Совершенно секретно: Отчет 1942 года о разработке новой брони для башни танка КВ

Исследование стали-заменителя для башни танка «КВ»

Целью данной работы было изучение возможности уменьшения содержания дефицитных легирующих элементов, таких как никель и молибден, в стали марки 6674, используемой для литых башен танка «КВ».
Сталь марки ФД 6674, применяемая в массовом производстве, имеет установленный химический состав:

Для эксперимента была выбрана сталь марки ФД 6648 с следующим составом:

Сравнение обеих марок стали показывает, что сталь марки ФД 6643 содержит примерно на 35% меньше никеля — 1,7-2,0% по сравнению с 2,75-3,25% в стали марки ФД 6674, и на 30% меньше молибдена — 0,20-0,3% против 0,3-0,4%.
Для более быстрой проверки правильности выбранного направления было решено отлить одну башню из электропечи, обработать её по существующему режиму и подвергнуть обстрелу.

Одна башня была отлита из электропечи. № башни 194, плавка 61711. Толщина стенки составила 110 мм.

Вместе с проверкой марки стали на башне № 194 была испытана новая технология формовки.

Согласно новой технологии, вместо шести прибылей для питания отливки установлено всего четыре (см. фиг. № 1), что позволило сократить объем огнерезных работ и расход металла.

ФОРМОВКА

Формовка башни проводилась в почве с использованием обычных наполнительной и облицовочной смесей.
Во время формовки модель устанавливалась под небольшим углом. 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 объемом 15 тонн.
Процесс выплавки проходил без отклонений от установленной инструкции.
Окончательное раскисление стали выполнялось алюминием, который вводился по «желобу» в количестве 12 кг на 14 тонн металла.

Температура стали в печи перед выпуском, согласно пиротто, составила 15800С. Температура на желобе — 15450С (по пиротто без поправки).
Под измерением пиротто, вероятно, подразумевается 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 для всех башен массового 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 — это часть стального слитка (отливки), размеры которой превышают требуемые (прим. редактора).

Продолжительность заливки башни (без доливки прибылей сверху), несмотря на высокую температуру металла, составила 2 мин. 15 сек., что значительно превышает среднюю продолжительность 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 для валовых башен, включающему 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 1050-10600С в течение 30 часов, а изотермический отжиг — при температуре 620-6500С в течение 15 часов.

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

Закалка происходила в воде с температурой 8500С. Выдержка при нагреве до закалки составила 8,5 часов, что на 2,5 часа больше, чем предусмотрено инструкцией.

Температура воды в закалочном баке составила 400С, выдержка в баке — 15 минут. Температура башни после извлечения из воды — 65 – 700С.

Высокий отпуск проводился при температуре 5600С в течение 11 часов. Охлаждение после отпуска происходило в воде.

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

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

Излом в остальных частях достаточно вязкий с заметной утяжкой. Твердость, измеренная по сечению пробы в четырех точках, составила 3,6 по Бринелю.

Ввиду наличия кристаллического участка в середине пробы было решено провести повторную закалку с последующим отпуском.

Однако во время второй переобработки выдержка в печи во время отпуска была значительно увеличена на 6 часов из-за невозможности, в связи с производственными проблемами, своевременно выкатить тележку печи. Твердость по сечению пробы составила 3,9 (диаметр отпечатка), что значительно ниже требований технических условий.

В связи с вышеизложенным возникла необходимость провести третью переобработку по тому же режиму, что и первую, но с несколько пониженной температурой отпуска.

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

ИСПЫТАНИЕ БАШНИ

Деталь № 194 пл. № 6171 была передана комиссии для проведения испытания по утвержденному плану.

Испытание башни проводилось в рабочем положении с использованием 76-мм полковой пушки, бронебойными снарядами черт. 2-06519.

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

При испытаниях обстрелом получены следующие результаты:

1. Испытанная башня по бронестойкости соответствует требованиям, предусмотренным временными техническими условиями на литую башню 110 мм из марки стали 6674.

2. Бронестойкость кормовой части башни, не питаемой прибылями, немного ниже, чем у лобовой части, но соответствует пределам, установленным 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 получила трещину и пролом от 85 мм снаряда при скорости 800 м/сек на дистанции 330 м, что указывает на резкое падение вязкости.

