Ствольная сталь и бой ружья
Основной параметр стали, необходимый для обеспечения прочности стволов - предел упругости (или пропорциональности) - такая удельная допускаемая нагрузка, после снятия которой металл возвращается в первоначальное состояние без остаточных деформаций.
Согласно справочникам (Гжиров Р.И., 1984), для практических целей можно считать, что предел прочности (и в большой степени предел упругости) среднеуглеродистых сталей не зависит от содержания углерода, зависит только от твердости. То есть предел прочности и для стали 25 и для стали 50 при одинаковой твердости примерно одинаков, хотя содержание углерода отличается вдвое.
Другое дело, что получить твердость в 35НRС для стали 25 сложно, для стали 50 просто. Это же относится и к малолегированным сталям, для которых влияние легирующих элементов на твердость невелико. Последний факт применительно к пушечным стволам отмечал еще немецкий профессор В.Швиннинг, перевод книги которого был издан Арт.Академией им. Дзержинского в 1937 году.
Стволы иностранных дробовиков выпуска 70-х годов (Браунинга, Беретты, Винчестера) имеют очень мало легирующих элементов - около 1% хрома и до 0.15% молибдена (что, тем не мене, позволяет говорить о хромомолибденовой стали). Причина этого в том, что для стволов гладкостволок выбор стали не имеет большого значения, поскольку для всех среднеуглеродистых нелегированных и малолегированных сталей прочность зависит от твердости, а не содержания углерода. Поэтому нельзя говорить о том, что ствольная сталь одной фирмы прочнее другой, не упоминая твердости (как это делалось, например, в каталоге "Ваффенфранкония". Вполне вероятно, что все их отличие как раз в твердости и заключается. (На рис.1 - график зависимости предела прочности от твердости для российских ствольных сталей 50А и 30ХРА. Разницы практически нет.)
В справочниках указывается допускаемый предел прочности, гарантированный, с учетом возможных дефектов металла - заковов, волосовин от прокатки, неметаллических включений. Фактически мартеновская сталь 50А имеет его почти вдвое выше.
Примечание. Твердость готовых стволов ИЖ-27М в соответствии с чертежом равна 217-302 по Бринеллю. Допустимый (гарантированный) предел текучести (упругости), используемый для расчетов на прочность (правый столбец таблицы 1), несколько меньше фактического.
Несколько больший предел прочности легированной стали в справочнике объясняется, видимо, тем, что эти стали обычно получают в электропечах,часто после электрошлакового переплава, поэтому они гораздо более чистые. Дефекты структуры могут появиться и в процессе дальнейшей обработки стволов - попадание окалины при ковке, пережог, отпускная хрупкость и т.д.
Если техпроцесс не обеспечивает отсутствия дефектов, дефектоскопия будет слабым утешением. Кроме ненадежности, дефектоскопия, особенно рентгеновская, дорогая вещь. Именно из-за внутренних дефектов и загрязняющих включений справочники устанавливают допустимый предел упругости для литой стали 50Л на 30% меньше аналогичной по содержанию углерода стали 50А.
Добавка в ствольную сталь легирующих элементов обычно является чисто технологическим улучшением - такая сталь лучше термообрабатывается, не требует дополнительных операций подкалки, лучше полируется. Добавка даже 1-2% хрома или никеля позволяет не меняя режимы термомеханической обработки получить более твердые, а значит и более прочные стволы, без дополнительных затрат, что с лихвой компенсирует незначительно возрастающую цену материала. Меньшие остаточные напряжения за счет меньшего содержания углерода ведут к уменьшению объема правки стволов.
Добавка легирующих элементов также позволяет получить вязкость, необходимую для сохранения пластичного,а не хрупкого характера разрушения стволов, что проявляется при увеличении твердости стали. Эта добавка вместе с вязкостью резко уменьшает износ нарезных стволов. Пластичность стали уменьшает вероятность разрушения при длительном настреле и повышает безопасность стрелка - в случае разрыва ствола не образуются осколки.
Другая причина применения легированных сталей – облегчение ухода за стволами. Практически замечено, что для хорошей коррозионной стойкости необходимо,чтобы в стали было не менее 13% хрома. Поэтому нельзя считать, что сталь 30ХРА или любая другая с 2-5% легирующих добавок не будет ржаветь. Хромовое покрытие, даже тонкое и пористое, значительно тверже ствольной стали и лучше работает на истирание.
