KÜLÖNLEGES LŐFEGYVEREK KÁROSODÁSI ANALÍZISE

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK

KOVÁCS DORINA

KÜLÖNLEGES LŐFEGYVEREK KÁROSODÁSI ANALÍZISE

TDK-DOLGOZAT

KONZULENS: Dr. Dobránszky János Dr. Major László

2015

Kovács Dorina: Különleges lőfegyverek károsodási analízise; TDK-dolgozat, BME 2015.

TARTALOMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS................................................................................................................................... 3 2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS ................................................................................................. 4 2.1. A kézi lőfegyverek felépítése................................................................................................. 4 2.2. A huzagolás............................................................................................................................ 4 2.2.1. Huzagkészítési technikák............................................................................................... 5 2.3. A lőporok ............................................................................................................................... 7 2.4. A töltény ................................................................................................................................ 8 2.5. A tönkremenetel és a fegyverápolás kapcsolata..................................................................... 9 3. CÉLKITŰZÉSEK ........................................................................................................................... 9 4. A VIZSGÁLATI MINTADARABOK ÉS BERENDEZÉSEK ...................................................... 9 5. AZ ANYAGVIZSGÁLATI PROGRAM ISMERTETÉSE .......................................................... 10 5.1. A károsodáselemzési vizsgálati program lépései ................................................................. 10 5.2. Mintavételezés ..................................................................................................................... 10 5.3. A szövetszerkezet vizsgálata ................................................................................................ 12 5.3.1. A rövid puskacső metallográfiai vizsgálata ................................................................. 12 5.3.2. A hosszú puskacső metallográfiai vizsgálata .............................................................. 13 5.3.3. A kompozit köpenyes hibrid puskacső ........................................................................ 14 5.4. Mikrokeménységmérés ........................................................................................................ 16 5.5. A puskacsövek belső felületén talált lerakódások vizsgálata ............................................... 17 5.5.1. A rövid puskacső lerakódásainak vizsgálata ............................................................... 17 5.5.2. A hosszú puskacső lerakódásainak vizsgálata ............................................................. 18 5.5.3. A szénszálas kompozit köpenyes, hibrid puskacső lerakódásainak vizsgálata............ 18 5.6. Az égéstermékek és lerakódások elemzése .......................................................................... 19 6. A VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE ..................................................................... 21 7. ÖSSZEFOGLALÁS ...................................................................................................................... 22 8. SUMMARY .................................................................................................................................. 22 9. A HIVATKOZOTT FORRÁSOK JEGYZÉKE ........................................................................... 23

2. oldal


1. BEVEZETÉS Magyarországon a vadászat és a lövészet népszerű sporttá vált, és egyre újabb igények fogalmazódnak meg a fegyverek fejlesztésére. Egy mesterlövészpuska több százezer forintba kerül; nem minden nap kifizetendő eszköz, ezért különös gondoskodást igényel, hiszen egy használat során több lövés is eldördülhet. A lövések alkalmával különböző anyagok kerülhetnek a cső belsejébe, melyek eltávolítása, azaz a puskacső megtisztítása megnövelheti az élettartamát, pontosabbá teheti a fegyvert. Bizonyos puskacsövek 1–2 lövés után már olyan hőmérsékletűre melegednek, hogy a visszahűlésig további használatuk nem lehetséges, a lőpontosságuk érdekében. Tehát a megfelelő fegyverápolás elengedhetetlen kötelessége egy vadásznak vagy sportlövőnek, különben visszafordíthatatlan károsodások léphetnek fel. Ilyen károsodások feltárására szolgál a kutatómunkám. Az orvos-vadász-sportlövő konzulensem, Major László, három puskacsövének állapotfelmérését végeztem el, melynek eredményeit ő további fejlesztésekre használja majd fel. A golyós vadászpuskákból kb. kétezer, a mesterlövészpuskából alig kétszáz lövést adtak le a vizsgálat kezdetéig.

Forrás: [15]

3. oldal


2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS 2.1.

