17-4PH ในส่วนประกอบอาวุธปืน: การอบชุบด้วยความร้อนสำหรับการใช้งานลำกล้องปืนและตัวรับ

นักออกแบบอาวุธปืนต้องประสานความต้องการที่แข่งขันกันสามประการในวัสดุเดียว: ความแข็งแกร่งสำหรับบรรจุแรงดันในห้องที่เกิน 60,000 psi, ความเหนียวในการต้านทานการแตกร้าวภายใต้แรงกระแทกจากการยิงซ้ำๆ และความต้านทานการกัดกร่อนเพื่อให้คงอยู่ได้นานหลายทศวรรษในการจัดการ ตัวทำละลายในการทำความสะอาด และการสัมผัสต่อสิ่งแวดล้อม. 17-4เหล็กกล้าไร้สนิม PH เป็นหนึ่งในโลหะผสมที่มีจำหน่ายในท้องตลาดเพียงไม่กี่ชนิดที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อตอบสนองทั้งสามประการ และลักษณะการรักษาความร้อน-ได้หมายความว่าผลิตภัณฑ์จากโรงสีเดียวสามารถ ปรับให้เหมาะกับหน้าที่ของลำกล้อง หน้าที่รับ หรือชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำขนาดเล็ก เพียงแค่เปลี่ยนอุณหภูมิการเสื่อมสภาพ

คู่มือนี้จะอธิบายว่าสภาวะการตกตะกอนของ 17-4PH แมปกับส่วนประกอบอาวุธปืนจริงอย่างไร เกิดอะไรขึ้นเมื่อเลือกสภาวะที่ไม่ถูกต้อง และวิธีที่โลหะผสมเปรียบเทียบกับเกรดสเตนเลสซีรีส์ 400 ที่มักจะเข้ามาแทนที่

สแตนเลส 17-4PH คืออะไร และเหตุใดจึงใช้ในอาวุธปืน?

17-4PH เป็นสเตนเลสสตีลชุบแข็งด้วยแบริ่งทองแดง-แบบมาร์เทนซิติก-ซึ่งมีความแข็งแรงสูงผ่านขั้นตอนการบ่มที่อุณหภูมิต่ำ- แทนที่จะใช้วงจรการชุบแข็ง-และ-อุณหภูมิตามปกติ ทำให้ผู้ผลิตอาวุธปืนมีโลหะผสมที่ทนทานต่อการกัดกร่อน-ในมิติที่มีขนาดคงที่ ซึ่งเครื่องจักรและการบำบัดความร้อนสามารถคาดเดาได้

17-4PH (UNS S17400, ASTM A564 เกรด 630, AMS 5643) ได้ชื่อมาจากองค์ประกอบที่ระบุ: โครเมียมประมาณ 17% และนิกเกิล 4% พร้อมด้วยทองแดงประมาณ 3–5% และการเติมไนโอเบียมเล็กน้อย ปริมาณโครเมียมจะก่อตัวเป็นชั้นพาสซีฟออกไซด์ที่ให้ความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมสเตนเลสใกล้เคียงกับเหล็กกล้าไร้สนิม 304 ในขณะที่ปริมาณทองแดงทำให้สามารถเสริมความแข็งได้โดยการตกตะกอน: กระบวนการบำบัดสารละลายสอง-ขั้นตอนตามด้วยอายุอุณหภูมิต่ำ- (900 องศา F ถึง 1150 องศา F) ซึ่งจะตกตะกอนอนุภาคที่อุดมด้วยทองแดงทั่วทั้งเมทริกซ์มาร์เทนซิติก

กลไกนี้มีความสำคัญสำหรับอาวุธปืน เนื่องจากจะหลีกเลี่ยงความเสี่ยงต่อการบิดเบี้ยวที่เกี่ยวข้องกับการ-ชุบแข็งเหล็กกล้าเครื่องมือแบบเดิมหรือสเตนเลสเกรดมาร์เทนซิติกซีรีส์ 400- เนื่องจากขั้นตอนการเสื่อมสภาพเกิดขึ้นที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ -กระบอกสูบที่กลึงด้วยเครื่องจักรและรางตัวรับที่มีความแม่นยำจึงมีความทนทานสูงผ่านการบำบัดความร้อน ช่วยลดขั้นตอน-การตกแต่งขั้นสุดท้ายด้วยการอบด้วยความร้อนก่อนที่ชิ้นส่วนจะพร้อมสำหรับการประกอบ

