火炮制退機節制環失效微觀機理的實驗研究*

崔凱波,秦俊奇,狄長春,殷軍輝,孫也尊

(軍械工程學院火炮工程系，河北 石家莊 050003)

反后坐裝置極易出現故障，在實際戰場中，約50%的火炮故障來自反后坐裝置，平均故障率為3.938每千發[1]?；鹋诤笞鴱瓦M時間極短，制退機在火炮后坐復進過程中提供了大部分阻力，部件受力復雜，工況環境惡劣?；鹋谑褂靡欢螘r間后，與駐退液相接觸的金屬部件，受到駐退液的反復作用，容易產生失效，以節制環最嚴重。目前，關于節制環失效機理分析方面的研究報道不是很多。王芳[2]利用建立的制退機簡化物理模型，通過有限元模擬計算，研究了節制環表面及環口的受力與變形規律，根據計算結果和沖蝕磨損模型，分析了節制環的故障原因與失效機理。周成[3]認為，節制環壁面產生負壓引起空蝕以及混雜的固體雜質造成沖蝕磨損是導致節制環磨損的主要原因,并采用有限元方法對不同直徑顆粒分別以不同角度沖擊節制環時的沖蝕磨損量進行了數值模擬。張曉東[4]利用計算流體動力學方法建立制退機二維模型，對節制環磨損進行了故障模擬計算，探索節制環不同磨損狀態下火炮后坐特性變化規律。趙建新[5]基于空泡動力學理論，建立了節制環空蝕模型，并研究了空蝕對后坐特性的影響。以上研究大多在某一失效機理假設基礎上，采用有限元法或計算流體力學方法建立制退機簡化模型，進行數值模擬，還沒有從實驗出發對節制環的失效機理進行分析研究。近年來，微觀分析已成為材料性能研究和失效機理分析的重要技術手段[6-7]，應用極為廣泛，對于一些宏觀力學或數值模擬手段無法找出規律更難以闡明原因的問題，微觀分析更加凸顯出重要意義。

本文中，結合大口徑火炮制退機節制環，基于金屬材料學理論、微觀分析技術和光譜測量方法，研究節制環的微觀組織特征和磨損機制，從微觀尺度上探索節制環的失效機理，并分析其內在聯系，試圖為節制環的失效數值模擬、維修保養及改進設計提供實驗依據。

1 實驗樣品、方法和儀器

目前火炮制退機上廣泛使用的節制環材料為鋁黃銅合金HAL66-6-3-2，各元素成分含量分別為[8]：w(Cu)=64.0%～68.0%,w(Al)=6.0%～7.0%,w(Fe)=2.0%～4.0%,w(Mn)=1.5%～2.5%,w(雜質)≤1.5%,余量為Zn。取樣時，采用電腐蝕線切割技術，以避免由于機械切割引起的氧化和塑性變形對實驗結果的干擾。經鑲嵌、研磨、拋光、侵蝕，得到如圖1所示的節制環分析試樣，該節制環及制備試樣為待修火炮隨機樣本之一。其中，試樣A為節制環圓周剖面，通過金相分析研究微觀組織及其演變規律； 試樣B為節制環圓周表面，用以觀察表面磨損形貌。

圖1 制備的節制環試樣Fig.1 Specimen of throttling ring

依次進行如下實驗：采用OLMMPUS-DP12金相顯微鏡觀察節制環磨損面和剖面的顯微組織；采用HXS-1000顯微硬度計測量節制環剖面的維氏硬度，載荷為1.96 kN，加載時間為15 s；采用S-4800型掃描電鏡(SEM)觀察節制環試樣磨損表面和圓周剖面的形貌與組織，進行微觀組織分析，加速電壓為10 kV；采用INCA350型能譜儀(EDS)測定節制環磨損面和剖面的化學元素含量；采用X Series 2型電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)和火焰原子吸收光譜儀(FAAS)對新駐退液和采集的駐退液樣本中的特定金屬元素進行檢測。

2 節制環剖面微觀組織分析

銅及銅合金具有優異的導電、導熱、耐蝕等特性以及良好的工藝性能、力學性能[9]。在銅鋅二元合金基礎上，分別加入Al、Ni、Fe、Sn、Pb、Mn等元素，即形成特殊黃銅。由材料成分可知，HAL66-6-3-2為典型的特殊黃銅——鋁黃銅。含Zn量36%以下的黃銅屬單相α黃銅，含Zn量36%～45%的黃銅呈兩相組織，為兩相黃銅。各合金元素的“鋅當量系數”分別為：η(Si)=10～12,η(Al)=4～6,η(Fe)=0.9,η(Mn)=0.5,η(Pb)=1,η(Sn)=2。特殊黃銅的“含Zn量”計算公式為：

