坦克装甲钢板横向裂纹成因及冶金缺陷本质

宋卫星，武婧婧

(西部战区陆军装备部综合计划处，甘肃 兰州 730000)



坦克装甲钢板横向裂纹成因及冶金缺陷本质

宋卫星，武婧婧

(西部战区陆军装备部综合计划处，甘肃 兰州 730000)

高锰钢是一种具有强大抗冲击磨损功能的耐磨钢，由于其生产成本低廉，工艺简单，拥有优良的力学性能被广泛采用制作坦克装甲钢板。但是技术的提升依然无法完全克服高锰钢材料容易产生裂纹的特性。分析了高锰钢材料铸件横向裂纹缺陷产生的原因，并对相关工艺进行了阐述。

坦克装甲；高锰钢；裂纹成因；冶金缺陷

高锰钢是一种合金钢，其中锰的含量超过了10%，具有较好的抗冲击磨损性能，因此成为制造坦克装甲的重要材料之一。然而，高锰钢材料铸件的横向裂纹问题，一直是困扰相关生产的重要课题。

1 高锰钢的成分和性能

高锰钢作为专为重工业提供使用的一种防磨钢材，具有硬度高、塑性强、韧性高等良好的力学性能。自19世纪80年代诞生以来，在多个领域得到了广泛的运用，尤其是在坦克装甲方面的运用，将高锰钢的抗冲击、耐磨损的性能发挥到了极致。高锰钢的化学成分为11%～15%的锰，0.95%～1.55%的碳，0.4%～1.0%的硅，小于0.05%的硫和小于0.1%的磷。这些化学成分对于高锰钢的性能形成具有非常重要的影响。在高锰钢的化学成分中，碳对单相奥氏体组织的形成起到了非常重要的促进作用，能提高高锰钢的耐磨性，保证其具有较高的力学性能。锰的加入，对钢的组织由珠光体型向马氏体型的转变并最终形成更具韧性的奥氏体型起到决定作用，是稳定奥氏体的主要原色。在高锰钢中，锰碳比非常重要，可以避免高锰钢在冷却时的珠光体转变，强化钢体的性能。硅则具有辅助高锰钢脱硫的作用。而高锰钢中的少量磷成分，正是导致相关铸件增加开裂倾向的重要有害化学成分，在高锰钢的生产过程中，是重点要降低含量的化学成分[1]。

由于高锰钢优良的特性，市场对其的需求量不断攀升，也促进了对锰矿的开发利用。中国的锰矿资源比较丰富，主要以低品位锰矿为主。但是受矿床规模、资源赋存等条件制约，在锰矿的开发利用方面存在矿区分散、规模小的问题。较大规模的锰矿开采主要集中在秀山、零陵、松桃、花垣、大新、靖西等地。目前，我国大约90%的锰矿产量用于钢铁工业，但由于我国的锰矿原矿品位过低，无法满足国内的需求，因而还需要大量进口来维持正常的生产。

2 高锰钢加工硬化机理

1) 位错强化机制

高锰钢中所含的大量锰原子通过向铁原子的置换，可以使其层错能显著降低，从而实现更好的形变，增高位错密度，形成高锰钢的堆垛层错和形变亚结构，达到加工硬化的目的。

2) 形变孪晶机制

对高锰钢进行拉伸可以使硬化区出现层状孪晶，这样可以使硬度提升到HV460。而通过重锤锤击，高锰钢中也可出现层状孪晶和位错缠结，使硬度提升到HV500。爆炸硬化的手段也可使高锰钢形成硬化区的复合孪晶，使高锰钢呈现出硬度提高、硬化层加厚的特性[2]。

3) 形变马氏体机制

温度是形成高锰钢形成马氏体的主要原因。通过对合金的快速冷却至Ms点，即可获得马氏体，而在Ms点以下至更低的Md点之间，由于应力作用，可形成高锰钢的形变马氏体。一般情况下，Ms点为低于200℃的温度。当Mn量为12%时，Ms点则为-230℃以下。如果把高锰钢中的碳量降至0.8%，在形变δ.θ马氏体的产生会发生在-196℃时，而调整锰的含量至4%，则在室温中即可出现形变ε.δ马氏体。常规成分的高锰钢经过固溶后，经50%的变形量形变就可以硬度得到较大提高，当变值量增至35%时，可发现约1.4%的少量δ马氏体[3]。

