1

Prace IMŻ 1 (2011)

Jarosław MARCISZ, Jerzy STĘPIEŃ

Instytut Metalurgii Żelaza

Jan MATERNIAK

Politechnika Poznańska

Zdzisław KACZMAREK,

Dariusz SZAŁATA

FPS Bolechowo

TECHNOLOGIE KSZTAŁTOWANIA PLASTYCZNEGO

NA ZIMNO I OBRÓBKI CIEPLNEJ ELEMENTÓW

STALOWYCH STOSOWANYCH W PRZEMYŚLE

AMUNICYJNYM

Opracowano podstawy technologii seryjnej produkcji elementów stalowych amunicji kalibru 30 mm. Elementami

stalowymi będącymi przedmiotem badań były: łuska oraz ogniwo taśmy rozsypnej. Zakres pracy obejmował wyty-

powanie gatunku stali i technologii produkcji oraz rodzaju wsadu do wytwarzania elementów stalowych amunicji.

Określono założenia do technologii produkcji półwyrobów w postaci prętów oraz blach kształtowanych na gorąco i na

zimno z przemysłowych wlewków ciągłych i z wlewków laboratoryjnych. Kolejnym etapem było opracowanie techno-

logii obróbki plastycznej obejmującej kształtowanie na zimno metodą wyciskania, wyciągania i gięcia oraz projekt

i wykonanie narzędzi w celu wytworzenia modelowych łusek i ogniw taśmy rozsypnej. Ostatnim etapem technologii

wytwarzania wyrobów będących przedmiotem badań w pracy było ustalenie parametrów obróbki cieplnej, zapewnia-

jących uzyskanie wymaganych właściwości technologicznych półwyrobów oraz właściwości mechanicznych i użytko-

wych wyrobów fi nalnych. Końcowym wynikiem realizacji pracy było wytworzenie partii modelowej łusek oraz ogniw

taśmy rozsypnej.

Słowa kluczowe: łuska stalowa, taśma amunicyjna, obróbka plastyczna, obróbka cieplna

TECHNOLOGIES FOR COLD FORMING AND HEAT TREATMENT

OF STEEL ELEMENTS USED IN THE AMMUNITION INDUSTRY

The fundamentals of technology for series production of steel components of 30 mm calibre ammunition were

developed. The subject of investigations was the following steel components: cartridge case and disintegrating belt

link. The scope of the work included the selection of steel grade and manufacturing technology as well as the type of

charge for making steel components of ammunition. The assumptions for technology for making semi-products in the

form of bars and sheets hot- and cold-formed from industrial cast strands and experimental ingots were determined.

Another stage was the development of the plastic forming technology including cold forming by extrusion, stretching

and bending as well as design and execution of tools to produce model cartridge cases and disintegrating belt links.

The last stage of the technology for making products being subject of the investigations in the work was to determine

the heat treatment parameters to ensure that the required technological properties of semi-products and mechanical

and utility properties of fi nal products are obtained. The fi nal result of the work was production of the model batch of

cartridge cases and disintegrating belt links.

Key words: steel cartridge case, ammunition belt, plastic forming, heat treatment

1. WSTĘP

Wyroby stalowe stosowane w przemyśle amuni-

cyjnym charakteryzują się wysokimi wymaganiami
w zakresie tolerancji wymiarowych oraz właściwości
użytkowych. Spełnienie wąskich tolerancji w zakresie
w/w charakterystyk zapewnia niezawodność i bezpie-
czeństwo użytkowania tych wyrobów w warunkach ich
eksploatacji. Z kolei uzyskanie powtarzalnej w sposób

seryjny partii wyrobów wymaga precyzyjnego doboru
materiału oraz opracowania technologii wytwarzania
w zakresie obróbki plastycznej, obróbki cieplnej i po-
wierzchniowej. Dane wyjściowe do opracowania tech-
nologii wytwarzania stanowią w tym przypadku zarów-
no wymagania w zakresie wymiarów i właściwości, jak
również znajomość warunków eksploatacji. Niezbęd-
nym elementem kontroli jakości wykonania wyrobów
dla przemysłu amunicyjnego są testy w rzeczywistych

Marcisz.indd 1

25.08.2011 15:00:06

2

Prace IMŻ 1 (2011)

Praca zbiorowa

warunkach użytkowania. Odwzorowanie warunków

panujących podczas testów poligonowych jest praktycz-

nie niemożliwe w laboratorium [1–5].

Poszczególne etapy technologii wytwarzania elemen-

tów stalowych amunicji opracowano na podstawie za-

łożeń konstrukcyjnych i materiałowych do wykonania

modelowych łusek stalowych i ogniw taśmy rozsypnej.

W pierwszej części pracy określono wymagania dla

łusek w zakresie właściwości mechanicznych, jakości

powierzchni oraz wymiarów. Następnie opracowano

dokumentację konstrukcyjną łuski stalowej oraz skład

chemiczny stali zapewniający uzyskanie wymaganych

właściwości technologicznych półwyrobów i właściwo-

ści wyrobu fi nalnego. Gatunek stali do produkcji łuski

został dobrany w ten sposób, aby zapewnić wymagane

właściwości wyrobu po obróbce cieplnej oraz odpowied-

nią podatność do odkształcenia plastycznego na zimno,

zapewniającą otrzymanie minimalnej grubości ścianki

łuski około 0,70 mm. Dobór gatunku stali uwzględniał

jego cenę i dostępność na krajowym rynku producen-

tów wlewków ciągłych. Wytypowana grupa gatunkowa

stali do wytwarzania ogniw zapewnia zarówno uzyska-

nie wymaganych właściwości mechanicznych i użytko-

wych wyrobu, jak również odpowiednią podatność do

odkształcenia plastycznego (gięcia) i właściwości sprę-

żyste. Określono optymalne wymiary materiału wsa-

dowego oraz półwyrobów przeznaczonych do operacji

kształtowania plastycznego i obróbki cieplnej.

Opracowane dokumentacje modelowe łuski i ogniwa

były podstawą do opracowania technologii wytwarza-

nia, mianowicie kolejnych operacji obróbki plastycznej,

obróbki skrawaniem i obróbki cieplnej. Dla poszcze-

gólnych operacji obróbki plastycznej wykonano doku-

mentacje konstrukcyjne narzędzi do wykonania partii

modelowych łusek i ogniw.

2. MATERIAŁ DO PRODUKCJI ŁUSEK

I OGNIW TAŚMY ROZSYPNEJ

Na rys. 1 w formie diagramów i w tablicy 1 przedsta-

wiono wymagania odbiorcy łusek w zakresie twardo-

ści i właściwości mechanicznych. Wymagania te oraz

wstępna technologia wytwarzania były podstawą do

wytypowania gatunku stali do seryjnej produkcji łu-

sek.

Tablica 1. Wymagane właściwości mechaniczne w różnych

miejscach łuski wyznaczone w statycznej próbie rozciąga-

nia
Table 1. Required mechanical properties at different po-

ints within the cartridge case, determined in static tensile

test

Odległość od dna

łuski do środka

pierścienia

próbki, mm

Wytrzymałość na

rozciąganie,

R

m

, MPa

Wydłużenie,

A

5

,

%

41

≥ 900

≥ 4

82

≥ 900

≥ 4

116

≥ 800

≥ 4

164

≥ 700

≥ 4

Stal do produkcji łuski powinna zapewnić uzyskanie

wymaganych właściwości mechanicznych (zgodnie z

tablicą 1) oraz wymaganej twardości, wytrzymałości

i wydłużenia w zależności od odległości od dna łuski

(zgodnie z diagramem na rys. 1). Założono uzyskanie

końcowych właściwości wyrobów po zastosowaniu ulep-

szania cieplnego. Ze względu na małą grubość ścianki

oraz technologię produkcji metodą wyciskania, prze-

tłaczania i wyciągania stal powinna wykazywać dużą

podatność do kształtowania plastycznego na zimno.

Założono zastosowanie do produkcji łuski stali niesto-

powej w celu optymalizacji kosztów produkcji. Dla tej

grupy gatunkowej stali wymagane właściwości wyrobu

zapewnia odpowiednia zawartość pierwiastków podsta-

wowych, głównie C i Mn, natomiast ze względu na po-

datność do przeróbki plastycznej należy dobrać zakresy

dopuszczalnych lub pożądanych zawartości m.in. Si, S,

P, N i Al oraz domieszkowych pierwiastków metalicz-

nych takich jak Cu i Sn. Przy wyborze gatunku stali

uwzględniono jego dostępność na rynku krajowych pro-

ducentów wlewków ciągłych. W zakresie doboru stali

określono optymalne wymiary materiału wyjściowego

i półwyrobu formowanego na gorąco, będącego wsadem

Rys. 1. Wymagane wartości twardości na długości łuski do naboju kalibru 30 mm
Fig. 1. Required hardness values over the length of cartridge case for 30 mm calibre cartridge

Marcisz.indd 2

25.08.2011 15:00:11

3

Prace IMŻ 1 (2011)

Technologie kształtowania plastycznego na zimno i obróbki cieplnej ...

do wytworzenia modelowych wyprasek. Do produk-

cji łuski wytypowano gatunek stali C35 o zmodyfi ko-

wanym składzie chemicznym (w % masowych): max

0,15%Si; 0,34–0,38%C; 0,75–0,80Mn%; min. 0,020%

Al

met

oraz poniżej 0,01%S, 0,15%Cu i 80 ppm N. Z uwa-

gi na stopień przerobu plastycznego wymiary przekro-

ju poprzecznego wlewków powinny wynosić 140×140

lub 160×160 mm.

Materiał do produkcji taśmy rozsypnej po fi nalnej ob-

róbce cieplnej powinien zapewnić uzyskanie twardości

powyżej 500 HV i odpowiednich właściwości spręży-

stych. Przyjęto, że ogniwa będą produkowane z taśmy

stalowej walcowanej na zimno i zmiękczonej, a fi nalne

właściwości będą uzyskiwane po ulepszaniu cieplnym.

Biorąc pod uwagę powyższe wymagania zaproponowa-

no gatunek stali niestopowej C55 w formie taśmy zim-

nowalcowanej zmiękczonej.

3. ZAŁOŻENIA TECHNOLOGII OBRÓBKI

PLASTYCZNEJ ŁUSEK

Opracowano schemat technologii kształtowania

plastycznego łuski stalowej kalibru 30 mm, zgodnie

z którym wytworzono partię modelową. W procesie

technologicznym kształtowania łuski stalowej do amu-

nicji kalibru 30 mm, materiał wyjściowy stanowią od-

cinki pręta okrągłego o średnicy 46 mm. Pierwsze dwie

operacje to kształtowanie przez wyciskanie na zimno.

