RU2668531C1

RU2668531C1 - Method of surface hardening of gun barrels

Info

Publication number: RU2668531C1
Application number: RU2017133957A
Authority: RU
Inventors: Николай Сергеевич Кузнецов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Дельта"
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-10-01

Abstract

FIELD: weapons and ammunition.

SUBSTANCE: invention relates to the technology of making artillery barrels. Method of surface hardening of the inner surface of the barrel of an artillery gun is that the control portion of the inner surface of the barrel is acted upon by pulses of a laser emitter for heating and transferring the surface layer of metal to martensite followed by quality control of hardening. At the same time, the level of signals of acoustic emission waves is detected by receivers located on the unprocessed part of the barrel. When the positive results of hardening are achieved in the control section, the selected laser treatment mode is used to harden the entire product. Further, the real-time control of the level of the acoustic emission signal during the barrel processing is performed. When the level of the acoustic emission signal changes, the operating modes of the laser emitter are reset. Invention can be used in many branches of machine engineering.

EFFECT: reducing hardening time and improving the quality of products.

1 cl

Description

Изобретение относится к работам, связанным с изготовлением стволов артиллерийских орудий и может быть использовано при выполнении работ по упрочнению внутренних слоев этих орудий для повышения их износа.The invention relates to works related to the manufacture of artillery gun barrels and can be used in the hardening of the inner layers of these guns to increase their wear.

В работе (Г.А. Аветинян, Е.О. Баранов, А.И. Демин, Ю.А. Калугин, И.Г. Мешков, А.С. Шинкарев, Д.С. Гилев Лазерное термоупрочнение и наноструктурирование внутренней поверхности каналов стволов стрелкового оружия и артиллерийских орудий // Научно-технический сборник ГНЦ РФ ФГУП «ЦНИИХМ» им. Д.И. Менделеева «Боеприпасы», 2016 г., №2, с. 42-50) (прототип) рассмотрены различные аспекты упрочнения внутренней поверхности стволов орудий за счет поверхностной термообработки с помощью лазерного излучения. Отмечено, что закалка поверхностного слоя орудия позволяет повысить его твердость и тем самым повысить износостойкость и, как следствие, живучесть ствола. При этом показано, что для обеспечения качества такой термообработки необходимо строго выдерживать режимы работы лазерной установки, режимы работы устройства сканирования, чистоту поверхности ствола в зоне обработки и ряд других факторов.In the work (G.A. Avetinyan, E.O. Baranov, A.I. Demin, Yu.A. Kalugin, I.G. Meshkov, A.S. Shinkarev, D.S. Gilev Laser thermal strengthening and nanostructuring of the inner surface canals of small arms and artillery barrels // Scientific and technical collection of the State Research Center of the Russian Federation FSUE TsNIIHM named after D.I. Mendeleev "Ammunition", 2016, No. 2, p. 42-50) (prototype) various aspects of hardening are considered the inner surface of the gun barrels due to surface heat treatment using laser radiation. It is noted that the hardening of the surface layer of the gun allows to increase its hardness and thereby increase the wear resistance and, as a result, the survivability of the barrel. It was shown that in order to ensure the quality of such heat treatment, it is necessary to strictly maintain the operating conditions of the laser system, the operating modes of the scanning device, the purity of the barrel surface in the processing zone, and a number of other factors.

В настоящее время контроль качества закалки осуществляется визуально, или путем измерения твердости, что не всегда доступно, кроме того, измерение твердости характеризует лишь тот, участок, где проведено измерение и не позволяет судить о качестве закалки всего ствола.At present, the quality control of hardening is carried out visually, or by measuring hardness, which is not always available, in addition, the hardness measurement characterizes only the area where the measurement was made and does not allow judging the quality of hardening of the entire barrel.

С целью обеспечения качественного выполнения работ при проведении закалки необходимо проводить непрерывно неразрушающий контроль процессов происходящих при закалке.In order to ensure high-quality performance of work during hardening, it is necessary to carry out continuously non-destructive testing of processes occurring during hardening.

Автором проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов, происходящих при воздействии мощным лучом лазера на изделия из различных сталей.The author carried out theoretical and experimental studies of the processes that occur when a powerful laser beam acts on products from various steels.

