Способ поверхностной закалки стволов орудий
METHOD OF SURFACE HARDENING OF GUN BARRELS

Изобретение относится к работам, связанным с изготовлением стволов артиллерийских орудий и может быть использовано при выполнении работ по упрочнению внутренних слоев этих орудий для повышения их износа.
В работе (Г.А. Аветинян, Е.О. Баранов, А.И. Демин, Ю.А. Калугин, И.Г. Мешков, А.С. Шинкарев, Д.С. Гилев Лазерное термоупрочнение и наноструктурирование внутренней поверхности каналов стволов стрелкового оружия и артиллерийских орудий // Научно-технический сборник ГНЦ РФ ФГУП «ЦНИИХМ» им. Д.И. Менделеева «Боеприпасы», 2016 г., №2, с. 42-50) (прототип) рассмотрены различные аспекты упрочнения внутренней поверхности стволов орудий за счет поверхностной термообработки с помощью лазерного излучения. Отмечено, что закалка поверхностного слоя орудия позволяет повысить его твердость и тем самым повысить износостойкость и, как следствие, живучесть ствола. При этом показано, что для обеспечения качества такой термообработки необходимо строго выдерживать режимы работы лазерной установки, режимы работы устройства сканирования, чистоту поверхности ствола в зоне обработки и ряд других факторов.
В настоящее время контроль качества закалки осуществляется визуально, или путем измерения твердости, что не всегда доступно, кроме того, измерение твердости характеризует лишь тот, участок, где проведено измерение и не позволяет судить о качестве закалки всего ствола.
С целью обеспечения качественного выполнения работ при проведении закалки необходимо проводить непрерывно неразрушающий контроль процессов происходящих при закалке.
Автором проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов, происходящих при воздействии мощным лучом лазера на изделия из различных сталей.
В основе упрочнения поверхностного слоя стального ствола с использованием энергии лазерного излучения лежит физический процесс, заключающийся в образовании тонкого слоя мартенсита на внутренней поверхности ствола при нагреве зоны ствола до заданной температуры и ее быстром охлаждении. При этом нагрев осуществляется за счет подвода в обрабатываемую зону ствола лучистой энергии лазера, а быстрое охлаждение обеспечивается за счет отвода тепла не нагретой частью металла ствола (у стали высокая теплопроводность).
Рассмотренный способ поверхностного упрочнения стали не исключает образование различных дефектов, которые снижают качество обработки. Основным из таких дефектов является уменьшение толщины закаленного слоя за счет нарушения режимов обработки, качества обрабатываемой поверхности и других факторов.
Эксперименты показывают, что толщина слоя в основном зависит от количества тепловой энергии подведенной в зону термообработки.
В настоящее время под мартенситным превращением понимается особый вид фазового превращения в твердом теле, протекающего по бездиффузионному, сдвиговому механизму, называемому мартенситным, а под мартенситом - продукт такого превращения. Мартенсит в стали есть пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с такой же концентрацией, как и у исходного аустенита. Поскольку превращение является бездиффузионным, то углерод из раствора не выделяется и в процессе превращения происходит только перестройка атомов железа.
Несмотря на то, что относительные перемещения атомов при перестройке малы, абсолютные смещения атомов при мартенситном превращении могут достигать значительных макроскопических размеров (при этом происходит изменение формы превращенного объема аустенита), что является следствием сдвигового механизма превращения и приводит к образованию на поверхности полированного шлифа стали характерного рельефа, подобно наблюдаемому при пластической деформации, а иногда и к образованию трещин.
3
Образования рельефа, на поверхности кристаллов при мартенситном превращении, с учетом высокой скорости процесса будет сопровождаться излучением в окружающее пространство ударных волн. Такая концепция образования волн акустической эмиссии высказана автором много лет назад (Кузнецов Н.С. Теория и практика неразрушающего контроля изделий с помощью акустической эмиссии: Методическое пособие - М.: Машиностроение, 1998. - 96 с.). Она была подтверждена рядом косвенных экспериментов и опубликована в открытой печати. Источниками ударных волн в соответствии с этой концепцией будут являться участки поверхности кристалла, резко выступающие из массы металла, так как скорость их движения (более 10 м/с) существенно превышает скорость звука в окружающем металл воздухе (330 м/с). Возникающие при этом ударные волны будут возбуждать в зоне выпучиваний рельефа металла акустические волны, которые могут быть зафиксированы аппаратурой для регистрации акустической эмиссии.
