СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ ВСТАВКИ ДЛЯ ОРУЖЕЙНЫХ СТВОЛОВ
METHOD OF OBTAINING CERAMIC INSERT FOR GUN BARRELS

Изобретение относится к области огнестрельного оружия, в частности к способу получения керамической вставки (футеровки, лейнера) для ствола стрелкового оружия.
Необходимость совершенствования оружейных стволов связана с ростом требований к ним, вызванным повышением энергии зарядов и соответствующим повышением агрессивности среды, температур и давлений в канале ствола за счет воздействия пороховых газов. Эти факторы стали причиной интереса к применению керамических вставок на основе тугоплавких оксидов, карбидов, нитридов и др. Такие материалы обладают сочетанием высокой температуры плавления, хорошей высокотемпературной прочности, низкого коэффициента термического расширения, высоких показателей твердости, износостойкости и стойкости к коррозии и эрозии под влиянием горячих газов. Использование керамических вставок в современных системах вооружения позволит повысить срок службы стволов и, кроме того, обеспечить снижение веса снаряжения, что важно для повышения мобильности вооруженных сил. Моделирование, испытание и разработка способов получения керамических вставок для оружейных стволов в настоящее время активно осуществляется за рубежом, в частности в исследовательских лабораториях США, таких как Научно-исследовательская лаборатория сухопутных войск США (ARL - U.S. Army Research Laboratory) и Научно-исследовательский центр вооружений сухопутных войск США (U.S. Army ARDEC - U.S. Army Armament Research, Development and Engineering Center) и др. [1-8].
При получении керамической вставки важной задачей является разработка способа формования, решающего проблему создания нарезки на внутренней поверхности керамической трубки. В металлических стволах без футеровок нарезку наносят механической обработкой. Использование керамических вставок сопровождается проблемами, связанными с исключительной сложностью создания нарезки путем шлифования алмазным инструментом. Процесс шлифования не только обходится крайне дорого, но и способен привносить в керамику дефекты (микротрещины), которые отрицательно сказываются на характеристиках материала при его применении в оружейных стволах. Одним из способов решения этой проблемы является получение нарезки в керамических вставках в процессе формования благодаря использованию пресс-формы с центральным стержнем, имеющим соответствующую конфигурацию нарезки на его наружной поверхности [5-8].
Известно об использовании метода формования литьем под давлением, позволяющего после операции формования получить заготовку вставки с формой, близкой к заданной, в том числе имеющей нарезку на своей внутренней поверхности. Компания Materials Processing Inc. (США) совместно с ARL разработала процесс получения вставок из керамического материала, такого как оксид алюминия, нитрид кремния, сиалон, диоксид циркония, имеющих нарезку по внутреннему диаметру, с использованием метода формования литьем под давлением (US 2008120889 (A1) (B22F 3/02, B22F 5/12, F41A 21/04) [5, 6]. Метод получения вставки для оружейного ствола включает операции приготовления исходной смеси; формования этой смеси методом литья под давлением; отгонки временного связующего (пластификатора) из сформованной заготовки для получения промежуточной заготовки и консолидации промежуточной заготовки такими методами, как свободное спекание, спекание под давлением и/или горячее изостатическое прессование. Недостатками описанного способа является значительное количество органического связующего, вводимого для осуществления формования методом литья под давлением. Указанное обстоятельство приводит к низкой плотности неспеченной заготовки после операции отгонки связующего и, следовательно, к высокой степени усадки при последующей операции спекания. В результате снижается точность размеров и качество внутренней поверхности спеченного изделия, что повышает долю последующей механической обработки. Кроме того, ухудшается однородность микроструктуры и свойств материала по сравнению с другими методами формования. В данном методе возникают сложности при проектировании формы, габариты которой должны точно учитывать степень усадки при спекании. Кроме того, временное связующее характеризуется сложной многокомпонентной рецептурой, сильно влияющей на качество полученного изделия.
2
3
2
3
Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение, относящееся к способу получения керамических вставок, разработанному американской компанией Materials and Electrochemical Research Corporation (MER) (Storm R. et al. - Mat. and Manuf. Proc. - 2012. - Vol. 27, Is. 8. - P. 875-877) [8], в котором формование осуществляется методом холодного изостатического прессования, позволяющим получить неспеченную заготовку вставки с формой, близкой к заданной, но лишенным недостатков метода литья под давлением, описанных выше. В данном способе подготавливается исходная порошковая смесь, которая содержит нитрид кремния с добавками 4% AlO и 6% YO и временное связующее. Порошковая смесь формуется методом холодного изостатического прессования с получением заготовок в виде трубок. После операций отгонки временного связующего и прокаливания проводится спекание вставок в среде азота при атмосферном давлении. Стержень пресс-формы при холодном изостатическом прессовании изготовлен из нержавеющей стали с требуемой структурой нарезки на его наружной поверхности. В конце операции формования стержень извлекается из заготовки с помощью регулируемого вращения и вытягивания. Отмечается, что для качественного извлечения стержня профиль нарезки на его поверхности должен быть достаточно простым. В том случае, если профиль нарезки слишком сложный (угол стенок, степень закручивания), то это может привести к появлению трещин в заготовке при извлечении стержня.
