СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТВОЛА АВТОМАТИЧЕСКОГО СТРЕЛКОВОГО ОРУЖИЯ
METHOD OF MANUFACTURING BARREL OF AUTOMATIC SMALL ARMS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для изготовления стволов пулеметов калибра 7,62 мм, 12,7 мм, 14,5 мм и т.д с хромированным каналом, толщиной хромового покрытия до 0,3 мм.
Известен способ изготовления ствола стрелкового оружия, принятый за прототип (см. М.Г.Арефьев, Л.И.Карпов. «Производство стволов стрелкового оружия» под ред. А.А.Благонравова, НКАП ОборонГИЗ, Главная редакция вооружения и боеприпасов, Москва, 1945, стр.14-15, 210-211, фиг.37). Способ заключается в следующем: ствольную заготовку, например, из стали 30ХН2МФА, подвергают термической обработке для обеспечения требуемого комплекса механических свойств, производят механическую обработку наружной и внутренней поверхности, формируют нарезную часть канала ствола, изготовляют патронник, осаждают на поверхности канала ствола гальванический хром толщиной до 0,3 мм с последующим прогревом для повышения живучести, в том числе для повышения износоустойчивости против механического истирания поверхности канала ствола оболочкой пули, антикоррозионной и эрозионной стойкости.
Недостатками известного способа, выявленными в процессе исследований стволов из стали 30ХН2МФА калибра 7,62 мм, 12,7 мм, 14,5 мм, прошедших испытания на ресурс, являются:
- слой стали казенной части канала ствола калибра 7,62 мм глубиной в несколько десятков микрометров, примыкающий к хрому, претерпевает при стрельбе структурно-фазовые превращения, за которыми при окончании непрерывной очереди в 250 выстрелов следует закалка с образованием участков мартенсита за счет резкого охлаждения на массу, при этом микротвердость образовавшегося мартенсита выше микротвердости мартенсита, полученного обычной закалкой;
- при испытании пулемета калибра 7,62 мм на полный ресурс непрерывных очередей в 250 выстрелов не менее 30. Это означает, что такое количество раз слой стали казенной части канала ствола испытывает мартенситное превращение;
- гальванический хром удерживается в казенной части канала ствола при испытании на ресурс пулемета калибра 7,62 мм при производстве не более 10-11 тыс. выстрелов, затем следует катастрофический износ стали и, как следствие, прорыв пороховых газов, потеря начальной скорости пули и кучности боя, появление в мишени овальных пробоин;
- многократные, быстропротекающие α-γ-α превращения, происходящие в тонком слое стали, граничащем с хромом, растворение карбидных фаз, ранее имеющих атомные связи с покрытием, различие в коэффициентах линейного расширения сменяющих друг друга фаз в процессе превращений по отношению к покрытию с учетом циклических, динамических и ударных нагрузок на канал ствола от действия пороховых газов и механического закручивания пули - причины, приводящие к преждевременной осыпаемости хрома в казенной части канала ствола;
- ударные нагрузки на ствол от действия пороховых газов вызывают образование трещин в закаленном неотпущенном мартенсите, поэтому сколы хрома происходят не только по границе сталь-хром, но и по трещинам в стали;
- α-γ-α превращения, один раз возникнув, в дальнейшем преимущественно протекают в одних и тех же участках слоя стали, примыкающего к хрому, причем при более низкой температуре по причине растворения карбидных фаз в этих зонах - применительно к стволу калибра 7,62 мм;
- стволы оружия калибра 12,7 мм, 14,5 мм имеют те же недостатки, что и стволы калибра 7,62 мм. Отличие в том, что скоростной нагрев при стрельбе приводит к полному α-γ-α превращению в слое стали в несколько десятков микрометров, граничащем с гальваническим хромом. Мартенсит закалки образуется по всему слою казенной части стволов. Естественно, живучесть стволов калибра 12,7 мм, 14,5 мм ниже, чем живучесть стволов калибра 7,62 мм.
1
Анализ выявленных недостатков при исследовании стволов после испытания на ресурс позволяет сделать однозначный вывод, что достигнутая живучесть стволов определена положением первой критической точки AC применяемых сталей.
