Zastosowanie niekonwencjonalnych stali i technologii obróbki powierzchni dla podwyższenia trwałości luf broni strzeleckiej kalibru 5,56 mm

Transkrypt

1 BIULETYN WAT VOL. LVIII, NR 2, 2009 Zastosowanie niekonwencjonalnych stali i technologii obróbki powierzchni dla podwyższenia trwałości luf broni strzeleckiej kalibru 5,56 mm ANDRZEJ DĘBSKI, TADEUSZ ŻÓŁCIAK 1, ZBIGNIEW ŁATAŚ 1, ALEKSANDER CISKI 1, STEFAN KOWALSKI 1 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechatroniki, Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2 1 Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa, ul. Duchnicka 3 Streszczenie. Przedstawiono wyniki badań własnych (IMP) i badań ITU Wydz. Mechatroniki WAT w zakresie zastosowania niekonwencjonalnych gatunków stali na lufy do karabinka szturmowego wz. 96 BERYL. Badano wpływ składu atmosfer i warunków azotowania i węgloazotowania na grubość warstwy związków i strefy dyfuzyjnej, a także na odporność korozyjną w środowisku obojętnej mgły solnej badanych stali. Przytoczono wyniki badań balistycznych prędkości wylotowej pocisków i zużycia powierzchni przewodów po próbach strzelania. Oceniono przydatność badanych materiałów do produkcji luf karabinka szturmowego wz. 96 BERYL. Słowa kluczowe: obróbka powierzchniowa, broń strzelecka, odporność na korozję Symbole UKD: Wprowadzenie Celem badań IMP [1], a także prowadzonych równolegle badań Instytutu Techniki Uzbrojenia, Wydział Mechatroniki, Wojskowej Akademii Technicznej [2] w Warszawie (ITU WAT), finansowanych przez MNiSzW, jest określenie możliwości i celowości zastąpienia dotychczasowej stali i obróbki powierzchniowej luf broni strzeleckiej kalibru 5,56 mm przez inną stal lub stale i obróbkę powierzchniową, zwiększającą trwałość lufy lub nadającą jej inne korzystne własności użytkowe. Dotychczas lufy broni strzeleckiej kalibru 5,56 mm i podobne w większości były produkowane z niskostopowych stali konstrukcyjnych, podobnych do używanej do tego celu krajowej stali 30HN2MFA. Po wstępnej obróbce mechanicznej lufy z takich

