Невероятные открытия: секретный отчет 1942 года о новой броне для танка КВ

По исследованию стали-заменителя для башни танка «КВ»

Цель данной работы заключалась в оценке возможности уменьшения содержания остродефицитных легирующих компонентов никеля и молибдена в стали марки 6674, которая в настоящее время используется для литых башен танка «КВ».
Сталь марки ФД 6674, применяемая в валовом производстве, имеет следующий установленный химический состав:

Для экспериментальных исследований была выбрана сталь марки ФД 6648 с таким составом:

Сравнение обеих марок стали показывает, что ФД 6643 содержит на 35% меньше никеля — 1,7-2,0% вместо 2,75-3,25% и на 30% меньше молибдена — 0,20-0,3% вместо 0,3-0,4%.
Для более быстрой проверки правильности выбранного направления было принято решение отлить одну башню из электропечи, обработать ее в соответствии с существующим режимом и подвергнуть обстрелу.

Башня была залита из электропечи. № башни 194, плавка 61711. Толщина стенки 110 мм.

Одновременно с проверкой марки стали на башне № 194 проводилась оценка новой технологии формовки.

В соответствии с новой технологией, вместо шести прибылей, используемых для питания отливки, установлено четыре (см. фиг. № 1), что позволило сократить объем огнерезных работ и расход металла.

ФОРМОВКА

Формовка башни осуществлялась в почве с использованием обычных наполнительной и облицовочной смесей.
При формовке модель устанавливалась в слегка наклонном положении. Угол наклона кормовой части составлял около 5 градусов к горизонтали.

Наклонное положение заливаемой детали способствовало улучшению условий питания кормовой части башни.

ВЫПЛАВКА СТАЛИ

Плавка № 61711 проводилась в основной электропечи с емкостью 15 тонн.
Процесс выплавки проходил без отклонений от принятой инструкции.
Окончательное раскисление стали осуществлялось с помощью алюминия, который вводился по «желобу» в количестве 12 кг на 14 тонн металла.

Температура стали в печи перед выпуском, по измерению пиротто, составила 1580°C. Температура на желобе — 1545°C (по пиротто без поправки).
Под измерением пиротто, вероятно, имеется в виду бесконтактное определение температуры расплава пирометром (прим. редактора).

Анализ выплавленной стали показал следующие результаты:
Углерод — 0,25%; кремний — 0,26%; марганец — 0,50%; сера — 0,020%; фосфор — 0,024%; хром — 1,54%; никель — 1,83%; молибден — 0,26%.

ЗАЛИВКА

Заливка производилась, как и всех башен валового производства, в сухую форму. Металл подавался через стояк диаметром 90 мм и 10 питателей диаметром по 38 мм. Прибыли доливались сверху горячим металлом.

Прибыль в литейном производстве — верхняя, нижняя или боковая часть стального слитка (отливки), размеры которой превышают требуемые (прим. редактора).

Продолжительность заливки башни (без доливки прибылей сверху) составила 2 мин. 15 сек., что значительно превышает среднее время заливки валовых башен (до 1 мин. 30 сек.).

Медленное заполнение формы объясняется малым диаметром стаканчика и низким ферростатическим давлением.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Башня обрабатывалась по режиму, принятому в тот период для валовых башен и включала операцию гомогенизации с изотермическим отжигом, закалку и высокий отпуск.

Высокий отпуск — это вид термической обработки после закалки, проводимый при температурах 500-700°C в течение 1-6 часов, в зависимости от размеров изделия (прим. редактора).

Гомогенизация проводилась при температуре 1050-1060°C в течение 30 часов, а изотермический отжиг — при температуре 620-650°C в течение 15 часов.

Перед посадкой на гомогенизацию башня покрывалась обмазкой, состоящей из равных частей графита и огнеупорной глины, для предотвращения окисления и обезуглероживания.

Закалка производилась в воде с температурой 85°C. Выдержка при нагреве перед закалкой составила 8,5 часов, что на 2,5 часа больше, чем предусмотрено инструкцией.

Температура воды в закалочном баке – 40°C, выдержка в баке 15 мин. Температура башни после выемки из воды составила 65 – 70°C.

Высокий отпуск проводился при температуре 560°C в течение 11 часов. Охлаждение после отпуска осуществлялось в воде.

На фиг. № 2 представлена фотография излома пробы, вырезанной из передней части башни после термической обработки.

Излом оказался не вполне удовлетворительным, так как в центре присутствует большой кристаллический участок (рис. 2).

В остальной части излом оказался достаточно вязким с заметной утяжкой. Твердость, измеренная по сечению пробы в четырех точках, составила 3,6 по Бринелю.

В связи с наличием кристаллического участка в середине пробы, было принято решение подвергнуть башню повторной закалке с последующим отпуском.