3 高锰钢铸件裂纹缺陷分析

高锰钢坦克装甲钢板横向裂纹成因是多方面的，主要有以下几种情况。

1) 化学成分和组织的影响

碳含量的多少，对于高锰钢中钢的屈服点具有重要作用。提高碳含量，会导致钢延伸性的降低，如果控制不得当，还会导致碳化物析出，进一步造成对钢的韧性和延伸性的降低，从面加大产生裂纹的几率。同时，高锰钢中磷的含量也会对材料延伸性造成不良影响，产生铸件热裂纹。

2) 铸造工艺的影响

高锰钢的铸造工艺虽然简单，但是相关工艺的铸件结构、工艺参数、浇筑温度等问题如果处理不得当，会直接导致高锰钢裂纹缺陷的产生。因此，提高铸造工艺是保证高锰钢铸件质量的关键。

3) 热处理的影响

高锰钢的生产，如果没有进行热处理，或在热处理的过程中没有很好的控制相关条件，则会增强高锰钢的脆性，进而造成裂纹的出现。同时清理切割工艺的不到位也是造成铸件裂纹产生几率提升的重要原因[4]。

4 高锰钢生产中的一些问题处理

1) 合理控制高锰钢化学成分

碳、锰、磷、硅等是形成高锰钢的主要化学成分，随着相关研究的不断发展，为实现高锰钢强度、硬度等相关性能的提升，目前已开始在高锰钢生产中加入了一些合金成分。虽然合金成分的增加能提高高锰钢的一些性能，然而对于控制裂纹的产生并没有特别好的作用。想要在保证高锰钢的延伸性和韧性的前提下避免裂纹的产生，最好的办法依然是实现对高锰钢中碳含量的中下限控制和锰含量中上限控制，从而尽量减少因碳化物的析出而产生裂纹。同时，前面已经提到磷含量对高锰钢裂纹产生的显著影响，因此对于磷含量的控制也应得到充分重视。将磷的含量控制0.06%以内，可以在避免降低钢的延伸性的同时控制热裂纹的产生。对于相关化学成分的控制是控制高锰钢裂纹产生的前提，在进行相关工作时，还要注意保证材料的硬度、强度、韧性等重要性能，两者兼顾才能实现质量的提高。

2) 提升冶炼技术

在冶炼的阶段，首先应精选炉料，尤其是冶炼的电炉为感应电炉时，这个工作更为重要。由于锰铁中磷的含量较高，而磷含量的增加会直接影响高锰钢产生裂纹的几率，因此，要选含磷低的锰铁合金。在冶炼时，为减少烧损量应后加入锰铁。铁合金要先经过烘烤才可加入电炉进行冶炼。出钢前，可以采用浇注后直接水韧处理的12 mm×20 mm×300 mm试棒以冷弯的角度对钢水质量进行检验[5]。

高锰钢的碳量较高，由此造成了其本身导热性低及结晶速度较快的特性，而这些特性会导致在高锰钢结构中形成粗大的结晶组织，尤其是传热有方向性时，会在高锰钢结构中形成柱状晶，而这些柱状晶中必然存在疏松问题和夹杂物，这样就会对高锰钢的性能产生影响。即使是通过热处理，依然很难改变标准高锰钢铸态的晶粒大小。而国家建材部的相关规定要求高锰钢铸件晶粒度不粗于2级，一些要求较严的文件还提出了壁厚不大于20 mm的铸件不允许出现有柱状晶、大于20 mm的铸件其断面两边柱状晶厚度之和应不超过该断面厚度五分之二的合格要求。

3) 优化铸造工艺

在减少碳化物析出量方面，要合理控制浇注温度，以1 450～1 470℃之间为好，且要保证浇注一次性完成。除了控制浇注温度，对厚大件要放置外冷件，以避免因温差过大在铸件内部产生收缩应力而形成裂纹缺陷，同时还可以提高铸件的致密度，减少缩孔、疏松问题的出现。内冷铁则不需这样处理。高锰钢体收缩大，由于工艺的进步，可以保证不出现缩孔，仅表现为不影响铸件使用的轴线疏松形式，这也是高锰钢的性能优势所在。因此对于厚度小于25 mm的铸件，无需设置冒口；当厚度超过50 mm时，则必须设置冒口，以保证对铸件裂纹的控制。高锰钢铸件的毛坯在进行水韧处理之前，一般处于脆性状态，如果不做相关处理，极易对铸件浇筑后的收缩性造成影响，从而导致铸件裂纹缺陷的产生，因此需要将锯末、泡沫等物质加入芯中，保证砂芯的退让性。

