При изготовлении стволов радиальной ковкой на внутренней

Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 1.
При изготовлении стволов радиальной ковкой на внутренней стороне ствола формируются остаточные напряжения, знак которых зависит
от температуры обжатия [2]. При последующих отпусках происходят релаксация и перераспределение остаточных напряжений.
Список литературы
1. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. М.: Машиностроение, 1987. 304с.
2. Ротационная ковка стволов охотничьих ружей / В.Н. Афонин
[и др.] // Оборонная техника. 1970. №5. С.52-54.
V.K. Zelenko
MATHEMATICAL MODELING OF CRACKING AND CRACK PROPAGATION IN
SUBSURFACE LAYER OF BARREL BORE
Problems of mathematical formulation of problems accompanying the cracking and
crack propagation in subsurface layer of barrel bore during firing the small-arms weapons
are considered.
Key words: rifling grooves, barrel bore, powder gases, heat flow, subsurface layer,
gas velocity.
Получено 16.12.10
УДК 620.1
В.К. Зеленко, канд. техн. наук, доц., гл. конструктор,
(4872) 32-04-00, zelenko,75@mail.ru
(Россия, Тула, филиал ГУП «КБП»-«ЦКИБ СОО»)
ПОВЫШЕНИЕ ЖИВУЧЕСТИ СТВОЛОВ СТРЕЛКОВОГО ОРУЖИЯ
ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТИВОИЗНОСНЫХ
ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ
Рассмотрены вопросы математического описания процессов, сопровождающих образование и распространение трещин в приповерхостном слое канала ствола
при стрельбе из образцов стрелкового оружия.
Ключевые слова: нарезы, канал ствола, пороховые газы, триботехнический состав, микротвердость, трение.
Анализ экспериментальных и теоретических исследований показывает, что повышение износостойкости каналов стволов возможно путем
изменения физико-механических параметров приповерхностного слоя и
уменьшения высоты микронеровностей на поверхности каналов стволов.
252
Вооружение и военная техника
Физико-механические параметры приповерхностного слоя, его структура и напряженное состояние сильно отличаются от свойств всего объема
материала, так как у атомов поверхностного слоя остаются свободные связи,
и чтобы при таком несимметричном силовом поле атом кристалла находился
в равновесии, необходимо иное, чем внутри кристалла, расположение атомов
самого верхнего слоя. Эти атомы имеют исключительно высокую диффузионную подвижность и реакционную способность под действием давления и
деформации сдвига при трении, вследствие чего имеется возможность модифицирования поверхностей трения вплоть до создания новых соединений и
равновесных твердых растворов.
Существуют материалы или триботехнические составы (композиции), которые способны в паре трения при определенных условиях инициировать процессы самоорганизации трения в триботехнически выгодном
направлении.
Эффект наращивания поверхностей трения происходит за счет введения в смазку различных присадок:
- органики (фторопласт, стирол, спирты, жирные кислоты и др.);
- металлов (Co, Ni, Cu, Zn и др.);
- катализаторов (Pt, Pd, фуллериды и др.);
- керамики на основе Nb, Ta, Zr, УДА и др.;
- жидких кристаллов (металлов, растворимых в органическом соединении), которые формируют антифрикционный поверхностный слой;
- наполнителя (природных и искусственных соединений в порошкообразном виде), который формирует подповерхностный слой.
Применение триботехнических составов основано на том, что на
трущихся поверхностях образуется практически идеально гладкое металлокерамическое покрытие. Это покрытие наращивается исключительно в
тех местах и ровно в таком количестве, которое обеспечивает наибольшую
гладкость поверхностей. Наращивание происходит на молекулярном
уровне, полученное покрытие имеет строение кристаллической решетки,
обеспечивающей его прочность и твердость. Мелкодисперсное вещество,
составляющее основу триботехнических составов, сглаживает неровности
трущихся поверхностей.
