Совершенно секретно. Отчет 1942 года об исследовании новой брони для башни танка КВ



По исследованию стали-заменителя для башни танка «КВ»


Целью проводимой работы являлась проверка возможности снижения содержания остродефицитных легирующих элементов никеля и молибдена в стали марки 6674, идущей в настоящее время для литых башен танка «КВ».

Применяемая в валовом производстве сталь марки ФД 6674 характеризуется следующим установленным химическим составом:


Для опытных работ была установлена марка стали ФД 6648 следующего состава:


Из сопоставления обоих марок стали видно, что сталь марки ФД 6643 содержит примерно по сравнению со сталью марки ФД 6674 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 более быстрой проверки правильности выбранного направления было решено залить одну башню из электропечи, обработать ее по существующему режиму и подвергнуть обстрелу.

Одна башня была залита из электропечи. № башни 194, плавка 61711. Толщина стенки 110 мм.

Одновременно с проверкой марки стали на башне № 194 проверялась новая технология формовки.


Согласно новой технологии, вместо шести прибылей, устанавливаемых для питания отливки, поставлено четыре (см. фиг. № 1), что давало возможность сокращения объема огнерезных работ и расхода металла.

ФОРМОВКА


Формовка башни проводилась в почве с применением обычных наполнительной и облицовочной смесей.

При формовке модель устанавливалась в слегка наклонном состоянии. Угол наклона кормовой части составлял около 5 градусов к горизонтали.

Наклонное положение заливаемой детали улучшало условия питания кормовой части башни.

ВЫПЛАВКА СТАЛИ


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

Температура стали в печи перед выпуском, по измерению пиротто, — 15800С. Температура на желобе — 15450С /по пиротто без поправки/.

Под измерением пиротто, по всей видимости, авторы подразумевают 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 производилась, как и всех башен валового производства, в сухую форму. Металл подавался через стояк диаметром 90 мм и 10 питателей диаметром по 38 мм. Прибыли доливались сверху горячим металлом.

Прибыль в литейном производстве — верхняя, нижняя или боковая часть стального слитка (отливки), габариты которой выступают за пределы требуемых размеров (прим. редактора).

Продолжительность заливки башни (без доливки прибылей сверху), несмотря на высокую температуру металла, составляла 2 мин. 15 сек., что значительно превышает среднюю продолжительность заливки валовых башен (до 1 мин. 30 сек.).

Медленное заполнение формы объясняется малым диаметром стаканчика и малым ферростатическим давлением.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА


Башня обрабатывалась по режиму, который был принят в тот период времени для валовых башен и 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 габаритов изделия (прим. редактора).

Гомогенизация проводилась при температуре 1050-10600С в течение 30 часов и изотермический отжиг — при температуре 620-6500С в течение 15 часов.

Перед посадкой на гомогенизацию башня покрывалась для защиты от окисления и обезуглероживания обмазкой, состоящей из равных частей графита и огнеупорной глины.

Закалка проводилась в воде с температурой 8500С. Выдержка при нагреве под закалку составляла 8,5 часов, т. е. на 2,5 ч. больше предусмотренной инструкцией.

Температура воды в закалочном баке – 400С, выдержка в баке 15 мин. Температура башни после выемки из воды 65 – 700С.

Высокий отпуск проводился при температуре 5600С в течение 11 часов. Охлаждение после отпуска в воде.

На фиг. № 2 приводится фотография излома пробы, вырезанной из передней части башни после термической обработки.

Излом не вполне удовлетворительный, т.к. в центре имеется большой кристаллический участок (рис. 2).


Излом в остальной части достаточно вязкий с заметной утяжкой. Твердость, измеренная по сечению пробы в четырех точках, диаметр отпечатка по Бринеллю — 3,6.

Ввиду наличия кристаллического участка в средине пробы, было решено подвергнуть башню повторной закалке с последующим отпуском.