(1)

式中：T為黃銅中的實際含Zn量；G為黃銅中的含銅量；Ci為黃銅中其他各合金元素加入量；ηi為其他各合金元素的鋅當量系數。可計算得到HAL66-6-3-2的含Zn量為39.67%，屬于兩相特殊黃銅。隨著含Zn量增加，兩相特殊黃銅的強度和塑性都有所提高，但抗腐蝕性比單相黃銅差。

利用光學金相顯微鏡和掃描電鏡觀察試樣A的組織，得到圖2～3所示的顯微圖像。經銅合金金相圖譜對照和組織分析，可以判斷試樣A的組織為β相+α相+強化相。β相作為基體，是以電子化合物Gu-Zn為基礎的固溶體，具有體心立方晶格[10]。圖2中，外觀呈現亮色與暗色的固溶體均為β相，亮度的差異反映出試樣表面晶粒的位向不同，導致受侵蝕的程度不同。α相是Zn溶于Cu中而形成的置換固溶體，具有面心立方結構，是合金經熱處理后從晶界及晶內析出的針狀相。Fe-Mn強化相呈顆粒狀、塊狀和球狀，均勻分布在基體上，如圖3所示。

圖2 試樣A的金相顯微圖像Fig.2 Microscopy image of specimen A

圖3 試樣A的SEM圖像Fig.3 SEM images of specimen A

圖4 顆粒P處的能譜圖Fig.4 EDS graph of particle P

從圖3(b)中選取強化相球狀顆粒P做能譜分析，分析結果見圖4，各元素的含量分別為：w(Al)=4.52%,w(Si)=1.41%,w(Mn)=11.35%,w(Fe)=57.69%,w(Cu)=20.32%,w(Zn)=4.71%。分析能譜圖、元素成分和含量，可以得出球狀顆粒附近含有Fe、Cu、Al、Mn、Zn和Si等元素，除了α相和β相所含的Cu和Zn元素外，Fe和Mn元素的含量較高。由于鐵和錳在黃銅中的溶解度極低，超過固溶度的鐵和錳以強化相存在，從而驗證了該顆粒相屬于Fe-Mn強化相。試樣中含有的微量Si元素可能是砂紙研磨時帶入試樣表面，基本不會干擾實驗結果。

從圖2還可以看出，試樣A均為等軸晶粒，晶粒沿徑向均勻分布，說明節制環圓周面受力小于材料的屈服極限，材料微觀組織沒有發生塑性變形。參照GB 4342-84《金屬顯微維氏硬度試驗方法》，研究其硬度分布規律。維氏硬度與載荷、壓痕對角線長度的關系為：

(2)

式中：Hv為維氏硬度，9.8 MPa；F為施加的載荷，9.8 N；d為壓痕對角線長度，mm。對試樣A沿剖面等間隔取10個點進行測試，測量的維氏硬度分別是284.5、272.3、282.4、277.3、281.3、276.4、273.8、275.6、273.8、279.8。從測得的硬度數據看出，節制環剖面的維氏硬度在272.3到284.5之間變化，考慮儀器操作誤差原因，可以近似認為硬度分布有較好的一致性，受力比較均勻，沒有發生顯著塑性變形。

3 節制環表面磨損機理研究

圖5 試樣B的金相顯微圖像和SEM圖像Fig.5 Microscopy images and SEM images of specimen B

利用光學金相顯微鏡和掃描電鏡對節制環磨損面試樣B進行觀察，表面形貌照片如圖5所示。從圖5(a)～5(b)可以看出，試樣表面經過駐退液高速射流和雜質顆粒的沖擊磨損，磨損形式以切削、剝落和犁溝為主，形成的短程犁溝和流線狀條紋與液流運動方向一致，材料的表層和亞表層已被磨損，表面粗糙不平，并且合金材料被大塊剝落而形成了凹坑。從圖5(c)～5(d)可以看出，由于節制環處管徑突然發生變化，駐退液發生擾動湍流，加上沖擊磨損導致的凹坑，容易發生氣蝕破壞。氣泡的形成與破裂多次在材料表面重復，零件表面發生疲勞，表面金屬材料逐漸脫落，形成麻點狀、海綿狀的磨痕。氣蝕還會加速凹坑的擴大和變深，經長期反復作用，試樣表面將會出現馬蹄形深坑[11]，如圖5(c)中的E和F處。由于駐退液性能退化和反后坐裝置部件與空氣長期接觸，與駐退液相接觸的金屬部件還易發生化學腐蝕。從圖5(d)可以看出，節制環在受到沖擊磨損和氣蝕磨損作用的同時，還受到化學腐蝕作用，造成合金材料的腐蝕剝落，并在凹坑和馬蹄形深坑中零落散布著許多塊狀或圓形顆粒。

