TWI700379B

TWI700379B - 用於小口徑武器之鋼

Info

Publication number: TWI700379B
Application number: TW105119186A
Authority: TW
Inventors: 傑克斯Ｊ貝魯斯; 多明尼克席耶爾
Original assignee: 法商歐伯特與杜凡公司
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2020-08-01
Also published as: MX2017015836A; US20180142332A1; WO2016203169A1; CN107735501B; PL3310936T3; CN107735501A; EP3310936A1; FR3037599A1; IL255846B; ZA201708049B; TW201708571A; SI3310936T1; EP3310936B1; FR3037599B1; IL255846A; US10724124B2; ES2781330T3

Abstract

本發明係關於一種鋼組合物、用於製造其之方法、所獲得之硬度在46與48 HRC之間及彈性KV在-40℃下為至少40焦耳的鋼毛坯以及其用於製造壓力器具組件之用途。

Description

用於小口徑武器之鋼

本發明係關於一種新穎的鋼，其意欲用於製造小口徑武器管，此鋼在該管在高壓下過度膨脹期間具有良好展性及良好爆裂強度。

在使用武器期間，其筒體經受較高的熱及機械應力。尤其重要的為筒體在武器發射期間不會爆裂，其可能使其使用者受到傷害。因此必需提供高安全性及高品質武器。為達到此目的，必需有即使在極低溫度下仍具有良好機械特性及尤其良好爆裂強度的可供使用的鋼。

專利申請案AT508777及US 2011/0253270A1描述一類用於製造小口徑武器管之鋼，其主要元素之含量高於通常研發此等應用之含量。因此，特定言之，此鋼包含：3.6-4.4% Cr，有利地3.8-4.2%；1.2-1.8% Mo，有利地1.4-1.6%及0.42-0.5% V，有利地0.44-0.48%。

此等文獻指出此等高含量之鉻及鉬對材料之淬火行為及其在高溫下之性質具有有利的作用。具體而言，根據AT508777之圖1之比較實例，具有含量低許多的鉻及鉬之鋼V320在390℃及高於390℃下並不滿足充當筒管之條件。另一方面，該文獻中所描述之鋼族使得有可能獲得回火溫度高於560℃之所要機械性質，其因此使得有可能具有溫度達至500℃之高熱機械強度。然而，使用高含量之鉻、鉬及釩為昂貴的。此外，鋼之彈性性質在該文獻中並未闡述，且專利申請案 AT508777在其圖2中說明在-40℃下標準彈性值為30J。目前，有利的為能夠擁有具有更佳彈性值，尤其在-40℃下至少40J之彈性值，同時降低此鋼之製備成本的可供使用的鋼。另外，此等高含量之鉻、鉬及釩需要高於940℃之高淬火處理溫度，其在淬火之後可導致變形增加且增強去碳化風險。

日本專利申請案JP2000-080444亦描述了一種用作武器管之鋼族。此為具有比習知3% Cr鋼更低鉻含量但具有較高含量之Mo及V的鋼。然而，所描述之族僅可達到限於36 HRC之HRC硬度水準。此硬度水準與高範圍應用所要的水準：46-48 HRC相距甚遠。另外，由於3% Cr之最小水準為20J，而所主張之最小值為16J，因此當與標準3% Cr鋼相比時，所主張之低溫彈性水準較低。

因此有利的為能夠擁有具有更佳彈性值，尤其在-40℃下至少40J之彈性值，同時具有高範圍應用所要硬度：46-48 HRC的可供使用的鋼。

專利US 2 876 095描述用作武器管之兩種鋼族，其藉助於在製備液態金屬期間添加稀土金屬而具有改良之使用壽命。其中鉻及鉬含量低於先前技術之其他鋼的鉻及鉬含量。然而，該專利並不描述任何特定機械性質，且尤其並不指示該鋼之熱機械強度或彈性。