ผู้ออกแบบอาวุธปืนยังให้ความสำคัญกับความต้านทานการกัดกร่อนของ 17-4PH ในสภาพแวดล้อมที่เหล็กกล้าคาร์บอนหรือโครเมียม 4140-โมลี จำเป็นต้องมีการชุบหรือเคลือบเพิ่มเติม กระบอกปืนหรือตัวรับ 17-4PH สามารถทิ้งไว้ในผิวเคลือบด้วยลูกปัดหรือเคลือบฟิล์มได้ และยังคงต้านทานสนิมแดงจากเหงื่อ ฝน และสารเคมีในการทำความสะอาดตามปกติ

สภาวะการรักษาความร้อนแบบใดดีที่สุดสำหรับลำกล้องปืน - H900 หรือ H1150

สำหรับกระบอกปืนไรเฟิลและปืนพก สภาพ H900 (หรือ H925 ที่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิด) เป็นค่าเริ่มต้นของอุตสาหกรรม เนื่องจากมีความแข็งและทนทานต่อการสึกหรอสูงสุดในตระกูล 17-4PH ซึ่งต้านทานการกัดเซาะของรูเจาะและการสึกหรอของคอได้ดีที่สุดจากรอบการยิงที่อุณหภูมิสูง-แรงดันสูงซ้ำๆ

รูเจาะลำกล้องมีการผสมผสานที่ดุดันอย่างมีเอกลักษณ์ของการหมุนเวียนด้วยความร้อน การโจมตีทางเคมีจากก๊าซจรวด และการสึกหรอจากการเสียดสีจากวัสดุปลอกกระสุน เนื่องจากการกัดเซาะของรูเจาะ - ไม่ใช่การแตกหักมากเกินไป - โดยปกติจะเป็นโหมดความล้มเหลวที่ทำให้อายุการใช้งานของถังสิ้นสุดลง ความแข็งและความต้านทานต่อการสึกหรอมีความสำคัญมากกว่าความเหนียวพิเศษที่นำเสนอโดย-สภาวะการเสื่อมสภาพที่มีความแข็งแกร่งต่ำกว่า

H900 ซึ่งมีอายุอยู่ที่ 900 องศา F เป็นสภาวะที่แข็งแกร่งและแข็งที่สุดในข้อกำหนด AMS 5643 โดยมีความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำประมาณ 190 ksi และความแข็งแบบ Rockwell ในช่วง 40–47 HRC ความแข็งนี้แปลโดยตรงเป็นพื้นผิวของรูที่ทนทานต่อกลไกการสึกหรอจากการเสียดสีและความร้อนที่กัดกร่อนปืนไรเฟิลตลอดอายุการใช้งานของกระบอกปืน ผู้ผลิตบางรายเลือกใช้ H925 สำหรับถังที่ต้องการความเหนียวเพิ่มขึ้นเล็กน้อยโดยมีค่าความแข็งเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

สภาพอายุการใช้งานที่สูงขึ้น- เช่น H1075 หรือ H1150 แลกความแข็งกับความเหนียวและความเหนียวของการแตกหัก - การแลกเปลี่ยนที่สมเหตุสมผลสำหรับตัวเรือนตัวรับที่ต้องต้านทานการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว แต่ต้องเสียสละโดยไม่จำเป็นสำหรับกระบอกเจาะที่ความต้านทานการสึกหรอเป็นเกณฑ์การออกแบบที่ควบคุม

ตารางที่ 1. คุณสมบัติทางกล AMS 5643 ตามสภาพอายุ

ที่มา: ข้อกำหนดคุณสมบัติทางกลขั้นต่ำของ AMS 5643 ตามที่เผยแพร่ในเอกสารข้อมูลซัพพลายเออร์ (Smith Metal Centres; SSA Corp; Dynamic Metals) สำหรับสต็อกแท่งขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 นิ้วและต่ำกว่า

การอบชุบด้วยความร้อนส่งผลต่อความแข็งแรงและความทนทานของตัวรับอย่างไร

ตัวรับและเฟรมทำงานได้ดีที่สุดในสภาวะ H1025 หรือ H1075 เนื่องจากอุณหภูมิที่เสื่อมสภาพในช่วงกลาง-เหล่านี้รักษาความทนทานต่อการแตกหักได้เพียงพอที่จะต้านทานการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวภายใต้การกระตุ้นด้วยการยิงซ้ำๆ ขณะเดียวกันก็ยังคงให้ความแข็งแรงของผลผลิตสูงกว่าความต้องการแรงกดดันของห้องควบคุมในโรงงาน

