124 Prace IMŻ 1 (2010) Wojciech WÓJTOWICZ Zakłady Metalowe MESKO Jerzy STĘPIEŃ, Jarosław MARCISZ Instytut Metalurgii Żelaza im. St. Staszica ZASTOSOWANIE W ZAKŁADACH METALOWYCH MESKO NOWOCZESNYCH STALI W WYROBACH SPEŁNIAJĄCYCH STANDARDY NATO Dla zapewnienia konkurencyjności na rynku wyrobów produkowanych i planowanych do wprowadzenia do produkcji w Zakładach Metalowych MESKO, w okresie ostatnich kilku lat w Instytucie Metalurgii Żelaza opracowano nowoczesne gatunki stali i materiały na bazie stopów żelaza oraz technologie wytwarzania z tych materiałów wyrobów stosowanych do produkcji pocisków rakietowych i artyleryjskich. Opracowane technologie wytwarzania dotyczyły pierścieni wiodących pocisków kalibru 35 mm ze stali 004G i korpusów silników rakietowych z nowoczesnych stali maraging dla zestawu rakietowego GROM. Opracowane materiały charakteryzują się szerokim zakresem właściwości, od bardzo miękkich stali 004G na pierścienie wiodące, o twardości od 65 do 75 HRB, do wysokowytrzymałych stali N18K12M4Ts na korpusy silników rakietowych o wytrzymałości rzędu 2400. W referacie przedstawiono osiągnięcia zespołów badawczych w zakresie technologii wytwarzania i zastosowania wyrobów z ww. materiałów. Słowa kluczowe: stal maraging, korpusy rakiet, zgniatanie obrotowe APPLICATION OF MODERN STEELS FOR PRODUCTS COMPLYING WITH NATO STANDARDS IN ZAKŁADY METALOWE MESKO In order to ensure competitiveness on the market of products manufactured and planned to be manufactured in Zakłady Metalowe MESKO, Instytut Metalurgii Żelaza (the Institute for Ferrous Metallurgy) has recently developed modern grades of steel and ferroalloy-based materials and manufacturing technologies of semi products used in production of rocket and artillery missiles. The developed production technologies referred to rotating rings of 35 mm caliber shells made of 004G steel as well as rocket engines cases made of advanced maraging steel for anti-air rocketpropelled system GROM. The developed materials are characterized by wide range of properties from very soft 004G steels intended for rotating rings of 65-75 HRB hardness, to high strength N18K12M4Ts steels intended for rocket engines bodies of ca. 2400 strength. The paper presents achievements of research teams in the scope of production technologies and application of products made of the aforementioned materials. Keywords: maraging steel, rocket cases, flow forming 1. WPROWADZENIE W okresie ostatnich kilkunastu lat w Zakładach Metalowych MESKO we współpracy z Instytutem Metalurgii Żelaza (IMŻ) w ramach realizacji prac badawczych opracowano nowoczesne gatunki stali i materiały na bazie stopów żelaza oraz technologie wytwarzania z tych materiałów wyrobów stosowanych do produkcji pocisków rakietowych i artyleryjskich. W pracach tych uczestniczyły również Politechnika Poznańska oraz Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej. Opracowane technologie wytwarzania dotyczą pierścieni wiodących pocisków kalibru 35mm ze stali 004G i korpusów silników rakietowych z nowoczesnych stali maraging dla zestawu rakietowego GROM. 2. PIERŚCIENIE WIODĄCE DO POCISKÓW 35 mm W celu spełnienia wymagań technicznych Zakładów Metalowych MESKO dla stali i półwyrobów