Однако, при проведении второй переобработки выдержка в печи во время отпуска была значительно увеличена на 6 часов из-за невозможности своевременно выкатить тележку печи из-за производственных неполадок. Твёрдость по сечению пробы составила 3,9 (диаметр отпечатка), что значительно ниже требований технических условий.

В связи с этим потребовалось провести третью переобработку по тому же режиму, что и первую, но с незначительно пониженной температурой отпуска.

После третьей обработки излом оказался волокнистым с кристаллической сыпью /рис. 3/. Твердость по Бринелю, диаметр отпечатка — 3,5—3,6.

ИСПЫТАНИЕ БАШНИ

Деталь № 194 пл. № 6171 была представлена комиссии для проведения испытаний согласно утвержденному плану.

Испытание башни проводилось в рабочем состоянии из 76-мм полковой пушки бронебойными снарядами черт. 2-06519.

Всего было произведено 9 выстрелов: 4 в лобовую часть, 3 в левый борт и 2 в кормовую часть.

Результаты испытаний обстрелом показали следующее:

1. Испытанная башня по бронестойкости не ниже требований, предусмотренных временными техническими условиями на литую башню 110 мм из марки стали 6674.

2. Бронестойкость кормовой части башни, не имеющей прибылей, немного ниже бронестойкости лобовой части, но остается в пределах, предусмотренных временными техническими условиями.

3. Вязкость данной опытной башни не ниже, чем у ранее испытывавшихся литых башен, изготовленных из стали марки 6674. Однако при пониженных температурах опытная башня дала трещину и пролом от 85 мм снаряда при скорости 800 м/сек. на дистанции 330 м, что свидетельствует о резком падении вязкости.

Башни, изготовленные из стали марки ФД-6674, не подвергались испытанию 85-мм снарядом.

После полигонных испытаний башня была разрушена под копром для проверки наличия усадочной рыхлости в местах отсутствия прибылей на нише. Соответствующие изломы приведены на рис. №№ 3, 4, 5. Из их анализа следует, что рыхлости не обнаружено, однако излом оказался несколько суховатым.

На рис. № 6 в изломе наблюдается окисленная поверхность, что указывает на наличие трещин до термической обработки. Эта трещина начинается от места обрезки прибылей и возникла в результате обрезки прибылей термически необработанного изделия (без предварительного отпуска).

Трехкратная термическая обработка, наличие хрупких поражений, а также измененная толщина стенки изделия (поступило указание о переходе на изготовление валовых башен с уменьшенной толщиной стенок) потребовали проведения дополнительных исследований, несмотря на удовлетворительные результаты испытания обстрелом.

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЛИ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ НИКЕЛЯ

В лабораторных условиях была исследована плавка № 61711 с следующим химическим составом, в %:

В лабораторных условиях проверялось исследование образцов, вырезанных из плиты размером 1200 х 1000 х 110 мм, отлитой вместе с башней.

Плита подвергалась следующей предварительной термической обработке.

Нормализация 950 – 1000°C, выдержка 15 часов, охлаждение на воздухе.

Высокий отпуск при температуре 660 – 680°C в течение 10 — 12 часов. Охлаждение на воздухе.
Исследование проводилось по следующим направлениям:

1. определение критических точек

2. анализ влияния температуры отпуска на механические свойства

3. выяснение склонности стали к отпускной хрупкости

4. установление влияния низких температур на ударную вязкость.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ТОЧЕК

Определение критических точек проводилось с помощью прибора Лейтца.

Критические точки (или температуры фазовых превращений) в металлургии — это температуры, при которых в сплавах (чаще всего в сталях) происходят структурные изменения: например, превращение феррита в аустенит (Ac1, Ac3) при нагреве или обратные процессы при охлаждении (Ar1, Ar3). Их определение важно для оптимизации термической обработки, легирования и прогнозирования свойств металла. Один из классических методов — дилатометрия, где измеряется линейное расширение (или усадка) образца при изменении температуры. Для этого используется дилатометр Лейтца (Leitz dilatometer) — прибор немецкой фирмы Ernst Leitz (Wetzlar, Германия), разработанный в начале XX века. Дилатометр Лейтца — это прецизионный оптико-механический прибор для регистрации кривых расширения (дилатограмм). Он основан на сравнении теплового расширения испытываемого образца (стержень из стали диаметром 3–5 мм, длиной 20–30 мм) с эталонным (из кварца или инвара, с минимальным расширением). (прим. редактора).

Температура нагрева составила 950°C, скорость нагрева 2°C/мин., скорость охлаждения 2,5°C/мин.

Получены следующие результаты:
Ac1 – 740°C
Ac3 – 785°C
Ar1 – 705°C
Ar3 – 475°C.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТПУСКА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Из плиты плавки № 61711 были изготовлены только ударные образцы. Одновременно были изготовлены ударные образцы из стали марки ФД 6674, плавка № 21207, для сравнительных испытаний.

Изготовленные образцы закаливались с температуры 840 – 850°C.