โหมดความล้มเหลวหลักของตัวรับไม่เหมือนกับการเจาะลำกล้อง ไม่ใช่การสึกหรอที่พื้นผิว - แต่เป็นรอยแตกเมื่อยล้าหรือการแตกหักแบบเปราะภายใต้ภาระการยิงแบบวนรอบ ซึ่งมักจะเริ่มต้นที่มุมแหลมคม รากของเกลียวที่กลึงด้วยเครื่องจักร หรือรูเข็ม ความเหนียว (ความต้านทานของวัสดุต่อการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว) มีความสำคัญพอๆ กับความแข็งแรงดิบเป็นอย่างน้อย

สภาวะ H1025 และ H1075 อยู่ตรงกลางของช่วงคุณสมบัติ AMS 5643: ยังคงแข็งแกร่งพอที่จะรองรับ-การดึงโหลดและการล็อค-การต่อของตัวดึงสลักเน้นด้วยความปลอดภัยที่สะดวกสบาย แต่คงสภาพไว้ที่อุณหภูมิที่สูงพอที่จะปรับปรุงการยืดตัว และลด-โครงสร้างจุลภาคที่เปราะบางและแตกร้าวซึ่งสัมพันธ์กับ-ความแข็งสูงสุดในสภาวะ H900

ผู้ผลิตตัวรับและตัวเลื่อนหลายรายระบุว่า H1025 เป็นเงื่อนไขเริ่มต้นเดียวสำหรับกลุ่มผลิตภัณฑ์ทั้งหมด เนื่องจากทำให้การควบคุมล็อตด้วยความร้อนง่ายขึ้น{1}} ในขณะเดียวกันก็ยังมีความแข็งแกร่งเกินกำลังที่การออกแบบแขนขนาดเล็ก-ส่วนใหญ่ต้องการ ตัวพาโบลต์และตัวเชื่อมล็อค - ส่วนประกอบที่อยู่ภายใต้แรงกระแทกซ้ำๆ มากกว่าผนังตัวรับแบบคงที่ - บางครั้งอาจสูงถึง H1075 เพื่อเพิ่มความแข็งแกร่ง

จะเกิดอะไรขึ้นหากใช้ 17-4PH ในสภาวะการรักษาความร้อนที่ไม่ถูกต้อง

การใช้สภาพที่แข็งเกินไป เช่น H900 ในรีซีฟเวอร์ หรือสภาพที่อ่อนเกินไป เช่น H1150 ในถัง ไม่เพียงแต่มีประสิทธิภาพต่ำกว่า - เท่านั้น แต่ยังทำให้เกิดโหมดความล้มเหลวเฉพาะเจาะจงที่คาดการณ์ได้ ได้แก่ การแตกหักแบบเปราะในกรณีแรก และการสึกหรอของรูก่อนกำหนดหรือการคืบของขนาดในกรณีที่สอง

ตัวรับที่กลึงในสภาพ H900 จะได้รับความแข็งของพื้นผิวเป็นพิเศษ แต่จะเสียสละความเหนียวและความเหนียวของการแตกหักที่ตัวรับน้ำหนัก-ต้องการ ภายใต้การโหลดด้วยแรงกระแทกซ้ำๆ ของการยิง ตัวรับที่แข็งเกิน-มีแนวโน้มทางสถิติมากกว่าที่จะเกิดการแตกร้าวเมื่อยล้าที่ตัวรับความเค้น เช่น รูเข็มและรากของเกลียว และเมื่อเกิดรอยแตกร้าว โครงสร้างจุลภาค H900-ความเหนียวต่ำจะให้ความต้านทานต่อการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวอย่างรวดเร็วน้อยกว่าสภาวะ-ในช่วงกลาง

ความผิดพลาดแบบย้อนกลับ - การบ่มถังใน H1150 เพื่อให้ได้ความเหนียว - เสียสละความแข็งที่ต้านทานการกัดเซาะของรูเจาะ การเจาะที่นิ่มกว่าจะสึกหรอเร็วขึ้นภายใต้ความเครียดจากการเสียดสีและความร้อนจากการยิง ทำให้อายุการใช้งานที่แม่นยำสั้นลง และจำเป็นต้องเปลี่ยนกระบอกปืนเร็วกว่านี้ แม้ว่ากระบอกปืนจะไม่เสี่ยงต่อการแตกหักก็ตาม

เนื่องจาก AMS 5643 และ ASTM A564 กำหนดเงื่อนไขโดย-การบำบัดและกำหนดเวลาการเสื่อมสภาพของสารละลายเฉพาะ แทนที่จะกำหนดความแข็งขั้นสุดท้ายเพียงอย่างเดียว โรงสีและผู้จำหน่ายการบำบัดความร้อน-จะต้องรับรองวัฏจักรความร้อนจริงที่ใช้ ไม่ใช่แค่ตัวเลขความแข็งที่เกิดขึ้น เพื่อให้วิศวกรสามารถไว้วางใจพฤติกรรมความล้าและความเหนียวของโลหะผสม - ไม่เพียงแต่ตรงจุด-ใน-ความแข็งของเวลาเท่านั้นที่อ่านได้ - เงื่อนไขที่ระบุ