Единственной серьезно коррозионно стойкой сталью в России, пригодной для изготовления стволов, можно считать сталь 40Х13, но и она не избавит от обязательной чистки и смазки стволов. Однако никаких упоминаний о попытках изготовления стволов из стали такого типа в России в литературе не встречается. За рубежом изредка встречаются охотничьи ружья и винтовки со стволами и коробками из нержавеющей стали (чаще просто покрытые никелем). Они рекламируются как "всепогодные" или для использования в приморском климате. Деревянные детали при этом заменяются на неразбухающую от воды пластмассу. Тот же Швиннинг упоминает ствольную сталь с 18% хрома и 8% никеля, но пишет, что такие стволы очень сложно обработать и закалить. Такие стволы также довольно сложно спаять в блок свинцовым припоем и легко распаять при интенсивной стрельбе.
Жарким днем конца лета - начала осени достаточно дать подряд 20-30 дробовых выстрелов или еще меньше из нарезного ствола и боковые планки могут начать отваливаться. Это особенно актуально для высоколегированных и более твердых стволов (последние вдобавок прочнее, значит тоньше), сцепление свинцового мягкого припоя к которым слабее обычного. Конечно, здесь сказывается не только нагревание, но и вибрация. Мягкий свинцово-оловянный припой теряет прочность задолго до плавления.
Видимо именно потому, что сам по себе химический состав и марка стали не являются гарантией качества, нормативная документация России оговаривает условное обозначение ствольного материала - обязательную маркировку стилизованных знаков Сп и Сл на стволах. Оружейники шутят, что разработчики маркировки имели в виду "сталь плохая" и "сталь лучшая".
По документации различие между ними в том, что первая имеет гарантированный предел упругости менее, а вторая более 70 кг на квадратный миллиметр. Но документация не оговаривает, на какой стадии обработки эта цифра должна быть обеспечена. Обычно в России Сп - это сталь 50А, Сл - сталь 30ХН2МФА.
Изменение механических характеристик стали при изменении твердости сильно сказывается на технологии обработки и наоборот. Например, очень сложно править твердые стволы, пайка на латунь или высокосеребросодержащий припой приводит к резкому понижению твердости, обычно в патроннике, и к неравномерности структуры по длине ствола.
Стволы современного нарезного оружия обычно получаются практически готовыми, сразу с нарезами, после холодной ротационной ковки (редуцирования). Часто их даже не трогают снаружи, оставляя "чешуйчатую" кованую поверхность, что, как утверждают, улучшает кучность.
Обрабатывают торцы, посадочные места под соединение с коробкой, прицельные приспособления, электрополируют канал, иногда дорабатывают патронник и ствол готов. Поскольку бойки при ковке идут по винтовой линии, направление волокон тоже меняется. Например, ударная вязкость стали в направлении по касательной может быть почти вдвое больше, чем повдоль ствола.
Дробовые стволы проходят гораздо более сложную и длительную обработку. Их обычно получают горячим редуцированием, когда непосредственно перед бойками стоит индуктор, нагревающий заготовку. Степень деформации при этом много больше, но и точность значительно хуже. Часто окончательно каналы и патронники получают после многократного развертывания и полировки - свинцовки (шустовки) или хонингования уже спаянного и обработанного снаружи блока стволов, что и вызывает появление разностенности в сечении.
Хотя на практике чаще всего размеры стволов назначаются по традиции, расчеты минимальной стенки проводятся. Чем тверже ствол, тем тоньше можно сделать его стенки, причем минимальная толщина их определяется не столько прочностью на разрыв, сколько жесткостью. От выстрела тонкий ствол может и не разорвется, но со временем превратится в мятую жестяную трубу.
Наибольший интерес вызывает вопрос о том, как твердость ствола влияет на характеристики боя. Для нарезных стволов это в общем понятно: чем тверже ствол,тем он более напряжен и близок к пружине, что должно влиять и на вибрацию дульного среза. Получается парадокс: чем тверже ствол, тем он толще должен быть. Исходя из этого, чем мягче ствол, тем лучше должна быть кучность стрельбы пулей. Это относится в первую очередь к нарезным стволам и можно объяснить меньшими остаточными напряжениями в стали. В связи с этим можно вспомнить, как А.Онегов описывает деревенское "лечение" стволов путем выдержки их на русской печи. Это в принципе является ничем иным как циклическим низкотемпературным отпуском. К ночи печь нагревается, к утру остывает.Так за долгую зиму раз полтораста. Это должно резко снизить остаточные напряжения.