A kézi lőfegyverek felépítése

Azokat a távolra ható fegyvereket nevezik lőfegyvereknek, melyek csöveiből a lövéskor keletkező gázok feszítőereje löki ki a fémből készült lövedéket. Egy kézi puska (1. ábra) mint lőfegyver legfontosabb és legalapvetőbb részei: -

cső, megvezeti a golyó útját és ahol a lövés folyamata végbemegy,

-

tok, a fegyverszerkezet alkatrészeinek összefogásáért felelős,

-

elsütő szerkezet, a lövés kiváltását végző szerkezeti elem,

-

kakas, zárszerkezetként funkcionál, biztosítva a fegyvert,

-

szán, a kakas megfeszítésére szolgál, majd a tölténytárból a lövedék bejuttatása a töltényűrbe, ahol a lövés kezdődik,

-

závárzat, a fegyver hátsó részét zárja el,

-

válltámasz és markolat, megkönnyíti a célzást,

-

irányzó berendezés, a lőfegyver célra irányzásáért felelős [1].

1. ábra – Golyós vadászpuska [2]

2.2.

A huzagolás

A huzagolás, más néven csavarzat, a puskacső belseje mentén húzódik. Kezdetben párhuzamos vonalakból állt, melynek feladata a puskacső tisztántartása volt; a barázdákban lerakódott lőpor nem zavarta meg a lövedék útját. Az első spirális huzagolást, amit a mai napig is használnak, az 1520-as években alakította ki egy német fegyverkészítő. Manapság a feladata kisebb mértékben átalakult, a lövedék hossztengely menti forgómozgását segítik a barázdák. Emellett tömítő szerepe is van, megakadályozza a lőporgázok lövedék körüli előreáramlását, illetve a kezdeti funkciója is megmaradt. [1, 3] A huzagolás eredményeképpen megnő a pontosság és a hatótávolság, annak ellenére, hogy a huzagolás kölcsönhatása erős súrlódáson alapszik, koptató hatásnak kitéve a fegyvert. A huzagolás kialakításának megértéséhez több alapfogalom is magyarázatra szorul. Huzagszám: jelzi, hogy a csőben hány barázdát alakítottak ki.

4. oldal


Huzagemelkedés: megmutatja, hogy a huzagspirál milyen távolságon fordul egy teljes fordulatot. Sokan feltételezik, hogy minél rövidebb a huzagemelkedés, annál nagyobb sebességgel forog majd a lövedék a saját tengelye körül, és annál stabilabb is lesz a röpte. Ez azonban csak részben igaz. Minél rövidebb ugyanis egy lövedék, annál kisebb felülete érintkezik a huzagolással, ezért nagyobb a veszélye, hogy bizonyos sebesség felett a túl gyors huzagolást egyszerűen átugorja anélkül, hogy forgó mozgásra kényszerülne. [5] Előfordulhat olyan fegyvertípus, amelynek huzagemelkedése nem állandó. Ezt nevezzük progresszív huzagemelkedésnek. Ez azt jelenti, hogy a menetemelkedés a csőtorkolat felé egyre csak csökken (2. ábra).

2. ábra – Progresszív huzagemelkedés [1]

Huzagolás iránya: lehet jobbos vagy balos, igényektől függően. Különösebb befolyásoló szerepe nincs. Kaliber vagy űrméret: a cső névleges átmérőjét mutató szám, mely alapján osztályozzák a lövedékeket. Egy cső azonban két kaliberrel is bír: egy oromzati és egy barázdai kaliberrel (3. ábra). A kettő különbségének fele adja a huzagmélységet. Gyakran a huzagmélység eltérő a csőfarnál és a torkolatnál. A puskacső hátulsó részén mélyebb barázdák találhatóak, ami jobban elnyeli a lövéskor kialakuló szennyeződéseket, ezáltal 3. ábra – A kaliber magyarázó vázlata [5] a fegyver kevésbé érzékeny a koszolódásra. [4, 5] 2.2.1. Huzagkészítési technikák Üregelőtüskés eljárás: tömör anyagból kiindulva, a tervezett űrméretnél egy kisebb furatot fúrnak, majd ezt dörzsárral a megfelelő méretűre munkálják át, és az így elkészült furatot polírozzák az egyenetlenségek eltüntetése végett. A jó egyensúly érdekében a puskacső hátulsó felétől a csőtorkolat felé haladva csökkentik a külső átmérőt. Ezután következik a huzagolás.