17-4PH เปรียบเทียบกับ 410 และ 416 Stainless สำหรับอาวุธปืนได้อย่างไร

17-4PH ให้ความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีกว่าสเตนเลส 410 และ 416 อย่างมีนัยสำคัญ มีความแข็งแกร่งเทียบเคียงหรือเหนือกว่า 410 และง่ายกว่า มีความเสถียรในมิติมากกว่า - ทำให้เป็นตัวเลือกประสิทธิภาพที่สูงกว่า-ไม่ว่าจะมีงบประมาณจำกัด ในขณะที่ 410 และ 416 ยังคงเป็นทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่าสำหรับส่วนประกอบที่มีความต้องการน้อยกว่า

สเตนเลสประเภท 410 เป็นเกรดโครเมียมมาร์เทนซิติกตรง ซึ่งมักจะดับ-และ-ทำให้แข็งตัวมากกว่าการตกตะกอน- มีความแข็งแรงพอสมควรแต่มีความต้านทานการกัดกร่อน-น้อยกว่า-มากกว่า 17-4PH และกระบวนการชุบแข็งด้วยความร้อนมีความเสี่ยงสูงที่จะเกิดการบิดเบี้ยวในช่องว่างกระบอกยาวและบาง

สเตนเลสประเภท 416 เติมซัลเฟอร์ฟรี-ในการตัดเฉือน ซึ่งเป็นทางเลือกทั่วไปสำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีความแม่นยำและบางบาร์เรลเนื่องจากสามารถตัดเฉือนได้อย่างรวดเร็วและสะอาดหมดจด อย่างไรก็ตาม ปริมาณกำมะถันที่เหมือนกันนั้นก่อให้เกิดแมงกานีสซัลไฟด์ที่รวมอยู่ซึ่งทำหน้าที่เป็น-จุดเกิดการกัดกร่อนแบบรูพรุน และลดอายุการใช้งานของความเมื่อยล้าเมื่อเทียบกับ 17-4PH ที่สะอาดกว่าและโครงสร้างจุลภาคที่มีความเสถียรของไนโอเบียม

การตกตะกอนของ 17-เส้นทางการตกตะกอนของ 4PH-ยังช่วยให้ผู้ผลิตสามารถควบคุมได้ละเอียดยิ่งขึ้น: สต็อกแท่งเดียวกันสามารถบ่มได้ถึงหกระดับคุณสมบัติที่แตกต่างกัน (H900 ถึง H1150) โดยไม่ต้อง-ตัดเฉือนซ้ำ ในขณะที่ 410 และ 416 โดยทั่วไปจัดส่งในสภาพที่ผ่านการควบคุมอุณหภูมิเดียวที่เหมาะกับการใช้งานทั่วไป

ตาราง 2. 17-4PH เทียบกับ. 410 และ 416 สแตนเลสสำหรับการใช้งานอาวุธปืน

มาตรฐานการผลิตใดบ้างที่ควบคุมส่วนประกอบอาวุธปืน 17-4PH

โดยทั่วไปส่วนประกอบอาวุธปืน 17-4PH ได้รับการผลิตและรับรองตามมาตรฐาน AMS 5643 (แท่ง การตีขึ้นรูป และวงแหวน) หรือ ASTM A564/A705 โดยมีเงื่อนไขการเสื่อมสภาพเฉพาะ (H900 ถึง H1150) ระบุไว้ในแบบวิศวกรรม และตรวจสอบโดยโรงสีหรือ-การรับรองการบำบัดด้วยความร้อนในโรงสี

AMS 5643 เป็นข้อกำหนดด้านการบินและอวกาศ-ที่ผู้ผลิตอาวุธปืนส่วนใหญ่อ้างอิงถึง เนื่องจากกำหนดทั้งคุณสมบัติทางเคมีและข้อกำหนดด้านแรงดึง ความแข็ง และการยืดตัวที่แน่นอนสำหรับแต่ละสภาวะอายุ ทำให้แผนกจัดซื้อและแผนกคุณภาพมีมาตรฐานเดียวที่สามารถตรวจสอบได้เพื่อเขียนลงในแบบร่างและใบสั่งซื้อ