1
По прототипу в подавляющем большинстве случаев стволы стрелкового оружия изготовляют из стали 30ХН2МФА. Эта сталь надежно обеспечивает требуемый комплекс механических свойств, технологична при хромировании канала ствола, не пассивируется при анодном травлении при величине пульсаций постоянного тока и напряжения в 8-10% от номинала. Однако, сталь 30ХН2МФА имеет низкое положение первой критической точки AC=720°С. Поэтому по причинам, изложенным выше, этот факт приводит к преждевременной осыпаемости хрома в казенной части ствола при стрельбе. Сталь оказывается незащищенной и боевые параметры как-то: начальная скорость пули, кучность боя катастрофически ухудшаются. Поэтому пулеметы обозначенных калибров комплектуются запасным стволом.
Предлагаемым изобретением решается задача по повышению качества и улучшению эксплуатационных характеристик автоматического стрелкового оружия, снижению затрат при производстве пулеметов.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в обеспечении повышенного ресурса стволов, повышении живучести в два и более раз.
1
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления ствола автоматического стрелкового оружия, заключающемся в выборе ствольной стали, изготовлении заготовки ствола, термической обработке на заданный комплекс механических свойств, механической обработке наружной и внутренней поверхностей, формировании нарезной части канала ствола, образовании патронника, осаждении на поверхности канала ствола гальванического хрома с последующим прогревом, новым является то, что для изготовления ствольной заготовки применяют легированные стали с содержанием углерода не выше 0,3 мас.%, имеющие критическую точку AC=790°С и выше, затем заготовку подвергают закалке, при этом охлаждение в перлитном интервале температур осуществляют со скоростью, обеспечивающей подавление процесса выделения карбидов по границам зерен аустенита, используют для гальванического хромирования канала ствола источник постоянного тока и напряжения с пульсациями силы тока и напряжения не более 1% от номинала.
По предлагаемому способу изготовления стволов автоматического стрелкового оружия используют стали, содержащие в своем составе легирующие элементы, которые позволяют не только обеспечить после улучшения ствольной заготовки требуемый комплекс механических свойств, но и значительно повышают положение первой критической точки.
1
1
1
Предлагаются стали, например 25Х4МФ1СА-Ш со значением AC=820°С, 30Х3М3ФА-Ш с селектом углерода по верхнему пределу не более 0,3%, со значением AC=815°С, 25Х3М3НБЦА-Ш со значением AC=790°С.
1
Очевидно, что структурно-фазовые превращения в слое стали, примыкающем к хрому, которые в первую очередь отвечают за осыпаемость хрома в казенной части стволов, изготовленных из предложенных сталей, начинаются на более поздней стадии стрельбы, и как показывают результаты исследования стволов калибра 7,62 мм, снятых в разные моменты при испытании на ресурс, когда толщина хрома уменьшается с ~0,2 мм до ~0,1 мм. Утоненный слой хрома, полученный в результате его износа из-за сильного разогрева его поверхности горением пороховых газов, падением микротвердости и в результате трения с оболочкой пули уже не является тем барьером, который предохраняет слой стали, граничащий с хромом от нагрева выше точки AC. С этого момента в казенной части стволов из предложенных сталей развиваются те же процессы, что и в стали 30ХН2МФА.
Испытание стволов калибра 7,62 мм из стали 30Х3М3ФА-Ш на полный ресурс подтверждает факт повышения живучести в три раза. В результате отпадает необходимость комплектации пулемета запасным стволом.
