不同表面处理条件下身管烧蚀研究

第36卷第3期 北京科技大学学报 Vol.36 No.3 2014年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2014 不同表面处理条件下身管烧蚀研究 黄进峰”，连勇)区，张程”，张津)，高海霞” 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学新材料技术研究院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:lian09@126.com 摘要通过模拟发射试验对表面镀铬、氮碳共渗两种表面处理条件下的身管进行了烧蚀模拟测试，研究在模拟工况下身管 烧蚀情况。镀铬身管由于镀铬层固有的脆性，且受到高温高压火药气体的冲击作用，铬层内易产生显微裂纹，裂纹扩展至铬层 与基体界面处，并沿着镀层与基体界面扩展，从而导致镀层剥落.氮碳共渗身管在烧蚀过程中，表面产生大量较深且较宽的裂 纹，裂纹直接贯穿到基体使基体严重地被火药燃烧气体腐蚀，从而导致身管失效.在上述研究基础上，提出了两种不同处理方 式下身管的失效模式 关键词表面处理：镀铬：氮碳共渗：烧蚀：裂纹 分类号TG156.8·2;T)01 Study on erosion of gun barrels with different surface treatments HUANG Jin-feng》,LIAN Yong2a,ZHANG Cheng”,ZHANG Jini2,GAO Hai-tia” 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Institute of Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:liany09@126.com ABSTRACT The erosion characteristics of chromium-plated and nitrocarburized gun barrels were studied by erosion simulation test. It is shown that microcracks form in the brittle chromium plate when the chromium-plated barrel is exposed to high pressure and high temperature propellant gases.The cracks extend and end at interfaces between the coating and steel substrate.The propagation of the cracks can lead to brittle delamination of the chromium plate.In the nitrocarburized gun barrel,many wide and deep cracks form in the bore surface.The cracks penetrate through the nitrocarburized layer into the steel substrate,resulting in serious erosion of the steel substrate by combustion flow and causing the barrel failed.Based on experimental results,failure modes are proposed for erosion of gun barrels with the different surface treatments. KEY WORDS surface treatment:chromium plating:nitrocarburizing:erosion;cracks 身管是火炮与自动武器（统称枪炮）最基本和 破坏理论认为身管烧蚀磨损破坏是在一种主导因素 最重要的部件，身管寿命一直是制约系统寿命的重 的控制下，众多因素综合作用或交互作用的结果，这 要因素.身管寿命一般由疲劳寿命和烧蚀寿命这两 些作用包括热作用、热一机械作用和热一化学作用， 方面因素共同决定的.使用现代高强度炮钢材料、 其中热作用是首要的6-.身管烧蚀引起内膛表面 采用炮钢精炼以及自紧技术后，身管疲劳寿命问题 损坏和身管内膛尺寸增大，造成初速、射程、精度下 得到了较好的解决，烧蚀寿命对身管寿命的决定作 降乃至武器性能失效，导致使身管过早报废.就目 用变得更为突出，并成为制约火炮威力进一步提高 前的情况来看，内膛镀铬和氮化处理是提高身管抗 的关键因素之一口.长期以来，身管烧蚀问题一直 烧蚀性能的主要方法s0 是国内外学者关注和研究的重要课题，并且随着现 身管内膛烧蚀因其影响因素的多重性与复杂 代科学技术的发展而不断深入.现代烧蚀磨损 性，对其烧蚀寿命的最后评定，目前最权威、最直观 收稿日期：20130905 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.03.007:http:/journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 3 期 2014 年 3 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 3 Mar． 