Идея об использовании высокой плотности вольфрама (19,3 г/см3) и псевдосплавов вольфрам — свинец для баллистических целей высказывалась уже в патентах 1902 г.[25] В дальнейшем возникла мысль об использовании для этих целей значительной твердости и прочности карбида вольфрама, обладающего одновременно достаточной высокой плотностью2. Уже в 1929 г. в Германии успешно испытали первые сердечники снарядов из металлокерамического твердого сплава (94% WC и 6% Со) плотностью 14,8 г/см3 [107].
Сердечник снаряда должен обладать высокой плотностью, хорошей вязкостью и твердостью -—88—90 HRA (у головки снаряда). Выдержать эти условия одновременно довольно трудно, так как они в известной мере исключают друг друга. Высокую плотность можно получить при возможно низком содержании связки, использовании карбида вольфрама с значительным содержанием углерода и путем горячего прессования детали. Однако при малом содержании связки и высоком содержании W2C, а также двойных карбидов твердый сплав оказывается очень хрупким. Такие твердые, хрупкие и обладающие особо высокой плотностью твердые сплавы можно применять только для малогабаритных сердечников. Сердечники более крупных размеров нужно изготовлять из обычного WC с 6% С и с содержанием связки не менее 3% (желательно 9—13%).
При серийном изготовлении сердечников снарядов приходится пользоваться более дешевыми сырьевыми материалами, чем при обычном изготовлении твердосплавных изделий. Так, приходится мириться с меньшей чистотой и применять вольфрамовый порошок углеродного восстановления, содержащий 99,5—99,7% W.
Вместо кобальта в качестве связки используют никель, а также смеси никель — железо и кобальт — никель, хотя известно, что эти связи могут сильно ухудшить качество используемых твердых сплавов. Вместо дорогостоящего мокрого размола применяют по возможности более дешевый сухой размол.
В Германии во время второй мировой войны фирма «Фридрих Крупп» [107] изготовляла сердечники диаметром 6,13 мм из карбида вольфрама с 4,5% связанного углерода. В качестве связки добавляли 2% Ni. Уменьшая содержание углерода примерно до 1,8% и содержание связки до 1%, удалось повысить плотность сплава с 17,2 до 17,4 г/см3. Полученный таким путем твердый сплав оказывался, однако, чрезвычайно хрупким. Для массового изготовления сердечников диаметром 15—36 мм позднее стали использовать спла^ на основе насыщенного монокарбида вольфрама с 3% Ni в качестве связки. Этот сплав имел плотность 15,1 —15,4 г/см3, твердость 89,8—90,2 HRA и ударную вязкость 0,7— 0,9 кГм/см2.
Все сплавы подвергали горячему прессованию. При этом для снарядов меньшего калибра за один прием односторонним прессованием изготовляли большее количество (4—6) сердечников (рис. 56). Сердечники более тяжелых снарядов изготовляли двусторонним прессованием в прессформе, показанной на рис. 57 [107, 302]. Расход графита был велик, так как непосредственно соприкасавшиеся с сердечником графитовые пресс – формы использовали только один раз. Применение графитовых втулок и пластинок позволило многократно использовать пуансоны и матрицы. Измельченный в порошок графитовый лом применяли для карбидизации вольфрама [107].
Отпрессованные сердечники — заготовки до их монтирования в снаряды требовалось подвергать почти всестороннему шлифованию. Из-за высокой твердости и массовости производства деталей это требовало значительного расхода шлифовальных дисков. Шлифование алмазными дисками или заточка алмазными резцами являются дорогостоящими операциями.
11*
163
Размеры изготовлявшихся в Германии сердечников снарядов и их физико-механические характеристики приведены в табл. 51 [107, 302].