przeznaczonych na pierścienie wiodące pocisków artyleryjskich, w IMŻ opracowano stal, która ma właściwości plastyczne charakterystyczne dla żelaza armco, a znacznie wyższe od niego właściwości wytrzymałościowe [1]. Wyższą wytrzymałość stali na pierścienie wiodące pocisków artyleryjskich uzyskano przez zwiększenie zawartości manganu w stosunku do zawartości stosowanych w żelazie armco. Dla ograniczenia negatywnego wpływu wtrąceń niemetalicznych oraz węgla i azotu na odkształcalność na zimno stali na pierścienie wiodące opracowano technologię wytapiania i odlewania stali w próżni. Ograniczenie zawartości węgla, azotu i wtrąceń niemetalicznych w stali poprawiło jej
Prace IMŻ 1 (2010) Zastosowanie w Zakładach Metalowych MESKO... 125 właściwości plastyczne zarówno na zimno, jak i na gorąco (szczególnie podczas kalibracji pierścienia w trakcie wystrzału pocisku). Pierścienie wiodące pocisków wytworzone z zaproponowanej stali o symbolu 004G w stanie wyżarzonym przed obciskaniem na pocisku charakteryzują się twardością w zakresie od 65 do 75 HRB (rys. 1 i 2). Rys. 1. Fotografia pierścieni wykonanych z niskowęglowej stali przed i po próbie statycznego przepychania przez lufę Fig. 1. Photography of rotating rings made of low-carbon steel before and after test of static forcing through a barrel Rys. 2. Powierzchnia wewnętrzna pierścienia obciśniętego Fig. 2. Inner surface of necked ring Dla pierścieni ze stali o symbolu 004G (zawartość węgla 0,003% i manganu 0,41%) uzyskano następujące parametry balistyczne: P max [] = 382,2 ; V 0 [m/s] = 1183,4 [1]. nej składem do stali narzędziowych do pracy na gorąco, a korpusy silników marszowych wytwarzane są ze stali maraging N18K9M5TPr. Konstruktorzy zestawu rakietowego GROM oczekują od nowych materiałów lepszych właściwości użytkowych, w tym wyższych właściwości wytrzymałościowych, przy zachowaniu wymaganej plastyczności, aby uzyskać dla zespołu rakietowego lepszą sterowalność, a w przyszłości także zwiększony zasięg. W związku z tym IMŻ zaproponował zastosowanie w miejsce stali SP28Ż na korpus silnika startowego stal N18K9M5Ts, a na korpus silnika marszowego stal N18K12M4Ts. W korpusie silnika startowego wykonanym ze stali N18K9M5Ts uzyskano wzrost wytrzymałości rzędu 400 w stosunku do korpusu wykonanego ze stali SP28Ż (wzrost z poziomu ok. 1500 do ok. 1950 ). W korpusie silnika marszowego wykonanego ze stali N18K12M4Ts uzyskano również wzrost wytrzymałości o 400 w stosunku do korpusu wykonanego ze stali N18K9M5TPr (wzrost z poziomu ok. 1950 do ok. 2350 ). W korpusach wykonanych ze stali o wyższych właściwościach wytrzymałościowych można zastosować paliwo wyżej energetyczne niż używano dotychczas. Pozwala to na uzyskanie większego zasięgu wyrzutu i poprawę sterowalności (z wyższego pułapu łatwiej sterować rakietą). Ponadto, zastosowanie stali maraging o wyższej wytrzymałości poprawia znacznie żywotność eksploatacyjną korpusu startowego, polegającą na wzroście liczby regeneracji poeksploatacyjnych, możliwych do wykonania w stosunku do dotychczas stosowanego korpusu z materiału SP28Ż. 3.1. KORPUSY RAKIETOWYCH SILNIKÓW STARTOWYCH [4] 1. Opracowano Tymczasowe Warunki Techniczne (TWT) na wykonanie półwyrobów przeznaczonych na partię modelową korpusów startowych ze stali N18K9M5Ts i zgodnie z TWT wykonano: wytopy stali w piecu próżniowym; obróbkę cieplną ujednorodnienia wlewków; walcowanie na gorąco wlewków w celu wytworzenia taśm; obróbkę powierzchniową taśm; wycinanie krążków; końcową obróbkę cieplną (przesycanie i starzenie). 