本發明人已出人意料地注意到有可能獲得一類新穎的鋼，其比先前技術之鋼便宜，具有高於當前鋼之彈性值及尤其在-40℃下至少40J之彈性值，同時具有高端應用所要的硬度(46-48 HRC)。此鋼族可因此用於製造高端且因此高品質小口徑武器筒體，其對使用者而言為安全的，此係由於此鋼族在筒體在高壓下過度膨脹期間具有良好展性及良好爆裂強度且不過於昂貴。此族之特徵為低含量之Mn以及低含量之Si，同時避免添加過度含量之特別昂貴的元素Cr、Mo及V。

本發明因此係關於一種鋼組合物，其基本上包含(有利地基本上由以下構成，更尤其由以下構成)：碳：0.28-0.35；錳：0.10-0.60，較佳0.10-0.20；矽：0.10-0.20；鉻：2.80-3.40；鉬：0.70-1.60，較佳0.70-1.30；釩：0.20-0.50，較佳0.20-0.40；磷：

0.005；鎳：

0.10；鋁：

0.025，較佳0.006-0.025；銅：

0.10；砷+銻+錫：<100ppm；硫：<10ppm；鐵：其餘部分；以上係以該總組合物之重量百分比計，以及不可避免的雜質。

特定言之，該等不可避免的雜質，尤其呈鉛(Pb)、鉍(Bi)、鎂(Mg)及鈷(Co)形式，保持儘可能低。此等雜質一般基本上歸因於製造方法及裝料品質。

根據本發明之鋼組合物包含相對於該組合物之總重量在0.28與0.35重量%之間的碳(C)含量。具體而言，該碳含量確保所要硬度(46-48 HRC)在最小值0.28%的情況下達到，同時在最大值0.35%的情況下不損害衝擊強度。由於高碳含量升高延性/脆性轉移溫度接近0℃之溫度，所以較高合量將使得不能獲得良好的低溫衝擊強度性質。

根據本發明之鋼組合物包含相對於該組合物之總重量在0.10與0.60重量%之間的錳(Mn)含量：最小含量0.10%為必需的，以確保液態金屬之脫氧，從而在產物上獲得小於15ppm之氧。此外，為了獲得良好水準之彈性，該Mn含量不應過高。有利地，該Mn含量相對於該組合物之總重量在0.10與0.30重量%之間，更加有利地在0.10與0.20重量%之間。具體而言，限於0.3%之低Mn含量實質上改良在-40℃下之彈性水準，且甚至更限於0.20%之含量甚至更加顯著地改良在-40℃下之彈性水準，所有Mn含量較低，則因此具有適合之回火時間，同時維持足夠的機械強度。此低Mn含量應伴隨有低S含量，以便避免由低熔點硫化物引起之任何脆化。

根據本發明之鋼組合物包含相對於該組合物之總重量在0.10與0.20重量%之間的矽(Si)含量：具體而言，本發明人已意識到低Si含量及低Mn含量之組合使得有可能改良低溫彈性值。然而，該Si含量不應低於0.10%，以便確保在製備液態金屬期間具有足夠的脫氧。

根據本發明之鋼組合物包含相對於該組合物之總重量在2.80與3.40重量%之間的鉻(Cr)含量。此含量應少為為2.80%，以確保在回火之後在最低溫度530℃下具有高機械性質。由於此元素昂貴，出於經濟目的，期望限制其添加。另外，非常有可能的為超過3.40%鉻，機械性質無顯著改良。另外，限於3.4%之鉻含量使得有可能在920℃下進行淬火溶解處理。此溫度限制使得有可能限制去碳化，且最小化淬火變形。用於淬火操作之最大溫度940℃事實上為合乎需要的，其使得可限制會對低溫(-40℃)下之彈性水準具有負面影響之奧氏體晶粒(austenitic grain)增大。有利地，該鉻含量相對於該組合物之總重量在2.80與3.20重量%之間，甚至更加有利地在2.90與3.10重量%之間。

根據本發明之鋼組合物包含相對於該組合物之總重量在0.70與1.60重量%之間的鉬(Mo)含量。此含量應最少為0.70%，以確保在回火之後在最低溫度530℃下具有高機械性質。由於此元素昂貴，故出於經濟目的，期望限制其添加。有利地，鉬含量相對於該組合物之總重量在0.70與1.30重量%之間。具體而言，此範圍似乎為機械性質與所得鋼成本之間的最佳折衷。甚至更加有利地，鉬含量相對於該組合物之總重量在0.70與1.10重量%之間，尤其在0.80與0.90重量%之間。