2 346 A. Dębski, T. Żółciak, Z. Łataś, A. Ciski, S. Kowalski stali są ulepszane cieplnie do twardości przeważnie w zakresie HRC, po czym są poddawane obróbce mechanicznej wykańczającej i elektrolitycznemu chromowaniu ich przewodu, w celu zabezpieczenia przed korozją podczas długotrwałego, często wieloletniego składowania, a także w celu ochrony wnętrza lufy przed niszczeniem od gazów prochowych. Chemiczne czernienie lub także następne lakierowanie zewnętrznej powierzchni luf o przewodach chromowanych elektrolitycznie służy jako środek ich zabezpieczenia przeciwkorozyjnego i przeciwodblaskowego. W wyniku prac badawczych prowadzonych m.in. w WAT ustalono, iż głównymi przyczynami zużycia tak wykonanych luf jest zmęczenie cieplne intensyfikowane przemianami strukturalnymi stali podczas cyklicznego nagrzewania i oziębiania lufy, zwłaszcza przy równoczesnym działaniu ciśnienia w fazie nagrzewania (podczas spalania wybuchowego) oraz dyfuzja węgla i innych aktywnych pierwiastków pochodzących z gazów po spaleniu prochu sprzyjająca nadtapianiu podłoża. Przemiana strukturalna w stali konstrukcyjnej występuje już od temperatury ok. 730 C, to jest poniżej temperatur, do jakich nagrzewa się wierzchnia warstwa przewodu lufy, a ponadto im wyższa temperatura tej warstwy, tym większe skutki jej niszczenia od korozji gazowej. Mimo iż badane przewody luf były chromowane, to ulegały zniszczeniu głównie przez cykliczne zmiany objętości podłoża stalowego, powodujące pękanie i wykruszanie leżącej na nim warstwy chromu. Taki charakter zużycia występował praktycznie od początku eksploatacji i powodował stałe obniżanie prędkości wylotowej pocisków [3]. Ograniczona skuteczność ochrony przewodu lufy przed niszczeniem wskutek oddziaływania gazów prochowych oraz nieprzyjazność procesu chromowania elektrolitycznego dla środowiska naturalnego spowodowały zainteresowanie przemysłu zbrojeniowego procesem kąpielowego węgloazotowania metodą TENIFER. Technologia ta jest stosowana w przemyśle metalowym od lat 70. ubiegłego wieku, pomimo tego, że odpady cyjankowe powstające przy jej wykorzystaniu są nie mniej uciążliwe dla środowiska od odpadów po procesie chromowania elektrolitycznego. Procesowi TENIFER poddaje się całe, wykonane ze stali konstrukcyjnych, uprzednio ulepszone cieplnie, lufy broni strzeleckiej krótkiej. Wytworzona w ten sposób powierzchniowa warstwa węgloazotowana nadaje lufie dużą odporność na korozję, estetyczne ciemne przeciwodblaskowe zabarwienie i jest bardzo odporna na ścieranie, zaś przewód lufy dodatkowo uodpornia na niszczenie przez gazy prochowe. Nie znaleziono jednak informacji o produkcyjnym stosowaniu kąpielowego węgloazotowania metodą TENIFER lub inną do luf broni strzeleckiej innej niż krótkiej. Wynika to z technicznych przeszkód dostosowania tej technologii do długich otworów o małej średnicy, w których przepływ roztopionej węgloazotującej soli jest utrudniony. Celem pracy było: sprawdzenie przydatności wytypowanych stali i obróbek powierzchniowych w produkcji luf kalibru 5,56 mm do broni strzeleckiej o podwyższonej trwałości,

3 Zastosowanie niekonwencjonalnych stali i technologii obróbki powierzchni zweryfikowanie wytypowanych stali pod kątem spełnienia kryteriów trwałości balistycznej, odporności na korozję atmosferyczną i działanie produktów detonacyjnych, sprawdzenie skuteczności metody fluidalno-gazowego węgloazotowania i azotowania długich luf o małym kalibrze, sprawdzenie celowości zastosowania długookresowe wymrażanie jako operacji uzupełniającej obróbkę końcową, w oparciu o wyniki wykonanego w IMP projektu badawczego [4], wykonanie obróbki cieplnej, cieplno-chemicznej i czernienia próbnych luf, wykonanie badań metaloznawczych i odporności na korozję próbek, wykonanie badań balistycznych luf wykonanych z badanych stali. 2. Materiały i technologie Do badań poza standardową stalą stosowaną na lufy 30HN2MFA wytypowano trzy gatunki stali charakteryzujące się odpornością na zmęczenie cieplne, wysoką temperaturą przemiany strukturalnej, skłonność do azotowania i węgloazotowania, tj. 38HMJ, WCL i 2H13. Aby wyeliminować wpływ przemian struktury α γ podczas nagrzewania lufy na jej trwałość przy strzelaniu, do badań wytypowano stal austenityczno-ferrytyczną typu DUPLEX. Skład chemiczny badanych stali przedstawiono w tabeli 1. Skład chemiczny badanych stali Tabela 1 Lp. Gatunek stali Zawartość pierwiastka (wartość średnia) * Fe C Si Mn Cr Mo Ni Al V 1 30HN2MFA 96,42 0,29 0,26 0,36 0,65 0,24 2,21 0, HMJ 95,21 0,44 0,24 0,54 1,61 0,26 0,19 1,20 3 WCL 91,53 0,35 1,03 0,39 4,96 1,04 4 2H13 86,77 0,17 0,38 0,60 11,52 0,28 5 DUPLEX 67,99 0,04 0,33 1,80 21,83 3,14 4,45 0,11 * Pomiary dokonane urządzeniem Foundry Master 01D0058 (Optik 01D0059) W celu umożliwienia prawidłowego przepływu gazowej atmosfery azotującej lub węgloazotującej przez cienki i długi przewód obrabianej lufy, opracowano metodę fluidalno-gazową, która została zgłoszona do opatentowania i wykorzystano ją w niniejszej pracy.