Kształt uzyskanej po drugiej operacji wypraski pozwa-

la na dalsze formowanie płaszcza łuski przez wycią-

ganie ścianki. Dopuszczalne siły w kolejnych ciągach

pozwalają na uzyskanie wymiarów części cylindrycz-

nej łuski w czterech operacjach obróbki plastycznej

ścianki. Następną operacją jest prasowanie dna. Po tej

operacji następuje zawężanie płaszcza łuski i obróbka

cieplna łuski, a kolejna operacja obróbki plastycznej to

kształtowanie szyjki łuski. Następnie wyrób poddawa-

ny jest wykańczającej obróbce mechanicznej. Procesy

wyciskania obejmują wyciskanie współbieżne z maksy-

malnym odkształceniem materiału wypraski wynoszą-

cym

ϕ = 0,11. Z krzywej umocnienia dla zastosowanego

gatunku stali określono wartość granicy plastyczności

w części wyciskanej, która jest równa

σ

p1

= 355 N/mm

2

.

Przy wyjściowej granicy plastyczności

σ

p0

= 300 N/

mm

2

, średnie naprężenie uplastyczniające wyniesie

σ

ps

= 328 N/mm

2

. Proces wyciskania w pierwszej operacji

jest realizowany przy małym odkształceniu o granicz-

nej wartości 0,8–1,0. W procesach obróbki plastycznej

objętościowej na zimno, podstawowym ograniczeniem

stosowalności procesu jest wytrzymałość narzędzi.

Przeprowadzono oszacowania wartości średnich naci-

sków pod stemplem, ze względu na wytrzymałość na-

rzędzi w procesie wyciskania współbieżnego stali C35.

Obliczone naciski średnie pod stemplem, mieszczą się

w przedziale od 308 do 529 MPa. Przyjmując nawet naj-

większą ich wartość, pozostaje duży zapas bezpieczeń-

stwa, gdyż dopuszczalne naciski dla zastosowanego

materiału stempla wynoszą 2000–2500 MPa. Wartość

siły wyciskania, obliczona dla nacisków p = 529 MPa,

wynosi F = 880 kN. Kolejna operacja – wyciskanie

przeciwbieżne jest połączeniem swobodnego drążenia z

wyciskaniem przeciwbieżnym. Możliwość swobodnego

drążenia w pierwszej fazie wyciskania zmniejsza naci-

ski pod stemplem oraz naprężenia w matrycy. Dla za-

pewnienia maksymalnego współczynnika bezpieczeń-

stwa procesu, obliczono naciski i siły tylko dla operacji

wyciskania przeciwbieżnego. Średnie odkształcenie w

ściance wypraski określone na podstawie zależności:

ln

ln

d

d

d d

d

d

d

d

d

2

1

2

1

2

1

2

2

1

o

o

o

o

o

=

+

{

-

-

(1)

dla zastosowanych wymiarów narzędzi wynosi 1,31.

Dla obliczonego odkształcenia, naprężenie uplastycz-

niające wyznaczone z krzywej umocnienia stali o za-

wartości 0,3%C, wynosi

σ

p1

= 600 MPa. Średnia obli-

czona wartość nacisków pod stemplem wynosi 2044

MPa jest dopuszczalna dla zastosowanych narzędzi.

Operacje wyciągania ścianki łuski są realizowane

w czterech etapach obróbki plastycznej z międzyopera-

cyjną obróbką cieplną. Redukcja grubości ścianki z 6,20

do 0,73 mm jest realizowana z zastosowaniem współ-

czynnika wyciągania w zakresie 1,60–1,85 w kolejnych

operacjach. Zaproponowane wartości współczynników

wyciągania są dopuszczalne i umożliwiają wyciąganie

bez obaw o naderwanie dna i obrzeża. To oznacza rów-

nież, że siła wyciągania nie przekracza siły zrywającej

(F

Zr

=

π d

s

g R

m

), która dla pierwszej operacji wynosi

300 kN.

Dla operacji prasowania dna oszacowano siłę po-

trzebną do prasowania na podstawie zależności:

F

d
4

3

2

=

r

(2)

Według powyższej zależności, dla

σ

p0

= 300MPa

i d = 50 mm otrzymano wartość F = 1,8 MN.

Zawężanie łuski oraz kształtowanie szyjki łuski za-

projektowano do wykonania w operacjach obciskania.

W technologii przewiduje się operacje zawężania szyj-

ki i płaszcza przez obciskanie sztywnym stemplem na

prasie.

4. ZAŁOŻENIA TECHNOLOGII OBRÓBKI

PLASTYCZNEJ OGNIW

Technologia wykonywania ogniw taśmy rozsypnej

obejmuje operacje kształtowania plastycznego (gięcia)

na zimno. W procesie technologicznym kształtowania

ogniw z materiału wyjściowego w postaci odcinków bla-

chy grubości 2 mm, w pierwszej operacji wykonywana

jest wykrojka, w której obszary gięte powinny być usy-

tuowane prostopadle do kierunku walcowania (KW)

taśmy (rys. 2).

Rys. 2. Kształt wykrojki do wykonania ogniwa taśmy amu-

nicyjnej rozsypnej i jej usytuowanie w stosunku do kierun-

ku walcowania (KW)
Fig. 2. Shape of sheared blank for making the disintegra-

ting ammunition belt link and its location in relation to

the rolling direction (KW)

Marcisz.indd 3

25.08.2011 15:00:11

4

Prace IMŻ 1 (2011)

Praca zbiorowa

W następnej kolejności wykonywane są operacje

dziurkowania i znakowania w części środkowej ogni-
wa. Pierwsze operacje kształtowania dotyczą końcó-
wek skrzydełek zewnętrznych. Końcówki wyginanych
skrzydełek posiadają dodatkowe zagięcia pod kątem
35°. Promień gięcia jest równy grubości blachy. Kolej-
no kształtowane są końcówki skrzydełka wewnętrz-
nego. Następna operacja to wyginanie wstępne części
środkowej skrzydełka wewnętrznego. Jest to operacja
zapewniająca w kolejnych zabiegach centrowanie ogni-
wa w stosunku do pozostałych obszarów. Kolejny za-
bieg to wyginanie korytka w skrzydełku wewnętrznym
i kształtowanie rowka. Część środkowa jest pogłębiona
w postaci korytka z równoczesnym wykonaniem żebra
usztywniającego. Następnie jest realizowane wygina-
nie środkowego skrzydełka. Bazując na wykonanym
korytku, zostanie zagięte środkowe skrzydełko do dołu
w stosunku do zewnętrznych skrzydełek. Kolejna ope-
racja to wyginanie skrzydełek zewnętrznych. Bazując
na wykonanym środkowym korytku, zostaną wygięte
skrzydełka zewnętrzne. Równocześnie przemieści się
skrzydełko wewnętrzne. Bazując na wykonanym ko-
rytku, zostanie wygięte skrzydełko wewnętrzne typu U
z równoczesnym zachowaniem wymaganej odległości
osi skrzydełek. Końcówka części środkowej, nosek, zo-
stanie wygięta pod kątem 260°. Następnie zostaną do-
gięte skrzydełka na obwód łuski. Skrzydełka zewnętrz-
ne obejmują łuskę, a wewnętrzne służą do połączenia
z następnym ogniwem. Ponieważ wykonane są wstępne
zagięcia obrzeży skrzydełek, nie można ich doginać na
obwód łuski za pomocą promieniowo ukształtowanego
stempla. Operacja ta zostanie zrealizowana za pomocą
bocznych stempli napędzanych od suwaka prasy klina-
mi. Ostatnią operacją kształtowania jest formowanie
zaczepu na końcówce noska.

5. MATERIAŁ BADAŃ

WLEWKI STALOWE PRZEZNACZONE

DO PRODUKCJI ŁUSEK KALIBRU 30 MM

Z zastosowaniem zmodyfi kowanej przemysłowej

technologii produkcji stali w gatunku C35E wytworzo-
no wlewki ciągłe o przekroju poprzecznym kw. 160 mm.
Odcinki wlewków o długości 2 m przeznaczono do prze-
róbki plastycznej na pręty okrągłe metodą walcowania
na gorąco i ciągnienia. Dodatkowo wytworzono wlewek
laboratoryjny ze stali do produkcji łusek w gatunku
oznaczonym w pracy C35L. Wlewek o przekroju po-

przecznym 140/160 mm przeznaczono do badań i prób
przemysłowych po kuciu na gorąco na pręty.

Przeprowadzone badania jakości wlewków przemy-

słowych i wlewka laboratoryjnego wykazały, że w za-
kresie makrostruktury, jakości powierzchni i jakości
wewnętrznej (zawartość i rodzaj wtrąceń niemetalicz-
nych oraz rodzaj mikrostruktury) spełniają one wy-
magania dla półwyrobów do dalszego przetwarzania
w szczególności do wytwarzania łusek kalibru 30 mm.
Składy chemiczne materiału badań w postaci wlewków
(analiza wytopowa) zawiera tablica 2.

Z wlewków przemysłowych wykonano półwyroby

w postaci prętów ciągnionych

φ 46 mm na modelowe łu-

ski do amunicji kalibru 30 mm. Pierwszym etapem wy-
twarzania prętów było walcowanie na gorąco wlewków
kw.160 mm na pręt

φ 48 mm, które następnie metodą

ciągnienia przetworzono na średnicę fi nalną

φ46 mm

oraz zastosowano końcową obróbkę cieplną zmiękcza-
jącą.

Wyniki wykonanych badań laboratoryjnych wyka-

zały, że półwyroby w postaci prętów ze stali C35E po
ciągnieniu przeznaczone do wytwarzania modelowej
partii łusek, spełniają wymagania w zakresie jakości
powierzchni, makrostruktury, zawartości wtrąceń nie-
metalicznych, równomierności mikrostruktury i twar-
dości.

WLEWKI DO PRODUKCJI OGNIW

TAŚMY ROZSYPNEJ

Wytworzono wlewki o przekroju poprzecznym 60×150

mm przeznaczone do walcowania na gorąco i na zimno
w warunkach laboratoryjnych w celu wytworzenia ta-
śmy o grubości 2 mm i szerokości minimalnej 170 mm.
Wlewki laboratoryjne w zakresie składu chemicznego,
makrostruktury oraz jakości wewnętrznej spełniły wy-
magania dla materiału przeznaczonego do wytwarza-
nia ogniw. Skład chemiczny wlewków laboratoryjnych
zawiera tablica 3. W tablicy 4 przedstawiono skład
chemiczny stali wytworzonej w warunkach przemysło-
wych, z której wykonano taśmy o grubości 2 mm.