Недостатком описанного технического решения является невозможность обеспечения высокой точности геометрических размеров изделия по внутреннему диаметру (калибру) и профилю нарезки и недостаточно высокое качество внутренней поверхности из-за использования стержня пресс-формы из материала с относительно низкой износостойкостью (а именно: нержавеющей стали), что, кроме того, повышает долю последующей механической обработки. Другим недостатком является сложность извлечения стержня пресс-формы из заготовки после формования, повышающая вероятность появления дефектов в объеме материала и на внутренней поверхности заготовки после такого извлечения и ограничивающая возможную конфигурацию нарезки, получаемой на внутренней поверхности вставки. Последняя проблема связана с недостаточной жесткостью (низким модулем упругости) и недостаточно низким коэффициентом трения материала стержня. Кроме того, в описанном техническом решении не указаны меры, способствующие улучшению качества наружной поверхности вставки. Описанные недостатки сопровождаются удорожанием процесса из-за снижения ресурса работы стержня пресс-формы вследствие износа, а также из-за повышения доли механической обработки для обеспечения надлежащего качества поверхности и точности размеров.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения керамической вставки для оружейных стволов стрелкового оружия, характеризующейся высокой плотностью, однородностью микроструктуры и высокими механическими свойствами, а также высокой точностью геометрических параметров по внутреннему и наружному диаметру и высоким качеством наружной и внутренней поверхности, позволяющего получить нарезку требуемой конфигурации на внутренней поверхности вставки в процессе формования при минимальной доле механической обработки.
Технический результат, обеспечиваемый при реализации настоящего изобретения, согласно формуле заключается, с одной стороны, в повышении износостойкости стержня пресс-формы и, с другой стороны, - в уменьшении доли механической обработки. Таким образом, обобщенный технический результат можно выразить как снижение трудозатрат и упрощение производства за счет исключения частой замены стержней, а также снижения степени последующей обработки.
Указанная задача решается за счет разработки способа получения керамической вставки, включающего операции подготовки исходной смеси, формования исходной смеси методом холодного изостатического прессования с получением формы заготовки, близкой к конечной, удаления временного связующего при прокаливании, спекания и механической обработки, в котором стержень пресс-формы при операции формования изготавливается из твердого сплава на основе карбида вольфрама, а эластичная оболочка пресс-формы состоит из двух слоев, причем внутренний слой имеет более высокую твердость, чем наружный. При этом различие показателей твердости внутреннего и наружного слоя эластичной оболочки пресс-формы предпочтительно не менее 40 единиц по Шору при твердости внутреннего слоя не менее 80 единиц по Шору. Кроме того, предпочтительно применение стержня пресс-формы, прошедшего обработку в вибромельнице в среде твердосплавных шариков диаметром 5-6 мм при частоте 25 Гц, а спекание может быть проведено методом компрессионного спекания под давлением 5-7 МПа.
В предлагаемом техническом решении использование стержня из твердого сплава позволяет уменьшить износ стрежня пресс-формы и снизить трение заготовки (порошковой смеси) о стенки стержня. Данные факторы обеспечивают высокое качество внутренней поверхности вставки и точность геометрических параметров, уменьшая долю механической обработки. Снижение износа стрежня пресс-формы также повышает ресурс его работы и делает процесс более экономичным.
Использование стержня пресс-формы, обработанного виброупрочнением в среде твердосплавных шариков (диаметром 5-6 мм) при частоте 25 Гц, дополнительно снижает износ и коэффициент трения его наружной поверхности, что снижает усилие при извлечении стержня из заготовки (в том числе при создании нарезки требуемой конфигурации на ее внутренней поверхности за счет нарезов на стержне), способствует улучшению внутренней поверхности вставки и повышению точности ее геометрических размеров.
Использование двухслойной эластичной оболочки пресс-формы с более высокой твердостью внутреннего слоя позволяет более равномерно распределить давление при прессовании, улучшить качество наружной поверхности и повысить точность наружного диаметра заготовки с одновременным уменьшением доли последующей механической обработки. Кроме того, за счет равномерности распределения давления достигается более однородная микроструктура вставки, что повышает ее механические свойства.
При твердости внутреннего слоя эластичной оболочки пресс-формы менее 80 единиц по Шору (и разнице в твердости двух слоев менее 40 единиц по Шору) ухудшается равномерность распределения давления по длине заготовки на ее наружной поверхности, что приводит к менее однородной микроструктуре и более низким механическим свойствам вставки. Неравномерное распределение давления также ухудшает качество наружной поверхности и точность исполнения заданного наружного диаметра при прессовании. Кроме того, при указанных условиях усложняется сборка и разборка пресс-формы, что может вызвать образование механических дефектов в изделии и усложняет процесс в целом.