Однако, при проведении второй переобработки выдержка в печи во время отпуска была значительно увеличена на 6 часов из-за невозможности, вследствие производственных неполадок, своевременно выкатить тележку печи. Твёрдость по сечению пробы оказалась равной 3,9 (диаметр отпечатка), т. е. значительно ниже требований технических условий.

В связи с вышеизложенным оказалось необходимым провести третью переобработку по тому же режиму, что и первую, но с несколько пониженной температурой отпуска.

После третьей обработки излом волокнистый с кристаллической сыпью /рис. 3/. Твердость по Бринелю, диаметр отпечатка — 3,5—3,6.

ИСПЫТАНИЕ БАШНИ


Деталь № 194 пл. № 6171 предъявлялась комиссии для проведения испытания по утвержденному плану.

Испытание башни производилось в рабочем положении из 76-мм полковой пушки бронебойными снарядами черт. 2-06519.

Всего было сделано 9 выстрелов, из них в лобовую часть дано 4 выстрела; в левый борт — 3; в хвостовую часть — 2 выстрела.

При испытании обстрелом получены следующие результаты:

1. Испытанная башня по бронестойкости не ниже требований, предусмотренных временными техническими условиями на литую башню 110 мм из марки стали 6674.

2. Бронестойкость кормовой части башни, не питаемой прибылями, несколько ниже бронестойкости лобовой части башни, но находится в пределах, предусмотренных временными техническими условиями.

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

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

После полигонных испытаний башня была разрушена под копром с целью проверки наличия усадочной рыхлости в местах отсутствия прибылей на нише. Соответствующие изломы приведены на рис. №№ 3, 4, 5. Как следует из их рассмотрения, рыхлости не обнаружено, но излом несколько суховат.


На рис. № 6 в изломе наблюдается окисленная поверхность, что указывает на наличие трещин до термической обработки. Данная трещина идет от места обрезки прибылей и получилась в результате обрезки прибылей термически необработанного изделия (без предварительного отпуска).

Трехкратная термическая обработка, наличие хрупких поражений, наряду с измененной толщиной стенки изделия (было получено указание о переходе на изготовление валовых башен с уменьшенной толщиной стенок), вызвало необходимость проведения дополнительных исследований, несмотря на удовлетворительные результаты по испытанию обстрелом.

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЛИ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ НИКЕЛЯ


В лабораторных условиях исследованию подвергалась плавка № 61711 следующего химического состава, в %:


В лабораторных условиях проверено исследование на образцах, вырезанных из плиты размером 1200 х 1000 х 110 мм, залитой вместе с башней.

Плита подвергалась следующей предварительной термической обработке.

Нормализация 950 – 10000С, выдержка 15 часов, охлаждение на воздухе.

Высокий отпуск при температуре 660 – 6800С в течение 10 - 12 часов. Охлаждение на воздухе.
Исследование проводилось по следующим разделам:

1. определение критических точек

2. выяснение влияния температуры отпуска на механические свойства

3. выяснение склонности стали к отпускной хрупкости

4. установление влияния низких температур на ударную вязкость.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ТОЧЕК


Определение критических точек производилось 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 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 изготовлялись только ударные образцы. Одновременно были изготовлены ударные образцы из стали марки ФД 6674, плавка № 21207, для проведения сравнительных испытаний.

Изготовленные образцы закаливались с температуры 840 – 850°C.

Нагрев под закалку производился в соляной ванне, выдержка 50 минут, охлаждение в масле.

Закаленные образцы отпускались при температурах 150, 200, 250, 350, 700, 150, 550, 575, 500, 525, 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, начиная с температуры 250°C до 500°C, наблюдается резкое понижение ударной вязкости, доходящее до 1,2–1,5 кгм/см2 при температуре отпуска 350°C.

Снижение этой характеристики объясняется тем, что сталь данного состава, как все хромоникелевые стали, 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 находится в интервале температур 250°C – 500°C.

Наличие отпускной хрупкости особенно резко заметно на изломах ударных образцов (рис. 8 и 9).


