧壁拉裂和底部裂纹疵病［2］，弹体疵病宏观形貌如图1所示。为准确找到裂纹产生的原因，进行了原理分析和理化检测分析。

该弹体制造工艺流程如下:钢坯锯切下料（圆盘锯切割）→工频感应加热（1120～1150℃）→压型→冲下盲孔→冲上盲孔→空冷→粗车→二次感应加热→热拉伸→空冷→弹体退火（感应加热，780～810℃）→粗车（单边车削4 mm）→上部感应加热→收口→热处理→探伤→精车→探伤。

图1 弹体疵病宏观形貌Fig.1 Macro morphology of projectile faults

1 原因分析

1.1 疵病数量统计

用于该弹体冲压生产的9260钢的炉号分别为2014-1和2014-2，共计下料602发，90发壳体毛坯底部不同程度地出现了裂纹疵病，占总体的14.95%［3］。具体疵病情况为:2014-1号炉，投料358发，疵病数量为53，占14.8%;2014-2号炉投料244发，疵病数量为37，占15.16%。

1.2 疵病产生原因分析

1）冲压加工过程中监控的感应加热温度不满足工艺要求、冲压用压型工装尺寸超差或者操作过程中不符合工艺要求，也可能是产生该疵病的原因之一。

2）原材料本身存在缺陷，在后续加工过程中容易产生裂纹，也可能是产生该疵病的原因之一。

2 裂纹产生原因检查和分析

对冲压过程中感应加热记录及工装尺寸进行了检查，结果均符合工艺要求。

2.1 毛坯底部裂纹

通过实物观察，结合钢厂生产流程及我厂加工工艺，经分析认为:该毛坯属于钢坯浇铸帽口残余部位，内部组织缺陷较重，钢坯锯切时，帽口残余部位没有完全清除，一般情况下，浇铸时缩孔缺陷常伴有偏析、低熔点夹杂、疏松等缺陷［4］。该毛坯缺陷组织位于钢坯上部或者说非常接近冲头底部（非变形区），在冲孔过程中受高温高压的润滑气体冲击，毛坯底部缺陷熔化或者撕裂而形成孔洞（如图2所示）。冲压过程中，一般情况下轻微的缺陷组织会得到有效改善［5］。

图2 底部缩孔形成示意图Fig.2 Schematic diagram of the formation of bottom shrinkage hole

2.2 内膛侧壁拉裂

第1炉1发弹体内膛侧壁拉裂，具体形态见图3。由于钢锭的凝固过程是自外向内的，因而其内部铸造组织自心部向外越来越致密［6］，疵病区会存在于钢锭中心部位（越靠近中心越严重），同时，钢锭的内部收缩是自下而上的，即越接近帽口端致密性越差［7］。

图3 侧壁拉裂形成原理示意Fig.3 Schematic diagram of the formation principle of side wall crack

弹体的变形过程顺序为镦粗、反挤、拔伸，在镦粗工序钢坯受到自外向内的挤压力，变形程度大［8］，有缺陷组织在这一工序会得到最大程度的改善，使毛坯组织致密;在反挤变形过程中，随着冲头的压入，钢坯心部组织会在冲头下行过程随着金属流动至冲头表面［9］，若钢坯心部存在缺陷同时也会在反挤压过程中被带动至冲头表面［10］;拔伸加工过程弹体毛坯所有组织受拉应力，若此时基体存在有缺陷的组织，会因承受不住巨大的拉应力而开裂，形成内膛侧壁的拉裂［11］。

2.3 理化检测

2.3.1 金相取样

将1发裂纹较严重弹体进行解剖试验，采用带锯机将弹体解剖后，发现在弹体发动机底部有宏观微孔聚集型裂纹存在［12］，见图4。采用车床对弹体底部进行切削试验，结果见图5。将解剖后弹体底部进行锯切取样［13］，经抛光后，裂纹见图6，深度约为7 mm。

图4 解剖后弹体底部裂纹Fig.4 Projectile bottom crack after dissection

图5 切削后弹体底部裂纹Fig.5 Projectile bottom crack after cutting

2.3.2 金相分析

在光学显微镜下，对弹底有裂纹的部位和异常部位进行观察并照相［14］，图7a，b为200倍光学显微镜下照片，图7c为500倍光学显微镜下照片，图7d为1000倍光学显微镜下的照片［15］。通过显微照片观察，发现弹底裂纹处有夹杂、偏析、缩孔、沿晶低熔点物质等原材料缺陷存在。

图6 抛光后试样裂纹Fig.6 Crack in specimen after polishing

图7 横向裂纹照片Fig.7 Photos of transverse cracks

3 结论

通过对某弹弹体毛坯成形原理分析和裂纹疵病料理化检测分析，准确找到了裂纹疵病产生的原因。用于生产该弹体的9260钢存在缩孔残余类缺陷和沿晶低熔点物质，是造成弹体底部裂纹和侧壁拉裂疵病的根本原因［1—16］。

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