4 348 A. Dębski, T. Żółciak, Z. Łataś, A. Ciski, S. Kowalski Zastosowano dwa podstawowe procesy utwardzania przewodu lufy, tj. azotowanie i węgloazotowanie w czasie 2 lub 4 h, zróżnicowane sposobem i warunkami nagrzewania do temperatury procesu. Nośnikiem azotu był amoniak techniczny, natomiast jako nośnik węgla wykorzystano w procesach węgloazotowania endogaz, tlenek węgla lub propan. Do rozcieńczania atmosfer stosowano azot techniczny. Przykładowe przebiegi węgloazotowania w atmosferze z propanem lub azotowania przedstawiono na rysunkach 1 a i b. a) b) Rys. 1. Przykładowe przebiegi węgloazotowania w atmosferze z propanem lub azotowania w amoniaku 3. Metody badań Badania twardości powierzchni przeprowadzono metodą Vickersa przy obciążeniach 0,1, 1, 3 i 10 kg. Za kryterium oceny jakości warstwy przyjęto wartości twardości 420 HV3 i 350 HV10, stosowane w Fabryce Broni przy odbiorze technicznym luf. Badania mikrotwardości wykonano na aparacie Zwicka przy obciążeniu 0,1 kg, natomiast mikrostruktury obserwowano i rejestrowano po trawieniu zgładów 2% nitalem przy użyciu mikroskopu świetlnego Neophot-2. Pomiary naprężeń własnych wykonano przy użyciu aparatu rentgenowskiego firmy RIGAKU. Zastosowano metodę sin 2 ψ oraz lampę Cr. W celu określenia wpływu obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej na zmiany wymiarowe przewodu lufy wykonano 15 szt. (po 3 szt. z każdej stali) próbek rurkowych (długość l = 50 mm, średnica zewnętrzna ø15 mm, średnica wewnętrzna ø 6 mm) imitujących przewód lufy, przeznaczonych do wyznaczenia zmian wymiarowych zachodzących podczas węgloazotowania lub azotowania poszczególnych stali. Badania wykonano w Fabryce Broni Łucznik Radom. Odporność korozyjna węgloazotowanych stali 30HN2MFA, 38HMJ, WCL, 2H13 i DUPLEX została zbadana metodą woltamperometryczną. Próbki przed pomiarem oczyszczono w płuczce ultradźwiękowej w acetonie. Badania przeprowadzono w temperaturze pokojowej w natlenionym roztworze 0,1M Na 2 SO 4 + 0,1M NaCl, ph = 3, wykorzystując trójelektrodowe naczynie elektrochemiczne: elektroda badana, elektroda odniesienia nasycona elektroda kalomelowa (SCE), połączona poprzez klucz elektrochemiczny wraz z kapilarą Ługina oraz elektroda pomocnicza