Wykonano półwyroby w postaci pasów o grubości

2 mm i szerokości 170–180 mm przeznaczonych na
ogniwa taśmy rozsypnej do amunicji kalibru 30 mm.
Wytwarzano je metodą walcowania na gorąco do gru-
bości około 4 mm, następnie metodą walcowania na
zimno do grubości 2 mm z międzyoperacyjnym wyża-
rzaniem oraz z zastosowaniem końcowej obróbki ciepl-
nej zmiękczającej. Wykonane badania wykazały, że
taśmy ze stali C55S (wytop przemysłowy) i taśmy ze

Tablica 2. Skład chemiczny wytopów badawczych ze stali w gatunku C35, (% masowe)
Table 2. Chemical composition of test hests from C35 steel, (mass %)

Nr wytopu /

Gatunek stali

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Cu

Mo

Al

całk

62050 / C35E

0,34

0,76

0,20

0,011

0,005

0,07

0,05

0,130

0,010

0,025

S120 / C35L

0,37

0,86

0,11

0,010

0,013

0,17

0,02

0,028

0,028

0,022

Tablica 3. Skład chemiczny stali w gatunku C55 (wlewki laboratoryjne), analiza wytopowa (% masowe)
Table 3. Chemical composition of C55 steel (laboratory ingots), ladle chemical analysis, (mass %)

Nr wytopu /

Gatunek stali

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Cu

Alc

Al

rozp

N

O

S115 / C55L

0,58

0,85

0,24

0,008

<0,005

0,30

<0,02

0,019

0,016

0,015

0,0024

0,0013

S124 / C55L

0,56

0,85

0,25

0,008

<0,005

0,28

<0,02

0,022

0,005

nie badano

Marcisz.indd 4

25.08.2011 15:00:11

5

Prace IMŻ 1 (2011)

Technologie kształtowania plastycznego na zimno i obróbki cieplnej ...

stali C55L (wytop laboratoryjny), spełniają wymaga-

nia w zakresie jakości powierzchni, makrostruktury,

zawartości wtrąceń niemetalicznych, równomierności

mikrostruktury oraz twardości i mogą być zastosowane

do wytwarzania modelowej partii ogniw.

6. CHARAKTERYSTYKI MATERIAŁOWE

STALI PRZEZNACZONYCH

NA ELEMENTY AMUNICJI

Opracowano charakterystyki materiałowe stali prze-

znaczonych do wytwarzania łusek oraz ogniw taśmy

rozsypnej. Dane materiałowe wytypowanych do badań

gatunków stali stanowiły wykresy przemian fazowych

CTPc, charakterystyki hartowności, krzywe odpusz-

czania oraz charakterystyki odkształcalności w celu

doboru optymalnych parametrów operacji obróbki

cieplnej i przeróbki plastycznej, wchodzących w skład

przemysłowego procesu technologicznego.

Stal przeznaczona do wytwarzania łusek kalibru

30mm należy do grupy gatunkowej C35, a stal przezna-

czona do wytwarzania ogniw taśmy rozsypnej należy

do grupy gatunkowej C55. Jako podstawowy materiał

badań do wyznaczenia charakterystyk materiałowych

zastosowano:

w przypadku stali przeznaczonej do wytwarzania

–

łusek – pręty wykonane metodą kucia na gorąco

z wlewka laboratoryjnego (oznaczenie C35L – wy-

top S120) oraz pręty walcowane na gorąco i następ-
nie ciągnione z wytopu przemysłowego (oznaczenie
C35E – wytop 62050);
w przypadku stali przeznaczonej do wytwarzania

–

ogniw – taśmy wykonane metodą wstępnego walco-
wania na gorąco i końcowego walcowania na zimno
z wlewków laboratoryjnych (oznaczenie C55L – wy-
topy S115 i S124) oraz gotowa taśma walcowana na
zimno ze stali C55S z wytopu przemysłowego.

WYNIKI BADAŃ DYLATOMETRYCZNYCH

Wyniki badań dylatometrycznych dla wytopu prze-

mysłowego gatunku stali C35 w postaci zestawienia
temperatur charakterystycznych oraz diagramu CTPc
zamieszczono odpowiednio w tablicy 5 i na rys. 3. Zwra-
ca uwagę fakt, że po zastosowaniu maksymalnej moż-
liwej szybkości chłodzenia – ok. 460ºC/s nie otrzymano
całkowicie martenzytycznej struktury.

Tablica 5. Zestawienie temperatur charakterystycznych
dla stali C35E, wytop nr 62050
Table 5. Summary of temperatures characteristic of C35E
steel, heat no. 62050

Temperatura, °C

A

C1

A

C3

M

S

720

808

369

Tablica 4. Skład chemiczny stali w gatunku C55S (wytop przemysłowy), analiza kontrolna, (% masowe)
Table 4. Chemical composition of C55S steel (industrial heat), check analysis, (mass %)

Nr wytopu /

Gatunek stali

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Mo

Co

V

P1805019 / C55S

0,53

0,67

0,30

0,014

0,003

0,28

0,05

<0,010

0,009

<0,005

Nb

Ti

Alc

Cu

Ca

Sn

N

O

<0,010

0,003

0,037

0,027

0,0011

<0,010

52 ppm

20 ppm

Rys. 3. Wykres CTP

C

stali C35E – wytop przemysłowy

Fig. 3. TTT diagram of C35E steel – industrial heat

Marcisz.indd 5

25.08.2011 15:00:11

6

Prace IMŻ 1 (2011)

Praca zbiorowa

Wyniki badań dylatometrycznych dla wytopu labo-

ratoryjnego gatunku stali C55 w postaci zestawienia

temperatur charakterystycznych oraz diagramu CTPc

zamieszczono odpowiednio w tablicy 6 i na rys. 4.

Tablica 6. Zestawienie temperatur charakterystycznych

dla stali C55L, wytop S124
Table 6. Summary of temperatures characteristic of C55L

steel, heat no. S124

Temperatura, °C

A

C1

A

C3

M

S

727

779

305

KRZYWE HARTOWNOŚCI STALI C35

Badania hartowności stali C35L oraz C35E przepro-

wadzono stosując metodę oziębiania od czoła (próba

Jominy’ego) próbek o wymiarach

φ 25×100 mm z koł-

nierzem, zgodnie z instrukcją normy PN-EN ISO 642.

Próbki do badań, w przypadku stali C35L, pobrano

z kutego na gorąco pręta o średnicy 35 mm, natomiast

próbki ze stali C35E pochodziły z walcowanego na go-

rąco i ciągnionego pręta o średnicy 46 mm. Materiał

przed obróbką mechaniczną poddany był wyżarzaniu

normalizującemu w temperaturze 860°C przez 20 mi-

nut, z następnym chłodzeniem swobodnym w powie-

trzu. Parametry przeprowadzonych prób hartowania

zestawiono w tablicy 7. Próbki wygrzewano w atmosfe-

rze gazu obojętnego, stosując dodatkowo stalową osło-

nę, na dnie której umieszczono wkładkę grafi tową.

Zahartowane próbki przeszlifowano w dwóch jedna-

kowo oddalonych od osi i równoległych płaszczyznach,

usuwając warstwę o grubości ok. 0,5 mm dla stali C35L

oraz ok. 1 mm w przypadku stali C35E. Pomiary twar-

Rys. 4. Wykres CTPC stali C55L – wytop laboratoryjny
Fig. 4. TTT diagram of C55L steel – laboratury heat

Tablica 7. Zestawienie parametrów wariantów prób harto-

wania od czoła
Table 7. Summary of parameters for end-quench hardena-

bility test variants

Gatunek

stali

Temperatura

austenity-

zowania, °C

Czas, minuty

nagrze-

wania

wygrze-

wania

ozię-

biania

C35L

C35E

860 ±2

30

30

>10

930 ±2

25

30

>10

Tablica 8. Parametry obróbki cieplnej oraz wyniki pomia-

rów twardości próbek ze stali C35E
Table 8. Heat treatment parameters and results of hard-

ness measurements of C35E steel samples

Parametry obróbki cieplnej

Średnia

twardość

HV10

Normalizowanie

Zmiękczanie

Temperatura

°C

Czas

h

860°C/

20 min / powietrze

670

1

159

2

158

3

151

4

150

680

1

157

2

154

3

149

4

146

690

1

159

2

156

3

155

4

150

700

1

153

2

146

3

133

4

131

710

1

154

2

152

3

151

4

143

Marcisz.indd 6

25.08.2011 15:00:11

7

Prace IMŻ 1 (2011)

Technologie kształtowania plastycznego na zimno i obróbki cieplnej ...

Rys. 5. Wyniki pomiarów twardości w próbie Jominy’ego dla stali C35E. Parametry próby: temperatura austenityzowania:

860°C, czas wygrzewania: 30 minut
Fig. 5. Results of hardness measurements in Jominy end-quench test for C35E steel. Test parameters: austenitising tempe-

rature: 860°C, soaking time: 30 minutes

dości metodą HV10 wykonano wzdłuż długości próbki
w osi przeszlifowanych powierzchni, stosując począw-
szy od czoła próbki następujące odstępy między miej-
scami pomiarów: 20 pomiarów co 0,5 mm, 10 pomiarów
co 1 mm i pozostałe co 2 mm. Dodatkowo pomiary twar-
dości wykonano na przekroju wzdłużnym w osi próbek,
stosując przyjęte wcześniej odległości pomiędzy nimi.
Uzyskane wyniki twardości w próbie Jominy’ego bada-
nych wytopów stali C35E przedstawiono na rys. 5.

PARAMETRY WYŻARZANIA

ZMIĘKCZAJĄCEGO STALI C35

Wyżarzanie zmiękczające jest stosowane w trakcie

międzyoperacyjnego wygrzewania wytłoczek podczas

Rys. 6. Zmiany twardości stali C35E w zależności od para-

metrów temperaturowo-czasowych odpuszczania (a) oraz

mikrostruktura stali C35E po odpuszczaniu w temperatu-

rze 450°C przez 0,5 godziny (b). Próbka o grubości 1,5 mm
Fig. 6. Changes in C35E steel hardness depending on tem-

perature and time of tempering (a) and microstructure of

C35E steel after tempering at 450°C for 0.5 hour (b). Sam-

ple thickness 1.5 mm

operacji wyciągania ścianki łuski. Badania wykona-

no dla gatunku stali C35E z wytopu przemysłowego,

stanowiącego podstawowy materiał do wytwarzania

łusek. Parametry obróbki zmiękczającej (wygrzewania

poniżej temperatury A

1

) oraz wyniki pomiarów twardo-

ści zmiękczonych próbek zamieszczono w tablicy 8.