При реализации способа может применяться любая аппаратура для регистрации акустической эмиссии, позволяющая измерять количество импульсов акустической эмиссии за определенное время.
Предлагаемый способ поверхностной закалки стволов орудий, заключается в том, что на локальные участки внутренней поверхности ствола артиллерийского орудия последовательно воздействуют лучом мощного лазера. На начальном участке воздействия определяют качество закалки, например, путем измерения микротвердости (путем вдавливания индентора). Фиксируют режимы работы лазера для качественной закалки. Перед началом работ, на противоположенный от начала обработки торец ствола этого орудия устанавливают приемник сигналов акустической эмиссии, фиксируют уровень акустической эмиссии при воздействии лучом лазера на участке с качественной закалкой. Затем путем последовательного сканирования от одного торца ствола до его другого торца обрабатывают всю внутреннюю поверхность ствола на выбранных режимах работы лазера для качественной закалки. При этом регистрируют уровень акустической эмиссии, сопровождающий процесс лазерной закалки на протяжении всей обработки ствола, закалку на участках ствола с уровнем акустической эмиссии больше или равной, чем на начальном участке, считают качественной.
При уменьшении уровня сигналов акустической эмиссии ниже, чем уровень на качественном участке, обработку прекращают, и выполняют настройку режимов работы лазера и подготовку поверхности ствола орудия (различные загрязнения приводят к уменьшению энергии подводимой от лазера к металлу ствола).
Установка приемника акустической эмиссии на противоположенном конце ствола при начале работ позволяет учесть затухание акустических импульсов при распространении по стволу орудия, и тем самым, позволяет зафиксировать минимальный уровень акустической эмиссии (с учетом затухания). При приближении зоны обработки к другому концу ствола амплитуда сигналов возрастает, этот параметр также является информационным для обеспечения контроля качества закалки.
Для реализации способа были проведены эксперименты.
В экспериментах в качестве аппаратуры для регистрации сигналов акустической эмиссии использован прибор АП-12Э (Разработка Ростовского государственного университета). Эксперименты проводились путем воздействия на поверхность образцов из стали 45X1 импульсами лазера, возбуждаемыми установкой «Квант». Длительность импульса работы установки «Квант» составляла 5 мс. Различная глубина закаленной зоны достигалась последовательным воздействием на зону различным количеством импульсов. Такая технология (посыл нескольких импульсов лазера в одну и ту же зону) применяется и при закалке внутренних поверхностей артиллерийских орудий. С помощью прибора АП-12Э регистрировалось количество импульсов в секунду в процессе воздействия импульсами лазера. Приемник сигналов акустической эмиссии находился на расстоянии 1200 мм от зоны воздействия лазером.
Экспериментально установлено, что уровень акустической эмиссии (общее количество импульсов за время воздействия лазером) зависит от толщины слоя, а именно, чем толщина слоя выше, тем уровень акустической эмиссии выше.
Толщина закаленного слоя в проведенных экспериментах составляла от 0,2 до 0,8 мм при воздействии на зону от одного до пяти импульсов лазерного излучения. Количество импульсов в секунду при этом изменялось от 1300 до 5000.
Таким образом, эксперименты по проведению поверхностной закалки стали с помощью импульсной лазерной установки и регистрации при этом сигналов акустической эмиссии подтверждают техническую реализуемость предлагаемого способа и позволяют непрерывно в процессе работы осуществлять неразрушающий контроль качества закалки.
Изложенные сведения о заявленном изобретении, охарактеризованном в независимом пункте формулы, свидетельствуют о возможности его осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств и методов. Следовательно, заявленный способ соответствует условию промышленной применимости.