При применении триботехнических составов можно выделить следующие протекающие процессы:
1. Попадание состава в зону трения.
Под воздействием контактных нагрузок в зоне трения происходит
разрушение частиц состава с образованием активных элементов.
2.Микрошлифование поверхности трения частицами состава, имеющими более высокую твердость. При этом удаляются оксидные пленки,
нагар, выравниваются зазоры, снимаются поверхностные напряжения.
3. Насыщение контактных поверхностей элементами триботехнического состава.
253
Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 1.
В зоне трения под действием контактных нагрузок происходит
внедрение активированных элементов состава в поверхность канала ствола.
4. Образование в зоне трения саморегулирующейся фрикционноадаптивной пары.
Фазовые превращения в силикатных соединениях, внедрившихся в
поверхность трения, приводят к образованию структуры с соотношением
фаз, соответствующих условиям трения. Процесс является саморегулируемым. Интенсивность внедрения частиц состава в поверхность пропорциональна локальному давлению и температуре в пятне контакта. Поэтому
внедрение частиц происходит в участки канала ствола с наиболее интенсивным трением, что приводит к микровосстановлению размеров канала.
Полученная поверхность обладает стойкостью к истиранию, низким коэффициентом трения.
Как показали исследования, проведенные в «ЦКИБ СОО», наиболее
подходящим для применения в стрелковом оружии является полифункциональный состав «Живой металл» (СПФ «ЖМ»), разработанный НИИ специальных технологий, представляющий собой комплекс специальным образом переработанных природных и синтетических катализаторов,
органических структур и керамики.
В СПФ «ЖМ» применены специально переработанные (гидротермальный каталитический синтез) минералы и включены специальные и
металлорганические (каталитические) системы, что придает СПФ способность к саморегуляции, а также формированию неоднородных (металл, керамика, органика) защитных покрытий, не трескающихся и не откалывающихся при механическом и термическом воздействии.
Специальные каталитические системы, включенные в СПФ, снижают насыщение водородом трущихся металлических поверхностей, не
допускают снижения прочности поверхностного слоя при диффузии дисперсионно-упрочняющихся систем с поверхностных слоев в более глубокие.
Основу дисперсионно-упрочняющей системы составляет серпентинит. Серпентинит − это метафорическая (вторичная) ультраосновная горная порода, имеющая плотность 2,5…2,75 г/см3 и состоящая из серпентина, магнитного железняка Fe3O4, хромистого железняка и остатков
исходных первичных горных пород − оливинов и пироксенов.
Основным элементом серпентинита является серпентин, который
состоит из силикатов и куросиликатов магния, кадмия и железа. Общая
формула - Mg6[Si4O10](OH)8. Незначительная часть кремния замещается
алюминием, а магния − Al, Fe+2, Fe+3, Ni, образуя новые минералы. Минералогическая структура серпентинов напоминает структуру подшипниковых сплавов: в мягкой волокнистой основе распределены твердые кристаллы (кремнекислородные тетраэдры [SiO4]4). Плотность серпентина
254
Вооружение и военная техника
2,55 г/см3, твердость по шкале Мооса 2,5…3,5, что соответствует микротвердости 73…149 кгс/мм2 или твердости мало- и среднеуглеродистых
сталей в отожженом состоянии.
Оливин − основная первичная горная порода, представляющая собой железо-магниевый силикат (Mg,Fe)2SiO4. Минералогическая структура
оливина аналогична структуре серпентина: тетраэдры [SiO4]4- соединены
связями двухвалентных металлов. Твердость оливина по шкале Мооса 6,5,
что соответствует HRC 67, то есть максимально возможной твердости, достигаемой закалкой высокоуглеродистых сталей.
Пироксены − ультраосновная горная порода, состоящая из сплавов
Ca, Na, Mg, Fe, Mn, Ni, Cr, Ti, Al и Si. Общая формула минералов группы
пироксенов записывается так:
nWn( x; y ) Z 2O6 ,
2+
где W − Ca, Na; x − Mg, Fe , Mn, Ni; y − Al, Fe3+, Cr, Ti; Z − Si, Al.
