某炮彈彈體內膛裂紋原因分析

夏克祥，姜春茂，劉海艷，方曉玲，孫家利，遲維恒

（北方華安工業集團有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161046）

9260鋼是我國應用較為普遍的硅猛系合金彈簧材料，具有較高的屈服極限、高的屈強比、廣泛的適應性，以及良好的淬透性、冷脆性、熱加工性能、冷加工性能等，廣泛應用于兵器行業中作為關鍵零部件的材料，其戰術性能相當于國外高破片彈鋼的水平［1］。我公司某彈關鍵零部件彈體采用鞍山特種鋼鐵有限公司生產的9260鋼154 mm×154 mm進行熱沖壓加工。該鋼材的加工方式為連鑄、連軋。2014年在彈體生產中，檢驗員在沖孔工序、水浸探傷工序共計發現90發彈體存在側壁拉裂和底部裂紋疵病［2］，彈體疵病宏觀形貌如圖1所示。為準確找到裂紋產生的原因，進行了原理分析和理化檢測分析。

該彈體制造工藝流程如下:鋼坯鋸切下料（圓盤鋸切割）→工頻感應加熱（1120～1150℃）→壓型→沖下盲孔→沖上盲孔→空冷→粗車→二次感應加熱→熱拉伸→空冷→彈體退火（感應加熱，780～810℃）→粗車（單邊車削4 mm）→上部感應加熱→收口→熱處理→探傷→精車→探傷。

圖1 彈體疵病宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of projectile faults

1 原因分析

1.1 疵病數量統計

用于該彈體沖壓生產的9260鋼的爐號分別為2014-1和2014-2，共計下料602發，90發殼體毛坯底部不同程度地出現了裂紋疵病，占總體的14.95%［3］。具體疵病情況為:2014-1號爐，投料358發，疵病數量為53，占14.8%;2014-2號爐投料244發，疵病數量為37，占15.16%。

1.2 疵病產生原因分析

1）沖壓加工過程中監控的感應加熱溫度不滿足工藝要求、沖壓用壓型工裝尺寸超差或者操作過程中不符合工藝要求，也可能是產生該疵病的原因之一。

2）原材料本身存在缺陷，在后續加工過程中容易產生裂紋，也可能是產生該疵病的原因之一。

2 裂紋產生原因檢查和分析

對沖壓過程中感應加熱記錄及工裝尺寸進行了檢查，結果均符合工藝要求。

2.1 毛坯底部裂紋

通過實物觀察，結合鋼廠生產流程及我廠加工工藝，經分析認為:該毛坯屬于鋼坯澆鑄帽口殘余部位，內部組織缺陷較重，鋼坯鋸切時，帽口殘余部位沒有完全清除，一般情況下，澆鑄時縮孔缺陷常伴有偏析、低熔點夾雜、疏松等缺陷［4］。該毛坯缺陷組織位于鋼坯上部或者說非常接近沖頭底部（非變形區），在沖孔過程中受高溫高壓的潤滑氣體沖擊，毛坯底部缺陷熔化或者撕裂而形成孔洞（如圖2所示）。沖壓過程中，一般情況下輕微的缺陷組織會得到有效改善［5］。

圖2 底部縮孔形成示意圖Fig.2 Schematic diagram of the formation of bottom shrinkage hole

2.2 內膛側壁拉裂

第1爐1發彈體內膛側壁拉裂，具體形態見圖3。由于鋼錠的凝固過程是自外向內的，因而其內部鑄造組織自心部向外越來越致密［6］，疵病區會存在于鋼錠中心部位（越靠近中心越嚴重），同時，鋼錠的內部收縮是自下而上的，即越接近帽口端致密性越差［7］。

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

彈體的變形過程順序為鐓粗、反擠、拔伸，在鐓粗工序鋼坯受到自外向內的擠壓力，變形程度大［8］，有缺陷組織在這一工序會得到最大程度的改善，使毛坯組織致密;在反擠變形過程中，隨著沖頭的壓入，鋼坯心部組織會在沖頭下行過程隨著金屬流動至沖頭表面［9］，若鋼坯心部存在缺陷同時也會在反擠壓過程中被帶動至沖頭表面［10］;拔伸加工過程彈體毛坯所有組織受拉應力，若此時基體存在有缺陷的組織，會因承受不住巨大的拉應力而開裂，形成內膛側壁的拉裂［11］。

2.3 理化檢測

2.3.1 金相取樣

將1發裂紋較嚴重彈體進行解剖試驗，采用帶鋸機將彈體解剖后，發現在彈體發動機底部有宏觀微孔聚集型裂紋存在［12］，見圖4。采用車床對彈體底部進行切削試驗，結果見圖5。將解剖后彈體底部進行鋸切取樣［13］，經拋光后，裂紋見圖6，深度約為7 mm。

圖4 解剖后彈體底部裂紋Fig.4 Projectile bottom crack after dissection

圖5 切削后彈體底部裂紋Fig.5 Projectile bottom crack after cutting

2.3.2 金相分析

在光學顯微鏡下，對彈底有裂紋的部位和異常部位進行觀察并照相［14］，圖7a，b為200倍光學顯微鏡下照片，圖7c為500倍光學顯微鏡下照片，圖7d為1000倍光學顯微鏡下的照片［15］。通過顯微照片觀察，發現彈底裂紋處有夾雜、偏析、縮孔、沿晶低熔點物質等原材料缺陷存在。

圖6 拋光后試樣裂紋Fig.6 Crack in specimen after polishing

圖7 橫向裂紋照片Fig.7 Photos of transverse cracks

3 結論

通過對某彈彈體毛坯成形原理分析和裂紋疵病料理化檢測分析，準確找到了裂紋疵病產生的原因。用于生產該彈體的9260鋼存在縮孔殘余類缺陷和沿晶低熔點物質，是造成彈體底部裂紋和側壁拉裂疵病的根本原因［1—16］。

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