2. W warunkach technicznych ZM MESKO z dostarczonych krążków o odpowiednio dobranych wymiarach wykonano partię modelową i prototypową korpusów silników startowych (przykład rys. 3). 3. NOWE MATERIAŁY NA KORPUSY ZESTAWU RAKIETOWEGO GROM Propozycję zmian w technologicznym procesie wytwarzania korpusów silników rakietowych zestawu rakietowego GROM opracowano na podstawie wyników prac zrealizowanych we współpracy ZM MESKO i Instytutu Metalurgii Żelaza [2 6]. Obecnie w zestawie rakietowym GROM korpusy silników startowych i marszowych są wytwarzane ze stali importowanych. Korpusy silników startowych wytwarzane są ze stali SP28Ż (28H3SNMWFAŻ) zbliżoa) b) c) Rys. 3. Korpus silnika startowego zestawu rakietowego GROM ze stali N18K9M5Ts w trzech fazach wytwarzania: po wytłoczeniu miseczki (a), po wyciąganiu (b) i po obróbce skrawaniem (c) Fig. 3. GROM (Anti-air rocket-propelled system) booster shell made of N18K9M5Ts steel after cup extrusion (a), after cold drawing (b) and after machining (c)
126 Wojciech Wójtowicz, Jerzy Stępień, Jarosław Marcisz Prace IMŻ 1 (2010) Tablica 1. Wymagane właściwości mechaniczne stali na korpusy silników startowych oraz wartości uzyskane dla stali N18K9M5Ts Table 1. Required mechanical properties of steel for rocket-assisted take-off booster rocket cases and values obtained for N18K9M5Ts steel Oznaczenie stali R m R 0,2 A 5 % Twardość HRC SP28Ż min. 1570 min. 1325 min. 7,5 N18K9M5Ts min. 1950 min. 1850 min. 6,0 min. 52 Wartości uzyskane 1953 1999 1873 1966 7,6 11,5 52 53 Właściwości mechaniczne po końcowej obróbce cieplnej materiału na korpusy silników startowych podano w tablicy 1. 3.2. KORPUSY RAKIETOWYCH SILNIKÓW MARSZOWYCH [5, 6] 1. Wytopiono i odlano próżniowo wlewki ze stali N18K12M4Ts. Po ujednorodnieniu wlewki przekuto na pręty o przekroju okrągłym. 2. Z odcinków prętów wykonano wypraski metodą prasowania na gorąco o założonych wymiarach (z tzw. cienkim i grubym dnem), stanowiące wsad do wyciągania ścianki na zimno. 3. Wypraski po obróbce skrawaniem poddano wyciąganiu ścianki na zimno w dwóch operacjach z wyżarzaniem międzyoperacyjnym. 4. Uzyskany półfabrykat poddano zgniataniu obrotowemu na zimno według obecnie stosowanej technologii. 5. Właściwości mechaniczne materiału w stanie po zgniataniu obrotowym na zimno i po obróbce cieplnej spełniają założone wymagania. Uzyskane właściwości podano poniżej: Oznaczenie stali N18K12M4Ts R m 2318-2434 R 0,2 2236-2421 A 5 % Twardość HRC 7,0-8,6 55-58 Na rys. 4 przedstawiono przykładowe korpusy po dwukrotnym wyciąganiu i zgniataniu na zimno według chronologii doskonalenia technologii wytwarzania korpusów marszowych. 