В основе упрочнения поверхностного слоя стального ствола с использованием энергии лазерного излучения лежит физический процесс, заключающийся в образовании тонкого слоя мартенсита на внутренней поверхности ствола при нагреве зоны ствола до заданной температуры и ее быстром охлаждении. При этом нагрев осуществляется за счет подвода в обрабатываемую зону ствола лучистой энергии лазера, а быстрое охлаждение обеспечивается за счет отвода тепла не нагретой частью металла ствола (у стали высокая теплопроводность).The hardening of the surface layer of a steel barrel using laser radiation energy is based on the physical process, which consists in the formation of a thin martensite layer on the inner surface of the barrel when the barrel zone is heated to a predetermined temperature and rapidly cooled. In this case, heating is carried out by supplying laser radiant energy to the processed zone of the barrel, and rapid cooling is provided by heat removal by the unheated part of the barrel metal (steel has high thermal conductivity).

Рассмотренный способ поверхностного упрочнения стали не исключает образование различных дефектов, которые снижают качество обработки. Основным из таких дефектов является уменьшение толщины закаленного слоя за счет нарушения режимов обработки, качества обрабатываемой поверхности и других факторов.The considered method of surface hardening of steel does not exclude the formation of various defects that reduce the quality of processing. The main of these defects is a decrease in the thickness of the hardened layer due to violation of the processing regimes, the quality of the treated surface and other factors.

Эксперименты показывают, что толщина слоя в основном зависит от количества тепловой энергии подведенной в зону термообработки.Experiments show that the layer thickness mainly depends on the amount of thermal energy supplied to the heat treatment zone.

В настоящее время под мартенситным превращением понимается особый вид фазового превращения в твердом теле, протекающего по бездиффузионному, сдвиговому механизму, называемому мартенситным, а под мартенситом - продукт такого превращения. Мартенсит в стали есть пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с такой же концентрацией, как и у исходного аустенита. Поскольку превращение является бездиффузионным, то углерод из раствора не выделяется и в процессе превращения происходит только перестройка атомов железа.At present, martensitic transformation is understood as a special type of phase transformation in a solid that proceeds by a diffusion-free shear mechanism called martensitic, and martensite is the product of such a transformation. Martensite in steel is a supersaturated solid solution of carbon in α-iron with the same concentration as the original austenite. Since the transformation is diffusion-free, no carbon is emitted from the solution, and only iron atoms are rearranged during the conversion.

Несмотря на то, что относительные перемещения атомов при перестройке малы, абсолютные смещения атомов при мартенситном превращении могут достигать значительных макроскопических размеров (при этом происходит изменение формы превращенного объема аустенита), что является следствием сдвигового механизма превращения и приводит к образованию на поверхности полированного шлифа стали характерного рельефа, подобно наблюдаемому при пластической деформации, а иногда и к образованию трещин.Despite the fact that the relative displacements of atoms during rearrangement are small, the absolute displacements of atoms during martensitic transformation can reach significant macroscopic sizes (in this case, the shape of the transformed volume of austenite changes), which is a consequence of the shear mechanism of transformation and leads to the formation of characteristic steel on the surface of a polished thin section relief, similar to that observed during plastic deformation, and sometimes to the formation of cracks.

Образования рельефа, на поверхности кристаллов при мартенситном превращении, с учетом высокой скорости процесса будет сопровождаться излучением в окружающее пространство ударных волн. Такая концепция образования волн акустической эмиссии высказана автором много лет назад (Кузнецов Н.С. Теория и практика неразрушающего контроля изделий с помощью акустической эмиссии: Методическое пособие - М.: Машиностроение, 1998. - 96 с.). Она была подтверждена рядом косвенных экспериментов и опубликована в открытой печати. Источниками ударных волн в соответствии с этой концепцией будут являться участки поверхности кристалла, резко выступающие из массы металла, так как скорость их движения (более 10³ м/с) существенно превышает скорость звука в окружающем металл воздухе (330 м/с). Возникающие при этом ударные волны будут возбуждать в зоне выпучиваний рельефа металла акустические волны, которые могут быть зафиксированы аппаратурой для регистрации акустической эмиссии.The formation of the relief on the surface of the crystals during a martensitic transformation, taking into account the high speed of the process, will be accompanied by radiation into the surrounding space of shock waves. This concept of the formation of acoustic emission waves was expressed by the author many years ago (Kuznetsov N.S. Theory and practice of non-destructive testing of products using acoustic emission: Methodical manual - M .: Mashinostroenie, 1998. - 96 pp.). It was confirmed by a number of indirect experiments and published in the open press. Sources of shock waves in accordance with this concept will be sections of the crystal surface that sharply protrude from the mass of the metal, since the speed of their movement (more than 10 ³ m / s) significantly exceeds the speed of sound in the air surrounding the metal (330 m / s). The shock waves that arise in this case will excite acoustic waves in the zone of buckling of the metal topography, which can be recorded by equipment for recording acoustic emission.