根據本發明之鋼組合物包含相對於該組合物之總重量在0.20與0.50重量%之間的釩(V)含量。具體而言，少量添加釩使得有可能控制奧氏體晶粒度。精細粒度使得有可能改良低溫彈性行為。然而，釩亦為非常昂貴的元素。因此，低溫彈性行為與所得鋼成本之間的最佳折衷係在0.20與0.50重量%之間。有利地，釩含量相對於該組合物之總重量在0.20與0.40重量%之間，甚至更加有利地在0.20與0.30重量%之間。

根據本發明之鋼組合物不應包含相對於該組合物之總重量呈重量百分比形式大於0.025%之鋁(Al)，以便避免形成氧化鋁，其將損害所要性質。在一有利的實施例中，該鋁含量相對於該組合物之總重量應大於0.006重量%，尤其大於0.008重量%，以使確保足夠的金屬脫氧，矽含量限於0.200%。因此，在一特定實施例中，根據本發明之組合物之鋁含量相對於該組合物之總重量在0.006與0.025重量%之間，有利地在0.008與0.025重量%之間。

根據本發明之鋼組合物具有低含量之殘餘物，以便限制脆化風險。因此，50ppm之最大含量磷(P)，有利地20ppm之最大含量以及受限含量之砷(As)、銻(Sb)及錫(Sn)，此等三種元素之總和小於100ppm，使得有可能獲得極佳的強度/韌性折衷。在一有利的實施例中，根據本發明之鋼組合物之錫含量小於40ppm。在另一有利的實施例中，根據本發明之鋼組合物之砷含量小於40ppm。在又另一有利的實施例中，根據本發明之鋼組合物之銻含量小於20ppm。

根據本發明之鋼組合物不應包含相對於該組合物之總重量呈重量百分比形式大於0.10%之鎳(Ni)，以便達成低H₂含量。在一特定實施例中，根據本發明之組合物之鎳含量小於或等於0.08%。

根據本發明之鋼組合物不能包含相對於該組合物之總重量呈重量百分比形式大於0.10%之銅(Cu)，以便避免使鋼脆化。在一特定實施例中，根據本發明之組合物之銅含量小於或等於0.05%。

根據本發明之鋼組合物不能包含相對於該組成物之總重量呈重量百分比形式大於10ppm之硫(S)，以便避免由低熔點硫化物引起之任何脆化。

在一特別有利的實施例中，根據本發明之鋼組合物基本上包含(有利地基本上由以下構成，更尤其由以下構成)：碳：0.28-0.35；錳：0.10-0.20；矽：0.10-0.20；鉻：2.80-3.40；鉬：0.70-1.30；釩：0.20-0.40；磷：

0.005；鎳：

0.10；鋁：

0.025，較佳0.006-0.025；銅：

本發明亦關於一種用於製造具有根據本發明之鋼組合物之鋼毛坯的方法，其特徵在於其包含：a)製備該鋼之步驟； b)轉化該鋼之步驟；c)該鋼之熱處理，其包含在至少530℃，有利地在530與550℃之間的溫度下持續2與6小時之間的總體時間，有利地持續4小時之總體時間的回火處理。

根據本發明之方法因此包含製備該鋼之步驟a)。此步驟因此使得有可能獲得具有根據本發明之組合物的鋼。有利地，製備步驟a)在電弧爐中進行，接著在脫氣處理(真空電弧脫氣)下進行桶內精煉，視情況伴隨電渣再熔化(ESR)或真空電弧再熔化(VAR)或經由VIM-VAR或VIM-ESR方法之步驟。藉由在電弧爐中實施製備接著進行真空電弧脫氣為最經濟的。其使得有可能獲得良好的包含狀態及較低溶解氣體含量，尤其較低H₂含量。然而，電渣再熔化或真空電弧再熔化處理提供類似結果。此等方法為熟習此項技術者所熟知。

