小口径弹体淬火冷却硬度分布不均匀分析

谭秋云，王小平，孙国进

1.长沙上热热处理有限公司 湖南长沙 410323

2.河南工学院材料科学与工程学院 河南新乡 453003

1 序言

轻武器如步枪、机枪、冲锋枪等，具有质量轻、机动性强等特点，是各兵种常规装备武器之一[1-3]。用于制造子弹的弹体（头），其用量大、性能要求高，因此如何在较低的生产成本下，生产出高性能、高稳定的小口径弹体是生产厂亟待解决的难题。

T12A钢淬火后具有较高的硬度和耐磨性[4-6]，是制备小口径弹体的常用钢种，淬火后表面硬度≥64HRC。常规热处理中多采用连续式热处理炉，弹体在升温、保温后，进行淬火处理。此种工艺虽然生产效率较高，但淬火后弹体表面硬度低且波动大，同一个弹体不同位置的硬度差≥3HRC，严重影响了小口径弹体的打击能力和稳定性。

本文对常规热处理工艺生产的小口径弹体用钢的硬度进行了统计分析，找出常规淬火过程中硬度波动性大的原因。针对常规淬火工艺的缺陷切实有效地设计出淬火工装，不但提高了T12A小口径弹体用钢淬火后的硬度，而且减小了硬度的波动。

2 小口径弹体用钢及淬火工艺

小口径弹体用钢牌号为T12A钢，直径11.3mm，总长52mm，如图1所示。加热装备为台车式电阻加热炉，加热温度780℃，保温时间20min，然后采用15%NaCl水溶液进行淬火处理。

图1 小口径弹体示意

常规淬火工艺流程为弹体经加热保温后，直接倒入冷却槽中淬火处理。而改进淬火措施则采用了专用设计的淬火工装，新改进的淬火工艺是：在弹体淬入淬火冷却介质过程中，增加了振动和分散功能，保证了弹体的硬度均匀性，专用淬火工装图如图2所示。小口径弹体淬火工艺流程如图3所示。弹体淬火处理后均采用洛氏硬度计检测硬度，检测位置为弹体圆柱外表面的1/2长度处，每间隔90°检测一次。

图2 改进后的专用淬火工装示意

图3 小口径弹体淬火工艺流程

3 结果与讨论

3.1 小口径弹体淬火硬度分布

小口径弹体经常规淬火和改进淬火后，分别随机抽取20个试样，按要求检测硬度并分析概率密度分布，结果如图4所示。

图4 不同条件下小口径弹体淬火后硬度分布

从图4a可看出，弹体硬度基本呈正态分布，符合同一工艺同一批次样品分布规律。改进淬火后的硬度值明显高于常规淬火后的硬度，改进淬火后的硬度波动性也明显减小。对所测硬度结果进行了正态分布拟合，结果如图4b所示。从图4b可看出，常规淬火的平均硬度为60.5HRC，硬度差达到2.5HRC，改进淬火方式后的平均硬度提高至67.1HRC，硬度差减小至1HRC左右。常规淬火处理后的弹体硬度低于验收指标要求，无法正常使用，改进淬火方式后弹体整体合格率提高到100%。

3.2 小口径弹体淬火硬度波动分析

小口径弹体在常规淬火条件下出现了硬度偏低和波动性大等问题，综合分析认为，弹体在淬火过程中冷却速度的变化，弹体浸入淬火冷却介质时有局部堆集现象，导致淬火冷却介质的沸腾期延长，破蒸汽膜时间增加是影响弹体淬火硬度达不到要求及波动性大的主要原因[7，8]，弹体在淬火过程中冷却速度不足或冷却速度不均匀，需要改善弹体淬火过程中的冷却条件。在加装特殊构件使弹体在入液后以均匀的冷却速度冷却，不但可以提高弹体的表面硬度，而且可以减小硬度的波动性，保证弹体的硬度均匀分布。常规淬火和改进淬火工艺下，弹体的冷却过程如图5所示。

图5 弹体淬火冷却过程示意

从图5a可看出，在常规淬火条件下，弹体散落入淬火冷却介质后，弹体在沉落过程中彼此就会出现接触、搭接或碰撞，此时就会严重影响淬火冷却介质的流动，降低淬火冷却介质的整体冷却能力（如红色箭头所指位置），而弹体表面由于相互接触也会出现局部冷却速度的波动。由此可知，冷却速度降低会显著影响淬火硬度，而弹体表面冷却速度的不均匀更是造成硬度波动的直接原因，最终造成硬度波动性超标。从图5b可看出，改进淬火工艺后，由于采用了专用的淬火冷却装置，因此可以有效地防止淬火冷却过程中弹体的相互接触，淬火冷却介质可以在弹体之间充分流动，保证了弹体表面的淬火冷却速度，避免了弹体局部位置的冷却速度波动，淬火环境得到了明显改善。

3.3 不同淬火工艺条件下合格率对比

对常规淬火和改进淬火两种工艺条件下的弹体按要求进行了硬度检测和动态穿甲试验检测。

与常规淬火工艺相比，改进淬火工艺后弹体表面的平均硬度提高了7HRC，达到67.1HRC，硬度波动值由原来的2.5HRC降低为1.2HRC，达到验收要求，硬度指标验收合格率达100%，而常规淬火硬度指标验收合格率为40%左右。对改进淬火工艺处理的弹体进行了动态穿甲验试验，结果如图6和图7所示。从图7可看出，在有效装10发弹的条件下，位置1、位置2处钢板背面形成了崩落，其他位置均已经穿透，穿甲合格率达到100%。

图6 不同淬火工艺弹体验收合格率

图7 改进淬火处理弹钢动态穿甲验试验

4 结束语

本文以小口径弹体用钢为研究对象，分析了常规淬火工艺下弹体硬度偏低、波动性偏大的原因，并通过改进淬火槽结构解决了上述技术问题。常规淬火平均硬度为60.5HRC，硬度波动值为2.5HRC，弹体的相互接触和搭接是造成硬度偏低和波动性超标的直接原因。通过改进淬火槽结构，防止了淬火冷却过程中弹体的相互接触，弹体表面平均硬度达到67.1HRC，硬度波动值为1HRC左右，硬度检测和动态穿甲试验合格率均达100%。