3.3. ZMIANY MIKROSTRUKTURY I WŁAŚCIWOŚCI PODCZAS ZGNIATANIA OBROTOWEGO NA ZIMNO KORPUSÓW SILNIKÓW [7] Zgniatanie obrotowe na zimno jest istotnym procesem w technologii wytwarzania korpusów marszowych, ze względu na możliwość otrzymania końcowych wymiarów wyrobów. Proces ten pozwala na uzyskanie małej grubości ścianki oraz wymaganej długości i wysokiej tolerancji wymiarowej. Po zgniataniu obrotowym na zimno korpusów ze stali N18K12M4Ts stwierdzono wzrost twardości (43 47 HRC) w stosunku do twardości wyjściowej po przesycaniu (30 32 HRC). Przeprowadzono symulacje fizyczne odkształcania z zastosowaniem urządzenia Gleeble 3800 dla stali N18K12M4Ts oraz laboratoryjne próby krótkotrwałego starzenia dla stali N18K9M5Ts. Po odkształceniu próbek walcowych ze stali N18K12M4Ts metodą ściskania w urządzeniu laboratoryjnym Gleeble, w zakresie stopnia odkształcenia do ε 1,8 i temperatury odkształcenia 20 400 o C, stwierdzono wzrost twardości (rys. 5). Prawdopodobną przyczyną wzrostu twardości jest, oprócz umocnienia σ E powstałego na skutek zgniotu, również proces wydzieleniowy wywołany wzrostem temperatury podczas zgniotu σ W. Eksperymenty laboratoryjne z zastosowaniem urządzenia Gleeble wykazały, że próbki ze stali N18K12M4Ts osiągają twardość 500 HV w warunkach odkształcania z szybkością 1 i 10 s -1 w temperaturze 400 C. Rys. 4. Przykładowe korpusy silnika marszowego zestawu rakietowego GROM ze stali N18K12M4Ts po dwukrotnym wyciąganiu i dwukrotnym zgniataniu obrotowym na zimno Fig. 4. GROM (Anti-air rocket-propelled system) sustainer rocket engine case made of N18K12M4Ts steel after two-stage cold drawing and two-stage flow forming
Prace IMŻ 1 (2010) Zastosowanie w Zakładach Metalowych MESKO... 127 Rys. 5. Wyniki pomiarów twardości próbek ściskanych w zakresie temperatury 20 400 C z prędkością odkształcenia 1 i 10 s -1. Każdy punkt odpowiada średniej wartości twardości z 10 pomiarów w środku grubości próbek odkształconych Fig. 5. Results of hardness measurement of specimens compressed in the range of temperature 20 400 C with strain rate 1 and 10 s -1. Each point represents mean value of ten measurements of hardness in the middle of specimen Rys. 7. Wyniki pomiarów twardości próbek poddanych krótkotrwałemu starzeniu Fig. 7. Results of hardness measurement of specimens after short-time aging a) b) c) Rys. 6. Mikrostruktura stali N18K12M4Ts w pobliżu środka próbki odkształconej za pomocą symulatora Gleeble w temperaturze 400 C z prędkością odkształcenia 1 s -1 (a), 10 s -1 (b) oraz mikrostruktura na przekroju poprzecznym korpusu po zgniataniu obrotowym na zimno (grubość ścianki 1,1 mm) i starzeniu przez 8 godz. w temperaturze 480 C (c) Fig. 6. Microstructure of N18K12M4Ts steel in the middle of specimen compressed using Gleeble simulator in temperature 400 C with strain rate 1 s -1 (a), 10 s -1 (b) and microstructure on cross-section of rocket case after flow forming and aging (480 C/8 hours) (c) Mikrostruktura próbek ściskanych w urządzeniu laboratoryjnym Gleeble, przedstawiona na rys. 6 a i b, jest podobna do mikrostruktury materiału korpusu po zgniataniu obrotowym na zimno i starzeniu przez 8 godz. w temperaturze 480 C (rys. 6c). Wyniki laboratoryjnych eksperymentów krótkotrwałego starzenia, w celu określenia jego wpływu na twardość stali N18K9M5Ts, przedstawiono na rys. 7. Na podstawie wyników badań krótkotrwałego starzenia bez odkształcenia stali N18K9M5Ts można wnioskować, że podczas zgniatania obrotowego temperatura wzrasta miejscowo do ok. 550 