При реализации способа может применяться любая аппаратура для регистрации акустической эмиссии, позволяющая измерять количество импульсов акустической эмиссии за определенное время.When implementing the method, any equipment for recording acoustic emission can be used, which makes it possible to measure the number of acoustic emission pulses in a certain time.

Предлагаемый способ поверхностной закалки стволов орудий, заключается в том, что на локальные участки внутренней поверхности ствола артиллерийского орудия последовательно воздействуют лучом мощного лазера. На начальном участке воздействия определяют качество закалки, например, путем измерения микротвердости (путем вдавливания индентора). Фиксируют режимы работы лазера для качественной закалки. Перед началом работ, на противоположенный от начала обработки торец ствола этого орудия устанавливают приемник сигналов акустической эмиссии, фиксируют уровень акустической эмиссии при воздействии лучом лазера на участке с качественной закалкой. Затем путем последовательного сканирования от одного торца ствола до его другого торца обрабатывают всю внутреннюю поверхность ствола на выбранных режимах работы лазера для качественной закалки. При этом регистрируют уровень акустической эмиссии, сопровождающий процесс лазерной закалки на протяжении всей обработки ствола, закалку на участках ствола с уровнем акустической эмиссии больше или равной, чем на начальном участке, считают качественной.The proposed method of surface hardening of gun barrels consists in sequentially affecting the local sections of the inner surface of the barrel of an artillery gun with a powerful laser beam. At the initial site of exposure, the quality of quenching is determined, for example, by measuring the microhardness (by indenting the indenter). Fix laser operation modes for high-quality hardening. Before starting work, the receiver of acoustic emission signals is installed on the end face of the barrel of the gun opposite to the beginning of processing, the level of acoustic emission is recorded when the laser beam is exposed to a site with high-quality quenching. Then, by sequential scanning from one end of the barrel to its other end, the entire inner surface of the barrel is processed in the selected laser operating modes for high-quality hardening. At the same time, the level of acoustic emission accompanying the laser hardening process throughout the entire processing of the bore is recorded; hardening in sections of the bore with a level of acoustic emission greater than or equal to that in the initial section is considered to be of high quality.

При уменьшении уровня сигналов акустической эмиссии ниже, чем уровень на качественном участке, обработку прекращают, и выполняют настройку режимов работы лазера и подготовку поверхности ствола орудия (различные загрязнения приводят к уменьшению энергии подводимой от лазера к металлу ствола).If the level of acoustic emission signals is lower than the level at the high-quality site, the processing is stopped, and the laser operating modes are set up and the gun’s barrel surface is prepared (various contaminants lead to a decrease in the energy supplied from the laser to the barrel metal).

Установка приемника акустической эмиссии на противоположенном конце ствола при начале работ позволяет учесть затухание акустических импульсов при распространении по стволу орудия, и тем самым, позволяет зафиксировать минимальный уровень акустической эмиссии (с учетом затухания). При приближении зоны обработки к другому концу ствола амплитуда сигналов возрастает, этот параметр также является информационным для обеспечения контроля качества закалки.The installation of the acoustic emission receiver at the opposite end of the barrel at the beginning of work allows you to take into account the attenuation of acoustic pulses during the propagation of the gun through the barrel, and thereby allows you to record the minimum level of acoustic emission (taking into account attenuation). When the processing zone approaches the other end of the barrel, the signal amplitude increases; this parameter is also informational for ensuring quenching quality control.