1
1
1
Из изложенного выше также очевидно, что качество нанесения гальванического покрытия является одним из определяющих факторов обеспечения живучести стволов. Перед хромированием канала ствола всегда производят анодное травление - активирование поверхности путем пропускания обратного тока. Этот процесс необходим, так как напрямую влияет на обеспечение качественного сцепления хрома со сталью. Стволы из стали 30ХН2МФА любого калибра надежно хромируются с применением источника постоянного тока ТВР-1600/12, имеющего значительные по величине пульсации тока и напряжения в диапазоне 8-10% от номинала. Анодное травление перед хромированием стволов из сталей 25Х4МФ1СА-Ш, 30Х3М3ФА-Ш, 25Х3М3НБЦА-Ш, имеющих положение точки AC выше, чем у стали 30ХН2МФА, с применением указанного источника постоянного тока приводит к окислению поверхности независимо от плотности обратного тока и минимального времени обработки. Естественно, адгезия хрома со сталью будет неудовлетворительной, что подтверждено осмотром канала ствола после анодного травления и методикой проверки осыпаемости хрома испытанием специальных образцов. Образование пассивной пленки на поверхности канала ствола при анодном травлении связано, в первую очередь, с химическим составом сталей. Стали 25Х4МФ1СА-Ш, 30Х3М3ФА-Ш, 25Х3М3НБЦА-Ш, имеющие положение точки AC выше, чем у стали 30ХН2МФА, в большей степени легированные, по сравнению со сталью 30ХН2МФА. Сталь 30Х3М3ФА-Ш содержит примерно по три процента хрома и молибдена, а сталь 25Х4МФ1СА-Ш дополнительно легирована четырьмя процентами хрома, примерно одним процентом ванадия и кремния, которые повышают положение точки AC, сталь 25Х3М3НБЦА-Ш кроме хрома и молибдена дополнительно легирована никелем, ниобием и цирконием.
Атом молибдена имеет радиус значительно больше, чем у железа, поэтому при содержании молибдена в стали примерно три процента образуется ограниченный раствор замещения. Естественно, при этом увеличивается напряжение кристаллической решетки железа. Меньший вклад в увеличении напряжения решетки железа вносят атомы хрома, радиус которых незначительно больше радиуса атомов железа, поэтому хром образует с железом неограниченный твердый раствор замещения. Кроме того, дополнительные напряжения в матрице создают дисперсные частицы специальных карбидов, присутствующие в сталях, например карбида ванадия, а также карбидов ниобия и циркония. Все перечисленные факторы приводят к пассивации поверхности канала ствола в процессе анодного травления при использовании источника тока с большими по величине пульсациями тока и напряжения.
Исключить окисление поверхности канала ствола при анодном травлении и надежно обеспечить качество сцепления хрома со сталью удалось стабилизацией по величине тока и напряжения, то есть применить при гальваническом хромировании источник постоянного тока с пульсациями тока и напряжения, не превышающими 1% от номинала, например «Пульсар ПРО 1600/12», где величина «1600» - номинальное значение силы тока (А), «12» - номинальное значение напряжения (В).
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое техническое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Способ изготовления ствола автоматического стрелкового оружия заключается в следующем.
1
Для изготовления заготовки ствола выбирают легированную сталь, в составе которой легирующие элементы в совокупности обеспечивают высокое положение критической точки AC, верхний предел содержания углерода в которой ограничивают 0,3%. Подвергают заготовку термической обработке на заданный комплекс механических свойств, в том числе проводят закалку, обеспечивая высокую скорость охлаждения в перлитном интервале температур, с подавлением процесса выделения карбидов по границам зерен аустенита. Производят механическую обработку наружной и внутренней поверхностей ствольной заготовки. Формируют нарезную часть канала ствола, изготовляют патронник. Осаждают на поверхности канала ствола гальванический хром с последующим прогревом с использованием источника постоянного тока с пульсациями силы тока и напряжения не более 1% от номинала, а затем производят прогрев ствола с хромовым покрытием.
Пример реализации способа изготовления ствола автоматического стрелкового оружия калибра 7,62 мм из стали 30Х3М3ФА-Ш.
1
+5
+5
Ствольную заготовку из стали 30Х3М3ФА-Ш с селектом углерода по верхнему пределу, имеющей высокое положение точки AC=815°C, подвергают термической обработке по режиму: закалка с 1025°С на воду с последующим отпуском на 705°С с охлаждением через воду на воздух. Ограничение верхнего предела углерода в стали не выше 0,3% позволяет производить закалку ствольной заготовки на воду. Высокая скорость охлаждения в перлитном интервале подавляет процесс выделения карбидов по границам зерен аустенита, а значит, обеспечивается требуемое значение ударной вязкости ствольной заготовки. Высокая скорость охлаждения стали в мартенситном интервале с содержанием углерода до 0,3% не вызывает образование закалочных трещин. Максимальная твердость ствольной заготовки после закалки не превышает 53 HRC.