CHARAKTERYSTYKI ODPUSZCZANIA

STALI C35

Na rys. 6 zamieszczono przykładowe zależności twar-

dości od temperatury i czasu odpuszczania dla stali

C35E oraz przykładowy obraz mikrostruktury po ulep-

szaniu cieplnym obserwowany za pomocą mikroskopu

świetlnego.

a)

b)

Marcisz.indd 7

25.08.2011 15:00:13

8

Prace IMŻ 1 (2011)

Praca zbiorowa

WYNIKI BADAŃ WŁAŚCIWOŚCI

MECHANICZNYCH STALI C35E

Badania właściwości mechanicznych stali C35E wy-

konano na materiale po następujących obróbkach: po

zmiękczaniu przez 1 godzinę w temperaturach 690°C

i 700°C, po ulepszaniu cieplnym: austenityzowanie

w temperaturze 860°C w czasie 15 minut, hartowa-

nie w wodzie, odpuszczanie w zakresie temperatury

400

÷450°C przez 0,5 lub 1 godzinę. Wyniki prób roz-

ciągania oraz parametry obróbki cieplnej próbek i ich

wymiary podano w tablicy 9.

Tablica 9. Wyniki statycznych prób rozciągania stali C35E
Table 9. Results of static tensile tests of C35E steel

Parametry

odpuszczania /

zmiękczania

temperatura / czas

Właściwości mechaniczne

R

0,2

,

(*R

eH

),

MPa

R

m

,

MPa

A

5

%

Próbki okrągłe: d

0

= 9 mm, L

0

= 45 mm

690°C / 1 h

363*

544

31,2

376*

542

31,2

700°C / 1 h

349*

548

30,2

365*

550

30,4

400°C / 0,5 h

1154

1202

12,0

1151

1194

10,0

400°C / 1 h

1116

1188

11,8

1141

1197

12,2

420°C / 0,5 h

1077

1135

14,0

1020

1142

14,4

420°C / 1 h

1064

1124

14,6

1049

1114

14,6

430°C / 0,5 h

1039

1111

12,9

1002

1078

12,4

430°C / 1 h

1041

1097

15,5

1017

1083

13,1

450°C / 0,5 h

973

1016

–

927

1021

15,1

450°C / 1 h

940

1019

14,2

888

986

14,9

Próbki płaskie: a

0

= 2 mm, b

0

= 15 mm, L

0

= 50 mm

420°C / 0,5 h

1030

1090

6,6

1083

1134

–

430°C / 0,5 h

1054

1104

9,8

1042

1098

8,0

CHARAKTERYSTYKI ODPUSZCZANIA STALI

W GATUNKU C55

Wyniki pomiarów twardości próbek ze stali w gatun-

ku C55S po ulepszaniu cieplnym i parametry odpusz-

czania zamieszczono w tablicy 10, a przykładowy obraz

mikrostruktury obserwowany za pomocą mikroskopu

świetlnego przedstawiono na rys. 7. Wytop przemysło-

wy gatunku stali C55S stanowi podstawowy materiał

badań w pracy i został wykorzystany do wytworzenia

partii modelowej ogniw.

BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH

STALI C55

Badania właściwości mechanicznych stali C55S wy-

konano na materiale po następujących obróbkach: po

Rys. 7. Mikrostruktura stali C55S po hartowaniu i odpusz-

czaniu w temperaturze 340°C przez 60 minut
Fig. 7. Microstructure of C55S steel after hardening and

tempering at 340°C for 60 minutes

Tablica 10. Parametry odpuszczania oraz wyniki pomia-

rów twardości stali C55S
Table 10. Tempering parameters and results of hardness

measurement of C55S steel samples

Parametry

odpuszczania

Wyniki pomiarów

twardości HV10

Średnia

twardość

250°C / 30 min

627; 620; 620; 620; 627

623

250°C / 60 min

627; 627; 620; 620; 620

623

250°C / 90 min

620; 620; 620; 620; 620

620

250°C / 120 min

599; 599; 599; 592; 592

596

300°C / 30 min

585; 585; 585; 585; 585

585

300°C / 60 min

585; 579; 579; 579; 579

580

300°C / 90 min

579; 572; 572; 572; 572

573

300°C / 120 min

548; 548; 554; 554; 548

550

340°C / 60 min

542; 545; 536; 536

540

350°C / 30 min

530; 525; 525; 530; 525

527

350°C / 60 min

519; 519; 519; 519; 519;

519

360°C / 30 min

512; 510; 511; 507

510

380°C / 15 min

464; 464; 468; 468

466

380°C / 30 min

446; 446; 441; 446

445

400°C / 15 min

498; 498; 493; 493; 493

495

420°C / 10 min

464; 464; 464; 459; 459

462

austenityzowaniu w temperaturze 830°C w czasie 10

minut i chłodzeniu w oleju (hartowanie) oraz po ulep-

szaniu cieplnym: hartowanie jw. oraz odpuszczanie

w zakresie temperatury 340

÷360°C. Wyniki prób roz-

ciągania oraz parametry obróbki cieplej próbek i ich

wymiary podano w tablicy 11.

ANALIZA CHARAKTERYSTYK

MATERIAŁOWYCH STALI C35 W ASPEKCIE

WYMAGANYCH WŁAŚCIWOŚCI

TECHNOLOGICZNYCH I UŻYTKOWYCH

Przemiany fazowe w trakcie ciągłego chłodzenia

z zakresu temperaturowego trwałości austenitu

Opracowano wykresy CTPc dla wytopów S120-

laboratoryjny (gatunek C35L) i nr 62050-przemysłowy

(gatunek C35E). Opracowane wykresy CTP

C

są zbliżo-

Marcisz.indd 8

25.08.2011 15:00:13

9

Prace IMŻ 1 (2011)

Technologie kształtowania plastycznego na zimno i obróbki cieplnej ...

ne, a różnią się tym, że wykres dla wytopu S120 jest
– zgodnie z oczekiwaniami – przesunięty nieco w pra-
wo. Nawet dla największych zastosowanych szybkości
chłodzenia nie nastąpiła przemiana całkowicie marten-
zytyczna, ale udział innych faz jest bardzo mały. Dla
wytopu o wyższej zawartości węgla maksymalna uzy-
skana twardość wynosi 614 HV10, a dla wytopu o niż-
szej zawartości węgla maksymalna uzyskana twardość
(przy większej szybkości chłodzenia) wynosi 602 HV10.
Zmierzona temperatura całkowitej przemiany w auste-
nit podczas wolnego nagrzewania (A

C3

) dla badanych

wytopów wynosi ok. 810ºC. Wynika z tego, że w pro-
cesach przemysłowych temperatura austenityzowania
stali C35 powinna mieścić się w zakresie A

C3

+ (30÷50)

ºC, czyli od 840 do 860ºC.

Hartowność

Badania hartowności wykonano dla gatunków C35L

oraz C35E, stosując metodę oziębiania od czoła (próba
Jominy’ego). Zastosowano dwie temperatury auste-
nityzowania: 860ºC i 930ºC. Po hartowaniu z niższej
temperatury austenityzowania 860ºC otrzymano krzy-
we twardości wzdłuż próbki Jominy’ego świadczące
o tym, że głębokość zahartowania na martenzyt (> 90%
martenzytu) dla stali C35 w warunkach jednostronne-
go chłodzenia wodnego wynosi ok. 3 mm. Podwyższe-
nie temperatury austenityzowania do 930ºC zmienia
kształt krzywej, ale niewiele zwiększa głębokość zahar-
towania na martenzyt. Maksymalny poziom twardości,
jaki uzyskano przy chłodzonej powierzchni wynosi ok.
600 HV.

Wyżarzanie zmiękczające

Wyżarzanie zmiękczające polegało na wygrzewaniu

w temperaturach poniżej temperatury A

1

. Wymagany

stopień zmiękczenia, poniżej 140 HB/HV, dla wytopu
C35E uzyskano w wyniku wygrzewania w tempera-
turze 700ºC w czasie powyżej 3 godzin. Dla wytopu
C35L najniższy poziom twardości dla zastosowanych
parametrów wynosił 145 HV po wygrzewaniu w tem-
peraturze 700ºC w czasie powyżej 4 godzin. W celu po-

wtarzalnego uzyskiwania twardości niższej od 140 HB/
HV dla różnych wytopów stali C35 należy zastosować
temperaturę z zakresu 690÷700ºC i odpowiednio długi
czas wyżarzania dobrany eksperymentalnie. Stosowa-
nie temperatury wyższej niż 700ºC nie jest zalecane,
gdyż na skutek niedokładności w uzyskaniu rzeczywi-
stej temperatury materiału może nastąpić przekrocze-
nie temperatury A

C3

i reaustenityzacja, prowadząca po

ochłodzeniu do wzrostu twardości.

Charakterystyki odpuszczania

Zależności twardości od temperatury i czasu odpusz-

czania opracowano dla wytopów C35E i C35L z zasto-
sowaniem próbek o trzech grubościach: 5, 1,5 i 0,7 mm,
zahartowanych w wodzie z temperatury 860ºC. Stwier-
dzono, że grubość próbek nie wywiera istotnego wpły-
wu na twardość ulepszonych cieplnie próbek. Z analizy
charakterystyk odpuszczania wynika, że wymaganą
twardość płaszcza łusek można uzyskać dla całego za-
kresu grubości 0,7÷5,0 mm w wyniku odpuszczania
w temperaturze z zakresu 400÷450ºC w czasie 30÷120
minut. Żądaną wartość twardości można uzyskać po-
przez dobór parametrów odpuszczania na podstawie
opracowanych charakterystyk.

Właściwości mechaniczne w stanie ulepszonym
cieplnie

Badanie właściwości mechanicznych w próbie jedno-

osiowego rozciągania wykonano dla wytopu C35E. Po
odpuszczaniu w temperaturach z zakresu 420÷430ºC,
zapewniającym wymaganą twardość, uzyskano warto-
ści granicy plastyczności i wytrzymałość powyżej 1000
MPa i jednocześnie wydłużenie A

5

powyżej 12% (na

próbkach okrągłych), co ze znacznym nadmiarem speł-
nia ustalone wymagane wartości.

ANALIZA CHARAKTERYSTYK

MATERIAŁOWYCH STALI C55 W

ASPEKCIE WYMAGANYCH WŁAŚCIWOŚCI

TECHNOLOGICZNYCH I UŻYTKOWYCH

Przemiany fazowe w trakcie ciągłego chłodzenia
z zakresu temperaturowego trwałości austenitu

W celu zbadania przemian fazowych zachodzących

w trakcie chłodzenia stali C55 z temperaturowego za-
kresu trwałości austenitu opracowano wykres CTP

C

.

Wykres opracowano dla wytopu S124 – wytop labora-
toryjny (gatunek C55L). Całkowicie martenzytyczną
strukturę otrzymano dla krytycznej szybkości chło-
dzenia równej ok. 50ºC/s i uzyskano twardość ok. 770
HV10. Zmierzona temperatura całkowitej przemiany
w austenit podczas wolnego nagrzewania (A

C3

) dla wy-

topu S124 jest równa 779ºC. Wynika z tego, że w pro-
cesach przemysłowych temperatura austenityzowania
stali C55 powinna mieścić się w zakresie A

C3

+ (30÷50)

ºC, czyli od 810 do 830ºC.