2014 不同表面处理条件下身管烧蚀研究 黄进峰1) ，连 勇2) ，张 程1) ，张 津2) ，高海霞1) 1) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083  通信作者，E-mail: liany09@ 126． com 摘 要 通过模拟发射试验对表面镀铬、氮碳共渗两种表面处理条件下的身管进行了烧蚀模拟测试，研究在模拟工况下身管 烧蚀情况． 镀铬身管由于镀铬层固有的脆性，且受到高温高压火药气体的冲击作用，铬层内易产生显微裂纹，裂纹扩展至铬层 与基体界面处，并沿着镀层与基体界面扩展，从而导致镀层剥落． 氮碳共渗身管在烧蚀过程中，表面产生大量较深且较宽的裂 纹，裂纹直接贯穿到基体使基体严重地被火药燃烧气体腐蚀，从而导致身管失效． 在上述研究基础上，提出了两种不同处理方 式下身管的失效模式． 关键词 表面处理; 镀铬; 氮碳共渗; 烧蚀; 裂纹 分类号 TG 156. 8 + 2; TJ 01 Study on erosion of gun barrels with different surface treatments HUANG Jin-feng1) ，LIAN Yong2)  ，ZHANG Cheng1) ，ZHANG Jin2) ，GAO Hai-xia1) 1) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Institute of Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: liany09@ 126． com ABSTＲACT The erosion characteristics of chromium-plated and nitrocarburized gun barrels were studied by erosion simulation test． It is shown that microcracks form in the brittle chromium plate when the chromium-plated barrel is exposed to high pressure and high temperature propellant gases． The cracks extend and end at interfaces between the coating and steel substrate． The propagation of the cracks can lead to brittle delamination of the chromium plate． In the nitrocarburized gun barrel，many wide and deep cracks form in the bore surface． The cracks penetrate through the nitrocarburized layer into the steel substrate，resulting in serious erosion of the steel substrate by combustion flow and causing the barrel failed． Based on experimental results，failure modes are proposed for erosion of gun barrels with the different surface treatments． KEY WOＲDS surface treatment; chromium plating; nitrocarburizing; erosion; cracks 收稿日期: 2013--09--05 DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 03． 007; http: / /journals． ustb． edu． cn 身管是火炮与自动武器( 统称枪炮) 最基本和 最重要的部件，身管寿命一直是制约系统寿命的重 要因素． 身管寿命一般由疲劳寿命和烧蚀寿命这两 方面因素共同决定的． 使用现代高强度炮钢材料、 采用炮钢精炼以及自紧技术后，身管疲劳寿命问题 得到了较好的解决，烧蚀寿命对身管寿命的决定作 用变得更为突出，并成为制约火炮威力进一步提高 的关键因素之一［1］． 长期以来，身管烧蚀问题一直 是国内外学者关注和研究的重要课题，并且随着现 代科学技术的发展而不断深入［2--5］． 现代烧蚀磨损 破坏理论认为身管烧蚀磨损破坏是在一种主导因素 的控制下，众多因素综合作用或交互作用的结果，这 些作用包括热作用、热--机械作用和热--化学作用， 其中热作用是首要的［6--7］． 身管烧蚀引起内膛表面 损坏和身管内膛尺寸增大，造成初速、射程、精度下 降乃至武器性能失效，导致使身管过早报废． 就目 前的情况来看，内膛镀铬和氮化处理是提高身管抗 烧蚀性能的主要方法［8--10］． 身管内膛烧蚀因其影响因素的多重性与复杂 性，对其烧蚀寿命的最后评定，目前最权威、最直观