對試樣B馬蹄形深坑中的M點和塊狀顆粒處N點進行能譜分析，分析結果如圖6～7所示。M點各元素的含量分別為：w(C)=8.64%,w(O)=12.71%,w(Al)=16.28%,w(Cu)=59.10%,w(Zn)=3.27%;N點各元素的含量分別為：w(Al)=6.44%,w(Si)=3.12%,w(Mn)=16.53%,w(Fe)=65.72%,w(Cu)=8.19%。按各元素含量排序，M點處主要包含Cu、Al、O、C和Zn等元素，N顆粒點處主要包含Fe、Mn、Cu、Al和Si等元素。根據前述分析可以得出，鋁黃銅中Fe和Mn元素硬度高，相對比較穩定，受到磨損和腐蝕的影響小。因此，其他元素在磨損、氣蝕和腐蝕聯合作用下，容易與基體材料剝離，Fe-Mn強化相多以塊狀和圓形顆粒狀得以保存。能譜分析測出磨損表面存在C、O、Si等元素，可能是由于磨損面發生氧化、表面摻入雜質和駐退液在磨損表面有所殘留等原因造成。

圖6 試樣B表面M點能譜分析結果Fig.6 EDS results of particle M in specimen B

圖7 試樣B表面N點能譜分析結果Fig.7 EDS results of particle N in specimen B

4 利用光譜分析技術測定元素含量

為進一步驗證節制環與駐退液長期接觸和反復作用情況下，是否會發生化學腐蝕作用，利用光譜分析方法對駐退液中元素進行定性和定量檢測，通過新舊駐退液中金屬含量的對比分析，研究駐退液對節制環的化學腐蝕作用。新的四號駐退液為無色透明液體。

圖8 5門火炮的駐退液樣本Fig.8 Recoil solutions of artillery

從大修工廠待修的16門火炮中隨機抽取5門作為樣本，采集制退機和復進機內的駐退液樣本共10份，并對5份制退機的油液樣本進行檢測，采集的火炮駐退液樣本如圖8所示。采集的火炮駐退液樣本由于金屬部件磨損、發生化學反應和性能退化，變為淡黃色液體，并且不同程度地存在絮狀物和顆粒沉淀。

電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)方法具有靈敏度高、檢測限低(10-9～10-11g/L)、精密度好(相對標準偏差為0.5%～2%)等優點，但費用較高?；鹧嬖游展庾V儀(FAAS)方法與ICP-MS方法相比較，對各種元素的分析靈敏度不高，但檢測精度能夠滿足一般應用要求，并且費用較低[12]。由于新駐退液中所含金屬元素含量很少，使用過的駐退液中所含金屬元素含量相對較多，綜合考慮駐退液特性和實驗費用等因素，對新駐退液采用ICP-MS方法檢測，對駐退液樣本(1～5號)采用FAAS方法檢測，結果見表1。

表1 駐退液內的金屬元素含量Table 1 Metal element contents within the recoil solution

由表1的金屬含量數據可以看出，與新駐退液相比，采集的駐退液樣本中，Fe、Cu、Mn、Zn、Al等元素含量都大幅增加，說明包括節制環在內的與駐退液接觸的金屬部件發生了化學腐蝕反應。由于各門火炮的射彈履歷、維修保養次數各不相同，因此，各門火炮駐退液樣本中的金屬含量也不盡相同，有時相差較大。Cr元素含量的增加表明，制退機內有的金屬件進行了表層鍍鉻處理，經過一段時間的使用，表面鉻層部分脫落溶入駐退液中，因此駐退液樣本中Cr元素的含量都有所增加。通過光譜分析方法測定駐退液中金屬含量，在一定程度上驗證了節制環腐蝕磨損假設的正確性。

5 結 論

以某地面火炮節制環為例，結合報廢的節制環和采集的駐退液樣本，綜合運用光學金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析、顯微硬度測定、ICP-MS方法和FAAS方法等技術手段，從微觀分析角度對節制環的失效機理進行了研究。研究得出，報廢節制環剖面沒有發生明顯塑性變形，節制環的表面磨損機理主要包括駐退液高速流動對節制環表面的沖擊磨損作用、液體所含氣泡的氣蝕破壞作用和高溫高壓下的液體化學腐蝕作用，各種磨損機制相互影響，作用機理復雜，最終導致節制環失效。所以，一方面，需要改進現有的駐退液配方，研制性能更好的緩蝕劑；另一方面，需對節制環進行耐磨抗蝕設計，通過優化結構設計、表面噴覆涂層等途徑，提高節制環的使用可靠性。本文的研究成果，可作為探索節制環不同磨損程度下火炮后坐特性的實驗基礎，對節制環的改進設計和維護保養提供參考。

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