Химический состав и физические свойства твердосплавных сердечников снарядов [фирма «Ф. Крупп»)
-15,9
•17,4
-14
-15,6
-15,6
-15,4
-15,6
-15,4
-15,4
-15,6
-15,4
-15,4
-15,4
15,7-
17.2-
15.3- 15,5- 15,5- 15,3- 15,5- 15,3- 15,3- 15,5- 15,3- 15,3- 15,3-
2 2 3
2,5 2,5 3,0 2,5 3,0 3,0 2,5 3,0 3,0 3,0
4,5 1,8 6,1 5,5 5,5 6,1 5,5 6,1 6,1 5,5 6,1 6,1 6,1
Диаметр
22,7 22,7 40,0 41,0 42,0 58,0 58,0 58,0 65,5 75,0 110,0 120,0 130,0
Состав, %
Ni
Размеры сердечников,
MM
Плотность, г/см3
|
Ударная вязкость по Изоду, кГсм/см3 |
Твердость, HRA |
|
4-6 |
90,8—91,2 |
|
0,8—2 |
87,8-88,3 |
|
60—90 |
89,8—90,2 |
|
30—35 |
92,2—92,8 |
|
30—35 |
92,2—92,8 |
|
60—90 |
89,8—90,2 |
|
30-35 |
92,2—92,8 |
|
70—90 |
89,8—90,2 |
|
70—90 |
89,8—90,2 |
|
30—35 |
92,2—92,8 |
|
70—90 |
89,8—90,2 |
|
70—90 |
89,8—90,2 |
|
70—90 |
89,8—90,2 |
Рис. 56. Многогиездиая пресс- форма для горячего прессования небольших сердечников снарядов:
Рис. 57. Прессформа для горячего прессования больших сердечников снарядов:
/ — верхннн пуансон; 2 — коиусное кольцо; 3 — сердечник; 4 — гильза; 5 — матрица; 6 — нижний пуансон
Значения твердости, замеренные на одной и той же детали, оказались не вполне совпадающими из-за неравномерного распределения плотности. Тем не менее путем усовершенствования технологии горячего прессования и улучшения прессформ удалось изготовить сравнительно однородные сердечники. При производстве сердечников обычным (т. е. холодным) прессованием из твердых сплавов WC—Со, как это принято в США и в Англии, необходимо избегать усадки по конусу в менее плотной зоне путем соответствующих коррективов в устройство прессформы.
При изготовлении сердечников снарядов [303, 304] из твердых сплавов WC—Ni детально изучали влияние содержания углерода на их плотность, ударную вязкость, твердость и удельное электрическое сопротивление. Некоторые данные приведены на графике (рис. 58). Свойства же твердых сплавов типа WC—Со с 6—15% Со приведены выше.
Содертамие С. °А
Рис. 58. Плотность, твердость и ударная вязкость сердечников снарядов из твердых сплавов WC-Ni в зависимости от содержания углерода в WC:
1– плотность; 2 — твердость 1IRA-, 3 — ударная вязкость
Твердосплавные сердечники снарядов вследствие их высокой пробойной силы [107, 302, 305] особенно широко применяли для стрельбы по танкам. Их сравнительно высокая хрупкость при этом не играла существенной роли. В то же время их значительная эффективность определялась и способностью противостоять высоким давлению и температуре, возникающим при пробивании броневой плиты [306]. Для пробивания броневых плит большой толщины рекомендовалось применять твердые сплавы с более высоким содержанием кобальта.
Всего в Германии с 1935 по 1943 г. было изготовлено сердечников массой до 2600 английских тонн (1 английская тонна равна 1016 кг). Больше всего их было изготовлено в 1940 г. (680 т). Сильный спад производства сердечников в 1942—1943 гг. был вызван нехваткой в Германии вольфрама. В 1943—1944 гг. производство сердечников было полностью прекращено, а имевшиеся в наличии резервы вольфрамовой руды и вольфрамовой кислоты использовали только для резцовых пластинок. Хрупкие сердечники диаметром 6,13 мм в количестве 1000 т не удалось использовать по прямому назначению и они были переработаны на трехокись вольфрама, а из сердечников диаметром 11 и 12 мм в количестве 250 т изготовили горячим прессованием сердечники более крупного калибра.
Сердечники для шведских противотанковых снарядов изготовляли горячим прессованием из сплавов WC-Co. Английские и американские сердечники, предназначенные для поражения бронированных танков «тигр», изготовляли обычным спеканием твердых спла – лов WC-Co (марки G2 и G3). Необходимости применять в качестве связки наряду с кобальтом никель или железо по мотивам, связанным с наличием сырьевых ресурсов, не было. Точных данных о выпуске твердосплавных сердечников в Англии и в США в 1944— 1945 гг. нет. Известно только, что общий масштаб их производства в несколько раз превысил выпуск в одной Англии за 1944 г.
Альтгольц [303] подробно описывает процесс изготовления фирмой «Карболой» сердечников снарядов. Тонко размолотую смесь WC—Со прессовали с добавкой парафина в качестве пластификатора в цилиндрических вертикальных матрицах под давлением около 60 г. Диаметр прессовок составлял около 60 мм, длина •—около 230 мм, масса — около 4 кг. Загрузка порошка при изготовлении сердечника для 76-мм снаряда составляла около 5 кг. Прессовки загружали в графитовых лодочках в асбестовый порошок и подвергали предварительному спеканию, во время которого удалялся парафцн. На предварительно спеченные цилиндры с помощью дисков из карбида кремния наносили конус; после этого их снова погружали в графитовые лодочки в засыпке из окиси алюминия и подвергали окончательному спеканию. Линейная усадка составляла при этом 18%, а окончательная твердость — около 83 HRA. После этого проверяли массу и размеры сердечников, а также определяли предел прочности при сжатии. В случае необходимости производили дополни-
Pik’. 59. Устройство противотанкового снаряда твердосплавным сердечником
Тельное шлифование конуса алмазным диском. На рис. 59 показан противотанковый снаряд с твердосплавным сердечником и алюминиевым наконечником.