根據本發明之方法亦包含轉化步驟a)中獲得之鋼的步驟b)。有利地，步驟b)係由輥壓、鍛造、錘擊、衝壓或任何其他用於修整該鋼的方式組成，且甚至更加有利地其為輥壓步驟。

最後，根據本發明之方法包含該鋼之熱處理之步驟c)，其包含在至少530℃，有利地在530與550℃之間，尤其545℃之溫度下持續2與6小時之間的總體時間，有利地持續4小時之總體時間的回火處理。

此回火熱處理將最終機械性質提供給該鋼毛坯。所獲得之微觀結構具有視情況存在極低比例之少量鐵氧體片的回火麻田散體類型(martensite type)。

在一特定實施例中，步驟c)包含數個回火處理，尤其數個各自具有2小時之回火處理，其累積時間對應於該步驟之總體時間(亦即有利地在2與6小時之間，更加有利地4小時)。在一有利的實施例中，步驟c)包含兩個或三個各自具有2小時之回火處理(總體時間分別為4小時及6小時)，尤其兩個各自具有2小時之回火處理，其因此對應於具有4 小時之總體時間的回火處理。

因此，步驟c)可由單個回火處理或數個回火處理組成。然而，在一較佳實施例中，其由單個回火處理組成。

在又另一特定實施例中，步驟c)包含在該回火處理之前，在至少900℃，有利地在900與930℃之間，更加有利地920℃之溫度下尤其持續10與30分鐘之間，更尤其持續20分鐘淬火。此為熟習此項技術者所熟知之標準處理。

在另一特定實施例中，該熱處理步驟c)之後可為步驟d)，其由有利地在最大溫度545℃下之氮化操作組成。此為熟習此項技術者所熟知之步驟。

本發明亦關於一種可經由根據本發明之方法獲得之鋼毛坯。此毛坯由具有根據本發明之組合物之鋼且如上文所描述製成。

藉助於根據本發明之方法之回火加熱處理，因此獲得之鋼毛坯在該管在高壓下過度膨脹期間具有良好展性及良好爆裂強度。其尤其在低溫，亦即小於或等於-40℃之溫度下具有良好強度/韌性折衷。

在本發明之一個實施例中，根據標準ASTM E18或等效標準量測，根據本發明之鋼毛坯之硬度在46與48 HRC之間。

在本發明之另一實施例中，根據本發明之鋼毛坯之彈性KV在-40℃下為至少40焦耳，有利地為至少43焦耳，尤其為至少44焦耳，甚至更尤其為至少46焦耳，彈性係根據標準NF-EN ISO 148-1或等效標準量測。

在本發明之另一實施例中，根據本發明之鋼毛坯之機械強度Rm在室溫下係在1500與1600MPa之間，有利地在1510與1560MPa之間，機械強度係根據標準NF EN ISO 6892-1或等效標準量測。

本發明亦關於根據本發明之鋼毛坯或根據本發明之鋼組合物的用途，其係用於製造壓力器具組件，尤其諸如塞子或套管，尤其用於汽缸頭或尤其承受4000至10 000巴之壓力器具管，尤其包括筒管。

有利地，該壓力器具組件為筒管，其尤其用於小口徑武器，更尤其用於輕型武器，甚至更加有利地用於高端武器。因此獲得之筒體具有極佳品質，且對於其使用者而言為極其安全的。

在閱讀以下實例後將更加清楚地理解本發明，該等實例係作為非限制性指導提供。

在實例中，除非另外提及，否則所有百分比均以重量計表達，溫度以攝氏度表達且壓力為大氣壓。

另外，彈性KV係根據標準NF-EN ISO 148-1量測，機械強度Rm係根據標準NF EN ISO 6892-1量測，且硬度係根據標準ASTM E18量測。

比較實例1-鑄件A(Si及Mn含量大於0.2%之鋼組合物)

60公噸之標準工業製備由電爐熔化構成，其包含熔化操作本身以及強制脫磷操作，接著桶內精煉操作以精細地調整化學元素，且以在製備結束時經脫氣處理獲得良好水準之脫氧，以確保脫硫以及低氫含量(H₂含量通常小於2ppm且較佳小於1.5ppm，尤其為約1.2ppm)，該60公噸之標準工業製備用於製造Si及Mn含量大於0.2%之3% CrMoV鋼組合物。所獲得之鋼組合物之化學組成在下方表1中報導：