·324 北京科技大学学报 第36卷 的测定方法仍是寿命试验田.寿命试验人力和物 齿轴试件点火堵头压力传感器爆发器本体 力消耗较大，无法对材料和表面技术抗烧蚀效果进 行简便和快捷的评定.。半密闭爆发器烧蚀管模拟试 验是研究身管烧蚀的有效方法，可排除机械作用的 干扰，主要反映燃气的热一化学作用和气流冲刷，使 发射药对内膛烧蚀的研究更集中、易深入四.本文 采用半密闭爆发器烧蚀管模拟试验研究两种表面处 理状态（镀铬和氮碳共渗）身管的烧蚀特征及表面 处理对身管失效方式与机理的影响 排气压媒 火药点火堵头 1试验方法 图1半密闭高压爆发器简图 Fig.1 Schematic view of a semi-closed high-pressure bomb fixture 1.1试验装置及试样 试验装置如图1所示.试验装置模拟速射武器 1.2组织观察与分析 发射状态.烧蚀模拟试验装置可在不同的发射药类 烧蚀试验后沿冲刷面垂直方向切取试样，在金 型和装药量下试验，研究发射药成分和装药量对身 相镶样机上镶嵌后制成金相试样，观察烧蚀磨损表 管烧蚀的影响：可以测定最高膛压，研究膛压对烧蚀 层特征.采用扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析系 的影响；研究身管在烧蚀过程中的失效方式.测试 统(EDS)对烧蚀环内膛表面组织形貌进行了观察和 试件为管状样，火药爆燃产生的高温高压腐蚀性气 成分分析，采用纳米显微力学探针Nano IndenterⅡ 体冲蚀试样内表面，类似于实际发射过程中的速射 对烧蚀环的内膛表面硬度分布进行分析. 武器身管.本试验采用1.2g的2号硝化棉点火，爆 2试验结果 发火药为单基硝化棉火药，装药量为12g,火药燃烧 2.1内膛烧蚀特征 温度达到2500~2800K,与实弹的火药温度一致，试 2.1.1镀铬试样 验压强为72.5~73.7MPa,模拟发射次数为1~4 镀铬的身管试样经过模拟发射试验后，其内膛 发.虽然模拟膛压与实弹射击中的膛压相差较大， 的表面形貌如图2所示.镀铬试样受到高温、高压 但试件内径(20mm)和爆发器芯轴直径(19.54 和高速燃烧火药气体的循环往复冲击，表面产生大 mm)之间的缝隙只有0.23mm,气流通过该缝隙的 量的网状裂纹，铬层被分成了很多孤立的“小岛”， 约束作用加速了对试样内表面的冲刷和烧蚀，可较 但火药气体对镀层表面冲刷磨损较轻.镀铬试样经 好地模拟高温高压火药气体冲刷过程. 四次烧蚀试验后横截面的显微形貌见图3.由于镀 试样采用为25Cr3Mo3 NiNbZr身管用钢，材料 铬层固有的脆性，且发射过程中受到高温高压火药 热处理制度为970℃保温60min后水淬+640℃保 气体的冲刷作用，镀铬层在高速火药燃气冲击下仅 温240min后炉冷.将热处理好的试样加工成环形 射击一次就产生了大量裂纹，图3(a).火药爆燃温 烧蚀试样，分别进行内膛表面镀铬和氮碳共渗处理， 度可达到2500~2800K,内膛表面温度急剧身高，而 然后进行模拟烧蚀试验 基体温度仍较低，因此在身管内壁产生较强的热应 100m 图2镀铬试样射击四次后内膛表面形貌.()低倍：(b)高倍 Fig.2 Photomicrographs of the bore surface of a chromium-plated specimen after shooting four times:(a)low magnification:(b)high magnification

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 的测定方法仍是寿命试验［11］． 寿命试验人力和物 力消耗较大，无法对材料和表面技术抗烧蚀效果进 行简便和快捷的评定． 半密闭爆发器烧蚀管模拟试 验是研究身管烧蚀的有效方法，可排除机械作用的 干扰，主要反映燃气的热--化学作用和气流冲刷，使 发射药对内膛烧蚀的研究更集中、易深入［12］． 本文 采用半密闭爆发器烧蚀管模拟试验研究两种表面处 理状态( 镀铬和氮碳共渗) 身管的烧蚀特征及表面 处理对身管失效方式与机理的影响． 1 试验方法 1. 1 试验装置及试样 试验装置如图 1 所示． 试验装置模拟速射武器 发射状态． 烧蚀模拟试验装置可在不同的发射药类 型和装药量下试验，研究发射药成分和装药量对身 管烧蚀的影响; 可以测定最高膛压，研究膛压对烧蚀 的影响; 研究身管在烧蚀过程中的失效方式． 测试 试件为管状样，火药爆燃产生的高温高压腐蚀性气 体冲蚀试样内表面，类似于实际发射过程中的速射 武器身管． 本试验采用 1. 2 g 的 2 号硝化棉点火，爆 发火药为单基硝化棉火药，装药量为 12 g，火药燃烧 温度达到 2500 ～ 2800 K，与实弹的火药温度一致，试 验压强为 72. 5 ～ 73. 7 MPa，模拟发射次数为 1 ～ 4 发． 虽然模拟膛压与实弹射击中的膛压相差较大， 但试件内径( 20 mm) 和爆发器芯轴直径( 19. 54 mm) 之间的缝隙只有 0. 23 mm，气流通过该缝隙的 约束作用加速了对试样内表面的冲刷和烧蚀，可较 好地模拟高温高压火药气体冲刷过程． 图 2 镀铬试样射击四次后内膛表面形貌． ( a) 低倍; ( b) 高倍 Fig． 2 Photomicrographs of the bore surface of a chromium-plated specimen after shooting four times: ( a) low magnification; ( b) high magnification 试样采用为 25Cr3Mo3NiNbZr 身管用钢，材料 热处理制度为 970 ℃ 保温 60 min 后水淬 + 640 ℃ 保 温 240 min 后炉冷． 