4) 热处理和切割清理

针对未进行热处理或热处理不当而产生的高锰钢铸件裂纹，生产时间证明固溶温度应控制在1 070℃左右。在进行固溶处理时，应采用慢加热，温度控制在650℃左右，防止裂纹的产生。由于高锰钢的导热性较差，铸件浇注后保温时间太短，冷却速度快，往往使铸件在收缩应力增加而导致高锰钢铸件裂纹的产生，对此应尽可能在砂型内缓慢冷却，使保温时间得到延长，并使热影响区温差控制在最小范围内，浇冒口和毛刺切割采用水池内淬水切割，进而防止裂纹产生。此外，在补焊前不要预热，经水韧热处理后，方可进行焊补。在去除裂纹缺陷时，应采用风铲和砂轮，焊补的工艺方法应严格按照相应工艺来执行[5]。

5 高锰钢生产工艺的发展

1) 精炼

为了提高钢水质量，炉外精炼工艺被愈来愈广泛应用，从20世纪80年代起，在高锰钢生产上也得到使用，精炼后，夹杂物减少，分布改善，使强度提高，可由657 MPa提高到834 MPa，耐磨性也能提高30%。

2) 悬浮浇注

浇注温度对高锰钢性能的影响很大，生产厂家往往炉子容量大，浇注时间长，控温较难，虽然采取各样的措施，仍不能避免晶粒粗大的弊病。人们研究在浇注时，随钢水连续加入2%～3%(尺寸为0.15～0.3 m)铁粉或锰铁粉与铁粉的混合物，它起内冷铁作用和增加结晶核心，改善高锰钢性能还使耐磨性提高30%～50%，但要注意加入后使钢水流动性降低。

3) 表面合金化

为了既提高耐磨性又节约合金元素，采用表面加入合金的方法可以达到目的，具体措施是在铸型表面刷含合金涂料，撒锰铁粉或是贴上合金铸铁片，钢水浇入后熔化与熔接这些材料，提高了铸件表面性能，现在还有用含铬焊条在高锰钢上进行堆焊，以提高耐磨性。

6 结 语

目前，虽然相关技术和工艺的提升，高锰钢的横向裂纹问题已得到了一定的控制，然而完会杜绝这类问题的发生不太可能。同时，随着相关研发人员对装甲材料的不断开发，坦克装甲钢板的材料己不仅局限于高锰钢这一种材料。

[1] 杜金山, 龙鹏飞. 坦克装甲钢板横向裂纹成因及冶金缺陷本质研究[C]//中国兵工学会金属材料学会兵器产品失效分析交流会,江苏：[出版者不详]，1985.

[2] 程玉兰. 消防坦克功能介绍[C]//第八届科博会中国能源战略高层论坛论文集, 北京：[出版者不详]，2005.

[3] 陈威, 高一翔, 朱磊, 等. ZrO2涂层在坦克局部隔热隐身中的应用研究[J]. 热加工工艺, 2013, 42(16): 140-143.

[4] 陈永. 坦克装甲车辆的动用期和战伤评估研究[D]. 南京: 东南大学, 2014.

[5] 高原, 姚凯. 军用车辆装甲防护材料与技术发展的研究[J]. 机电产品开发与创新, 2015, 28(2): 10-12.

The Crack of Tank Armor Plate Transverse and Metallurgical Defects

SONG Weixing, WU Jingjing

(TheWesternTheaterArmyEquipmentDepartmentinIpo,Lanzhou,Gansu730000,China)

High manganese steel is a kind of wear-resistant steel strong impact wear function, The mechanical properties in low production cost, simple process and excellent quality and performance of high manganese steel have been greatly improved. Therefore, it is widely used to manufacture the tank armor plate. But the characteristics of promotion of technology is still unable to completely overcome the crack of high manganese steel materials. This paper analyzes the causes of defects of high manganese steel casting transverse crack, and also the related technology is discussed.

Tank armor; High manganese steel; Crack formation; Metallurgical defects

2016-10-11

宋卫星(1982-)，男，河北人，工程师，研究方向：军事装备学，手机：13919913705,E-mail:swx1120@sohu.com.

TG115.27

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.025