600 C. Proces starzenia zachodzi już w temperaturze 480 C po ok. 5 minutach (łącznie z czasem nagrzewania); twardość wzrasta do 42 45 HRC. Nieznaczny wzrost twardości podczas starzenia bez odkształcenia w temperaturze 400 C wskazuje, że w trakcie zgniatania obrotowego temperatura jest wyższa od 400 C. Ze względu na wpływ dużych wartości i prędkości odkształcenia plastycznego, występujących w trakcie zgniatania obrotowego, na przyspieszenie procesu starzenia, rzeczywista temperatura podczas zgniatania może być niższa. 4. PODSUMOWANIE W okresie ostatnich kilkunastu lat w Instytucie Metalurgii Żelaza opracowano we współpracy z Politechniką Poznańską, wojskowymi instytutami badawczymi i zakładami produkującymi uzbrojenie nowoczesne gatunki stali i materiały na bazie stopów żelaza oraz technologie wytwarzania z tych materiałów wyrobów stosowanych do produkcji uzbrojenia. Opracowane materiały charakteryzują się bardzo szerokim zakresem właściwości, od bardzo miękkich stali na pierścienie wiodące o twardości od 65 do 75 HRB, do wysokowytrzymałych stali N18K12M4Ts na korpusy silników rakietowych o wytrzymałości rzędu 2400. Prace badawczo-rozwojowe dotyczące nowoczesnych stali maraging są obecnie w trakcie realizacji i dotyczą opracowania technologii wytwarzania materiałów oraz zmian konstrukcyjnych wyrobów związanych z ich zastosowaniem.
128 Wojciech Wójtowicz, Jerzy Stępień, Jarosław Marcisz Prace IMŻ 1 (2010) LITERATURA 1. Stępień J., Starczewski L., Galisz U., Nyc R., Uciński W., Szparaga J.: Analiza doboru nowego materiału na pierścienie wiodące i wyniki badań partii modelowej pocisków artyleryjskich kal. 35 mm 2001, IV Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna, Skarżysko-Kamienna, s.171-200 2. Stępień J., Burdek M., Garbarz B., Marcisz J.: Zbadanie wybranych właściwości technologicznych decydujących o możliwości zastosowania elementów ze stali do wytwarzania pocisków i rakiet artyleryjskich, Sprawozdanie IMŻ nr S0-0619, grudzień 2007, niepublikowane 3. Stępień J., Burdek M., Garbarz B., Marcisz J.: Wykonanie badań w celu określenia możliwości zastosowania stali maraging na korpusy rakietowych silników startowych oraz możliwości wykonania korpusów rakietowych silników marszowych z pręta ze stali maraging, Sprawozdanie IMŻ nr B0-1222, styczeń 2008, niepublikowane 4. Stępień J., Garbarz B., Burdek M., Marcisz J., Galisz U.: Sprawozdanie IMŻ nr PC-0117 z zad nr 1, sierpień 2008, niepublikowane 5. Stępień J., Garbarz B., Burdek M., Marcisz J., Galisz U.: Sprawozdanie IMŻ nr PC-0117 z zad nr 3, sierpień 2008, niepublikowane 6. Burdek M., Stępień J., Marcisz J.: Wykonanie badań w celu określenia możliwości zastosowania stali maraging MS300 na korpusy rakietowych silników marszowych oraz możliwości ich wykonania z pręta, Sprawozdanie IMŻ nr B0-1246, marzec 2009, niepublikowane 7. Burdek M., Stępień J., Marcisz J., Adamczyk M.: Optymalizacja parametrów starzenia po zgniataniu obrotowym na zimno stali maraging N18K9M5Ts i N18K12M4Ts oraz zbadanie dynamicznych właściwości mechanicznych stali na korpusy wytwarzane metodą zgniatania obrotowego na zimno, Sprawozdanie IMŻ nr S0-714, grudzień 2009, niepublikowane Recenzent: Prof. dr hab. inz. Wojciech Przetakiewicz