将热处理好的试样加工成环形 烧蚀试样，分别进行内膛表面镀铬和氮碳共渗处理， 然后进行模拟烧蚀试验． 图 1 半密闭高压爆发器简图 Fig． 1 Schematic view of a semi-closed high-pressure bomb fixture 1. 2 组织观察与分析 烧蚀试验后沿冲刷面垂直方向切取试样，在金 相镶样机上镶嵌后制成金相试样，观察烧蚀磨损表 层特征． 采用扫描电子显微镜( SEM) 及能谱分析系 统( EDS) 对烧蚀环内膛表面组织形貌进行了观察和 成分分析，采用纳米显微力学探针 Nano Indenter Ⅱ 对烧蚀环的内膛表面硬度分布进行分析． 2 试验结果 2. 1 内膛烧蚀特征 2. 1. 1 镀铬试样 镀铬的身管试样经过模拟发射试验后，其内膛 的表面形貌如图 2 所示． 镀铬试样受到高温、高压 和高速燃烧火药气体的循环往复冲击，表面产生大 量的网状裂纹，铬层被分成了很多孤立的“小岛”， 但火药气体对镀层表面冲刷磨损较轻． 镀铬试样经 四次烧蚀试验后横截面的显微形貌见图 3． 由于镀 铬层固有的脆性，且发射过程中受到高温高压火药 气体的冲刷作用，镀铬层在高速火药燃气冲击下仅 射击一次就产生了大量裂纹，图 3( a) ． 火药爆燃温 度可达到 2500 ～ 2800 K，内膛表面温度急剧身高，而 基体温度仍较低，因此在身管内壁产生较强的热应 · 423 ·

第3期 黄进峰等：不同表面处理条件下身管烧蚀研究 ·325· 力，裂纹在应力作用下向基体扩展，且在铬层与基体 基体的结合面，并使裂纹间隙变宽，在间隙的尽头形 的界面处改变扩展方向，沿着界面延伸（见图3 成孔洞，这样会促使铬层分离成块状，最终导致铬层 (b)).高速反应气体通过裂纹严重地冲刷镀层与 剥落（图3(c)). (b) 20 um 5 um 104m 图3镀铬试样烧蚀后内膛横截面的显微形貌.()裂纹产生（射击一次）：(b)裂纹扩展至界面（射击二次）：()裂纹延界面扩展（射击 四次) Fig.3 SEM micrographs of the transverse structure along the bore surface of a chromium-plated specimen after shooting:(a)cracks generate (shoot- ing one time):(b)cracks extend to the interface (shooing two times):(c)cracks propagate along the interface (shooting four times) 2.1.2氮碳共渗试样 合物层，而次表面是易被侵蚀的氮碳共渗层的扩散 氮碳共渗的试样经模拟烧蚀试验后的表面形貌 层，其次是基体（见图5(a)和图5(c).化合物层 和横截面显微照片分别如图4和图5所示.内膛表 在高速燃烧火药气体的冲刷作用下，表面出现化合 面沿着冲蚀方向的裂纹与垂直于冲蚀方向的裂纹交 物层剥落，且产生了大量的显微裂纹（图5(b)射击 叉在一起形成大量的显微“网状”裂纹（图4(a)), 三次).氮碳共渗层无类似镀铬层与基体的界面，表 裂纹虽不如镀铬身管密集，但其深度和宽度均要大 面的裂纹很容易扩展至扩散层和基体（图5(c)射 于镀铬层表面裂纹.在高温腐蚀性火药燃气的腐蚀 击四次).在射击过程中，裂纹可为高速燃烧火药气 作用下，氮碳共渗试样表面部分晶界可见（图4(b) 体与基体的反应提供通道，因此在裂纹处产生烧蚀， 发射四次).试样经氮碳共渗后表面形成高硬度化 造成基体的腐蚀和磨损，如图5(d)所示. 100m 11 图4氮碳共渗试样射击四次后内膛表面形貌.()低倍：(b)高倍 Fig.4 Photomicrographs of the bore surface of a nitrocarburized specimen after shooting four times:(a)low magnification:(b)high magnification 2.2硬度分析 合物层硬度远高于镀铬试样表面铬层硬度，扩散层 图6为镀铬和氯碳共渗表面处理试样模拟发射 硬度虽下降明显，但仍显著高于基体硬度. 四次后内膛表面硬度分布.镀铬试样烧蚀试验后铬 3 分析与讨论 层在高温火药气体作用下其表面硬度较低，这与表 面铬层再结晶软化有关，基体材料硬度在4.9GPa 以上试验结果可见，在高温、高温和高速火药燃 左右；镀铬层与基体之间存在硬度逐渐降低的过渡 气的反复冲刷作用下，两种不同表面处理身管内膛 层，过渡层的形成与基体的塑形变形有关，高压高速 均发生了明显的烧蚀，但两者烧蚀失效机制不同. 燃烧气体冲击内膛表面，高弹性模量的铬层将应变 火药爆燃时，产生的高压火药燃气作用于身管 传递到基体，受火药燃气高温热影响作用的基体发 内膛表面，内膛表面形成切向拉应力.高温的火药 生塑性变形，变形程度的差异和温度的作用共同导 气体使表面铬层温度急剧增加，沿径向在身管内膛 致硬度的变化日.经氯碳共渗后身管内壁的表面化 产生极大的温度梯度，在热应力的作用下表面铬层