При температурах отпуска 150 – 200°C имеем волокнистый излом, при температуре отпуска 350°C — излом кристаллический. Наиболее ярко выраженный кристаллы имеем в образцах из стали ФД 6674.

Так, при температуре отпуска 450°C еще имеются большие участки кристаллической сыпи, при температуре отпуска 550°C излом становится вновь волокнистым и с хорошей утяжкой.

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

МИКРОСТРУКТУРА


Какой-либо 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 наблюдаются участки троостита, мартенситовая ориентация сохраняется.

При температуре отпуска 550°C структура – сорбитовая, и при более высокой температуре отпуска наблюдается коагуляция сорбита.

При температуре отпуска 700°C в микроструктуре имеются участки мартенсита.


С целью 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 отливают отдельно или вырезают 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 понижение 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. Понижение ударной вязкости при медленном охлаждении сопровождается кристаллической сыпью, тогда как охлаждение в воде дает волокнистый излом.

ИЗМЕНЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ


С целью проверки значений ударной вязкости при пониженных температурах образцы типа Менаже после термической обработки (задание при температуре 850°C в масло, а отпуск при температуре 550°C — охлаждение в воде) испытывались при пониженных температурах: нуль градусов, минус 20°C, 40°C и 60°C.

На рисунке № 10 приведен вид сосуда, в котором производилось охлаждение образца. Во внутреннее отделение сосуда наливается спирт, обладающий сравнительно низкой температурой застывания (-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 средину крышки, во всё время охлаждения производится перемешивание спирта с целью 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 число образцов. Выдержка давалась 25 мин.

Регулировка температуры производилась с помощью доливания небольших порций кислорода в кольцевой сосуд или доливания теплого раствора спирта в среднее отделение.

После окончания выдержки образцы быстро вынимались и устанавливались на охлажденные до этой температуры металлические подкладки.

Результаты испытания сведены в таблицу № 4.


Данные таблицы №4 показывают, что ударная работа исследуемых марок стали с понижением температуры почти не меняется. Более низкие данные стали марки 6674 можно объяснить исключительно плавкой, возможно, сталь данной плавки была перегрета и имела более крупную первичную кристаллизацию, которую не исправила последующая термическая обработка.

Иллюстрировать ударную вязкость большим количеством образцов не представилось возможным из-за отсутствия материала. В дальнейшем все последующие плавки с пониженным содержанием никеля будут проверены на ударную вязкость при пониженных температурах.

Полученные результаты указали, что исследуемая сталь не обладает пониженной вязкостью и, кроме того, с уменьшением толщины башни (с 110 до 92±8 мм) появилась возможность рассчитывать на более благоприятные условия для прокаливаемости отливки.

На основании изложенного было принято решение о проведении новых плавок.

Следующая плавка № 21300 выплавлена в основной мартеновской печи.

Вес садки 60000 кг. При расплавлении получено: углерода 0,86%, марганца 0,24%, фосфора 0,030%, никеля 1,85%, хрома 0,22% и молибдена 0,19%.

Дефосфорация продолжалась в течение часа 15 минут. Фосфора в конце дефосфорации 0,018%, но шлак снят недостаточно полно. Поэтому в конечном анализе получено повышенное количество фосфора — 0,033–0,034%.

Для наведения нового шлака присажена первая шлакообразующая смесь, состоящая из извести и формовочной земли, при содержании углерода в ванне 0,50%.

Для понижения закиси железа в шлаке перед раскислением присажен шамот в количестве 50 кг; при углероде 0,27%.

Средняя скорость выгорания углерода в период дефосфорации 0,5% в час; в период кипения 0,17% в час.

Раскисление произведено металлическими раскислителями, а именно: ферромарганца 50 кг, силикомарганца 250 кг; доменного ферросилиция 550 кг; ферросилиция 45% 150 кг. В ковш дано алюминия 32 кг.

Шлаки по ходу плавки хорошие.

