小口徑彈體淬火冷卻硬度分布不均勻分析

譚秋云，王小平，孫國進

1.長沙上熱熱處理有限公司 湖南長沙 410323

2.河南工學院材料科學與工程學院 河南新鄉 453003

1 序言

輕武器如步槍、機槍、沖鋒槍等，具有質量輕、機動性強等特點，是各兵種常規裝備武器之一[1-3]。用于制造子彈的彈體（頭），其用量大、性能要求高，因此如何在較低的生產成本下，生產出高性能、高穩定的小口徑彈體是生產廠亟待解決的難題。

T12A鋼淬火后具有較高的硬度和耐磨性[4-6]，是制備小口徑彈體的常用鋼種，淬火后表面硬度≥64HRC。常規熱處理中多采用連續式熱處理爐，彈體在升溫、保溫后，進行淬火處理。此種工藝雖然生產效率較高，但淬火后彈體表面硬度低且波動大，同一個彈體不同位置的硬度差≥3HRC，嚴重影響了小口徑彈體的打擊能力和穩定性。

本文對常規熱處理工藝生產的小口徑彈體用鋼的硬度進行了統計分析，找出常規淬火過程中硬度波動性大的原因。針對常規淬火工藝的缺陷切實有效地設計出淬火工裝，不但提高了T12A小口徑彈體用鋼淬火后的硬度，而且減小了硬度的波動。

2 小口徑彈體用鋼及淬火工藝

小口徑彈體用鋼牌號為T12A鋼，直徑11.3mm，總長52mm，如圖1所示。加熱裝備為臺車式電阻加熱爐，加熱溫度780℃，保溫時間20min，然后采用15%NaCl水溶液進行淬火處理。

圖1 小口徑彈體示意

常規淬火工藝流程為彈體經加熱保溫后，直接倒入冷卻槽中淬火處理。而改進淬火措施則采用了專用設計的淬火工裝，新改進的淬火工藝是：在彈體淬入淬火冷卻介質過程中，增加了振動和分散功能，保證了彈體的硬度均勻性，專用淬火工裝圖如圖2所示。小口徑彈體淬火工藝流程如圖3所示。彈體淬火處理后均采用洛氏硬度計檢測硬度，檢測位置為彈體圓柱外表面的1/2長度處，每間隔90°檢測一次。

圖2 改進后的專用淬火工裝示意

圖3 小口徑彈體淬火工藝流程

3 結果與討論

3.1 小口徑彈體淬火硬度分布

小口徑彈體經常規淬火和改進淬火后，分別隨機抽取20個試樣，按要求檢測硬度并分析概率密度分布，結果如圖4所示。

圖4 不同條件下小口徑彈體淬火后硬度分布

從圖4a可看出，彈體硬度基本呈正態分布，符合同一工藝同一批次樣品分布規律。改進淬火后的硬度值明顯高于常規淬火后的硬度，改進淬火后的硬度波動性也明顯減小。對所測硬度結果進行了正態分布擬合，結果如圖4b所示。從圖4b可看出，常規淬火的平均硬度為60.5HRC，硬度差達到2.5HRC，改進淬火方式后的平均硬度提高至67.1HRC，硬度差減小至1HRC左右。常規淬火處理后的彈體硬度低于驗收指標要求，無法正常使用，改進淬火方式后彈體整體合格率提高到100%。

3.2 小口徑彈體淬火硬度波動分析

小口徑彈體在常規淬火條件下出現了硬度偏低和波動性大等問題，綜合分析認為，彈體在淬火過程中冷卻速度的變化，彈體浸入淬火冷卻介質時有局部堆集現象，導致淬火冷卻介質的沸騰期延長，破蒸汽膜時間增加是影響彈體淬火硬度達不到要求及波動性大的主要原因[7，8]，彈體在淬火過程中冷卻速度不足或冷卻速度不均勻，需要改善彈體淬火過程中的冷卻條件。在加裝特殊構件使彈體在入液后以均勻的冷卻速度冷卻，不但可以提高彈體的表面硬度，而且可以減小硬度的波動性，保證彈體的硬度均勻分布。常規淬火和改進淬火工藝下，彈體的冷卻過程如圖5所示。

圖5 彈體淬火冷卻過程示意

從圖5a可看出，在常規淬火條件下，彈體散落入淬火冷卻介質后，彈體在沉落過程中彼此就會出現接觸、搭接或碰撞，此時就會嚴重影響淬火冷卻介質的流動，降低淬火冷卻介質的整體冷卻能力（如紅色箭頭所指位置），而彈體表面由于相互接觸也會出現局部冷卻速度的波動。由此可知，冷卻速度降低會顯著影響淬火硬度，而彈體表面冷卻速度的不均勻更是造成硬度波動的直接原因，最終造成硬度波動性超標。從圖5b可看出，改進淬火工藝后，由于采用了專用的淬火冷卻裝置，因此可以有效地防止淬火冷卻過程中彈體的相互接觸，淬火冷卻介質可以在彈體之間充分流動，保證了彈體表面的淬火冷卻速度，避免了彈體局部位置的冷卻速度波動，淬火環境得到了明顯改善。

3.3 不同淬火工藝條件下合格率對比

對常規淬火和改進淬火兩種工藝條件下的彈體按要求進行了硬度檢測和動態穿甲試驗檢測。

與常規淬火工藝相比，改進淬火工藝后彈體表面的平均硬度提高了7HRC，達到67.1HRC，硬度波動值由原來的2.5HRC降低為1.2HRC，達到驗收要求，硬度指標驗收合格率達100%，而常規淬火硬度指標驗收合格率為40%左右。對改進淬火工藝處理的彈體進行了動態穿甲驗試驗，結果如圖6和圖7所示。從圖7可看出，在有效裝10發彈的條件下，位置1、位置2處鋼板背面形成了崩落，其他位置均已經穿透，穿甲合格率達到100%。

圖6 不同淬火工藝彈體驗收合格率

圖7 改進淬火處理彈鋼動態穿甲驗試驗

4 結束語

本文以小口徑彈體用鋼為研究對象，分析了常規淬火工藝下彈體硬度偏低、波動性偏大的原因，并通過改進淬火槽結構解決了上述技術問題。常規淬火平均硬度為60.5HRC，硬度波動值為2.5HRC，彈體的相互接觸和搭接是造成硬度偏低和波動性超標的直接原因。通過改進淬火槽結構，防止了淬火冷卻過程中彈體的相互接觸，彈體表面平均硬度達到67.1HRC，硬度波動值為1HRC左右，硬度檢測和動態穿甲試驗合格率均達100%。