Также использование формующих стержней твердых сплавов на основе карбида вольфрама дополнительно позволяет получать керамические вставки с относительно сложной структурой нарезов.
Проведение спекания методом компрессионного спекания в среде азота при давлении 5-7 МПа способствует достижению высокоплотной и однородной микроструктуры и высоких механических свойств керамической вставки.
Предлагаемое изобретение является новым, имеет изобретательский уровень, применимо в промышленных масштабах.
Ниже приводится пример реализации изобретения.
Пример 1
Смешение порошков нитрида кремния (Pangea, Китай марки АС-21), оксида алюминия (фирма Almatis, Германия, марка СТ 3000 SDP) и оксида иттрия (Вектон) производят в соотношении: 93 об. %, 2 об. %, 5 об. % соответственно в валковой мельнице с мелющими телами из оксида алюминия в среде изопропилового спирта в течение 24 часов. В качестве временного связующего используют поливиниловый спирт.
Формование заготовок осуществляют методом изостатического прессования с использованием пресс-формы, состоящей из двух металлических крышек; двух эластичных оболочек; двух металлических жгутов и формующего стержня из твердого сплава (состава WC-Co 10 мас. %) с необходимым профилем нарезов на наружной поверхности. Поверхность формующего стержня была предварительно обработана на вибростоле в герметичном стальном контейнере с резиновым карманом и твердосплавными шариками (диаметром 5-6 мм) в 5% водном растворе соды в течение 3-4 часов.
Эластичную оболочку из полиуретана типа Силкаст (твердость по Шору 85 единиц) помещают внутрь более мягкой эластичной оболочки из полиуретана типа Por-a-Mold (твердость по Шору 35 единиц). На дно наружной оболочки устанавливают металлическую крышку, на крышку - формующий стержень. Пресс-форму с уплотненным пресс-порошком закрывают верхней металлической крышкой, места прилегания оболочки к боковым поверхностям верхней и нижней крышки плотно стягивают металлическими жгутами и устанавливают в камеру гидростатического пресса. Прессование осуществляют при давлении 150-200 МПа.
Полученные заготовки далее подвергают прокаливанию в вакуумной печи при температуре 1000°С для удаления временного связующего.
Заготовки после прессования подвергают токарной обработке по наружной поверхности.
Спекание заготовок осуществляют в вакуумно-компрессионной печи при температуре 1800-1950°С в среде азота при давлении 6 МПа. Для устранения поводок (коробления) при спекании внутрь заготовок помещали графитовый стержень, наружный диаметр которого соответствует конечному диаметру керамической вставки после спекания.
После спекания внутренняя и наружная поверхность подвергается механической обработке для снижения шероховатости поверхностей. Наружную поверхность обрабатывают с помощью алмазных кругов, внутреннюю - путем хонингования с использованием гибкого хона. Шероховатость поверхностей на полученных вставках соответствует значению Ra 0,6.
Список источников
[1]. Burton L. et al. Army targets age old problems with new gun barrel materials. / L. Burton, R. Carter, V. Champagne, R. Emerson, M. Audino, E. Troiano // The AMPTIAC Quarterly. - 2004. - Vol. 8, Is. 4. - P. 49-55.
[2]. Swab J.J. et al. Mechanical and thermal properties of advanced ceramics for gun barrel applications. / J.J. Swab, A.A. Wereszczak, J. Tice, R. Caspe, R.H. Kraft, J.W. Adams // Technical report ARL-TR-3417; U.S. Army Research Laboratory. - 2005. - 92 p.
[3]. Robert H. Carter et al. Material Selection for Ceramic Gun Tube Liner // Materials and Manufacturing Processes. - 2006. - V. 21, Is. 6. - P.584-590.
[4]. Advanced Gun Barrel Materials and Manufacturing Technology Symposium-Overview and Perspective, William S. de Rosset, Michael J. Audino, Materials and Manufacturing Processes. - 2006. - V. 21, Is. 6. - P. 571-572.
[5]. US 2008120889 (A1). Bose A., Dowding R.J., et al. [США]; publ. 29.05.2008.
[6]. New material shaping process // U.S. Army SBIR/STTR programs. Transitioning Technologies. Small Business Innovation Research. Small Business Technology Transfer. - Brochure. - 2008. - P. 11.
[7]. Woodruff A.K., Hellmann J. Characterization of long SiAlON ceramic tubes for gun barrel applications. - ARL-CR-573; U.S. Army Research Laboratory. - 2006. - 118 p.
[8]. Storm R. et al. Fabrication of Si3N4 gun barrel liners for very high temperature erosion resistant gun barrels // Materials and Manufacturing Processes. - 2012. - Vol. 27, Is. 8. - P. 875-877.