摘 要

现代火炮要求具有更大威力、更远射程以及连续发射的能力，因此身管面临更加严重的烧蚀，从而导致惊人的经济损失，身管抗烧蚀延寿已经成为世界性难题。目前抗烧蚀普遍采用表面电镀硬质铬层，但仍会发生铬层脆性裂纹甚至脱落。本文针对镀铬高强钢片采用微波等离子体化学气相沉积法，探究了氧化、碳化、氮化和碳氮共渗等表面改性方法对镀铬层性能的影响。氧化处理后，Cr层失效脱落，基体出现裂纹，机械性能大幅度下降；碳化、碳氮共渗处理后，Cr表面形成了疏松Cr-C化合物组织，使涂层机械性能下降；通过氮化处理在Cr层表面沉积了厚度5μm，晶粒较小且结构紧密的Cr₂N陶瓷层，具有高硬度（显微硬度1300 Hv0.1、纳米硬度11.4 GPa）和高弹性模量（610 GPa），同时涂层结合力测试表明Cr-N层/Cr层脱落临界载荷64N，两层间结合良好。本研究利用的微波等离子体化学气相沉积法对镀铬钢片表面改性，沉积效率高、效果良好，具有较强的实际应用前景。

关键词：身管烧蚀；微波等离子体化学气相沉积；表面改性；Cr₂N陶瓷层

Abstract

Modern artillery requires greater power, longer range and continuous firing ability. And the gun barrel is faced with more serious ablation which result in huge economic losses. The anti-ablation and life extension for gun barrel has become a worldwide problem. At present, hard chromium coating is widely used for ablation resistance, but brittle cracks and even shedding of chromium layer still occur. So microwave plasma chemical vapor deposition is used for chromium plating to improve the performance of chromium plating layer.In this study, the modification methods of oxidation, carbonitriding and nitriding were discussed. After oxidation treatment, the Cr layer fell off, the matrix cracked and the mechanical properties decreased greatly. After carbonation and carbonitriding treatment, loose and porous Cr-C compound structure was formed on the surface of Cr, which decreased the mechanical properties of the coating. The results show that the Cr₂N ceramic layer with thickness of 5μm,small grain size and compact structure deposited on the surface of Cr layer by nitriding treatment. The Cr₂N ceramic layer created by this method has high hardness: microhardness (1300 Hv0.1), nanometer hardness (11.4 GPa) and high elastic modulus (610GPa). At the same time, the coating adhesion test shows that the layer and Cr layer bond well (critical load 64N). In this study, the microwave plasma chemical vapor deposition method is used to modify the surface of chromium-plated steel sheet. This method has high deposition efficiency and good effect, and has a strong practical application prospect.

Key Words：Ablation of gun barrel；Microwave plasma chemical vapor deposition；Surface strengthening；Cr₂N ceramic layer.

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目 录

第1章 绪论 1

1.1 本研究的目的及意义 1

1.2 火炮身管失效机理 1

1.2.1 热-化学-机械因素的影响 1

1.2.2 镀层失效机理 2

1.3 国内外提高镀铬身管寿命的研究进展 2

1.3.1 渗碳和渗氮提高镀铬身管寿命的研究 3

1.3.2 等离子体方法提高镀铬身管寿命的研究 3

1.4 本研究的研究内容与技术路线 4

第2章 实验设备和样品处理 5

2.1 实验设备 5

2.2 样品预处理 5

2.2.1 电镀铬层 5

2.2.2 切割、打磨与抛光 7

第3章 模拟发射对火炮身管性能的影响 8

3.1 模拟发射对性能的影响 8

3.1.1 实验方法 8

3.1.2 模拟发射后的表面形貌 8

3.1.3 模拟发射后的XRD图谱 9

3.2 本章小结 10

第4章 碳化对火炮身管性能的影响 11

4.1 碳化对性能的影响 11

4.1.1 实验条件 11

4.1.2 碳化后的表面形貌 11

4.1.3 碳化后的XRD图谱 12

4.1.4 碳化后的截面形貌 12

4.2 铬层硬度变化的验证实验 13

4.3 分析与讨论 14

4.4 本章小结 14

第5章 碳氮共渗对火炮身管性能的影响 15

5.1 碳氮共渗对性能的影响 15

5.1.1 实验条件 15

5.1.2 碳氮共渗后的表面形貌 15

5.1.3 碳氮共渗后的XRD图谱 16

5.1.4 碳氮共渗后的截面形貌 17

5.2 分析与讨论 17

5.3 本章小结 18

第6章 氮化对火炮身管性能的影响 19

6.1 氮化对性能的影响 19

6.1.1 实验方法 19

6.1.2 氮化后的表面形貌 19

6.1.3 氮化后的XRD图谱 19

6.1.4 氮化后的截面形貌 20

6.1.5 氮化后的机械性能变化 20

6.1.6 氮化层的涂层结合力 21

6.2 分析与讨论 22

6.3 本章小结 23

展 望 24

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 本研究的目的及意义

现代战争中，火炮是武器装备中不可缺少的重要组成部分。火炮中最基本和最重要的部件是由高强钢制造的身管（以下简称身管），身管需要承受发射药的剧烈燃烧爆炸，从而赋予炮弹初速度以及轴向旋转力。现代火炮已经向着更大威力、更远射程以及高频发射的方向发展，比如目前已广泛装备的高膛压火炮，采用高能发射药从而使炮弹具有更大威力以及更远的射程，但这无疑要求身管承受巨大的工作负荷。在如此恶劣的环境下持续工作，身管烧蚀严重，可能导致火炮寿命缩短，甚至提前报废。

早在二战期间，火炮身管烧蚀引起的惊人损失已经引起了世界各国的重视。烧蚀与磨损是不一样的概念，研究表明烧蚀往往比磨损危害更大。火炮身管造价昂贵，早期火炮仅仅发射几百发炮弹，其身管就必须报废。美国在1978~1981年因磨损烧蚀破坏而报废的105、155、203毫米口径的炮管分别为7200根、138根和833根,总造价高达1277亿美元^[1]。美、英、法、德、日等国在这方面的研究投入较早，先后在各种烧蚀技术上投入大量人力与资金，并取得了可观的进展。