5 Zastosowanie niekonwencjonalnych stali i technologii obróbki powierzchni elektroda platynowa. Anodowe krzywe woltamperometryczne zarejestrowano przy szybkości zmiany potencjału 1 mv/s. Procedura pomiarowa: ustalanie potencjału spoczynkowego OCP, 20 min, rejestracja krzywej anodowej od 0 V vs. OCP do 1,5V vs. OCP. Badania balistyczne przeprowadzono w ITU WAT, wykonując pomiary prędkości wylotowej za pomocą fotooptycznej bramki pomiarowej o bazie 2 m. Ocenę stopnia zużycia przewodów luf wykonano, stosując metodykę przyspieszonego zużycia polegającą na ostrzale dużą ilością amunicji w możliwie najkrótszym czasie. Wcześniej prowadzone próby potwierdziły, że w takich warunkach dochodzi do przyspieszonego zużycia luf. Ocenę stopnia zniszczenia przewodów luf wykonano na podstawie obserwacji miejsc najbardziej narażonych na zużycie: stożka przejściowego i przewodu gazowego za pomocą boroskopu Storz, typu 27015C o kącie obserwacji 70. Obserwowane obrazy zarejestrowano w technice cyfrowej z wykorzystaniem oprogramowania NIS-ELEMENTS firmy Nikon. Obserwacje wykonano po wystrzeleniu 200, 500 i 1000 szt. amunicji z każdej z badanych luf. 4. Wyniki pomiarów twardości powierzchni W przypadku stali 30HN2MFA, 38HMJ i WCL stwierdzono występowanie wyższej twardości powierzchni po dwugodzinnym procesie węgloazotowania i azotowania, w porównaniu z procesem czterogodzinnym. Wysokostopowe stale 2H13 i DUPLEX wymagały dłuższego czasu wytrzymania dla uzyskania odpowiedniej twardości. Ocena wpływu wymrażania na twardość powierzchni jest bardziej złożona, gdyż w niektórych wariantach obserwowano wzrost mikrotwardości powierzchni po wymrażaniu, podczas gdy w innych przypadkach stwierdzono nawet spadek mikrotwardości. Efekt wzrostu twardości przy zastosowanej temperaturze wymrażania głównie zależny był od składu atmosfery podczas nagrzewania i wygrzewania. 5. Badania mikrostruktury warstwy wierzchniej i naprężeń na powierzchniach próbek Umowne grubości warstwy utwardzonych, określone na podstawie pomiarów mikrotwardości i obserwacji metalograficznych, a także grubości warstw związków określone metodą metalograficzną zestawione zostały w tabeli 2. Z obserwacji metalograficznych wynikało, że przedłużenie czasu wytrzymania w temperaturze procesu z 2 do 4 godzin nie zmienia grubości warstwy związków,

6 350 A. Dębski, T. Żółciak, Z. Łataś, A. Ciski, S. Kowalski Grubości warstwy utwardzonych i grubości warstw związków Tabela 2 Gatunek stali Głębokość strefy dyfuzyjnej Grubość warstwy związków Azotowanie lub węgloazotowanie Azotowanie Węgloazotowanie 30HN2MFA μm μm μm 38HMJ μm 14 μm 5-7 μm WCL μm 7 μm 14 μm 2H μm 1 μm 5 μm DUPLEX μm 1-2 μm a niekiedy ulega ona zmniejszeniu. Ponadto twardość powierzchni HV0,1 była wyższa po procesie dwugodzinnym. Wydłużenie czasu z 2 do 4 godzin powodowało niewielki wzrost grubości warstwy utwardzonej, przy dość istotnych zmianach mikrostruktury, zwłaszcza w strefie przypowierzchniowej (m.in. porowatość warstw, profil zmian stężenia węgla i azotu w warstwie). Do badań naprężeń własnych próbki z badanych stali węgloazotowano w temperaturze 570 C i czasie 2 godziny. Badanie wykazało wyższy poziom naprężeń ściskających w stalach o wyższej mikrotwardości powierzchni, a tym samym wyższej zawartości azotkotwórczych i węglikotwórczych pierwiastków stopowych. Po dodatkowym wymrażaniu próbek zaobserwowano wzrost wartości naprężeń oraz mikrotwardości powierzchni. 6. Pomiary zmian wymiarowych stali po obróbce cieplno-chemicznej Pomiary wykazały, że zmiany wymiarowe średnic wewnętrznych próbek rurkowych po obróbce cieplno-chemicznej nie przekraczają wartości 15 μm, co jest zgodne z wymaganiami producenta broni strzeleckiej. 7. Badania korozyjne metodą elektrochemiczną Badaniom elektrochemicznym poddane zostały próbki ze stali stopowych 30HN2MFA, 38HMJ (węgloazotowane w atmosferze amoniak-endogaz) oraz WCL, 2H13 i DUPLEX (węgloazotowane w atmosferze amoniak-propan), a także porównawcze próbki bez obróbki cieplno-chemicznej.