После раскисления анализ шлака следующий:


В целом плавка проведена удовлетворительно.

Химический состав в % плавки № 21300.


Из-за повышенного содержания фосфора в плавке № 21300, затрудняющего переход стали на волокно, и желания при проведении опыта не иметь наличия дополнительного фактора, было решено отлить еще одну плавку.

Плавка № 31452 выплавлена также в основной мартеновской печи.

Печь работает на мазуте и имеет повышенную окислительную способность, поэтому плавка № 32452 была проведена методом диффузионного раскисления.

Вес садки 36 тонн, причем 25% от веса садки составляли хромоникельмолибденовые отходы.

Продолжительность периода плавки:
заправки — 20 мин.
заварки — 1 ч. 50 мин.
дефосфоризации — 7 ч. 50 мин.
кипения — 2 ч. 05 мин.
раскисления — 1 ч. 20 мин.
общая продолжительность плавки — 12 ч. 40 мин.

При расплавлении состав металлической ванны был следующим:
углерода 1,32%
марганца 0,20%
фосфора 0,030%

Процесс плавки проведен хорошо: кипение было интенсивное в течение всего окислительного периода, что характеризуется скоростями выгорания углерода. В периоде дефосфорации средняя скорость выгорания углерода составляет 0,36% в час; в периоде чистого кипения средняя скорость 0,32% в час; после присадки второй раскисляющей смеси — 0,24% в час.

В периоде дефосфорации было произведено тщательное удаление шлака. Содержание фосфора в металле: после дефосфорации 0,015%, после перед раскислением 0,015%, в готовом металле 0,022%.

Первая шлакообразующая смесь состояла из кусковой извести 900 кг., формовочной земли 50 кг., присаженной при высоком содержании углерода в ванне (0,82%), что дало возможность ванне интенсивно прокипеть.

Вторая смесь (раскислительная, дающая возможность понизить скорости выгорания перед раскислением) состояла из: извести 250 кг., шамота молотого 120 кг., кокса молотого 120 кг.

Смесь была присажена при содержании углерода 0,33%.

Раскисление производилось следующим образом: металл раскислен ферромарганцем (30 кг) и ферросилицием 45% (30 кг). Шлак раскислен третьей смесью, состоящей из ферросилиция и кокса молотого.

За 15 минут до выпуска был присажен чугун вавиловский в количестве 300 кг с целью обеспечения заданного анализа по углероду.

Вавиловский чугун — это разговорное или историческое название высококачественного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (прим. редактора).

Химический состав в %:


Плавка по процессу проведена хорошо. При разливке залито три башни.

Было намечено, что после термической обработки одна из башен плавки 31452 будет подвергнута круговому расстрелу.

Башни плавок 21300 и 31452 обрабатывались по режиму, принятому для валовой продукции (нормализация, закалка и отпуск).

Одна башня № 2236, пл. № 31452, подвергалась двойной закалке, т. к. в производстве разрешалось обрабатывать башни по двум режимам:

1) нормализация, закалка, отпуск;
2) двойная закалка.

После термической обработки получены следующие результаты.

Таблица 5:


Башня № 2266 подвергалась круговому обстрелу.

Результаты испытания показали следующее:

1) Скорость при пределе тыльной прочности (ПТП) соответствует требованиям технических условий 630–640 м/сек снарядом черт. 2-03545.

2) Толщина стенок равномерная и находится в пределах 96–99 мм.

3) Следует отметить хорошую вязкость при испытании обстрелом: хрупких поражений не обнаружено, и совершенно отсутствуют трещины на внутренней стороне.

4) Полученные скорости (ПТП и ПСП) свидетельствуют о практически одинаковой бронестойкости башни во всех её частях.

Помимо башни № 2236, из этих двух плавок подвергались сдаточным испытаниям ещё 3 башни.

Результаты испытания приводим ниже.

Таблица № 6:


На основании полученных результатов было принято решение об изготовлении установочной партии в количестве 25 шт., для чего выплавлено 4 плавки и залито 23 башни.