Нагрев под закалку проводился в соляной ванне с выдержкой 50 минут, охлаждение в масле.
Закаленные образцы отпускались при температурах 150, 200, 250, 350, 700, 150, 550, 575, 500, 525, 650 и 700°C. Выдержка при отпуске 3 часа, охлаждение в воде. Все образцы вырезались на расстоянии 1/4 от поверхности.

Таблица №1
Значения ударной вязкости в зависимости от температуры отпуска /плавка №61711/:

Данные таблицы показывают, что, начиная с температуры 250°C до 500°C, наблюдается резкое понижение ударной вязкости, доходящее до 1,2–1,5 кгм/см2 при температуре отпуска 350°C.

Снижение этой характеристики объясняется тем, что сталь данного состава, как все хромоникелевые стали, обладает отпускной хрупкостью.

Таблица 2
Значения ударной вязкости в зависимости от температуры отпуска (сталь марки ФД 6674):

Данные таблицы № 2 показывают, что отпускная хрупкость стали марки 6674 наблюдается в интервале температур 250°C – 500°C.

Наличие отпускной хрупкости особенно заметно на изломах ударных образцов (рис. 8 и 9).

При температурах отпуска 150 – 200°C наблюдается волокнистый излом, при температуре отпуска 350°C — кристаллический излом. Наиболее выраженные кристаллы наблюдаются в образцах из стали ФД 6674.

Так, при температуре отпуска 450°C ещё имеются крупные участки кристаллической сыпи, при температуре отпуска 550°C излом вновь становится волокнистым и с хорошей утяжкой.

Понижение ударной вязкости при температуре отпуска 700°C объясняется для обеих марок стали тем, что образцы подверглись подкаливанию на воздухе.

МИКРОСТРУКТУРА

Различий в структуре стали марки ФД 6674 и стали плавки 6711 не выявлено.

При температуре отпуска 150°C — 200°C структура состоит из крупноигольчатого мартенсита. При температуре отпуска 550°C в микроструктуре обнаруживаются участки троостита, мартенситовая ориентация сохраняется.

При температуре отпуска 550°C структура становится сорбитовой, а при более высокой температуре отпуска наблюдается коагуляция сорбита.

При температуре отпуска 700°C в микроструктуре имеются участки мартенсита.

Для проверки влияния охлаждающей среды на ударную вязкость образцы подвергались следующей термической обработке: образцы типа Менаже из стали плавки 61711 и стали марки ФД 6574 закаливались при температуре 840–850°C в воде, затем подвергались отпуску при температуре 540°C с последующим охлаждением в воде и в печи.

Образец типа Менаже (образец Менаже) — это стандартный призматический брусок с надрезом, используемый для испытаний металлов (в том числе литейных сплавов) на ударную вязкость (ударный изгиб) по методу Менаже. В литейном производстве ударная вязкость — один из ключевых механических показателей качества отливок (особенно чугуна, стали и цветных сплавов). Образцы типа Менаже отливаются отдельно или вырезаются из тела отливки/прибыли/специальной технологической пробы, заливаемой одновременно с партией. Это позволяет оценить, как режим плавки, модифицирование, скорость охлаждения и другие литейные факторы повлияли на вязкость и склонность металла к хрупкому разрушению.
Испытание проводят на маятниковом копре: образец укладывают на опоры, маятник ударяет напротив надреза, измеряют затраченную работу (в Дж) и рассчитывают ударную вязкость (прим. редактора).

Полученные данные сведены в таблицу № 3.

По данным таблицы №3 наблюдается снижение ударной вязкости при медленном охлаждении как в стали с пониженным содержанием никеля, так и в стали марки ФД 6674.

Вид излома образцов подтверждает полученные результаты по ударной вязкости. Снижение ударной вязкости при медленном охлаждении сопровождается кристаллической сыпью, в то время как быстрое охлаждение в воде дает волокнистый излом.

ИЗМЕНЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Для проверки значений ударной вязкости при пониженных температурах образцы типа Менаже после термической обработки (задание при температуре 850°C в масло, а отпуск при температуре 550°C — охлаждение в воде) испытывались при пониженных температурах: 0°C, -20°C, -40°C и -60°C.

На рисунке № 10 показан вид сосуда, в котором проводилось охлаждение образца. Во внутреннее отделение сосуда наливается спирт, обладающий сравнительно низкой температурой застывания (-70°C), затем помещаются образцы, как указано на рисунке. Внутреннее отделение сосуда закрывается дуговой крышкой, через которую вставляется спиртовой термометр. С помощью конструктивного элемента, проходящего через средину крышки, во время охлаждения осуществляется перемешивание спирта для более равномерного и интенсивного охлаждения образцов.

В кольцевой сосуд, окружающий внутреннее отделение, небольшими порциями вливается жидкий кислород. После достижения заданной температуры во внутреннем отделении помещается необходимое количество образцов. Выдержка составляет 25 мин.
Регулировка температуры осуществляется путем добав

Источник