第 3 期 黄进峰等: 不同表面处理条件下身管烧蚀研究 力，裂纹在应力作用下向基体扩展，且在铬层与基体 的界面处改变扩展方向，沿 着 界 面 延 伸 ( 见 图 3 ( b) ) ． 高速反应气体通过裂纹严重地冲刷镀层与 基体的结合面，并使裂纹间隙变宽，在间隙的尽头形 成孔洞，这样会促使铬层分离成块状，最终导致铬层 剥落( 图 3( c) ) ． 图 3 镀铬试样烧蚀后内膛横截面的显微形貌． ( a) 裂纹产生( 射击一次) ; ( b) 裂纹扩展至界面( 射击二次) ; ( c) 裂纹延界面扩展( 射击 四次) Fig． 3 SEM micrographs of the transverse structure along the bore surface of a chromium-plated specimen after shooting: ( a) cracks generate ( shoot￾ing one time) ; ( b) cracks extend to the interface ( shooing two times) ; ( c) cracks propagate along the interface ( shooting four times) 2. 1. 2 氮碳共渗试样 氮碳共渗的试样经模拟烧蚀试验后的表面形貌 和横截面显微照片分别如图 4 和图 5 所示． 内膛表 面沿着冲蚀方向的裂纹与垂直于冲蚀方向的裂纹交 叉在一起形成大量的显微“网状”裂纹( 图 4( a) ) ， 裂纹虽不如镀铬身管密集，但其深度和宽度均要大 于镀铬层表面裂纹． 在高温腐蚀性火药燃气的腐蚀 作用下，氮碳共渗试样表面部分晶界可见( 图 4( b) 发射四次) ． 试样经氮碳共渗后表面形成高硬度化 合物层，而次表面是易被侵蚀的氮碳共渗层的扩散 层，其次是基体( 见图 5( a) 和图 5( c) ) ． 化合物层 在高速燃烧火药气体的冲刷作用下，表面出现化合 物层剥落，且产生了大量的显微裂纹( 图 5( b) 射击 三次) ． 氮碳共渗层无类似镀铬层与基体的界面，表 面的裂纹很容易扩展至扩散层和基体( 图 5( c) 射 击四次) ． 在射击过程中，裂纹可为高速燃烧火药气 体与基体的反应提供通道，因此在裂纹处产生烧蚀， 造成基体的腐蚀和磨损，如图 5( d) 所示． 图 4 氮碳共渗试样射击四次后内膛表面形貌． ( a) 低倍; ( b) 高倍 Fig． 4 Photomicrographs of the bore surface of a nitrocarburized specimen after shooting four times: ( a) low magnification; ( b) high magnification 2. 2 硬度分析 图 6 为镀铬和氮碳共渗表面处理试样模拟发射 四次后内膛表面硬度分布． 镀铬试样烧蚀试验后铬 层在高温火药气体作用下其表面硬度较低，这与表 面铬层再结晶软化有关，基体材料硬度在 4. 9 GPa 左右; 镀铬层与基体之间存在硬度逐渐降低的过渡 层，过渡层的形成与基体的塑形变形有关，高压高速 燃烧气体冲击内膛表面，高弹性模量的铬层将应变 传递到基体，受火药燃气高温热影响作用的基体发 生塑性变形，变形程度的差异和温度的作用共同导 致硬度的变化［5］． 经氮碳共渗后身管内壁的表面化 合物层硬度远高于镀铬试样表面铬层硬度，扩散层 硬度虽下降明显，但仍显著高于基体硬度． 3 分析与讨论 以上试验结果可见，在高温、高温和高速火药燃 气的反复冲刷作用下，两种不同表面处理身管内膛 均发生了明显的烧蚀，但两者烧蚀失效机制不同． 火药爆燃时，产生的高压火药燃气作用于身管 内膛表面，内膛表面形成切向拉应力． 高温的火药 气体使表面铬层温度急剧增加，沿径向在身管内膛 产生极大的温度梯度，在热应力的作用下表面铬层 · 523 ·

·326 北京科技大学学报 第36卷 (a) (b) 化合物层 100um 10 um (c) d 化合物层 一扩散层 一基体 50m 图5氮碳共渗试样烧蚀后内膛横截面的显微形貌.()光镜照片，射击一次：(b)扫描电镜照片，射击三次：()，()扫描电镜照片， 射击四次 Fig.5 Micrographs of the transverse structure long the bore surface of a nitrocarburized specimen after shooting:(a)OM,I shot:(b)SEM,3 shots;(c),(d)SEM,4 shots 裂和小块的剥落而导致基体暴露于热的腐蚀性火药 16 14 一镀络 气体而失效1.镀铬的枪炮身管的失效方式可总 +一氨碳共渗 结为镀层剥落+基体白层剥落，失效模式如图7(a) 所示 10 氮碳共渗氮表面处理的身管，同样受到火药气 体高温高压而产生的交变应力的作用.由于氮碳共 渗之后的试样内表面的硬度更高、更脆，使裂纹更易 4 0100200300400500600700800 于在表面及次表面形成并扩展，氮碳共渗层与基体 到内表面距离/m 不存在类似镀铬层与基体间的明显界面，裂纹由氮 图6不同处理试样横截面的硬度分布 Fig.6 Hardness distribution of the cross-section of specimens with 碳共渗层向基体扩展时不易改变扩展方向，所以表 different surface treatments 面产生的裂纹容易向基体方向扩展，但到达基体时 受到切向的压应力.由于热传递的滞后，热应力迟 裂纹的扩展速度减慢，扩展方向也不是单一的垂直 于气体压力作用而产生的拉应力，两者不能相互抵 烧蚀面的方向，而是在基体内分叉，高压的腐蚀性介 消，内膛受到上述高压火药气体产生的拉应力和热 质促使裂纹扩展并顺着裂纹扩展方向腐蚀氮碳共渗 应力的交变作用).身管内膛铬层在周期交变应 层，进而使腐蚀产物剥离，因此破坏了渗层对基体的 力的作用下易产生裂纹，在随后的火药气流作用下 保护作用，裂纹容易向基体方向扩展，并在基体中分 镀层内产生的显微裂纹在铬层中扩展，裂纹沿着垂 叉，最终截止在冲击韧性较高的基体.