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舰炮是用什么钢材做的?

现代舰炮所使用的钢材(主要是:炮管、发射药室)与陆军的火炮所用钢材牌号完全一致,不能因为它是海军炮就单独开发几个钢牌号,若是这样就太浪费了。


目前来看,各国制造火炮用钢材的化学成分都差不多,我国由于冶金设备这些年有些进步,钢材当中磷硫的含量要求反而更严格,从材质上来说比英美要略微好一些,这也反应出我国炮管用钢材的质量要比几十年前有了显著提高。

那么,舰炮的炮管是怎样生产出来的?其实不论是舰炮(加农炮范畴)还是陆***炮所用钢材,目前的***用电弧炉+电渣重熔炉冶炼。
电弧炉是目前钢铁工业必备的冶金设备,大部分高档钢材都有它来进行冶炼,由于电能是“二次能源”
,不存在有害物质的带入,所以它冶炼出来的钢水会更加纯净。图片里就是电弧炉冶炼钢水到出钢的生产流程3D模拟图,右侧是电弧炉、中间是盛钢桶、左面是电弧炉冶炼完毕后出钢。
电弧炉冶炼完成的钢液,要浇铸成图片里的这种棒材,如果想要提高质量也可以浇铸成钢锭,再由“初轧机”开坯成圆钢坯,这样棒材的表面光滑和内部致密,更适合电渣重熔炉使用。那么为啥要制成圆钢棒材?电渣重熔炉的原理就和我们日常所看到的电焊是一样的,这根圆钢棒材就相当于“电焊条”,只不过粗一些罢了,电渣重熔炉根据二次冶炼钢锭的大小的需要,使用几十或者几百根这样的圆钢棒材。
电渣重熔炉外观就是这个样子,有三到四个电加热臂,臂的前端有卡头将圆钢棒材夹住→将圆钢棒材垂直插入电渣重熔炉中→通电开始加热、熔化→熔化的钢液一点点累积,最后形成一个大型电渣重熔钢锭。
由于需要后续的锻造工序,电渣重熔钢锭是多棱型的,这样才能便于锻造。通常情况下大口径炮管钢锭在30吨以上,只有这样大的钢锭才能经过多次锻打使内部更加致密,也只有致密的钢材制造出来的炮管,才能经受发射药的高温高压和炮弹弹丸高速摩擦。
大型锻造钢锭要经过万吨级别(至少三万吨)的锻造机进行锻压,将钢锭锻造出炮管粗坯,万吨级别锻造机是重要的工业设备,世界上只有少数几个国家可以将它制造出来,它不仅仅是锻造炮管,大型钢铁结构件、承重件、飞机主梁、大型发电机转子…都需要***用万吨级别锻造机锻造,才能精确成型。
炮管钢锭锻成粗坯后需要进行中心穿孔
,以便下一步精锻拉长。
炮管粗坯要再次使用旋转精锻机锻造拉长,
达到需要的炮管长短,旋转精锻机更是高档设备,价值上千万美元,还需要出口许可证!不是任何国家都可以购买得到的专业设备。
炮管精坯锻造完成后需要进行热处理工艺,使钢坯更加致密,到达更高的强度。
炮管精坯锻造完成需要矫直,这道工序非常重要,如果没有这一步加工出来的炮管再装到舰炮上射击精度变得很差!甚至会出现几百米的“密位”偏差!
炮管精坯锻造和热处理、矫直完成后,需要进行外表面和内部精车工序,要将氧化层切削掉。

初步精整后炮管进入到很关键的一步工序,就是“自紧工艺”
!所谓“自紧工艺”就是使用机械或者液压手段将炮管内部塑性变形,而外表仍然在弹性极限内,当“自紧”过程结束后,炮管内部产生残余压应力、炮管外部产生残余拉应力,当炮弹发射时会产生高膛压,炮管内壁的残余压应力会部分抵消发射药气体所带来的拉应力,从而改善炮管内层的金属受力状况。图片上是液压自紧机,中间那根钢棒是为了减少充液量的芯棒
自紧工艺示意图,A是自紧前,B是通过液压或者机械手段让炮管内壁挤压受力C自紧后内壁变得更加致密。
炮管自紧的技术难点就是密封,密封有两种
方式一种是静态密封多用于低压,另一种是自紧密封,内腔液体充满后随着压力的升高而自密封。
通过自紧过程后的粗加工炮管进入到内壁切削工序,就是要达到炮管壁要求的厚度,为下一步拉至膛线做准备。
进入到最后的膛线加工工序,膛线加工完全是经验积累,因为是深孔加工工艺,外面根本看不到里面的状况,只能由高级技师去观察刀杆的振动起伏、切削冷却油的温度去判断膛线是否在正常切削…每一年因为膛线加工失败而报废的炮管有上万吨之多!所以,现代火炮动辄数百万美元不是乱要价的。

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(图片来源网络,侵删)

通过上面这些粗略的图片说明,就能看出来舰炮(陆***炮)的生产流程非常的繁琐和复杂,需要巨大制造设备的资金投入才能将它制造出来!这些需要上百年的国力支撑和工业化时间。

目前世界可以制造从20毫米口径→155 毫米(甚至是203毫米)口径火炮的国家不超过10个,并且仍旧是二百年前那些可以制造火炮的国家!现代以来只有一个国家通过艰苦卓绝的努力才挤进了这个队伍!