ASTM A564 (แท่งและรูปทรง) และ ASTM A705 (แท่งสำหรับโลหะผสมตระกูลเดียวกัน) ทำหน้าที่เป็นเกรดเทียบเท่าทางการค้าทั่วไปมากกว่า- และเป็นเรื่องปกติที่ไม่จำเป็นต้องได้รับการรับรองและทดสอบระดับการบินและอวกาศเต็มรูปแบบ- ซัพพลายเออร์ที่มีชื่อเสียงให้ใบรับรองโรงงานสำหรับล็อตการอบร้อนทุกรายการ ซึ่งแสดงสารละลายจริงและอุณหภูมิการเสื่อมสภาพที่ใช้ ไม่ใช่แค่ตัวเลขความแข็งที่เกิดขึ้น เนื่องจาก - ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น - ความแข็งเดียวกันนี้สามารถเข้าถึงได้จากการผสมผสานระหว่างเวลาการบ่มและอุณหภูมิที่ต่างกันโดยมีความเหนียวที่เกิดขึ้นต่างกัน

สำหรับผู้ผลิตอาวุธปืนที่ผลิตภายใต้-โรงเก็บหรือการควบคุมดูแลตามกฎระเบียบ การคงใบรับรองเหล่านี้ไม่ใช่เอกสารทางเลือก - แต่เป็นเส้นทางการจัดทำเอกสารที่แสดงให้เห็นว่าลำกล้องหรือตัวรับได้รับความร้อน-ได้รับการบำบัดตามเงื่อนไขที่กำหนดโดยพิกัดแรงดันที่ออกแบบไว้

คำถามที่พบบ่อย

ถาม: 17-4PH สามารถใช้กับลำกล้องปืนลูกซองและลำกล้องปืนไรเฟิลได้หรือไม่

ก. ใช่. ใช้ตรรกะ H900/H925 แบบเดียวกัน แม้ว่าลำกล้องปืนลูกซองที่ทำงานที่แรงดันในห้องด้านล่างบางครั้งจะใช้เงื่อนไขที่นุ่มนวลกว่าเล็กน้อยเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งในกรณีที่ความหนาของผนังบาง

ถาม: 17-4PH จำเป็นต้องมีการเคลือบป้องกัน เช่น ไนไตรดิ้งหรือเซราโกตหรือไม่

ตอบ: ไม่ใช่สำหรับการป้องกันการกัดกร่อน - 17-4ปริมาณโครเมียมของ PH ให้ความต้านทานการกัดกร่อนโดยธรรมชาติที่แข็งแกร่งอยู่แล้ว โดยทั่วไปแล้วการเคลือบบนชิ้นส่วนอาวุธปืน 17-4PH จะใช้เพื่อเพิ่มสี เพิ่มการหล่อลื่น หรือเพิ่มความแข็งของพื้นผิว แทนที่จะใช้การป้องกันการกัดกร่อนของฐาน

ถาม: 17-4PH เป็นแม่เหล็กหรือไม่

ก. ใช่. โครงสร้างมาร์เทนซิติกทำให้เป็นเฟอร์โรแมกเนติก ซึ่งแตกต่างจากเกรดออสเทนนิติก เช่น 304 หรือ 316

ถาม: สภาพ 17-4PH ส่งผลต่อความสามารถในการแปรรูปอย่างไร

ตอบ: เครื่องจักรวัสดุที่ได้รับการบำบัด (สภาพ A) ด้วยวิธีการแก้ปัญหาทำได้เร็วที่สุดและเป็นสถานะที่ต้องการสำหรับการกัดหยาบ โดยทั่วไปชิ้นส่วนต่างๆ จะได้รับ-การตัดเฉือนให้เสร็จสิ้นก่อนการบ่มขั้นสุดท้ายจนถึงสภาวะ H- เป้าหมาย เนื่องจากการบ่มจะเพิ่มความแข็งและความต้านทานในการตัด

ถาม: ชิ้นส่วน 17-4PH สามารถนำไปบ่มในสภาพอื่นหลังการประกอบขั้นสุดท้ายได้หรือไม่

ตอบ: ภายในขอบเขตเท่านั้น การ-การชราภาพไปสู่อุณหภูมิที่สูงกว่า (สภาวะที่อ่อนลง) เป็นไปได้ แต่การ-การการชราภาพสู่อุณหภูมิที่ต่ำลง (สภาวะที่แข็งกว่า) โดยทั่วไปแล้ว จะต้องอาศัย-สารละลาย-ในการบำบัดก่อน เนื่องจากการแข็งตัวของฝนไม่สามารถย้อนกลับได้โดยการให้ความร้อนซ้ำ