Совершенно секретно: уникальный отчет 1942 года о разработке новой брони для танка КВ

Исследование стали-заменителя для башни танка «КВ»

Целью данной работы было проверить возможность 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, имеет следующий установленный химический состав:

Для экспериментальных работ была выбрана сталь ФД 6648 со следующим составом:

Сравнение обеих марок стали показывает, что сталь 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 оперативной проверки правильности выбранного направления было решено отлить одну башню из электропечи, обработать ее по существующему режиму и подвергнуть обстрелу.

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

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

Согласно новой технологии, 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 применением стандартных наполнительной и облицовочной смесей.
При формовке модель размещалась в слегка наклонном положении. Угол наклона кормовой части составлял около 5 градусов к горизонту.

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

ВЫПЛАВКА СТАЛИ

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

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

Анализ выплавленной стали следующий:
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 выполнялась, как и для всех башен валового производства, в сухую форму. Металл подавался через стояк диаметром 90 мм и 10 питателей диаметром 38 мм. Прибыли добавлялись 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 добавления 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.).

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

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Башня обрабатывалась по режиму, принятому в то время для валовых башен, который включал 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 помещением на гомогенизацию башня покрывалась для защиты от окисления и обезуглероживания составом, состоящим из равных частей графита и огнеупорной глины.

Закалка осуществлялась 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 минут. Температура башни после извлечения из воды составила 65 – 70°C.

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

На фиг. № 2 приводится изображение излома образца, вырезанного из передней части башни после термической обработки.

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

Излом в остальных частях оказался достаточно вязким с заметной утяжкой. Твердость, измеренная по сечению образца в четырех точках, составила 3,6 по Бринеллю.

С учетом наличия кристаллического участка в центре образца было принято решение подвергнуть башню повторной закалке с последующим отпуском.

Однако при выполнении второй повторной обработки выдержка в печи во время отпуска была значительно увеличена на 6 часов из-за производственных неполадок, что не позволило вовремя выкатить тележку печи. Твердость по сечению образца составила 3,9 (диаметр отпечатка), что значительно ниже требований технических условий.

В связи с этим возникла необходимость провести третью повторную обработку по тому же режиму, что и первая, но с немного 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 испытания по утвержденному плану.

Испытание башни происходило в рабочем положении с помощью 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 хвостовую часть.

В ходе испытаний обстрелом были 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 имеющей прибылей, несколько ниже бронестойкости лобовой части, однако находится в пределах, указанных временными техническими условиями.

3. Вязкость данной опытной башни не ниже ранее испытанных литых башен, изготовленных из стали марки 6674, при испытании снарядом 76 мм, но при пониженных температурах опытная башня проявила трещину и пролом от 85 мм снаряда при скорости 800 м/сек. на дистанции 330 м, что указывает на резкое уменьшение вязкости.

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

По окончании полигонных испытаний башня была разрушена под копром для проверки наличия усадочной рыхлости в местах, где отсутствуют прибыли на нише. Соответствующие изломы представлены на рис. №№ 3, 4, 5. Как видно из их анализа, рыхлости не обнаружено, но излом оказался несколько суховатым.

На рис. № 6 в изломе видно окисленную поверхность, что свидетельствует о наличии трещин до термической обработки. Эта трещина идет от места обрезки прибылей и образовалась в результате обрезки прибылей термически необработанного изделия (без предварительного отпуска).

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

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЛИ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ НИКЕЛЯ

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

В лабораторных условиях исследовались образцы, вырезанные из плиты размером 1200 х 1000 х 110 мм, залитой 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. Изучение влияния температуры отпуска на механические свойства

3. Определение склонности стали к отпускной хрупкости

4. Установление влияния 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 с температуры 840 – 850°C.

Нагрев под закалку осуществлялся в соляной ванне, выдержка 50 минут, охлаждение в масле.
Закаленные образцы подвергались отпуску при температурах 150, 200, 250, 350, 500, 550, 575, 600, 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, подобно всем хромоникелевым сталям, 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 температурном диапазоне 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 ярко выраженные кристаллы наблюдаются в образцах из стали ФД 6674.

Так, при температуре отпуска 450°C еще имеются крупные участки кристаллической сыпи, а при температуре отпуска 550°C излом снова становится волокнистым с хорошей утяжкой.

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

МИКРОСТРУКТУРА

Заметной разницы 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 видны 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 возникают 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 (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, тогда как охлаждение в воде приводит к волокнистому излому.

ИЗМЕНЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Для проверки значений ударной вязкости при пониженных температурах образцы типа Менаже после термической обработки (закалка 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 сосуд, в котором происходило охлаждение образца. Во внутреннее отделение сосуда заливается спирт, обладающий сравнительно низкой температурой замерзания (-70°C), затем помещаются образцы, как указано на рисунке. Внутреннее отделение сосуда закрывается дуговой крышкой, через которую вставляется спиртовой термометр. С помощью приспособления, проходящего через середину крышки, в течение всего времени 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 давалась 25 минут.
Регулировка температуры

Источник