Совершенно секретно: отчет 1942 года о революционной броне для башни танка КВ

По исследованию стали-заменителя для башни танка «КВ»

Целью данной работы было исследование возможности уменьшения содержания критически 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, обладает следующим установленным химическим составом:

Для экспериментов была выбрана сталь марки ФД 6648 с таким составом:

Сравнение обеих марок стали показывает, что сталь марки ФД 6643 содержит примерно на 35% меньше никеля — 1,7-2,0% против 2,75-3,25% и на 30% меньше молибдена — 0,20-0,3% вместо 0,3-0,4%.
Для оперативной проверки правильности выбранного направления было принято решение отлить одну башню из электропечи, провести ее обработку по существующему режиму и подвергнуть обстрелу.

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

Параллельно с испытанием марки стали на башне № 194 проверялась новая технология формовки.

Согласно новой технологии, вместо шести прибылей, применяемых 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 размещалась в слегка наклонном положении, угол наклона кормовой части составлял около 5 градусов к горизонтали.

Такое 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 установленной 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 составила 1580°C по измерению пиротто. Температура на желобе — 1545°C (по пиротто без поправки).
Под измерением пиротто, по всей видимости, авторы подразумевают бесконтактное определение температуры расплава пирометром.

Анализ выплавленной стали показал следующее:
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 осуществлялась, 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 верхняя, нижняя или боковая 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 небольшим диаметром стаканчика и низким ферростатическим давлением.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

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

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

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 защитной обмазкой, состоящей из равных частей графита и огнеупорной глины.

Закалка проводилась в воде при температуре 850°C. Выдержка при нагреве перед закалкой составила 8,5 часов, что на 2,5 часа больше, чем предусмотрено инструкцией.

Температура воды в закалочном баке составила 40°C, выдержка в баке — 15 мин. Температура башни после извлечения из воды — 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 не является полностью удовлетворительным, так как в центре находится большой кристаллический участок.

Излом в остальной части достаточно вязкий с заметной утяжкой. Твердость, измеренная по сечению пробы в четырех точках, составила 3,6 (диаметр отпечатка по Бринеллю).

Из-за наличия кристаллического участка в центре пробы было решено провести повторную закалку с последующим отпуском.

Однако при проведении второй переобработки выдержка в печи во время отпуска была значительно увеличена на 6 часов из-за невозможности, вызванной производственными неполадками, своевременно выкатить тележку печи. Твёрдость по сечению пробы оказалась равной 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 немного пониженной температурой отпуска.

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

ИСПЫТАНИЕ БАШНИ

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

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

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

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 питаемой прибылями, несколько ниже бронестойкости лобовой части, но остаётся в пределах, предусмотренных временными техническими условиями.

3. Вязкость данной опытной башни не ниже ранее испытанных литых башен, изготовленных из стали марки 6674, но при пониженных температурах опытная башня дала трещину и пролом от 85 мм снаряда при скорости 800 м/сек на расстоянии 330 м, что демонстрирует 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 наличия усадочной рыхлости в местах отсутствия прибылей на нише. Соответствующие изломы представлены на рисунках 3, 4, 5. Как видно из их анализа, рыхлости не обнаружено, но излом несколько суховат.

На рисунке № 6 в изломе видна окисленная поверхность, что указывает на наличие трещин до термической обработки. Данная трещина возникла от места обрезки прибылей и образовалась в результате обрезки прибылей термически необработанного изделия.

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

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЛИ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ НИКЕЛЯ

В лабораторных условиях исследовалась плавка № 61711 с таким химическим составом, в %:

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

Плита подвергалась 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. выяснение 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 производилось 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 — 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).

Температура нагрева 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 также были изготовлены ударные образцы из стали марки ФД 6674, плавка № 21207, для выполнения сравнительных испытаний.

Изготовленные образцы закаливались с температуры 840 – 850°C.

Нагрев для закалки производился 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 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 с температуры 250°C до 500°C наблюдается резкое снижение ударной вязкости, достигающее 1,2–1,5 кгм/см2 при температуре отпуска 350°C.

Снижение этой характеристики объясняется тем, что сталь данного состава, как и 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 хорошо заметно на изломах ударных образцов.

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.

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

Снижение ударной вязкости при температуре отпуска 700°C объясняется для обеих марок стали тем, что образцы подкалились 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, мартенситная ориентация сохраняется.

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

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

Чтобы проверить влияние 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 — стандартный призматический брусок с надрезом, используемый для испытаний металлов на ударную вязкость (ударный изгиб).

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 охлаждение в воде приводит к волокнистому излому.

ИЗМЕНЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

С целью проверки значений ударной вязкости при пониженных температурах образцы типа Менаже после термической обработки испытывались при температурах: 0°C, -20°C, -40°C и -60°C.

На рисунке № 10 представлен сосуд, в котором производилось охлаждение образца. Во внутреннее отделение сосуда наливается спирт с низкой температурой застывания (-70°C), затем помещаются образцы. Внутреннее отделение сосуда закрывается крышкой, через которую вставляется спиртовой термометр. С помощью приспособления, проходящего через середину крышки, в процессе 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 помещается необходимое количество образцов. Выдержка составляет 25 мин.
Регулировка температуры производится путем добавления небольших порций кислорода или теплого спиртового раствора.

После окончания выдержки образцы быстро извлекаются и устанавливаются на охлажденные до этой температуры металлические подкладки.

Результаты испытаний сведены в таблицу № 4.

Данные таблицы №4 показывают, что ударная работа исследуемых сталей при понижении температуры практически не изменяется. Более низкие значения стали марки 6674 могут быть объяснены особенностями плавки, возможно, сталь данной плавки была перегрета и имела более крупную первичную кристаллизацию, которую не исправила последующая термическая обработка.

Иллюстрировать ударную вязкость большим количеством образцов не удалось из-за нехватки материала. В дальнейшем все последующие плавки с пониженным содержанием никеля будут проверены на ударную вязкость при пониженных температурах.

Полученные результаты показали, что исследуемая сталь не демонстрирует пониженной вязкости и, кроме того, с уменьшением толщины башни (с 110 до 92±8 мм) появляются более благоприятные условия для прокаливаемости от

Источник