O₂含量在7與12ppm之間。

將鑄件輥壓成條形物。

在920℃下熱處理20分鐘之後獲得之機械性質及在545℃下回火2小時達到46 HRC之硬度水準，其中相對較精細的粒度大於ASTM指數 10。在20℃下之彈性KV為最小值60焦耳，在-40℃下之彈性為37.7J。彈性因此在-40℃下小於40J。

比較實例2-鑄件B(具有大於0.2%之Si及Mn含量及較低含量之P、As、Sb及Sn的鋼組合物)

鑄件經由與實例1之方法相同的方法獲得。唯一的差異關於鋼之化學組成。其指示於下方表2中。

將鑄件輥壓成條形物。具有低含量殘餘物(P、As、Sb及Sn)之鑄件B所獲得的在-40℃下之彈性值為38.7J(3個值之平均值)，其中加熱處理與對鑄件A進行之加熱處理相同。因此，極低P值及類似地極低殘餘物As、Sb及Sn值(其在鑄件B中之總和為62ppm)並不能顯著增加低溫(-40℃)下之彈性值，該極低P值尤其藉助於以下製備方法獲得，其特別地在電爐中藉由控制地吹入氧氣以及控制金屬及非金屬添加物之化學品質進行。彈性因此在-40℃下小於40J。

實例1-鑄件C(根據本發明之組合物)

鑄件經由與實例1之方法相同的方法獲得。唯一的差異關於鋼之化學組成。其指示於下方表3中，且對應於根據本發明之組合物。

將鑄件輥壓成條形物。

鑄件C在與對鑄件A進行之加熱處理相同的加熱處理下獲得之-40℃下彈性值按照6個測試之平均值計達到43.3J。所獲得之硬度保持在46 與48 HRC之間。奧氏體晶粒度亦保持極其精細，其ASTM指數大於或等於10。

與鑄件A及B(比較實例1及2)相比彈性顯著增加，增加約15%。

實例2-鑄件D(根據本發明之組合物)

鑄件經由與實例1之方法相同的方法獲得。唯一的差異關於鋼之化學組成。其指示於下方表4中。

將鑄件輥壓成條形物。

鑄件C在與對鑄件A進行之加熱處理相同的加熱處理獲得之-40℃下彈性值按照6個測試之平均值計達到43J。所獲得之硬度係在46與48 HRC之間。

與鑄件A及B(比較實例1及2)相比彈性因此亦顯著增加，增加約15%。Si及Mn含量(小於0.20%)因此對-40℃下之彈性具有顯著影響。

實例3-鑄件E(根據本發明之組合物)

鑄件經由與實例1之方法相同的方法獲得。唯一的差異關於鋼之化學組成。其指示於下方表5中。

將鑄件輥壓成條形物。

對於鑄件E，在與比較實例1及2以及實例1及2中對鑄件A至D進行的加熱處理精確地相同的加熱處理下獲得之-40℃下彈性值展示平均值41.16J(6個測試之平均值)。所獲得之硬度範圍為46-48 HRC。

因此，若鋼組合物之Mn含量大於0.200%，則所獲得之韌性KV在-40℃下小於Mn含量<0.200%之對鑄件C及D所獲得之韌性，同時保持大於40J。

實例4-回火處理對根據本發明之組合物之強度/韌性折衷的影響

鑄件C(實例1)在其製成且輥壓成條形物之後經歷920℃下之熱處理20分鐘，接著在545℃下經歷一或多個回火步驟2小時。

根據回火數量獲得之機械性質(在-40℃下之彈性KV及在室溫下之機械強度Rm)在下方表6中指示。

如所說明，回火數量增加愈多，則在-40℃下之彈性增加愈多，例外為觀察到第四次回火時極其稍微的降低，然而同時仍具有極佳水準。第四次回火處理獲得令人感興趣的結果，但機械強度明顯較低，且非常接近本申請案所要的46 HRC最小值。