Пироксены имеют также высокую твердость, но несколько меньшую, чем у оливинов (5…6 по шкале Мооса).
Использование слоистых силикатов типа серпентинита особенно
эффективно при трении с экстремальными нагрузками (температура, давление). При температуре 600 °С серпентинит преобразуется согласно реакции
Mg6[Si4O10](OH)8 → 3Mg2SiO4 + SiO2 + 4H2O.
В результате этой реакции образуются тонкодисперсные форстерит
и кремнезем с температурами плавления 1890 и 1470 °С соответственно и
твердостью по шкале Мооса 6,5…7,0. Эта реакция эндотермическая и требует затрат энергии порядка 336 кДж/моль.
Присутствие железа существенно меняет характер происходящих
процессов, которые в этом случае определяются реакцией
Mg6[Si4O10](OH)8 + 8Fe → 3(MgFe)2SiO4 + Fe2SiO4 + 2H2O + 2H2.
Продуктами этой реакции являются оливин, фаялит, вода и свободный водород.
Твердость оливина и фаялита сопоставима с твердостью форстерита,
но они имеют меньшие температуры превращений (1250...1400 °С и
1100…1250 °С соответственно), поэтому эти реакции более предпочтительны, а свободный водород − источник энергии для указанных превращений.
Таким образом, при трении стальных контактирующих поверхностей с покрытием СПФ «ЖМ» реакция происходит при достижении на контактирующих поверхностях локальной температуры 1200…1100 °С. Оптимальный
средний размер частиц серпентинита должен составлять 2…5 мкм, фракции
размером менее 1 мкм − 20…30 %.
На поверхностях трения образуются пленочные зеркала скольжения
(рис. 1), чему весьма способствует наличие магнетита, который находится
в тесном срастании с серпентинитом: происходит локальное спекание зе255
Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 1.
рен форстерита, оливина, фаялита, кварца с материалом ствола, их разбухание под действием паров воды и расплавов, проникающих в поры и микротрещины, имеющихся на поверхностях трения. Процесс сопровождается
изменением геометрии контактирующих поверхностей: уменьшением зазоров, заполнением свободных зон и т.д. Благодаря образованию этих пленок происходит заметное снижение коэффициента трения и реализация
эффекта безызносности при трении.
а
б
в
Рис. 1. Микроструктура органо-металлокерамического слоя х1000:
а − основной металл; б − граница между триботехническим составом
и основным металлом; в − слой триботехнического состава
В целом СПФ «ЖМ» состоит из следующих компонентов:
27,5 % − дисперсионно-упрочняющиеся системы, полученные из минералов;
9 % − специальные каталитические системы, полученные методом
каталитического органического синтеза;
10 % − металлоорганический комплекс, содержащий клатратные гетероциклические органические соединения, полученные в результате биосинтеза, а также сибациновую и изоциануровую кислоты;
3,5 % − клатратная система, содержащая органометаллические и
фторорганические компоненты;
25 % − кремний-фторорганические, полиэфирные полиамидные органические соединения;
25 % − масло И20А.
Образование защитного износостойкого покрытия канала ствола
при применении СПФ «ЖМ» происходит следующим образом.
На первом этапе обработки поверхность подготавливается к принятию покрытия: травится смесью сибациновой и изоциануровой кислот и
снабжается органо-металлическими комплексами, активирующими диффузию и адгезию.
Затем под воздействием давления и температуры, возникающей в
местах локального контакта металлокерамический комплекс своей металлической составляющей присоединяется к поверхностному слою металла.
256
Вооружение и военная техника
Одновременно углубления микрорельефа заполняются частицами металла
и другими продуктами трения, органо-металлокерамические комплексы
закрепляются за счет органической составляющей.
В результате диффузии органо-металлических комплексов на
глубине порядка 5 мкм упрочняется поверхностный слой.
Таким образом, на поверхности канала ствола образуется органометаллокерамический слой, заполняющий места выработки металла, обладающий особыми свойствами:
- коэффициенты температурного и линейного расширения соответствуют аналогичным характеристикам основного металла пар трения (от
13,6 до 18,3);
- локальная микротвердость составляет 630…710 Н за счет включения фуллереноподобных дисперсионно-упрочняющих систем;
- ударопрочность покрытия 50 кгс/мм2;
- коэффициент трения от 0,5 до 0,003 в зависимости от состава рецептуры.
Характерной особенностью процесса является его способность к
саморегуляции: с образованием органо-металлокерамического слоя трение
начинает снижаться и соответственно уменьшается энергия для активации
комплексов.
Исследования по определению коэффициента трения страгивания
для триботехнических пар сталь 30ХН2МФА без покрытия, с хромовым
покрытием и СПФ «ЖМ» в сочетании со сталью 20, медью и бронзой
(табл. 1) показали, что наибольшее сопротивление страгиванию создает
хромовое покрытие, наименьшее − СПФ «ЖМ».
Таблица 1
Коэффициенты трения страгивания
Материалы
триботехнических пар
Сталь 30ХН2МФА
Сталь 30ХН2МФА + хром
Сталь 30ХН2МФА + СПФ «ЖМ»
Коэффициент трения
Сталь 20
Медь
Бронза
0,079
0,093
0,084
0,131
0,178
0,15
0,071
0,089
0,067
Технология нанесения трибологического покрытия на поверхность канала ствола. Суть решения указанной задачи заключается в том,
что для получения покрытия канала ствола он сначала подвергается предварительной обработке, а затем нанесению соответствующего покрытия.
Предварительная обработка канала ствола осуществляется смесью природных материалов и биологических ферментных систем, растворенных и
взвешенных в изиопропиловом спирте при температуре 50…80 °С в течение 60…90 минут. Затем на поверхность канала ствола наносится покры257
Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 1.
тие, представляющее собой полифункциональный состав, состоящий из
смеси гомогенных и гетерогенных катализаторов и дисперсионноупрочняющих систем в вязком носителе. Далее производится термообработка первого слоя в течение 2…4 часов при температуре 110…120 °С.
После чего ствол присоединяется к образцу оружия, оружие заряжается и
производится выстрел, упрочняя тем самым нанесенное покрытие.
Количество упрочняющих выстрелов зависит от калибра оружия.
Таким образом, технологический процесс нанесения трибологического покрытия на основе серпентинита «Живой металл» на поверхность канала
ствола, полученного электрохимическим методом, можно представить в
виде следующего алгоритма [1].
1. Выдержка ствола при температуре 60…70 °С в течение 1 часа.
2. Нанесение на поверхность канала ствола активирующего состава,
представляющего собой 50 %-ный раствор металлоорганического комплекса, себациновой и изоциануровой кислот в изопропиловом спирте.
3. Выдержка ствола при температуре 110…120 °С в течение 1 часа.
4. Нанесение на поверхность канала ствола СПФ «ЖМ» с помощью
специального притира, имеющего конфигурацию, противоположную конфигурации канала ствола.
Состав наносится на притир, который вводится в канал ствола. В
процессе движения притира состав переносится на поверхность канала
ствола.
5. Термообработка нанесенного слоя путем выдержки ствола при
температуре 110…120 °С в течение 4 часов.
6. Сборка образца оружия и его отстрел (два выстрела штатными
патронами).
7. Операции 4 и 6 повторяются 7 – 9 раз в зависимости от калибра.
8. Упрочнение покрытия стрельбой штатными патронами в объеме
30-50 выстрелов.
Как показывают проведенные исследования, особенно эффективно
покрытие на основе серпентинита «Живой металл» при стрельбе моноблочными стальными пулями.
Данная технология пригодна не только при изготовлении новых
стволов, но и для восстановления изношенных стволов. В этом случае канал ствола должен быть предварительно вычищен от остатков порохового
нагара составом на основе масла РЖ и шлифпорошка, размеднен и рассвинцован.
Исследование поверхности каналов стволов с покрытием составом
«Живой металл» на атомно-силовом микроскопе ИНТЕГРА показало, что в
процессе износа приповерхностного слоя образуется игольчатая микро-
258
Вооружение и военная техника
структура (рис. 2). Вершины «иголок», очевидно, обладая более высокой
твердостью, позволяют сохранять диаметральные размеры канала ствола.
Нанесение триботехнического покрытия «Живой металл» можно
совместить с изготовлением ствола методом ротационной ковки [2].
Изготовление ствола из заготовки ротационной ковкой с использованием трибологического покрытия «Живой металл» включает следующие
технологические операции:
- термообработкау заготовки;
- глубокое сверление внутреннего отверстия;
- развертывание отверстия;
- электрохимическую обработку отверстия;
- обработку канала заготовки составом «Живой металл», термообработку и ковку на оправке;
- механическую обработку наружной поверхности ствола и выполнение патронника.
а
б
Рис. 2. Износ поверхности канала ствола, покрытого составом
259
Опробование данного способа на различных моделях спортивноохотничьего и снайперского оружия с последующим их испытанием показало, что полученное покрытие не уступает хромовому по износостойкости
и превосходит его по сохранению параметров внутренней и внешней баллистики оружия. В частности, применение СПФ «Живой металл» позволило увеличить ресурс стволов 12,7-мм снайперской винтовки ОСВ-96 в 2 −
2,5 раза при стрельбе как моноблочными, так и оболочечными пулями.
Список литературы
1. Способ получения покрытия канала ствола огнестрельного оружия: пат. 2338990 Рос. Федерация. Бюл. №32. 1с.
2. Способ получения канала ствола с нарезами: пат. 2353461 Рос.
Федерация. Бюл. №12. 1с.
V.K. Zelenko
IMPROVEMENT OF SMALL-ARMS BARREL LIFE THROUGH THE USE
OF TRIBOTECHNICAL WEAR-PREVENTIVE COMPOSITIONS
Problems of mathematical formulation of problems accompanying the cracking and
crack propagation in subsurface layer of barrel bore during firing the small-arms weapons
are considered.
Key words: rifling grooves, barrel bore, powder gases, tribotechnical
wear-preventive composition, microhardness, friction.
Получено 16.12.10
УДК 331.015.1:623
С.И. Логвинов, д-р техн. наук, проф., (4872) 34-20-99, vp3294@yandex.ru
(Россия, Тула, ТАИИ),
С.С. Логвинов, д-р техн. наук, начальник 3294 ВП МО РФ, (4872) 56-41-47,
vp3294@yandex.ru (Россия, Тула, 3294 ВП МО РФ),
А.В. Лапин, ст. преп., (4412) 98-92-17, Lapin_72@mail.ru
(Россия, Рязань, Рязанский военный автомобильный институт),
Ю.Ю. Покровский, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-05-01, aiax@tsu.tula.ru
(Россия, Тула, ТулГУ)
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ЭРГАТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА
В СЛОЖНОЙ СИСТЕМЕ, ФУНКЦИОНИРУЮЩЕЙ
В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
Рассмотрены проблемы эксплуатации сложных систем управления объектами, работающих в экстремальных условиях, влияние на эффективность системы в целом особенностей операторов, выполняющих управляющие действия в системе.
Ключевые слова: сложная система, эффективность системы, эксплуатация
сложных систем, профессионально важные качества операторов, моделирование эргатической системы.
Эксплуатация сложных систем, к которой можно отнести, например, деятельность номеров расчетов по управлению образцами вооруже260