Таблица №7:


Часть башен прошли термическую обработку и подвергались испытанию обстрелом.

Результаты термической обработки сведены в таблицу 8, данные полигонных испытаний представлены в таблице 9.

Таблица № 8:

Характеристика излома твёрдости деталей плавок 31543, 31544, 21388, 21390


Таблица №9:




В связи с тем, что партия башен, указанных в таблице 9, испытывалась не на предмет определения пределов тыльной прочности и сквозного пробития, а на определение бронестойкости с контрольными скоростями, поэтому пределы тыльной прочности и сквозного пробития четко не определены.

По данным таблицы можно дать ориентировочно следующую оценку по бронестойкости:


Башня 2326 при испытании в лобовую часть показала несколько пониженную бронестойкость; последнее объясняется тем, что толщина передней стенки 89 мм и, кроме того, судя по излому, термическая обработка башни была не вполне удовлетворительна.

Полученные данные позволяют сделать следующий вывод:

1) Сталь с пониженным содержанием никеля и молибдена вполне удовлетворяет требованиям технических условий для литой брони толщиной 92 мм.

2) Для литых башен танка «КВ» можно применять сталь следующего состава:

Углерод 0,24 - 0,30
Марганец 0,30 - 0,60
Кремний 0,20 - 0,4
Сера до 0,030
Фосфор 0,00
Хром 1,3 - 1,6
Никель 1,7
Молибден 0,2 - 0,30

Примечание: сумма серы и фосфора не должна превышать 0,055 %.

3) Применение новой марки стали для башен танка "КВ" даёт возможность экономить никель на 15 % и молибден на 30 %.

Приложение: акт испытания башни № 94


Комиссия произвела полигонные испытания опытной литой башни танка КВ плавки 61711 194, отлитой Ижорским заводом из стали с пониженным содержанием никеля (1,83%) и молибдена (0,20%).

Башня отливалась с уменьшенным количеством прибылей (четыре вместо шести) и одна обработана на твердость 3,4 (диаметр отпечатка).

Условия испытания.

Башня испытывалась в рабочем положении обстрелом из 76-миллиметровой пушки бронебойными снарядами черт. 2-06580. Всего в башню было произведено 9 выстрелов, из них в лобовую часть 4, в левый борт 3 и в кормовую часть 2 выстрела.

Результаты испытания:


ВЫВОДЫ


1. Испытанная опытная башня 194 до бронестойкости не ниже требований, предусмотренных временными техническими условиями на литые башни толщиной = 110 мм. Из марки стали ФД 6674, принятые на УЗТМ.

2. Полученные скорости при испытании снарядом 2-06529 свидетельствуют о том, что лобовая часть башни, бортовая и кормовая превышают штатную скорость 76-мм пушки, равную 650 м/сек. снаряда чертежа 2-03545 при переводном коэффициенте 0,89.

3. Бронестойкость кормовой части башни в местах, находящихся выше убранных прибылей, несколько ниже бронестойкости лобовой и бортовых частей башни, но находятся в пределах, предусмотренных временными ТУ.

4. Вязкость данной опытной башни не ниже ранее испытывавшихся литых башен марки стали ФД 6674, установленная обстрелом 76-мм снарядом.

Но при пониженных температурах (до -200С) опытная башня дала трещину и пролом от 85-мм снаряда со скоростью = 800 м/сек на дистанции 330 метров, что характеризует резкое падение вязкости.

5. Комиссия считает необходимым изготовить партию в 25 штук литых башен новой марки стали, на которых произвести более полные исследования и испытания обстрелом, после чего должен быть окончательно решен вопрос о запуске в валовое производство новой марки стали.

6. Окончательное решение о снятии прибылей должно быть сделано после исследования башни № 194 на наличие усадочной рыхлости (испытаниям под копром) и после проверки технологии дополнительно на доследующих 5-ти башнях.