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

После полигонных испытаний башня была разрушена под копром для проверки на наличие усадочной рыхлости в местах отсутствия прибылей на нише. Соответствующие изломы представлены на рис. №№ 3, 4, 5. Как видно из их анализа, рыхлости не обнаружено, однако излом оказался несколько суховатым.

На рис. № 6 в изломе видна окисленная поверхность, что указывает на наличие трещин до термической обработки. Эта трещина образовалась в результате обрезки прибылей на термически необработанном изделии (без предварительного отпуска).

Трехкратная термическая обработка, наличие хрупких поражений и измененная толщина стенки изделия (было получено указание о переходе на изготовление валовых башен с уменьшенной толщиной стенок) вызвали необходимость проведения дополнительных исследований, несмотря на удовлетворительные результаты испытаний обстрелом.

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЛИ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ НИКЕЛЯ

В лабораторных условиях исследованию подвергалась плавка № 61711 с следующим химическим составом, в %:

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

Плита подвергалась следующей предварительной термической обработке.

Нормализация при 950 – 10000С, выдержка 15 часов, охлаждение на воздухе.

Высокий отпуск при температуре 660 – 6800С в течение 10 — 12 часов. Охлаждение на воздухе.
Исследование проводилось по следующим направлениям:

1. определение критических точек

2. влияние температуры отпуска на механические свойства

3. склонность стали к отпускной хрупкости

4. влияние низких температур на ударную вязкость.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ТОЧЕК

Определение критических точек проводилось на приборе 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. Также были созданы ударные образцы из стали марки ФД 6674, плавка № 21207, для проведения сравнительных испытаний.

Изготовленные образцы закаливались при температуре 840 – 850°C.

Нагрев под закалку выполнялся в соляной ванне, выдержка 50 минут, охлаждение в масле.
Закаленные образцы подвергались отпуску при температурах 150, 200, 250, 350, 700, 150, 550, 575, 500, 525, 650 и 700°C. Выдержка при отпуске составила 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, достигающее 1,2–1,5 кгм/см2 при температуре отпуска 350°C.

Снижение этой характеристики объясняется тем, что сталь данной марки, как все хромоникелевые стали, обладает склонностью к отпускной хрупкости.

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 ярко проявляется 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 ярко выраженные кристаллы наблюдаются в образцах из стали ФД 6674.

Таким образом, при температуре отпуска 450°C еще присутствуют большие участки кристаллической сыпи, а 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 наблюдается.

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

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

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

В целях 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 — это стандартный призматический брусок с надрезом, используемый для испытаний металлов 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, что позволяет оценить, как режим плавки, модифицирование и другие литейные факторы повлияли на вязкость и склонность металла к хрупкому разрушению.
Испытание проводится на маятниковом копре, где образец укладывается на опоры, маятник ударяет напротив надреза, измеряется затраченная работа и рассчитывается ударная 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. Пониженная ударная вязкость при медленном охлаждении сопровождается кристаллической сыпью, в то время как 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 испытывались при нулевой температуре, минус 20°C, 40°C и 60°C.

На рисунке № 10 показан сосуд, в котором происходило охлаждение образца. Во внутреннее отделение сосуда наливается спирт, обладающий сравнительно низкой температурой застывания (-70°C), затем помещаются образцы. Внутреннее отделение сосуда закрывается дуговой крышкой, через которую вставляется спиртовой термометр. С помощью приспособления, проходящего через середину крышки, во время охлаждения производится перемешивание спирта для равномерного и более интенсивного охлаждения образцов.

В кольцевой сосуд, окружающий внутреннее отделение, небольшими порциями вливается жидкий кислород. По достижении заданной температуры во внутреннее отделение помещается необходимое количество образцов. Выдержка составила 25 минут.
Регулировка температуры происходила с помощью добавления небольших порций кислорода в кольцевой сосуд или теплого раствора спирта в среднее отделение.

После окончания выдержки образцы быстро вынимались и устанавливались на охлажденные до этой температуры металлические подкладки.

Результаты испытаний сведены в таблицу № 4.
Источник[/mask_link]