回火數量可易於轉換成進行545℃下單個回火操作之等效處理時間。下方表7展示時間對應於545℃下2個回火處理或545℃下3個回火處理的單個回火處理獲得極其類似的結果。

回火數量或其等效物之回火時間的調適使得有可能顯著增加彈性水準。相對於在標準條件下處理之鑄件A，鑄件C增加約25%至30%。

應注意，如下方表8中所展示，改良由低Si含量及低Mn含量(小於0.2%)與3% Cr-Mo-V基劑之組合產生。

僅鑄件C使得有可能在545℃下適合之回火數量的情況下達至大於45J之彈性水準。僅低含量之矽(小於0.2%：鑄件E)使得有可能使彈性水準增加至約44J。應注意，在鋼具有高含量之Si及Mn(鑄件A)之情況下，回火數量對彈性水準無任何影響。在第三次回火處理之後，平均彈性值甚至具有顯著減小的趨勢。

實例5-熱處理之淬火溫度對根據本發明之鑄件F的影響：920℃相對於960℃

鑄件F經由與實例1之方法相同的方法獲得。唯一的差異關於鋼之化學組成。其指示於下方表9中。

鑄件F經920℃下淬火及545℃下2小時單個回火之熱處理獲得的-40℃下彈性值達到42J；然而，對於同一鑄件F而言，在960℃下淬火及545℃下2小時單個回火的熱處理導致彈性值在-40℃下為27J。

在960℃下之高淬火溫度因此降低鋼之彈性。

Claims

一種鋼組合物，其基本上包含：碳：0.28-0.35；錳：0.10-0.60；矽：0.10-0.20；鉻：2.80-3.40；鉬：0.70-1.60；釩：0.20-0.50；磷：
0.005；鎳：
0.10；鋁：
0.025；銅：
0.10；砷+銻+錫：<100ppm；硫：<10ppm；鐵：其餘部分；以上係以該總組合物之重量百分比計，以及不可避免的雜質。
如請求項1之鋼組合物，其基本上包含：碳：0.28-0.35；錳：0.10-0.20；矽：0.10-0.20；鉻：2.80-3.40；鉬：0.70-1.30；釩：0.20-0.40；磷：
0.005；鎳：
0.10；鋁：
0.025；銅：
0.10；砷+銻+錫：<100ppm；硫：<10ppm；鐵：其餘部分；以上係以該總組合物之重量百分比計，以及不可避免的雜質。
如請求項1及2中任一項之鋼組合物，其中該鉬含量以該總組合物之重量百分比計係在0.7與1.1之間。
一種用於製造具有如請求項1至3中任一項之組合物之鋼毛坯的方法，其特徵在於其包含：a)製備該鋼之步驟；b)轉化該鋼之步驟；c)該鋼之熱處理，其包含在至少530℃的溫度下持續2與6小時之間的總體時間的回火處理。
如請求項4之製造方法，其中步驟c)包含數個回火處理，其累積時間對應於該步驟之總體時間。
如請求項4及5中任一項之製造方法，其中步驟c)包含在該回火處理之前，在至少900℃的溫度下淬火。
如請求項4及5中任一項之製造方法，其中步驟b)係由輥壓步驟組成。
如請求項4及5中任一項之製造方法，其中該製備步驟a)係在電弧爐中進行，接著進行真空電弧脫氣，視情況伴隨電渣再熔化(ESR)或真空電弧再熔化(VAR)或經由VIM-VAR或VIM-ESR方法之步驟。
一種鋼毛坯，其可經由如請求項4至8中任一項之方法獲得。
如請求項9之鋼毛坯，其中其硬度係在46與48 HRC之間。
如請求項9及10中任一項之鋼毛坯，其中其彈性KV在-40℃下為至少40焦耳。
如請求項9及10中任一項之鋼毛坯，其中其機械強度Rm係在1500與1600MPa之間。
一種如請求項9至12中任一項之鋼毛坯或如請求項1至3中任一項之鋼組合物的用途，其係用於製造壓力器具組件。
如請求項13之用途，其中該壓力器具組件為筒管。