当裂纹扩展 直于冲蚀面向基体扩展，扩展到镀铬层与白层的界 到基体时，裂纹的宽度随着燃烧火药气体的冲击以 面处改变方向沿着界面延伸，裂纹相互连接使镀铬 及弹带的反复剪切作用而变宽，在粗糙的裂缝表面 层与基体的结合力减弱，加速镀层的剥落，裸露出基 会残留一些未燃烧的火药固体颗粒，当残留的火药 体.由于镀层的身管是先发生铬层剥落再在热应力 颗粒再度燃烧时，固体颗粒就会与基体发生反应，产 的冲击下产生基体白层剥落，使基体材料的磨损 生烧蚀坑，因而会更严重地腐蚀基体，氮碳共渗的速 量大大减少，因此镀层对身管基体起到保护作用 射武器身管的失效方式为高速燃烧颗粒冲击下的基 铬层不是由于磨损或腐蚀失效，而是由于镀层的开 体腐蚀，其失效模式如图7().虽然氮碳共渗之后

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 5 氮碳共渗试样烧蚀后内膛横截面的显微形貌． ( a) 光镜照片，射击一次; ( b) 扫描电镜照片，射击三次; ( c) ，( d) 扫描电镜照片， 射击四次 Fig． 5 Micrographs of the transverse structure long the bore surface of a nitrocarburized specimen after shooting: ( a) OM，1 shot; ( b) SEM，3 shots; ( c) ，( d) SEM，4 shots 图 6 不同处理试样横截面的硬度分布 Fig． 6 Hardness distribution of the cross-section of specimens with different surface treatments 受到切向的压应力． 由于热传递的滞后，热应力迟 于气体压力作用而产生的拉应力，两者不能相互抵 消，内膛受到上述高压火药气体产生的拉应力和热 应力的交变作用［13］． 身管内膛铬层在周期交变应 力的作用下易产生裂纹，在随后的火药气流作用下 镀层内产生的显微裂纹在铬层中扩展，裂纹沿着垂 直于冲蚀面向基体扩展，扩展到镀铬层与白层的界 面处改变方向沿着界面延伸，裂纹相互连接使镀铬 层与基体的结合力减弱，加速镀层的剥落，裸露出基 体． 由于镀层的身管是先发生铬层剥落再在热应力 的冲击下产生基体白层剥落［14］，使基体材料的磨损 量大大减少，因此镀层对身管基体起到保护作用． 铬层不是由于磨损或腐蚀失效，而是由于镀层的开 裂和小块的剥落而导致基体暴露于热的腐蚀性火药 气体而失效［15］． 镀铬的枪炮身管的失效方式可总 结为镀层剥落 + 基体白层剥落，失效模式如图 7( a) 所示． 氮碳共渗氮表面处理的身管，同样受到火药气 体高温高压而产生的交变应力的作用． 由于氮碳共 渗之后的试样内表面的硬度更高、更脆，使裂纹更易 于在表面及次表面形成并扩展，氮碳共渗层与基体 不存在类似镀铬层与基体间的明显界面，裂纹由氮 碳共渗层向基体扩展时不易改变扩展方向，所以表 面产生的裂纹容易向基体方向扩展，但到达基体时 裂纹的扩展速度减慢，扩展方向也不是单一的垂直 烧蚀面的方向，而是在基体内分叉，高压的腐蚀性介 质促使裂纹扩展并顺着裂纹扩展方向腐蚀氮碳共渗 层，进而使腐蚀产物剥离，因此破坏了渗层对基体的 保护作用，裂纹容易向基体方向扩展，并在基体中分 叉，最终截止在冲击韧性较高的基体． 当裂纹扩展 到基体时，裂纹的宽度随着燃烧火药气体的冲击以 及弹带的反复剪切作用而变宽，在粗糙的裂缝表面 会残留一些未燃烧的火药固体颗粒，当残留的火药 颗粒再度燃烧时，固体颗粒就会与基体发生反应，产 生烧蚀坑，因而会更严重地腐蚀基体，氮碳共渗的速 射武器身管的失效方式为高速燃烧颗粒冲击下的基 体腐蚀，其失效模式如图 7( b) ． 虽然氮碳共渗之后 · 623 ·

第3期 黄进峰等：不同表面处理条件下身管烧蚀研究 ·327· 痖镀铬层 ·变形层 交白层 、 一基体 化合物层 过渡层 ”、 一基体 、 图7烧蚀工况下不同处理身管的失效模式.()镀铬身管：(b)氮碳共渗身管 Fig.7 Failure modes of gun barrels with different surface treatments under erosion condition:(a)chromium-plated gun barrels;(b)nitrocarburized gun barrels 的试样表面剥落没有镀层的剥落多，但是其基体腐蚀 [6]Montgomery R S,Sautter F K.Erosion and Its Control.AD 较为严重；而镀铬身管是在镀层剥落之后基体才受到 A123164,1982 7]Sopok S,Rickard C,Dunn S.Thermal-chemical-mechanical gun 火药气体的冲蚀，镀层保护下的身管只有轻微烧蚀 bore erosion of an advanced artillery system part one:theories and 4结论 mechanisms.Wear,2005,258(1-4):659 [8]Cote P J,Rickard C.Gas-metal reaction products in the erosion of (1)在模拟发射试验高温、高压和高速火药燃 chromium-plated gun bores.Wear,2000,241(1):17 气的反复冲刷作用下，镀铬和碳氮共渗表面处理身 9] Wang BZ,Wang LG,Wang Y J,et al.Initial study of erosion 管内膛均产生了明显烧蚀磨损. resistant plasma nitriding.Ordnance Mater Sci Eng,1980,3(5): 21 (2)镀铬身管受到火药气体的冲刷以及铬层本 (王步震，王林阁，王渝江，等.