7 Zastosowanie niekonwencjonalnych stali i technologii obróbki powierzchni Dla stali stopowych 30HN2MFA, 38HMJ oraz WCL obróbka węgloazotowania korzystnie wpływa na odporność korozyjną w roztworze 0,1M Na 2 SO 4 + 0,1 M NaCl o ph = 3. Ten korzystny wpływ przejawia się w przesunięciu potencjału korozyjnego do wartości dodatnich, pojawieniu się zdolności do pasywacji oraz niższych wartościach gęstości prądu pików aktywnego rozpuszczania żelaza. Obróbka cieplno-chemiczna najkorzystniej wpływa na stal WCL, której krzywa anodowa w kwaśnym środowisku chlorkowych nie ma piku odpowiadającego aktywnemu roztwarzaniu żelaza oraz w badanym zakresie potencjału ulega pasywacji. Stale 2H13 oraz DUPLEX po obróbce tracą swe właściwości ochronne. Stal nierdzewna 2H13 po węgloazotowaniu nie wykazywała zdolności pasywujących. Natomiast stal DUPLEX osiągała stan pasywny, lecz w mniejszym zakresie. Potencjał korozyjny po węgloazotowaniu przesunął się do wartości ujemnych, co przekłada się na zmniejszenie odporności korozyjnej. Z kontynuowanych badań wynika, że możliwe jest zwiększenie odporności korozyjnej węgloazotowanej stali 2H13 przez zastosowanie odpowiedniej procedury procesu obróbki cieplno-chemicznej. W przypadku stali DUPLEX możliwe jest podwyższenie odporności korozyjnej poprzez obniżenie temperatury procesu węgloazotowania do temperatury poniżej 450 C, kosztem grubości warstwy utwardzonej, a także konieczności znacznego wydłużenia czasu procesu. 8. Wyniki badań balistycznych i obserwacje stopnia zużycia przewodów luf Zdjęcia z boroskopu wykonane w miejscu największego zużycia (początek bruzdowania przewodu lufy) po wystrzeleniu 1000 szt. przedstawiono na rysunkach 2-6. Strzelanie odbywało się według procedury przyspieszonego zużycia, polegającej na ostrzale dużą ilością amunicji w możliwie najkrótszym czasie. Temperatura powierzchni zewnętrznej luf wahała się w zakresie C. Z obserwacji wynika, że najmniejsze zużycie wykazują stal 38HMJ po węgloazotowaniu i DUPLEX. Jednak dopiero planowane w przyszłości badania metalograficzne jednoznacznie mogą potwierdzić powyższą ocenę. Wyniki badań prędkości wylotowej przedstawione w tabeli 3 nie wykazują istotnego spadku prędkości wylotowej w miarę narastania ilości wystrzelonej amunicji. Prawdopodobnie wynika to z krótkiej strefy zniszczeń przewodu lufy, co potwierdzają obserwacje boroskopowe.

