某炮弹弹体内膛裂纹原因分析
2015-12-31夏克祥姜春茂刘海艳方晓玲孙家利迟维恒
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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