离子氮化防烧蚀的初步研究 身的脆性导致镀层内产生显微裂纹，并沿着镀层与 兵器材料科学与工程，1980,3(5)：21) 基体界面扩展，裂纹独立或交互作用导致铬层剥落. [10]Yang F X.Researches on the chromium plating for the anti-abla- (3)碳氮共渗之后的身管表面生成硬度高、脆 tion in the internal bore of large caliber gun with high pressure. 性大的白亮层，在火药气氛的冲击下表面产生大量 Surf Technol,1990,19(3):20 (杨风轩.大口径火炮身管内膛防烧蚀镀铬.表面技术， 的网状裂纹，裂纹由内表面延伸至基体导致身管的 1990,19(3):20) 腐蚀剥落 [11]Fen X M,Chen J Z,Xu T X.Erosion resistance evaluation of three coatings.J Ballist,2000.12(1)65 参考文献 (樊新民，陈健中，徐天祥.三种镀覆层材料抗烧蚀性能评 [Wu B,Xia W,Tang Y,et al.A review on thermal effects during 价.弹道学报，2000,12(1)：65) the firing process and measures of their thermal control.Acta Ar- 012]Yang S Y.Research on semi-closed bomb ablation tube method. mamentarii,2003,24(4):525 Chin J Explos Propellants,1986,12 (3):2 (吴斌，夏伟，汤勇，等.射击过程中热影响及身管热控制措 (杨淑媛.半密闭爆发器烧蚀管法研究.火炸药学报，1986， 施综述.兵工学报，2003,24(4)：525) 12(3):2) Underwood J H,Vigilante G N,Mulligan C P.Review of thermo- [13]lyer K R.Analysis of rupture in rapid fire barrels//Proceedings mechanical cracking and wear mechanisms in large caliber guns. of the Tri-service Gun Tube Wear and Erosion Symposium.New Wear,2007,263(7):1616 Jersey,1977:225 B]Lawton B.Thermo-chemical erosion in gun barrels.Wear,2001, [14]Gao H X,Huang J F,Zhang J S,et al.Formation and spalling 251(1-12):827 off mechanism of white layer of rapid-firing gun steel.Heat Treat 4]Cote P J,Todaro ME,Kendall G,et al.Gun bore erosion mecha- Ma,2008,33(10):109 nisms revisited with laser pulse heating.Surf Coat Technol,2003, (高海霞，黄进峰，张济山，等.速射武器身管用钢的白层形 163/164:478 成及剥落机制.金属热处理，2008,33(10)：109) [5]Johnston I A.Understanding and Predicting Gun Barrel Erosion [15]Montgomery R S,Sautter FK.A review of recent American work ADA440938,2005 on gun erosion and its control.Wear,1984,94(2):193

第 3 期 黄进峰等: 不同表面处理条件下身管烧蚀研究 图 7 烧蚀工况下不同处理身管的失效模式． ( a) 镀铬身管; ( b) 氮碳共渗身管 Fig． 7 Failure modes of gun barrels with different surface treatments under erosion condition: ( a) chromium-plated gun barrels; ( b) nitrocarburized gun barrels 的试样表面剥落没有镀层的剥落多，但是其基体腐蚀 较为严重; 而镀铬身管是在镀层剥落之后基体才受到 火药气体的冲蚀，镀层保护下的身管只有轻微烧蚀． 