02
в
5
2
2
2
После представленной термической обработки механические свойства стали имеют: предел текучести σ не менее 80 кгс/мм, предел прочности σ не менее 90 кгс/мм, относительное удлинение δ не менее 10%, относительное сужение ψ не менее 40%, ударная вязкость KCU не менее 9 кгс м/см, что удовлетворяет требованиям технических условий.
3
2
4
Затем ствольную заготовку подвергают механической обработке по наружной и внутренней поверхностям, формируют на радиально-ковочной машине SHR-17 нарезную часть канала ствола, изготовляют патронник, осаждают на поверхности канала ствола гальванический хром с использованием источника постоянного тока с пульсациями тока и напряжения не более 1% от номинала «Пульсар ПРО 1600/12». Для хромирования устанавливают анод внутри ствола по оси канала с помощью специальных приспособлений, которые крепятся на дульной и казенной частях ствола. Располагают полученную сборку в установке для скоростного хромирования. К стволу и аноду подключают токоподводы от источника тока. Производят прогрев ствола пропусканием по каналу водного электролита состава CrO 180-200 г/л, HSO 3-5 г/л с температурой 70-75°С в течение 3-4 минут. Активируют поверхность канала ствола пропусканием обратного тока I=70-85 A в течение 5-7 минут, затем производят хромирование канала ствола прямым током I=135-155 А в течение 139-172 минут. После хромирования прогревают ствол с хромовым покрытием при температуре 480-500°С с целью его стабилизации.
Пример реализации способа изготовления ствола автоматического стрелкового оружия калибра 14,5 мм из стали 25Х3М3НБЦА-Ш.
1
±10
Ствольную заготовку из стали 25Х3М3НБЦА-Ш, имеющей высокое положение точки AC=790°С по сравнению со сталью 30ХН2МФА, подвергают термической обработке по режиму: закалка с 1050°C на воду с последующим отпуском на 630-645°С с охлаждением через воду на воздух. Высокая скорость охлаждения в воде подавляет процесс выделения карбидов по границам зерен аустенита в перлитном интервале температур, тем самым обеспечивается требуемое значение ударной вязкости ствольной заготовки. Максимальная твердость ствольной заготовки после закалки не превышает 52HRC.
02
2
2
После представленной термической обработки механические свойства стали имеют: предел текучести σне менее 90 кгс/мм; относительное сужение ψ не менее 65%, ударная вязкость KCU не менее 5 кгс м/см, что удовлетворяет требованиям механических условий.
3
2
4
Затем ствольную заготовку подвергают механической обработке по наружной и внутренней поверхностям, формируют на радиально-ковочной машине SHR-17 нарезную часть канала ствола, изготовляют патронник, осаждают на поверхности канала ствола гальванический хром с использованием источника постоянного тока с пульсациями тока и напряжения не более 1% от номинала «Пульсар ПРО 1600/12». Для хромирования устанавливают анод внутри ствола по оси канала с помощью специальных приспособлений, которые крепятся на дульной и казенной частях ствола. Располагают полученную сборку в установке для скоростного хромирования. К стволу и аноду подключают токоподводы от источника тока. Производят прогрев ствола пропусканием по каналу водного электролита состава CrO 160-200 г/л, HSO 3-5 г/л с температурой 75±2°С в течение 3-4 минут. Активируют поверхность канала ствола пропусканием обратного тока I=450-480 А в течение 4-6 минут, затем производят хромирование канала ствола прямым током I=600-650 А в течение 108-126 минут. После хромирования прогревают ствол при 500-520°С с целью стабилизации хромового покрытия.
Таким образом изготовление стволов автоматического стрелкового оружия калибра 7,62 мм, 12,7 мм, 14,5 мм и других предложенным способом обеспечивает повышение их живучести в два и более раз, тем самым представляется возможность производить комплектацию пулеметов одним стволом.