Для реализации способа были проведены эксперименты.To implement the method, experiments were conducted.

В экспериментах в качестве аппаратуры для регистрации сигналов акустической эмиссии использован прибор АП-12Э (Разработка Ростовского государственного университета). Эксперименты проводились путем воздействия на поверхность образцов из стали 45X1 импульсами лазера, возбуждаемыми установкой «Квант». Длительность импульса работы установки «Квант» составляла 5 мс. Различная глубина закаленной зоны достигалась последовательным воздействием на зону различным количеством импульсов. Такая технология (посыл нескольких импульсов лазера в одну и ту же зону) применяется и при закалке внутренних поверхностей артиллерийских орудий. С помощью прибора АП-12Э регистрировалось количество импульсов в секунду в процессе воздействия импульсами лазера. Приемник сигналов акустической эмиссии находился на расстоянии 1200 мм от зоны воздействия лазером.In the experiments, the AP-12E device (Development of Rostov State University) was used as equipment for recording acoustic emission signals. The experiments were carried out by exposing the surface of 45X1 steel samples to laser pulses excited by the Quantum facility. The pulse duration of the Quantum installation was 5 ms. Different depth of the hardened zone was achieved by successive exposure of the zone to a different number of pulses. This technology (sending several laser pulses to the same zone) is also used when hardening the internal surfaces of artillery guns. Using the AP-12E device, the number of pulses per second was recorded during exposure to laser pulses. The acoustic emission signal receiver was located at a distance of 1200 mm from the laser exposure zone.

Экспериментально установлено, что уровень акустической эмиссии (общее количество импульсов за время воздействия лазером) зависит от толщины слоя, а именно, чем толщина слоя выше, тем уровень акустической эмиссии выше.It was experimentally established that the level of acoustic emission (the total number of pulses during the laser exposure) depends on the thickness of the layer, namely, the higher the layer thickness, the higher the level of acoustic emission.

Толщина закаленного слоя в проведенных экспериментах составляла от 0,2 до 0,8 мм при воздействии на зону от одного до пяти импульсов лазерного излучения. Количество импульсов в секунду при этом изменялось от 1300 до 5000.The thickness of the hardened layer in the experiments ranged from 0.2 to 0.8 mm when exposed to the zone from one to five pulses of laser radiation. The number of pulses per second in this case varied from 1300 to 5000.

Таким образом, эксперименты по проведению поверхностной закалки стали с помощью импульсной лазерной установки и регистрации при этом сигналов акустической эмиссии подтверждают техническую реализуемость предлагаемого способа и позволяют непрерывно в процессе работы осуществлять неразрушающий контроль качества закалки.Thus, experiments on the surface hardening of steel using a pulsed laser system and registration of acoustic emission signals confirm the technical feasibility of the proposed method and allow continuous non-destructive testing of the quality of hardening during operation.

Изложенные сведения о заявленном изобретении, охарактеризованном в независимом пункте формулы, свидетельствуют о возможности его осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств и методов. Следовательно, заявленный способ соответствует условию промышленной применимости.The above information about the claimed invention, characterized in an independent claim, indicates the possibility of its implementation using the described in the application and known means and methods. Therefore, the claimed method meets the condition of industrial applicability.

Claims

1. The method of surface hardening of gun barrels, namely, that local areas of the inner surface of the barrel of an artillery gun are sequentially exposed to a powerful laser beam, the quality of hardening is determined at the initial site of impact, laser operation modes are recorded for high-quality hardening and by sequential scanning from one end of the barrel to its other end, the entire inner surface of the barrel is treated in the selected laser operating modes for high-quality hardening, characterized in that before At the opposite end of the bore of this gun, a receiver of acoustic emission signals is installed, the level of acoustic emission is recorded when the laser beam is exposed to a site with high-quality quenching, the level of acoustic emission accompanying the laser hardening process throughout the entire processing of the barrel, the hardening in sections of the barrel is recorded with an acoustic emission level greater than or equal to that in the initial section, is considered to be of high quality.

2. The method according to p. 1, characterized in that during the hardening process the level of acoustic emission is continuously analyzed and, when this level decreases, it is lower than the level at a high-quality site, the processing is stopped and the laser operating modes are set up and the surface of the gun barrel is prepared.