4 结论 ( 1) 在模拟发射试验高温、高压和高速火药燃 气的反复冲刷作用下，镀铬和碳氮共渗表面处理身 管内膛均产生了明显烧蚀磨损． ( 2) 镀铬身管受到火药气体的冲刷以及铬层本 身的脆性导致镀层内产生显微裂纹，并沿着镀层与 基体界面扩展，裂纹独立或交互作用导致铬层剥落． ( 3) 碳氮共渗之后的身管表面生成硬度高、脆 性大的白亮层，在火药气氛的冲击下表面产生大量 的网状裂纹，裂纹由内表面延伸至基体导致身管的 腐蚀剥落． 参 考 文 献 ［1］ Wu B，Xia W，Tang Y，et al． A review on thermal effects during the firing process and measures of their thermal control． Acta Ar￾mamentarii，2003，24( 4) : 525 ( 吴斌，夏伟，汤勇，等． 射击过程中热影响及身管热控制措 施综述． 兵工学报，2003，24( 4) : 525) ［2］ Underwood J H，Vigilante G N，Mulligan C P． Ｒeview of thermo￾mechanical cracking and wear mechanisms in large caliber guns． Wear，2007，263( 7) : 1616 ［3］ Lawton B． Thermo-chemical erosion in gun barrels． Wear，2001， 251( 1--12) : 827 ［4］ Cote P J，Todaro M E，Kendall G，et al． Gun bore erosion mecha￾nisms revisited with laser pulse heating． Surf Coat Technol，2003， 163 /164: 478 ［5］ Johnston I A． Understanding and Predicting Gun Barrel Erosion． AD A440938，2005 ［6］ Montgomery Ｒ S，Sautter F K． Erosion and Its Control． AD A123164，1982 ［7］ Sopok S，Ｒickard C，Dunn S． Thermal-chemical-mechanical gun bore erosion of an advanced artillery system part one: theories and mechanisms． Wear，2005，258( 1--4) : 659 ［8］ Cote P J，Ｒickard C． Gas-metal reaction products in the erosion of chromium-plated gun bores． Wear，2000，241( 1) : 17 ［9］ Wang B Z，Wang L G，Wang Y J，et al． Initial study of erosion resistant plasma nitriding． Ordnance Mater Sci Eng，1980，3( 5) : 21 ( 王步震，王林阁，王渝江，等． 离子氮化防烧蚀的初步研究． 兵器材料科学与工程，1980，3( 5) : 21) ［10］ Yang F X． Ｒesearches on the chromium plating for the anti-abla￾tion in the internal bore of large caliber gun with high pressure． Surf Technol，1990，19( 3) : 20 ( 杨凤 轩． 大口径火炮身管内膛防烧蚀镀铬． 表 面 技 术， 1990，19( 3) : 20) ［11］ Fen X M，Chen J Z，Xu T X． Erosion resistance evaluation of three coatings． J Ballist，2000，12( 1) : 65 ( 樊新民，陈健中，徐天祥． 三种镀覆层材料抗烧蚀性能评 价． 弹道学报，2000，12( 1) : 65) ［12］ Yang S Y． Ｒesearch on semi-closed bomb ablation tube method． Chin J Explos Propellants，1986，12( 3) : 2 ( 杨淑媛． 半密闭爆发器烧蚀管法研究． 火炸药学报，1986， 12( 3) : 2) ［13］ Iyer K Ｒ． Analysis of rupture in rapid fire barrels / / Proceedings of the Tri-service Gun Tube Wear and Erosion Symposium． New Jersey，1977: 225 ［14］ Gao H X，Huang J F，Zhang J S，et al． Formation and spalling off mechanism of white layer of rapid-firing gun steel． Heat Treat Met，2008，33( 10) : 109 ( 高海霞，黄进峰，张济山，等． 速射武器身管用钢的白层形 成及剥落机制． 金属热处理，2008，33( 10) : 109) ［15］ Montgomery Ｒ S，Sautter F K． A review of recent American work on gun erosion and its control． Wear，1984，94( 2) : 193 · 723 ·