而舰炮不只是炮管这一项制造,它还需要各种各样的机械设备和电器电子设备所组成,能制造陆***炮的国家未必就能制造舰炮,比如德国制造的陆***炮享誉世界,但是其战舰上的舰炮是意大利制造的!所谓“技有所长”就是这个道理,而即能制造陆***炮也可以制造舰炮的国家一定是军事科技强国!

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本来这个问题是不想回答的,因为现在网络上已经把“炮钢”给说烂了,但凡一说火炮制造,必谈“电渣重融”和“身管自紧”,殊不知这“前一个是炼钢工艺”,后一个“后续加工工艺”算不得什么高深科技,而且也绝非高性能火炮身管的必须手段,这一点在我国专家于上世纪七十年代末,考察法国和德国火炮制造企业时就已有公论。此外,将舰炮和火炮材料混为一谈,实不可取。要知道别说舰炮和坦克炮了,就算是同为舰炮的主炮和速射近防炮的身管钢材也完全不同,这与其口径、膛压、射速、寿命要求、所处环境都息息相关。所以,当看了不少回答,所谓“舰炮和坦克炮材质基本一样”的神论,然后再对电渣重融和身管自紧技术一通吹嘘的无关说法,感到有必要在这里略微科普一下。

首先,我们举个例子来说说舰炮与坦克炮炮钢的不同之处。从大方面来说,现代各类火炮的炮钢大多属于镍钢,这点没错。因为镍对于钢材来说是一种极为有益的元素,不仅可以抑制晶体颗粒长大,提高材料强度,还能改善塑韧性、提高淬透型,发展到今天世界上大部分炮钢都***用了Cr-Ni-Mo-V系中碳低合金锻钢。

这一点不仅美欧炮钢如此,我国研制的各类炮钢也在此列,但是不能说钢材里基本合金元素的种类差不多,就是这些钢材大同小异。实际上恰恰相反,这些合金元素就仿佛生物的DNA,一点细枝末节的变化,就能组成无数的配方,炼出性能各不相同的钢材。所以,各国的相关炮钢材料成分都有公开的标准,但是你依据这点公开的化学成分是绝对制造不出和人家性能一致的炮钢,这里内含的门道不是短时间内可以破解的。

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下面我们言归正传,说说舰炮炮钢材料与坦克炮钢的不同之处:

我们知道,我国陆军用火炮身管钢材(包括坦克炮)挺早就开发出了PCrNi3Mov、32Cr2Mo1VA等含镍炮钢和不含镍炮钢,但是这些炮钢在我国引进俄罗斯AK-630速射舰炮,并在此基础上研制730速射舰炮时就遇到了问题。这些原本用在陆军厚壁火炮身管上的钢材根本无法满足730速射炮的身管寿命要求。

不要小看这种30mm口径的舰炮,虽然口径不大然而射速极高,因此其材料与坦克炮的工作工况也截然不同。利用坦克炮钢材PCrNi3Mov制造的身管,实际射击寿命只有一两千发,而原装引进的俄制30mm炮管射击寿命超过6000发,不需要配备用炮管。原有的坦克炮钢根本就不能满足生产30mm速射舰炮的需求,其强度韧性配合比、低温冲击韧性等性能指标均不满足小口径速射舰炮的需要,所以我国决定对原装引进的AK-630速射炮使用的俄制25Cr3Mo3NiNbZr炮钢进行全面研制,该牌号炮钢的研制也是后来我国730、1130速射近防炮研制成功的基础,增加了我国高性能、高寿命速射火炮身管用钢的钢号,同时也对解决火炮在高寒地区使用问题带来了有益思考。所以说舰炮和坦克炮大同小异、专门为舰炮研制新牌号炮钢不值得的言论,实属不敢苟同。这一点不仅在小口径速射炮身管与大口径舰炮身管用钢上有所显示,在舰炮与坦克炮用钢上也颇为不同,就说大口径舰炮所用液冷方式与坦克炮冷却方式对钢材的要求就决然不同外,更何况舰炮所面临的海上盐雾腐蚀环境、射速、膛压、口径等不同之处所带来的材料要求不同。此外,舰炮身管的结构形式和材料还需满足液热耦合效应要求、需要应对内层冷却、层间冷却、外层冷却的不同冷却结构,以及液气混合冷却对钢材降温时的不同影响,其复杂要求与坦克炮的的需求也截然不同。

至于后来25Cr3Mo3NiNbZr炮钢是如何研制成功和制造的这里就不说了,大家只要知道对于武器材料来说“绝没有凑合能用、懒省事之说”,其材料成分与普通坦克炮炮钢的不同之处如下表:

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