Нечто похожее сейчас начинает применяться в промышленности для повышения кучности нарезных стволов. Это циклическая обработка холодом- многократное замораживание почти до минус 200 градусов Цельсия.
Меньшая твердость увеличивает, конечно,износ ствола и соответственно уменьшает срок службы. Один из теоретических путей решения проблемы таков: получить режимами ковки и термообработки повышенную твердость в патроннике и пульном входе - зоне максимального давления и разгара, а меньшую твердость в дульной части компенсировать созданием напора канала к дульному срезу, для обжатия пули, уменьшения прорыва газов, получения кучности и живучести.
Россия постепенно теряет былую славу оружейной страны, заслуженную спортивными и снайперскими винтовками. В связи с тяжелым материальным положением армии и спорта фундаментальные исследования и совершенствование технологии стволов практически свернуты, заводы же в основном решают проблемы удешевления. Сейчас уже говорят, что скоро на винтовки для биатлона АО"ИЖМАШ" будут ставить стволы от "Анщютца".
Несколько по иному обстоят дела с влиянием свойств стали на на бой дробовых стволов,для которых кучность и живучесть довольно просто получаются размерами ствола, его канала и дульного сужения.
Исследования влияния твердости стволов на наиболее мистический параметр боя дробовика - резкость, или что обычно под ней подразумевается, дульную скорость, практически не проводились (а может быть, просто не публикуются?).
Можно только предполагать, что чем толще ствол, тем меньше деформации стенок при выстреле, тем меньше прорыв пороховых газов через пыжи. Однако увеличение прочности и твердости стали не изменяет величины деформаций от прилагаемых нагрузок, в том числе и при выстреле. Величина деформации зависит от модуля упругости, который для разных сталей отличается незначительно. Уменьшение толщины стенки при увеличении прочности стали даже увеличит ее деформации, а следовательно и возможный прорыв газов.
Влияние прочности стали на бой достаточно сложно проверить не только потому, что очень сложно изготовить 2 одинаковых ствола. Очень велик разброс скорости и кучности российских патронов от выстрела к выстрелу, что сводит достоверность испытаний к нулю.
После небольшой практики, особенно если кто-то знающий покажет, довольно просто увидеть дефекты в канале ствола - "пузыри", логовины, кривизну, овальность. Часто можно заранее сказать, что ствол почему-то будет бить не туда куда надо, однако практически невозможно предсказать на глаз резкость.
Поэтому почти все "выборы" в магазине без пробы стрельбой сводятся к гаданию на кофейной гуще. Теоретически волнистость, овальность и прочие "чудеса" должны прежде всего сказываться на резкости боя за счет прорыва пороховых газов через пыжи при движении "по кочкам и ухабам".
Однако представляется невероятным, что такое влияние может превышать хотя бы разброс скоростей от допусков на патроны, поскольку по расчетам деформации в патроннике даже при усиленном выстреле не могут превышать 0.04 мм, а в дуле еще в сотни раз меньше. Эффект от подбора элементов снаряжения и пересыпки дроби крахмалом должен быть на порядок больше. Установлено, что только прорыв пороховых газов через пыжи составляет порядка 10%.
Поскольку твердость стали стволов малоинформативна для широкого круга охотников, и различие химсостава разных марок невелико, фирмы-производители придумывают особые названия своих ствольных сталей. С другой стороны, если разные стали имеют практически одинаковые прочностные характеристики при одинаковой твердости, на первый план выходят надежность технологии и отношение к качеству, связанные с этим доверие и уважение к фирме и торговой марке.
Прославленные марки заслуживают уважения в результате подтверждения временем своего качества и надежности. А что же еще может не хватать охотнику, если надпись на стволах вызывает уважение?
В.Вальнев, инженер-оружейник.
Доработанный вариант.
Первоначальный вариант был опубликован в «Российской охотничьей газете» N 31 =28.07.1999г и в журнале "Магнум" N 3 - 99г.
Еще в этом разделе:
Листая старые страницы... Перевод одной из первых статей по М16.
09.11.2021
Раздел: «О ружьях и не только»
Читать →
О разрывах ружей
06.09.2004
Раздел: «О ружьях и не только»
Хорошее охотничье ружьё или винтовка - вещь прочная и долговечная. Как правило, оно исправно служит своему владельцу долгие годы. Но бывает, что ружьё превращается в руках охотника в гранату.
Читать →
Комментирование доступно зарегистрированным пользователям.
Пожалуйста, авторизуйтесь здесь.