Hartowność

Do stosowanej do produkcji ogniw taśmy stalowej

o grubości 2 mm, hartowność stali C55 jest wystarcza-
jąca ze znacznym nadmiarem i dlatego nie była przed-
miotem badań standardowymi metodami. Z obliczeń
teoretycznych i z wykresu CTP

C

wynika, że chłodzenie

wyrobów ze stali C55 w oleju powoduje zahartowanie
na wskroś do grubości ok. 8 mm, a chłodzenie w wodzie
do grubości ok. 12 mm.

Tablica 11. Wyniki statycznych prób rozciągania stali

C55S
Table 11. Results of static tensile tests of C55S steel

Parametry

odpuszczania/

hartowania

Właściwości mechaniczne

R

0,2

,

MPa

R

m

,

MPa

Wydłużenie,

%

Próbki płaskie: a

0

= 2 mm, b

0

= 20 mm, L

0

= 80 mm

860°C/10min/olej

1313

1766

-

1444

1502

-

340°C/1h/pow.

1446

1569

4,5

1471

1580

-

350°C/0,5h/pow.

1463

1570

-

350°C/1h/pow.

1435

1520

-

1426

1552

4,7

360°C/0,5h/pow.

1427

1544

-

1244

1378

2,7

Próbki płaskie: a

0

= 2 mm, b

0

= 20 mm, L

0

= 35 mm

350°C/0,5h/pow.

1370

1491

6,3

1304

1473

7,1

350°C/1h/pow.

1292

1317

6,8

1322

1402

7,4

Marcisz.indd 9

25.08.2011 15:00:13

10

Prace IMŻ 1 (2011)

Praca zbiorowa

Charakterystyki odpuszczania

Charakterystyki odpuszczania w postaci zależności

twardości od temperatury i czasu odpuszczania opra-

cowano dla wytopów C55S i C55L z zastosowaniem

próbek zahartowanych w oleju z temperatury 830ºC.

Z analizy twardości odpuszczonych próbek wynika, że

wymaganą twardość z zakresu 500÷550 HV otrzymuje

się w wyniku odpuszczania w temperaturze z zakre-

su 340÷360ºC w czasie 30÷60 minut. Żądaną wartość

twardości można uzyskać poprzez dobór konkretnych

parametrów odpuszczania na podstawie opracowanych

charakterystyk.

Właściwości mechaniczne w stanie ulepszonym

cieplnie

Badanie właściwości mechanicznych w próbie jed-

noosiowego rozciągania wykonano dla wytopów C55S

i C55L. Po odpuszczaniu w temperaturach z zakresu

340÷360ºC, zapewniającym wymaganą twardość, dla

wytopu laboratoryjnego C55L na próbkach okrągłych

wykonanych z kutych prętów uzyskano wartości gra-

nicy plastyczności w zakresie 1500÷1580 MPa, wy-

trzymałość w zakresie 1680÷1795 MPa i jednocześnie

wydłużenie A

5

powyżej 7,5%, co spełnia z nadmiarem

ustalone wymagane wartości: granicy plastyczności

min. 1300 MPa, wytrzymałości na rozciąganie min.

1400 MPa i wydłużenia względnego A

5

min. 5%. Na

próbkach płaskich o długości pomiarowej 35 mm, wy-

konanych z taśmy wyprodukowanej w warunkach

przemysłowych, uzyskano właściwości na granicy wy-

maganych wartości lub nieznacznie przekraczające te

wymagania.

7. WYKONANIE NARZĘDZI

DO PRODUKCJI ŁUSEK I WYTWORZENIE

MODELOWEJ PARTII ŁUSEK

Wykonano dokumentację techniczną do wykona-

nia narzędzi do produkcji partii modelowej łusek oraz

opracowano technologię wykonania łusek. W technolo-

gii wytwarzania łusek kalibru 30 mm, w celu zaprojek-

towania i doboru materiału na narzędzia wyznaczono

parametry wyjściowe materiału wsadowego dotyczące:

rodzaju wsadu, twardości, właściwości mechanicznych

i mikrostruktury. Opracowano wstępny schemat tech-

nologii, obejmujący zarówno operacje kształtowania

plastycznego, jak i obróbki cieplnej. Wykonano oprzy-

rządowanie do wykonania partii modelowej łusek o ka-

librze 30 mm do następujących procesów: wyciskania

współbieżnego, wyciskania przeciwbieżnego, wyciąga-

nia ścianki, prasowania dna, zawężania i obróbki me-

chanicznej.

WYKONANIE PARTII MODELOWEJ ŁUSEK

O KALIBRZE 30 MM

Partia modelowa łusek o kalibrze 30 mm została wy-

konana zgodnie z przyjętymi założeniami technologii

wytwarzania. Wsadem do wyciskania współbieżnego

był odcinek pręta, z którego wykonano pierwszą wy-

praskę, a wsadem do wyciskania przeciwbieżnego była

wypraska po wyciskaniu współbieżnym. Wypraskę po

wyciskaniu przeciwbieżnym przedstawiono na rys. 8a.

Następnie wykonano obróbkę plastyczną wyciąga-

nia ścianki z zastosowaniem różnych stempli, matryc

i zderzaków. Przykład wytłoczki z partii modelowej po

drugim ciągu przedstawiono na rys. 8b.

Rys. 8. Wypraska po wyciskaniu (a) i po wyciąganiu ścian-

ki (b)
Fig. 8. Die stamping after extrusion (a) and wall drawing

(b)

a)

b)

Pomiędzy operacjami ciągowymi przeprowadzano

obróbkę cieplno-chemiczną wytłoczek. Celem tych ope-

racji było zmiękczenie materiału, który umocnił się

w trakcie obróbki plastycznej wyciągania i odpowied-

nie przygotowanie powierzchni do wykonania kolejne-

go ciągu. Kolejną operacją, po wyciąganiu ścianki, było

prasowanie dna łusek. Po operacji prasowania dna na-

stępują operacje zawężania, a pomiędzy nimi przepro-

wadzana jest obróbka cieplna płaszcza łuski polegająca

na hartowaniu i odpuszczaniu oraz wyżarzaniu zmięk-

czającym w obszarze szyjki łuski, która podlega drugie-

mu zawężaniu. Przykład wytłoczki łuski z partii mode-

lowej po zawężaniu szyjki przedstawiono na rys. 9.

Po operacji zawężania szyjki przeprowadzono obrób-

kę skrawaniem. Ostatnim etapem technologii produk-

cji łusek jest pokrycie ich powierzchni wewnętrznych

i zewnętrznych powłoką ochronną. Powłoka chroni

powierzchnie łusek przed korozją oraz nadaje jej od-

powiednie właściwości eksploatacyjne. Do wymagań

właściwości eksploatacyjnych powłoki ochronnej łuski

należą między innymi: twardość, odporność na ściera-

nie i na działanie podwyższonej temperatury. Zasto-

sowano powłokę dwuwarstwową cynkowo-chromową.

W pierwszym etapie łuski pokrywano warstwą cynku

metodą elektrolityczną, a następnie prowadzono chro-

mianowanie. Badania nad doborem powłoki są nadal

kontynuowane.

Wykonane łuski zostały przeznaczone do dalszych

badań w celu ostatecznej weryfi kacji zastosowanych

parametrów wytwarzania.

Rys. 9. Wytłoczka po operacji zawężania szyjki
Fig. 9. Cup after neck thinning operation

Marcisz.indd 10

25.08.2011 15:00:13

11

Prace IMŻ 1 (2011)

Technologie kształtowania plastycznego na zimno i obróbki cieplnej ...

8. WYKONANIE NARZĘDZI

DO PRODUKCJI OGNIW I WYTWORZENIE

MODELOWEJ PARTII OGNIW TAŚMY

ROZSYPNEJ

Opracowano dokumentację konstrukcyjną narzędzi

do produkcji partii modelowej ogniw oraz wytyczne do

technologii produkcji ogniw taśmy rozsypnej w zakre-

sie doboru materiału i jego właściwości na poszczegól-

nych etapach wytwarzania pojedynczych ogniw. Okre-

ślono stan wyjściowy materiału (w zakresie twardości,

właściwości mechanicznych i mikrostruktury) istotny

z punktu widzenia projektowania narzędzi m.in. ze

względu na zjawisko sprężynowania i podatność do

operacji gięcia. Opracowano wstępny schemat techno-

logii obejmujący zarówno operacje kształtowania pla-

stycznego jak i obróbki cieplnej.

Na podstawie dokumentacji konstrukcyjnej wytwo-

rzono prototypowy zestaw narzędzi do produkcji ogniw.

Za pomocą tych narzędzi wytworzono partię modelową

ogniw stalowej taśmy rozsypnej do amunicji kalibru

30 mm.

Partię modelową ogniw wykonano zgodnie z opra-

cowanym procesem technologicznym zakładającym

zastosowanie metod obróbki plastycznej na prasach

mechanicznych. Przebieg procesu po wykonaniu obry-

su ogniwa składał się z kolejnych operacji kształtowa-

nia metodą gięcia, wgniatania i przetłaczania. Z uwagi

na modelowy charakter partii ogniw nie wykonywano

kosztownego w wykonaniu wykrojnika i do wykra-

wania obrysu zastosowano cięcie wodne. Wykonany

w tych operacjach półwyrób przedstawiono na 11.

wego wykonano w procesie kształtowania ogniwa we-

wnętrznego i rozstawu osi w całym ogniwie. Wykonane

w tej operacji ogniwo przedstawiono na rys. 12. Ostat-

nią operacją było wykonanie wgniotu w wytłaczaku na

części zaczepowej ogniwa.

Rys. 10. Łuska z partii modelowej po obróbce skrawaniem

i obróbce powierzchniowej
Fig. 10. Cartridge case of model batch after machining and

surface treatment

Rys. 11. Półwyrób po gięciu końcówek ogniwa środkowego

i wstępnym gięciu promienia
Fig. 11. Semi-product after bending of middle link ends

and preliminary bending of radius

Następnie realizowano proces drugiego gięcia we-

wnętrznego promienia ogniwa środkowego. Operację

ostatecznego kształtowania ogniw zewnętrznych reali-

zowano w procesie kształtowania ogniw zewnętrznych.