8 352 A. Dębski, T. Żółciak, Z. Łataś, A. Ciski, S. Kowalski Prędkości przy strzelaniu z luf z badanych stali Tabela 3 Gatunek stali ostrzał V śr [m/s] 30HN2MFA lufa chromowana 38HMJ lufa węgloazotowana DUPLEX lufa bez obróbki cieplno-chemicznej 2H13 lufa węgloazotowana WCL lufa węgloazotowana bd Rys. 2. Przewód lufy 30HN2MFA, lufa chromowana Rys. 3. Przewód lufy 38HMJ, lufa węgloazotowana

9 Zastosowanie niekonwencjonalnych stali i technologii obróbki powierzchni Rys. 4. Przewód lufy 2H13, lufa węgloazotowana Rys. 5. Przewód lufy WCL, lufa węgloazotowana Rys. 6. Przewód lufy ze stali DUPLEX, lufa bez obróbki cieplno-chemicznej 9. Wnioski Biorąc pod uwagę koszt materiału, obrabialność mechaniczną, odporność na pękanie i zużycie ścierne oraz odporność na korozję, należy stwierdzić, że: stal 38HMJ odpowiada cenowo standardowej stali 30HN2MFA, jest bardzo dobrze obrabialna, a w wyniku azotowania lub węgloazotowania pozwala na uzyskanie znacznie twardszych warstw i jest najbardziej odporna na korozję; stal WCL jest droższa od stali standardowej, dobrze obrabialna, pozwala na uzyskanie wyższych twardości i jest najbardziej odporna na zmęczenie cieplne występujące podczas eksploatacji luf. Cechuje się dobrą odpornością na korozję;

10 354 A. Dębski, T. Żółciak, Z. Łataś, A. Ciski, S. Kowalski stal 2H13 jest znacznie droższa od stali 30HN2MFA, stosunkowo dobrze obrabialna mechanicznie, uzyskuje się cieńsze warstwy utwardzone w porównaniu z poprzednimi stalami ze względu na wysoką zawartość chromu; występują duże trudności w uzyskaniu wysokiej odporności korozyjnej po obróbce cieplno-chemicznej; DUPLEX jest znacznie droższa od stali 30HN2MFA, trudno obrabialna mechanicznie, uzyskuje się najcieńsze warstwy utwardzone w porównaniu z poprzednimi stalami. Uzyskanie wysokiej odporności korozyjnej wymagałoby znacznego obniżenia temperatury węgloazotowania, a tym samym uzyskiwanie jeszcze cieńszych warstw. Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w styczniu 2009 r. LITERATURA [1] PB IMP nr 0 T00B , Próby zastosowania niekonwencjonalnych stali i technologii obróbki powierzchni dla podwyższenia trwałości luf broni strzeleckiej kalibru 5,56 mm, [2] PB ITU WAT nr 0 T00B , Materiałowo-technologiczne badania optymalizacyjne pod kątem zwiększenia trwałości luf broni strzeleckiej, [3] A. Dębski, Badania metalograficzne luf kalibru 5,56 mm po próbach trwałościowych, VI Międzynarodowa Konferencja Uzbrojeniowa Naukowe Aspekty Techniki Uzbrojenia, Waplewo, , [4] PB IMP nr 0T00C , Wymrażanie i azotowanie z wymrażaniem elementów broni strzeleckiej, A. DĘBSKI, T. ŻÓŁCIAK, Z. ŁATAŚ, A. CISKI, S. KOWALSKI Application of unconventional steel grades and surface treatments for increase in lifetime of 5.56-caliber small arms barrels Abstract. The findings of self-made research (the Institute of Precision Mechanics) and research made by the Institute of Armament Technology MUT in scope of application of unconventional steel grades for barrels of BERYL Mod. 96 Assault Rifle have been presented. The effect of atmosphere composition and conditions of nitriding and carbonitriding on the thickness of nitrides layer and diffusion zone and also on the resistance to corrosion in environment of neutral salt fog of examined types of steels was investigated. The results of ballistic research of outlet velocity and wear of surface of lines after shooting trials are presented. The suitability of examined materials for production of barrels of BERYL Mod. 96 Assault Rifle was evaluated. Keywords: surface treatment, small arms, corrosion resistance Universal Decimal Classification: