国内外火炮身管用钢现状与发展趋势

        国内外火炮身管用钢现状与发展趋势

随着未来地面作战武器平台的发展，对火炮的要求也越来越高，而大威力、高射频、轻质量一直是火炮武器的主要战技指标。火炮身管用钢要求具有高强韧性的同时，还要求具有高耐烧蚀性能，包括耐化学腐蚀、耐高温以及热疲劳性能。目前的研究针对未来火炮膛压高、初速高、射程远和炮口能量增加的特点和由此带来的身管材料的强韧性、抗烧蚀等综合性能的不足等问题。充分利用现代冶金设备，采用相对经济的生产工艺，获得中碳低合金系列及少量中合金热强钢的超洁净超高强度炮钢，为中国未来轻型大口径高膛压火炮以及未来高膛压主战坦克炮提供身管材料技术储备。

           中国PLL01型155毫米牵引式加农榴弹炮，图源网络

1 火炮身管用钢简介

身管是火炮等速射武器的核心零件，对火炮性能和寿命起决定作用。身管用材料对其寿命有重要影响，身管材料的发展经历了以下阶段：早期的身管用材料采用铸铁（钢）；自第二次世界大战以后，世界各国火炮身管都采用以4335V钢（相当于中国的35CrNi2MoV钢）为代表的中碳Ni-Cr-Mo-V系调质钢；20世纪70年代以来，由于采用电渣重熔工艺，火炮身管用钢的洁净度和性能大幅提高，在此基础上形成了身管用钢ASTM A723（相当于中国的PCrNi3MoVA），并一直沿用至今，是最主要的身管用钢。近年来，人们研究了各种轻质材料身管和涂层，但并未全面推广应用。国内外常用的枪炮身管用钢为中碳Cr-Ni-Mo-V钢，其高性能化的方向是通过提高冶炼洁净度来保证具有足够的韧性。同时根据强度的要求调整铬、钼、钒等二次硬化元素含量。另一方面，为进一步提高强韧性和耐腐蚀性能，国外也开展了超高强度钢AF1410、沉淀硬化不锈钢PH13-8Mo以及奥氏体不锈钢用作身管用的研究工作（AD-A317919），希望将身管用钢从中低合金钢向高合金钢方向发展，但在保证加工性能上存在一定难度。身管用钢的发展趋势是高性能化，包括强度、韧性、耐烧蚀、耐磨损等性能的提高。与此同时，还要具有良好的加工性能，从而保证加工尺度精度以及服役时射击精度。

1.1 大口径火炮身管用钢

随着世界材料和工艺技术的不断发展，高强钢以及新型复合材料不断涌现，采用新型材料的火炮身管也在逐渐开发，但炮钢仍然是当今用来制造加农炮、榴弹炮等大口径厚壁火炮身管的主要材料，炮钢的性能水平直接关系到火炮威力及机动性的提高。目前，世界各国的大口径厚壁炮钢基本采用Ni-Cr-Mo-V系中碳低合金钢，且钢中镍的质量分数在3%左右，这种钢具有较高的淬透性，在淬火和调制处理后获得较好的强度和塑性配合，有较高的抗脆断能力，美国、英国炮钢化学成分见表1。

1.2 中小口径速射火炮身管用钢

小口径速射火炮是指身管口径为20~40mm的高射速火炮，目前已发展为三军通用、集攻防于一体的武器系统。身管是火炮的重要部件，决定了身管用钢的重要性，与大口径火炮身管一样，身管的寿命主要受疲劳和烧蚀两种因素制约。中国中小口径速射武器身管用钢标准（GJB 3783-1999）所列的钢种见表2。

随着真空感应熔炼、电渣重熔、身管自紧以及Cr-Ni-Mo-V系炮钢的研制应用，炮钢的疲劳性能已能满足火炮寿命要求，但烧蚀成为制约身管延寿的瓶颈。与大口径火炮相比，由于工况的差异，小口径速射火炮身管的烧蚀程度更为严重。中小口径速射火炮的发展趋势为高膛压和快射频，以期在短时间内击中目标，例如用于导弹拦截的30mm口径速射火炮要求寿命在10000发，射频提高到1000发/min。速射火炮的发展需要与之相适应的炮钢材料，通常的炮钢材料采用中碳Cr-Ni-Mo-V系合金结构钢，经调质后使用。由于常用炮钢中钼、钒含量不高（质量分数低于0.5Mo-0.1V），在中高温条件下其强度下降明显， 导致耐烧蚀性能不足。

2 国内外研究进展

2.1 国内研究进展

目前，国内高强度炮钢大多采用Ni-Cr-Mo-V系中碳低合金钢，经电弧炉、电弧炉+炉外精炼或电弧炉+电渣重熔等工艺冶炼，锻造和淬火高温回火热处理后，最终使用强度水平均在1300MPa（130kg级别）以下。常用的炮钢PCrNi3MoVA（相当于美国的ASTM A723）的比例极限强度级别为930MPa，其抗拉强度水平为1100~1300MPa。建龙北满特钢生产的用于155加农炮的32CrNi3MoV钢，采用电炉+喷粉（Si-Ca粉）处理+电渣重熔冶炼后，硫和磷等杂质元素的质量分数可以满足不高于0.010%的要求，再通过深冷淬火工艺获得良好的淬火组织，但其强度指标（r_0.1）也仅为1078~1275MPa。

最近，为了改变中国中小口径速射火炮寿命不高的现状，钢铁研究总院研制了耐高温性能优良的25Cr3Mo3NiNbZr速射火炮用钢，与传统炮钢力学性能对比见表3。

其高温性能较常用的PCrNi3MoVA钢有明显提高，延缓了炮管在高温服役条件下的损伤，作为长寿命身管钢在30mm口径速射火炮以及轻武器身管得到了验证。

2.2 国外研究进展

为保证火炮身管用钢良好的综合性能，在合金设计上，国外普遍采用淬火回火中碳 Cr-Ni-Mo-V系、Cr-Mo-V系马氏体钢，如美国的 ASTM A723系列、MIL-S-46047、德国DIN 21CrMoV511等。为保证钢的淬透性和改善钢的低温韧性，都添加较高的镍，通常为3.0%~3.5%。但是，美国的155mm身管用钢与175mm身管用钢相比，在合金设计上是有差异的。155mm身管用钢的碳质量分数降低了约 0.05%，这有利于韧性的提高；铬质量分数降低了约0.6%，有利于细化晶粒提高韧性；钒质量分数增加约0.10%，对韧性是不利的。厚壁大口径火炮身管用钢具有高横向比例极限、高屈服强度和良好的低温韧性。为保证这些性能，在热处理工艺中，美国175mm身管用钢和中国相应的身管用钢都采用高温正火+低温淬火+回火的热处理工艺，使钢的成分和组织均匀化，进一步细化晶粒，以获得良好的综合力学性能。

国外通过添加硅等合金化元素，在PCrNi3MoVA钢的基础上开发了强度为1500MPa级的炮钢，从而为壁厚的减小奠定了基础。氢致破坏是炮钢高强度化的一个重要障碍，特别是对于内膛需要镀铬的身管。国外研究对比了4340钢和ASTM A723钢的氢脆敏感性，国内也探索了1500MPa级炮钢的抗氢致破坏性能。因此，有必要进一步研究高强度炮钢的氢脆破坏机理，并在此基础上开发更高强度的火炮用钢，实现大口径火炮身管减重10%以上。

3 未来发展趋势

随着现代冶金技术的发展，常规武器用钢得到了迅速的发展。火炮身管用钢在射击过程中，火炮身管承受着很复杂的应力。由于要经受射击参量（如炮弹初速度可达500~3000m/s），高温、高压、高速火药气体对管壁的作用和冲击，炮弹对管壁的挤压，形成了很高的切向应力；而且身管表面经受着交替地快速加热（以10℃/s的加热速率使温度升高到710℃以上）和快速冷却（冷却速率为10℃/s），使钢的组织产生了奥氏体和马氏体的反复相变，形成了很大的组织应力和热梯度。苛刻的服役条件对火炮身管用钢提出了很高的要求，所以炮钢应具有如下性能：高横向比例极限（s_p）或高屈服强度（s_0.1），在射击时不产生永久变形；高横向室温和-40℃的低温韧性，在射击时不发生脆性断裂；低裂纹扩展速率，高周期疲劳次数，从而具有很长的使用寿命。为使身管用钢在射击条件下不软化胀膛，还应具有高的高温强度。

为达到这些目的，厚壁大口径火炮身管用钢正向追求良好综合性能方向发展。主要发展方向有两个：一是以美国为代表，开发高强度身管用钢，最高屈服强度（s_0.1）已达1240~1310MPa；二是以中国为代表，重视开发强韧性匹配好的身管用钢，把屈服强度适当降低到980~1120MPa的水平。通过降低钢中碳含量和提高镍含量，提高了身管用钢的韧性，获得了良好的综合性能，延长了身管用钢的使用寿命。

近些年 ，国内外在超高强度钢的研制和使用方面取得重大进展。通过合理的合金化设计（如采用具有二次硬化作用的钼等合金元素）和先进的冶炼工艺（如真空感应+真空自耗双真空处理），美国先后开发了AF1410和AerMet100等超高强度钢，其力学性能高达s_b≥1620MPa、s_0.1≥1413MPa、y≥66%和K_IC≥190MPa·m^1/2。其使用状态的强度水平在1400MPa以上，以AF1410为代表的国外超高强度炮钢虽然具有很高的强度和韧性，但是因其含有昂贵的钴和镍等合金元素以及所采用的冶炼工艺，生产成本较高，加工困难限制了其推广应用，未来需要不断进行高强度炮管钢的低成本化与易加工化的研究与产品研制工作。

法国在研制超高强度炮钢方面也取得了进展，研制了HRT25NKD8-4新型炮钢，其力学性能达：s_b≥1550MPa、s_0.1为1300~1400MPa、-40℃AKV≥35J、K_IC≥150MPa·m^1/2。

俄罗斯135mm 高膛压坦克炮已小批量生产，且身管材料等级很高。相比之下，中国尚未开展大口径超高强韧炮钢方面的研究与应用推广工作。近年来，随着中国冶金装备水平的提高，生产高洁净度、高均匀度和微细组织的一般合金结构钢能够满足强度高于1500MPa的要求，具备了生产高质量、高强度炮钢的装备条件。针对中国大口径火炮与中小口径速射火炮的需求特点，需要开展同时具备室温强度与高温强度、低温韧性兼备的高性能火炮用钢，满足火炮延寿与减重的设计需求，为提升中国身管武器的作战火力持续性与机动性提供高性能材料。

4 结论与展望

（1）火炮身管用钢的合金成分体系由中碳Cr-Ni-Mo-V钢向高合金钢的方向发展，通过对材料设计和制造技术的改进提高其综合性能与质量稳定性，延长火炮身管的使用寿命。

（2）针对大口径火炮减重延寿的需求，需要研制具有高温强度与低温韧性匹配的高强韧火炮身管钢(针对中小口径速射火炮提高火力持续性的需求，需要研制抗烧蚀、耐磨损同时兼顾加工性能的高性能身管钢。

（3）超高强度炮钢的研制与应用成为今后各国研究火炮身管用钢的主要发展趋势，需要同时关注降低材料成本并提升加工性能。

文献来源：张楠（钢研院），火炮身管用钢现状及发展趋势