Operację ostatecznego kształtowania ogniwa środko-

Wykonane ogniwa zostały przeznaczone do dalszych

prób technologicznych i do przeprowadzenia obróbki

cieplnej oraz do badań laboratoryjnych w celu ostatecz-

nej weryfi kacji zastosowanych parametrów wytwarza-

nia i ustalenia założeń do technologii produkcji w celu

uzyskania fi nalnych właściwości wyrobu. Wytworzone

w ramach partii modelowej ogniwa, w stanie przed ob-

róbką cieplną, spełniły założenia w zakresie geometrii

i wymiarów zgodnie z opracowaną w projekcie doku-

mentacją konstrukcyjną.

BADANIA OGNIW Z PARTII MODELOWEJ

Do badań partii modelowej wytypowano ogniwa pod-

dane następującej obróbce cieplnej: hartowanie w oleju

poprzedzone nagrzewaniem do temperatury 830°C oraz

odpuszczanie w temperaturze 360°C przez 1 godzinę.

Zakres badań obejmował:

badania mikrostruktury i jakości powierzchni po ob-

–

róbce cieplnej,

pomiary twardości próbek z ogniw po hartowaniu

–

i odpuszczaniu stanowiącym końcowy etap obróbki

cieplnej,

pomiary właściwości mechanicznych.

–

Do badań mikrostruktury i do pomiarów twardości

wycięto próbki z różnych obszarów ogniw. Wyniki po-

miarów twardości zamieszczono w tablicy 12. Uzyska-

na twardość ogniw w zakresie 519–542 HV10 spełnia

wymagania określone na poziomie powyżej 500 HV.

Wykonane pomiary w kilku miejscach ogniwa wykaza-

ły niewielki rozrzut twardości, który świadczy o prawi-

dłowo przeprowadzonej obróbce cieplnej.

Tablica 12. Wyniki pomiarów twardości próbek pobranych

z ogniw po fi nalnej obróbce cieplnej
Table 12. Results of hardness measurements of samples

taken from links after fi nal heat treatment

Oznaczenie próbek

Wyniki pomiarów twardości HV10

pr1

530; 525; 530

pr2

536; 530; 536

pr3

542; 536; 536

pr4

530; 530; 519

pr5

536; 536; 530

pr6

525; 536; 536

Rys. 12. Ogniwo po ostatecznym kształtowaniu
Fig. 12. Link after fi nal forming

Marcisz.indd 11

25.08.2011 15:00:13

12

Prace IMŻ 1 (2011)

Praca zbiorowa

Na rys. 13 zamieszczono przykładową mikrostruktu-

rę badanych ogniw. Stwierdzono równomierną mikro-
strukturę martenzytu odpuszczonego we wszystkich
badanych próbkach. W obszarach przypowierzchnio-
wych ogniwa występowało nieznaczne odwęglenie nie-
zupełne o głębokości ok. 20

μm (0,02 mm), które nie

stanowi wady wyrobu.

Do badań właściwości mechanicznych zastosowano

nietypową próbkę wykonaną z ogniwa po fi nalnej ob-
róbce cieplnej. Wyniki badań właściwości mechanicz-
nych zamieszczono w tablicy 13. Badana próbka cha-
rakteryzuje się wysoką wytrzymałością 1671 MPa i do-
brą plastycznością – oszacowaną z krzywej rozciągania
na poziomie ok. 4%.

9. OBRÓBKA CIEPLNA MODELOWYCH

ŁUSEK

Obróbka cieplna łusek obejmująca ulepszanie ciepl-

ne płaszcza jest realizowana w celu nadania właści-
wości mechanicznych w tej części wyrobu. Dodatkowo
w obszarze szyjki łusek jest realizowane miejscowe
zmiękczanie, które w połączeniu z następującym po
nim kształtowaniem na zimno ma zapewnić wymaga-
ne w tym miejscu łuski właściwości. Proces hartowania
prowadzono z wykorzystaniem metody nagrzewania
indukcyjnego strefowego i chłodzenia natryskowe-
go. Polega ona na zastosowaniu wąskiego induktora
– wzbudnika, który nagrzewa fragment obracającego
się przedmiotu. Nagrzewany przedmiot jest płynnie
przesuwany w osi pionowej wzbudnika i po osiągnięciu
temperatury przemiany austenitycznej wchodzi w ob-
szar schładzania natryskowego wodnego realizowane-
go za pomocą odpowiednio ukształtowanego pierście-
nia. W trakcie nagrzewania i chłodzenia łuska obraca
się wokół osi pionowej i jest odwrócona dnem do góry,
a pierścienie grzewczy i chłodzący przesuwają się od

dołu do góry urządzenia, czyli od szyjki do dna łuski.

Fotografi a na rys. 14 przedstawia strefowe nagrze-

wanie indukcyjne i chłodzenie strumieniem wodnym.

Przed nagrzewaniem indukcyjnym i chłodzeniem wod-

nym łuska jest w stanie po zmiękczaniu i pierwszym

zawężaniu.

Rys. 13. Mikrostruktura próbek wyciętych z ogniwa
Fig. 13. Microstructure of samples cut out of link

a)

b)

Tablica 13. Wyniki badań właściwości mechanicznych próbki pobranej z ogniwa po fi nalnej obróbce cieplnej i powierzchnio-

wej
Table 13. Results of mechanical property tests for sample taken from link after fi nal heat and surface treatment

Oznaczenie próbki

Szerokość, mm

Grubość, mm

R

0,2

, MPa

R

m

, MPa

Moduł Younga E, MPa

ogn1

3,18

2,01

1535

1671

227004

Rys. 14. Hartowanie w strumieniu wodnym po indukcyj-

nym nagrzaniu strefowym łuski
Fig. 14. Quench hardening in water jet after induction

zone heating of cartridge case

Wykonano pomiary twardości na przekroju poprzecz-

nym pierścieni pobranych z wytłoczek po hartowaniu

zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 15. Sze-

rokość pierścieni wynosiła 30 mm. Wyniki pomiarów

zamieszczono w tablicy 14. Pomiary twardości na gru-

bości ścianki wykazały poprawną w zakresie wartości

i równomierności twardość, świadczącą o występowa-

niu struktury martenzytu na całej długości wytłoczek.

Marcisz.indd 12

25.08.2011 15:00:14

13

Prace IMŻ 1 (2011)

Technologie kształtowania plastycznego na zimno i obróbki cieplnej ...

Tablica 14. Wyniki pomiarów twardości na przekroju po-

przecznym pierścieni pobranych z wytłoczek po hartowa-

niu
Table 14. Results of hardness measurements on cross-sec-

tion of dies sampled from cups after quench hardening

Oznaczenie

próbek

Wyniki pomiarów twardości

HV10

Pr_6

pr 6.6.p

653, 666

pr 6.5.p

689, 692

pr 6.4.p

707, 706

pr 6.3.p

679, 698

pr 6.2.p

714, 693

Pr_8

pr 8.6.p

643, 636

pr 8.5.p

688, 697

pr 8.3.p

704, 697

pr 8.2.p

695, 703

HARTOWANIE METODĄ INDUKCYJNEGO

NAGRZEWANIA STREFOWEGO I CHŁODZENIA

NATRYSKIEM WODNYM –

ANALIZA ZASTOSOWANEJ METODY

OBRÓBKI CIEPLNEJ

Wytypowany do obróbki cieplnej płaszcza łusek spo-

sób hartowania z zastosowaniem indukcyjnego nagrze-

wania strefowego i chłodzenia natryskiem wodnym po-

siada następujące cechy charakterystyczne:

możliwość nagrzewania i chłodzenia wytłoczki na ca-

–

łej wymaganej długości oraz w wybranym małym ob-

szarze z możliwością uwzględnienia zmian grubości

ścianki wyrobu,

wysoka wydajność procesu, gdyż nagrzewanie i chło-

–

dzenie odbywa się na jednym stanowisku,

uniknięcie odkształceń hartowanych detali i nad-

–

miernego utlenienia,

możliwość całkowitego zautomatyzowania sterowa-

–

nia procesem: zarówno jego parametrami przesuwu

i obrotów jak i parametrami generatora – przetworni-

cy oraz chłodzenia wodą, co zapewnia powtarzalność

uzyskiwania wymaganych właściwości wyrobów.

WYŻARZANIE SZYJKI ŁUSKI

Po ulepszaniu cieplnym płaszcza łusek następuje za-

wężanie szyjki. W tym celu obszar szyjki łuski, w któ-

rym następuje zawężanie jest krótkotrwale nagrzewa-

ny. Zmiękczanie szyjki do zawężania przeprowadzono

na stanowisku do strefowego nagrzewania indukcyj-

nego. Strefa zmiękczana była nagrzana impulsowo do

temperatury ok. 900°C.

WYZNACZENIE PARAMETRÓW OBRÓBKI

CIEPLNEJ I OPTYMALNYCH WŁAŚCIWOŚCI

MODELOWYCH ŁUSEK I ELEMENTÓW TAŚMY

Opracowano parametry obróbki cieplnej na poszcze-

gólnych etapach technologii wytwarzania łusek i ogniw

oraz parametry fi nalnej obróbki cieplnej kształtującej

właściwości mechaniczne i użytkowe w/w wyrobów.

Parametry te wyznaczono przy założeniu seryjnej pro-

dukcji na podstawie wytworzonej w projekcie partii

modelowej łusek i ogniw. Opracowanie optymalnych

parametrów obróbki cieplnej dla wyrobów będących

przedmiotem projektu wykonano na podstawie charak-

terystyk materiałowych oraz na podstawie badań wła-

ściwości łusek i ogniw po obróbce cieplnej wykonanej

w warunkach przemysłowych. Zabiegi obróbki cieplnej

dotyczyły zmiękczania wyprasek na poszczególnych

etapach kształtowania plastycznego, chłodzenia natry-

skiem wodnym po wcześniejszym strefowym nagrze-

waniu indukcyjnym oraz odpuszczania i zmiękczania

miejscowego w obszarze szyjki łuski. Badania łusek

wykonano w związku z powyższym po hartowaniu, po

odpuszczaniu i po zmiękczaniu.

BADANIA WYTŁOCZEK PO OBRÓBCE

CIEPLNEJ W WARUNKACH PRZEMYSŁOWYCH

Do badań wytypowano materiał w postaci wytłoczek

po ulepszaniu cieplnym oraz w postaci łusek po fi nalnej

obróbce cieplnej i kształtowaniu plastycznym szyjki.

Wykonane badania były następujące: po hartowaniu,

odpuszczaniu 450°C/1–1,5 godziny oraz zmiękczaniu –

badania mikrostruktury i pomiary twardości na długo-

ści płaszcza wytłoczki oraz próby wytrzymałościowe; po

hartowaniu i odpuszczaniu jak wyżej oraz zmiękczaniu

i zawężaniu szyjki – badania mikrostruktury i pomiary

twardości na długości płaszcza łuski i próby wytrzyma-

łościowe.

Na rys. 16 zamieszczono rozkład twardości na długo-

ści płaszcza wytłoczki po fi nalnej obróbce cieplnej bez

kształtowania szyjki łuski. Zgodnie z wymaganiami

twardość w rejonie szyjki łuski wynosi od 200–220 HV.

Twardość w pozostałej części płaszcza łuski wynosi ok.

340–360 HV.

Na rys. 17 zamieszczono rozkład twardości łuski po

fi nalnej obróbce cieplnej oraz po kształtowaniu szyj-

ki. Rozkład twardości dla badanej próbki jest zgodny

z wymaganiami w poszczególnych obszarach łuski.

W rejonie szyjki łuski twardość mieści się w granicach

200-220 HV, a w środkowej części łuski wynosi ok.

340-360 HV. W poszczególnych obszarach ze względu

na zastosowany schemat obróbki cieplnej i plastycz-

nej obserwowano zróżnicowane typy mikrostruktury

stali: ferrytyczno-perlityczną (i/lub bainityczną) z rów-

nomiernie rozmieszczonymi wyspami perlitu i/lub ba-

initu w obszarze szyjki, martenzytu odpuszczonego

z drobnymi węglikami w środkowej części płaszcza oraz

strukturę wyjściową – nie zmienioną w trakcie zabie-

gów fi nalnej obróbki cieplnej w dnie łuski. Pomiędzy

wymienionymi strefami o zróżnicowanych mikrostruk-

turach występowały obszary przejściowe o mikrostruk-

turach mieszanych. Wymienione typy mikrostruktur

w poszczególnych strefach łuski zapewniają uzyskanie

Rys. 15. Fotografi a łuski po hartowaniu z zaznaczonymi

miejscami pomiarów twardości na grubości ścianki
Fig. 15. Photograph of cartridge case after quench harde-

ning with marked points of hardness measurements over

the wall thickness

Marcisz.indd 13

25.08.2011 15:00:14

14

Prace IMŻ 1 (2011)

Praca zbiorowa

wymaganych właściwości mechanicznych i użytkowych

wyrobu. Na rys. 18 zamieszczono przykładowe mikro-

struktury w wymienionych obszarach łuski po fi nalnej

obróbce cieplnej i plastycznej.

Rys. 16. Rozkład twardości na długości wytłoczki po fi nalnej obróbce cieplnej (ulepszanie cieplne płaszcza oraz miejscowe

zmiękczenie w obszarze szyjki łuski)
Fig. 16. Distribution of hardness over the cup length after fi nal heat treatment (shell toughening and local softening within

the cartridge case neck area)

Rys. 17. Rozkład twardości na długości wytłoczki po fi nalnej obróbce cieplnej i plastycznej (ulepszanie cieplne płaszcza oraz

miejscowe zmiękczenie w obszarze szyjki łuski i kształtowanie na zimno szyjki)
Fig. 17. Distribution of hardness over the cup length after fi nal heat treatment and plastic forming (shell toughening as well

as local softening within the cartridge case neck area and cold forming of neck)

Rys. 18. Mikrostruktura w środkowej części płaszcza wytłoczki (a) oraz w pobliżu dna łuski (b) po fi nalnej obróbce cieplnej
Fig. 18. Microstructure in the middle part of cup sheet (a) and nearby the cartridge case bottom (b) after fi nal heat treat-

ment

Wyniki badań właściwości mechanicznych próbek

pobranych z łusek po fi nalnej obróbce cieplnej i pla-

stycznej zamieszczono w tablicy 15. Dla próbek ze

środkowej części płaszcza łusek w jednym przypadku

a)

b)

Marcisz.indd 14

25.08.2011 15:00:14

15

Prace IMŻ 1 (2011)

Technologie kształtowania plastycznego na zimno i obróbki cieplnej ...

nie uzyskano wymaganej wartości wydłużenia. Pozo-

stałe próbki spełniły wszystkie wymagania w zakresie

wytrzymałości (R

m

> 900 MPa) oraz plastyczności (A

5

>

4%). W obszarze szyjki łuski uzyskano wydłużenie A

5

o wartościach 8,0 i 9,6%.

Tablica 15. Wyniki badań właściwości mechanicznych wy-

znaczonych w statycznej próbie rozciągania próbek po-

branych z wytłoczek po obróbce cieplnej. Próbki 2HOZ/1

i 2HOZ/2 pobrano ze strefy zmiękczonej w obszarze szyjki

łuski, a pozostałe ze środkowej części płaszcza łuski
Table 15. Results of testing mechanical properties deter-

mined in static tensile test for samples taken from cups

after heat treatment. The 2HOZ/1 and 2HOZ/2 samples

were taken from softened zone within the cartridge case

neck area, while the others – from the middle part of the

cartridge case shell

Oznaczenie

próby

R

0,2

;

MPa

R

m

,

MPa

A

5

,

%

2HOZ/1

510

628

8,0

2HOZ/2

508

666

9,6

2HOZ/3

728

1003

4,6

2HOZ/4

656

1003

3,0

2HOZ/5

728

999

4,0

2HOZZa/3

696

995

5,0

2HOZZa/4

684

1013

5,0

2HOZZa/5

684

1014

5,0

WYNIKI BADAŃ ŁUSEK Z PARTII

PRZEDMODELOWEJ PO TESTACH

STRZELANIA

Partia łusek przeznaczona do badań w warunkach

poligonowych składająca się z 20 sztuk została nazwa-

na u wykonawcy testów strzelania „przedmodelową”.

Do badań z tej partii wytypowano łuski po testach

strzelania (oznaczone L8 i L10). Zakres badań łusek

obejmował pomiary twardości na długości płaszcza

oraz wyznaczenie właściwości mechanicznych z wy-

branych obszarów próbek. Wyniki pomiarów twardości

dla badanych łusek przedstawia rys. 19. Łuski spełniły

wymagania w odniesieniu do wartości twardości w po-

szczególnych strefach. Na uwagę zasługuje także fakt

dobrej powtarzalności twardości dla badanych próbek.

Do badań właściwości wytrzymałościowych w statycz-

nej próbie rozciągania wytypowano po jednej próbce

z obszarów szyjki łusek (nr 8-2 i 10-2) i po jednej ze

środkowej części płaszczy łusek (nr 8-4 i 10-4). Wyniki

badań właściwości mechanicznych zamieszczono w ta-

blicy 16. Uzyskane wartości wytrzymałości oraz wy-

dłużenia wskazują na poprawność doboru parametrów

technologii obróbki cieplnej i prawidłowy przebieg za-

biegów technologii wytwarzania. W przypadku właści-

wości mechanicznych na uwagę także zasługuje dobra

powtarzalność uzyskanych wyników pomiarów.

PODSUMOWANIE

Celem pracy było opracowanie podstaw technologii

seryjnej produkcji elementów stalowych amunicji kali-

bru 30 mm, tj. łuski oraz ogniwa taśmy rozsypnej. Zało-

żenia do technologii opracowano dla seryjnej produkcji

tych wyrobów na podstawie wytworzonych w projekcie

partii modelowych. Technologie wytwarzania łusek

i ogniw stalowych podzielono na dwa główne etapy.

Pierwszy etap dotyczył doboru materiału oraz parame-

trów obróbki cieplnej na poszczególnych etapach wy-

twarzania, a drugi etap był związany z technologią ob-

Rys. 19. Rozkłady twardości na długości płaszcza łusek po testach ostrzałem
Fig. 19. Distributions of hardness over cartridge case shell length after fi ring tests

Tablica 16. Wyniki badań właściwości mechanicznych wyznaczonych w próbie statycznego rozciągania próbek pobranych

z łusek po testach strzelania
Table 16. Results of testing mechanical properties determined in static tensile test for samples taken from cartridge cases

after shooting tests

Oznaczenie próbki

R

0,2

,

MPa

R

m

,

MPa

A

5

,

%

Grubość ścianki w miejscu

pobrania próbki, mm

Miejsce pobrania

próbki

8_2

706

763

9,3

0,68

Szyjka łuski

8_4

804

1014

8,7

1,04

Płaszcz łuski

10_2

583

779

12,3

0,71

Szyjka łuski

10_4

700

1018

8,7

1,06

Płaszcz łuski

Marcisz.indd 15

25.08.2011 15:00:14

16

Prace IMŻ 1 (2011)

Praca zbiorowa

róbki plastycznej w zakresie konstrukcji i wytworzenia

wyrobów i narzędzi do ich produkcji.

DOBÓR MATERIAŁU I PARAMETRÓW

OBRÓBKI CIEPLNEJ DO WYTWARZANIA

ŁUSEK

Technologia produkcji seryjnej łusek stalowych oraz

końcowe właściwości wyrobu, zmienne na długości

płaszcza łuski, wymagają zastosowania do ich wytwa-

rzania stali średniowęglowej niestopowej w postaci

pręta ciągnionego o średnicy 46 mm. Pręt walcowany

na gorąco o średnicy około 50 mm stanowiący wsad do

ciągnienia powinien być wykonany z wlewka ciągłego o

przekroju poprzecznym minimum 140×140 mm (prefe-

rowany 160×160 mm), aby zapewnić odpowiednio duży

stopień przerobu plastycznego.

W stanie dostawy należy poddać kontroli: skład che-

miczny, twardość, właściwości mechaniczne, głębokość

odwęglenia, mikrostrukturę. Pręt w stanie dostawy

należy dostarczyć po obróbce cieplnej zmiękczającej na

twardość poniżej 140 HB. Mikrostruktura powinna być

równomierna na przekroju poprzecznym i składać się

z ferrytu i skoagulowanych węglików. Taki stan mate-

riału zapewnia podatność do obróbki plastycznej meto-

dą wyciskania i dalszego wyciągania ścianki na zimno.

W trakcie wyciągania ścianki na zimno stosuje się wy-

żarzanie międzyoperacyjne, zapewniające uzyskanie

optymalnej twardości i równomierność mikrostruktury

niezbędne do realizacji kolejnych ciągów w celu otrzy-

mania ścianki o grubości poniżej 1 mm.

Zgodnie z opracowanymi wytycznymi w zakresie

składu chemicznego i formatu wlewków przemysło-

wych oraz uwzględniając dostępność tego typu asor-

tymentu półwyrobów na krajowym rynku wytwórców

wlewków ciągłych, do produkcji łuski kalibru 30 mm

zmodyfi kowano skład stali w gatunku C35 i wytypowa-

no format wlewków kw. 160 mm. W stosunku do stali

standardowo wytwarzanego gatunku C35 uwzględnio-

no dodatkowe wymagania dotyczące stali do ciągnienia

na zimno wyrobów o małej grubości ścianki. Wymaga-

nia te są związane z zawartością takich pierwiastków

jak: Si, P, S, Cu, Sn. Zawartość C i Mn ustalono na

poziomie, który zapewnił uzyskanie wymaganych wła-

ściwości mechanicznych wyrobów po obróbce cieplnej.

OBRÓBKA CIEPLNA ŁUSEK

Obróbka cieplna stosowana w technologii wytwarza-

nia łusek obejmuje kilka etapów. Pierwszy etap jest

związany z wyżarzaniem międzyoperacyjnym zmięk-

czającym, stosowanym po kolejnych ciągach realizo-

wanych na zimno. Następnie obszar płaszcza łuski jest

poddawany hartowaniu, które jest realizowane przez

indukcyjne nagrzewanie strefowe i bezpośrednie chło-

dzenie natryskowe wodne. Kolejnym zabiegiem jest

odpuszczanie płaszcza łuski w piecu komorowym. Po

odpuszczaniu obszar płaszcza łuski w jego górnej części

jest miejscowo i chwilowo nagrzewany do zakresu au-

stenitu i poddawany swobodnemu studzeniu w powie-

trzu. Ma to na celu zmiękczenie tej strefy przed kształ-

towaniem szyjki łuski na zimno. Odkształcenie szyjki

łuski nadaje kształt końcowy wyrobu oraz wymagane

właściwości mechaniczne w obszarze górnym.

Pręt ciągniony po wyżarzaniu zmiękczającym o twar-

dości poniżej 140 HB(HV) stanowi materiał wsadowy

do produkcji łusek. Operacje wyżarzania zmiękczające-

go są wykonywane każdorazowo po kolejnych etapach
wyciągania ścianki łuski. Na skutek kilkukrotnego
wyżarzania w obszarze ścianki łuski powstaje mi-
krostruktura o osnowie równoosiowych ziarn ferrytu
z równomiernie rozłożonymi i globularnymi (skoagu-
lowanymi) węglikami. Parametry wyżarzania zmięk-
czającego są następujące: temperatura 690–700°C,
czas 1–2 godziny. W celu powtarzalnego uzyskiwania
w stanie zmiękczonym twardości niższej od 140 HB/
HV dla różnych wytopów stali C35, należy zastosować
temperaturę z zakresu 690÷700ºC i odpowiednio długi
czas wyżarzania dobrany eksperymentalnie. Stosowa-
nie temperatury wyższej niż 700ºC nie jest zalecane,
gdyż na skutek niedokładności w uzyskaniu rzeczywi-
stej temperatury materiału może nastąpić przekrocze-
nie temperatury Ac

3

i reaustenityzacja, prowadząca po

ochłodzeniu do wzrostu twardości.

Hartowanie płaszcza łuski jest realizowane po ope-

racji drugiego zawężania. Materiał wyjściowy do har-
towania charakteryzuje struktura nieznacznie od-
kształconego ferrytu i globularnych węglików powstała
w wyniku kilkukrotnego wyżarzania zmiękczającego
i odkształcenia w trakcie zawężania. Hartowanie jest
realizowane przez strefowe nagrzewanie indukcyjne
i intensywne chłodzenie natryskowe wodne. Proces
hartowania jest w pełni zautomatyzowany w zakresie
prędkości przesuwu cewki nagrzewającej i chłodzą-
cej oraz mocy generatora uwzględniających zmienną
grubość ścianki łuski. Temperatura nagrzewania ze
względu na krótki czas powinna być wyższa od 950°C.
W warunkach nagrzewania indukcyjnego ze względu
na krótki czas procesu nie występuje zagrożenie rozro-
stu ziarna austenitu oraz znacznego odwęglenia i/lub
utlenienia w przypowierzchniowej warstwie płaszcza
półwyrobu. Poprawność procesu hartowania należy
potwierdzić przez pomiary twardości płaszcza łuski.
Twardość powinna wynosić 600±20 HV i być równo-
mierna na przekroju niezależnie od grubości ścianki.

Odpuszczanie płaszcza łuski jest istotnym etapem

technologii wytwarzania, w którym kształtowane są fi -
nalne właściwości tego obszaru wyrobu. Na podstawie
badań laboratoryjnych oraz przemysłowych ekspery-
mentów wytwarzania partii modelowej łusek ustalono
temperaturę odpuszczania 450°C oraz czas odpuszcza-
nia 120 minut. Twardość płaszcza łusek wynosi po od-
puszczaniu od 310 do 350 HV i jest zgodna z założony-
mi wymaganiami. W tym obszarze łusek wykonuje się
również badania właściwości mechanicznych. W obsza-
rze płaszcza łusek materiał posiada najwyższą wytrzy-
małość R

m

> 900 MPa i A

5

> 4%.

Operacja zmiękczania przed kształtowaniem szyjki

łuski ma na celu umożliwienie prawidłowego przepro-
wadzenia operacji nadania kształtu w tym obszarze
łuski metodą odkształcenia na zimno oraz jednoczesne
nadanie wymaganych właściwości (twardości). Zabieg
ten jest realizowany przez strefowe i chwilowe na-
grzewanie indukcyjne do zakresu austenitu (powyżej
900°C) i swobodne chłodzenie w powietrzu. Twardość
po obróbce zmiękczającej w rejonie szyjki łuski wynosi
od 200–240 HV i nieznacznie wzrasta na skutek zabie-
gu kształtowania, ze względu na wielkość stosowanych
w tej operacji odkształceń. Uzyskany poziom twardości
gwarantuje prawidłowe parametry wyrobu w zakresie
siły rozcalania pocisku z łuską, co jest przedmiotem ba-
dań odbiorowych.

Marcisz.indd 16

25.08.2011 15:00:14

17

Prace IMŻ 1 (2011)

Technologie kształtowania plastycznego na zimno i obróbki cieplnej ...

DOBÓR MATERIAŁU I PARAMETRÓW

OBRÓBKI CIEPLNEJ DO WYTWARZANIA

OGNIW TAŚMY ROZSYPNEJ

Do produkcji ogniw taśmy rozsypnej dobrano stal

w gatunku C55 w postaci taśmy walcowanej na zimno

o grubości 2 mm. W stanie dostawy materiał powinien

być zmiękczony na twardość poniżej 200 HV (R

m

< 600

MPa i wydłużenie A

80

= min. 20%). Technologia wy-

twarzania ogniwa składa się z operacji wycinania oraz

gięcia, a następnie obróbki cieplnej. Obróbka cieplna

ogniw polega na hartowaniu z temperatury 830°C i ni-

skim odpuszczaniu w celu uzyskania wytrzymałości

powyżej 1400 MPa.

W trakcie wytwarzania partii modelowej ogniw za-

stosowano następujące parametry obróbki cieplnej:

temperatura nagrzewania 830°C i chłodzenie w oleju;

temperatura odpuszczania 360°C, czas odpuszczania

60 minut. Zastosowane parametry gwarantują uzyska-

nie wymaganych właściwości mechanicznych i użyt-

kowych wyrobów z wystarczającym zapasem bezpie-

czeństwa. Uzyskana twardość badanych ogniw z partii

modelowej w zakresie 519–542 HV10 spełnia wyma-

gania określone na poziomie 500–550 HV. W próbie

rozciągania niestandardowej próbki pobranej z ogniwa

po fi nalnej obróbce cieplnej uzyskano: R

0,2

> 1500 MPa;

R

m

> 1600 MPa oraz wydłużenie oszacowane na pozio-

mie 4%. Ogniwa po obróbce cieplnej należy poddać kon-
troli kształtu i wymiarów i w razie potrzeby zastosować
operację kalibrowania. Przeprowadzone w projekcie
badania wykazały, że zastosowane dla wytypowanego
gatunku stali hartowanie w oleju i odpuszczanie nie
powoduje zniekształceń wyrobu wywołanych napręże-
niami hartowniczymi.

KONSTRUKCJA ŁUSEK I OGNIW ORAZ

NARZĘDZI DO ICH WYTWARZANIA

Opracowano dokumentację konstrukcyjną wyrobów

oraz narzędzi do wyprodukowania partii modelowych
łusek i ogniw. W trakcie realizacji pracy dokumenta-
cja była na bieżąco korygowana na podstawie badań
jakości półwyrobów i wyrobów w zakresie geometrii,
wymiarów i jakości powierzchni oraz jakości wewnętrz-
nej. Dokonano m.in. korekty w dokumentacji konstruk-
cyjnej łuski w zakresie kąta nachylenia ścianki szyjki
w wyniku szczegółowych badań oraz przeprowadzo-
nych testów ostrzału.

Artykuł zawiera wyniki pracy fi nansowanej

przez MNiSW ze środków na naukę w latach 2008-
2010 jako projekt rozwojowy nr O R00 0038 06.

LITERATURA

1. J. Marcisz, J. Stępień, J. Materniak, Z. Kaczmarek: Podstawy

technologii produkcji łuski stalowej kalibru 30 mm, Materiały

Konferencyjne „Perspektywy rozwoju krajowej produkcji napę-

dów rakietowych – AMUNICJA 2009, Kołobrzeg 23-24 kwiet-

nia 2009, wyd. Politechniki Poznańskiej, s. 163-172.

2. J. Marcisz, J. Stępień, J. Materniak, Z. Kaczmarek, D. Szałata,

B. Garbarz, M. Adamczyk, W. Burian: Technologia produkcji

łuski stalowej kalibru 30 mm w FPS Bolechowo. Materiały

VIII Międzynarodowej Konferencji Uzbrojeniowej - Nauko-

we aspekty techniki uzbrojenia i bezpieczeństwa, Pułtusk,

6-8.10.2010, s. 651-661.

3. Z. Kaczmarek, J. Materniak, D. Szałata, J. Marcisz, J. Stępień,

B. Garbarz, M. Adamczyk: Taśma amunicyjna do naboju kali-

bru 30 mm – podstawy technologii produkcji. Problemy Mecha-

troniki, Uzbrojenie, Lotnictwo, Inżynieria Bezpieczeństwa, 2

(2), 2010, 73-80.

4. Z. Kaczmarek, J. Materniak, D. Szałata, J. Marcisz, J. Stę-

pień, B. Garbarz, M. Adamczyk: Taśma amunicyjna do naboju

kalibru 30 mm – podstawy technologii produkcji. Materiały

VIII Międzynarodowej Konferencji Uzbrojeniowej – Nauko-

we aspekty techniki uzbrojenia i bezpieczeństwa, Pułtusk,

6-8.10.2010, s. 430-436.

5. J. Marcisz, J. Stępień, J. Materniak, Z. Kaczmarek, D. Szałata,

B. Garbarz, M. Adamczyk, W. Burian: Technologia produkcji

łuski stalowej kalibru 30 mm w FPS Bolechowo. Problemy Me-

chatroniki, Uzbrojenie, Lotnictwo, Inżynieria Bezpieczeństwa,

2 (4), 2011, 109-120.

Recenzent: prof. dr hab. Józef Paduch

Marcisz.indd 17

25.08.2011 15:00:14