5. oldal


Lineáris üregelésnél az üregelő szerszámot a tengely menti előretolással vezetik végig a csövön. A huzagoló gép előretolás közben forgó mozgásra kényszeríti a szerszámot, ennek következtében alakul ki a spirális huzagolás. Az emelkedés szöge állítható, de pontosabb profil állítható elő, ha a szerszám felülete is hasonló szögben van kialakítva. Ezt követően történik egy újabb polírozás, melyet két lépésben végeznek el. Először a barázdák alját mángorlószerszámmal simítják el. A barázdák sima felülete miatt a lövedék anyagából származó lerakódás mértéke csökkenthető, majd könnyen tisztítható. Az ezt követő polírozás után alakítják ki a csőkorona kitörését, aminek feladata, hogy 1) biztosítsa, a lőporgázok szimmetrikus áramlását, amikor a lövedék kilép a csőből, valamint 2) a huzagolás a lövedék minden oldalát azonos ideig fogja, és 3) biztosítsa a bemélyítésnek köszönhetően a mechanikai sérülések elleni védelmet a torkolatnál. [5] Hidegen kovácsolás: az előfúrt, előkészített puskacsövet rákalapálják egy keményfém tüskére, aminek az alakja megfelel a huzagolási negatívnak (4. ábra). Fontos, hogy a puskacsövön készített furat polírozott, a lehető legsimább felület legyen, mivel bármilyen egyenetlenség, amely a megmunkálás után megmarad, rontja a lőpontosságot és az élettartamot. [6]

4. ábra – Huzagtüske [6]

Minden huzagolási típushoz önálló szerszámot használnak, tehát a szerszám egy típusú fegyverhez alkalmas, a csavarzatra jellemző technológiai tényezők nem módosíthatók vele. Mángorlás: a furat előállítása itt is, ahogy a többi eljárásnál is előfeltétele a huzagolás elkészítésének. Az előfúrt, dörzsárazott csövön áttolnak egy keményfém szerszámot, mely belenyomja a szükséges profilt a puskacső anyagába. Ez a módszer szívóssá teszi a fémet, azonban az eljárás nem egyenletes, így a használat során a cső kopni kezd, mely a tönkremeneteléhez vezet. [5] Szabadalmak [15, 18-21] szerint a kompozit köpenyes puskacső acélból vagy más hőálló anyagból – titán, kerámia vagy keményfém – készül. Az acélcső vastagsága kisebb a teljes méretű a normál csőétől, így könnyebb. A szénszálas kompozit köpeny növeli a merevséget, a szilárdságot és a hővezető képességet. A köpeny képes ellenállni legalább 70 ksi (~4830 bar = 483 MPa) nyomásnak. A kompozit köpeny vastagsága függ a cső anyagától, mely jellemzően AISI 4140 típusú, Cr-Mo ötvözésű nemesíthető acél, a fokozott igénybevételekre pedig AISI 416 típusú (az EN 10088-1:2015 szerint X12CrS13) martenzites korrózióálló (automata) acél.

6. oldal


2.3.

A lőporok

A lőpor nagy gázkibocsátással égő robbanóanyag, meggyújtásakor nagy mennyiségű gáz (égéstermék) keletkezik. A lőpor égése a gyullasztást követően indul meg. Kétféle lőport különböztetünk meg, a füst nélkül égő (szerves) és a füsttel égő (szervetlen), más néven feketelőport. A feketelőpor alkotórészei: faszén, kálium-nitrát és kén. A kén okozza a szén gyors elégését, melyhez a szükséges oxigént a KNO3 biztosítja. A szén elégése által keletkezett széndioxid mintegy ezerszer nagyobb térfogatú, mint amilyet a lőpor a tölténye töltve elfoglal. A robbanásból keletkező térfogat növekedés löki ki nagy erővel a lövedéket a csőből. A feketelőpor névleges égési sebessége 500 m/s, míg a szerves lőporoké 800 m/s. [7, 8] 2KNO3 + 5C + S → CO2 + 4CO + N2 + K2S

(1)

A lőport 75% KNO3, 15% faszén és 10% kén arányban keverik. Az előállításánál a por alakot őrléssel hozzák létre, majd az alkotókat egybekeverve kapjuk meg a lőport. Ebben a formájában, már óvatosan kell vele bánni, hiszen gyúlékony. Ügyelni kell a gondos előkészítésre, és arra, hogy a különböző alkotókat sosem szabad együtt őrölni, hiszen a súrlódás okozta hő könnyen begyújthatja a keveréket. További előállítására különböző módszerek ismeretesek, de mindegyik alapja, hogy golyósmalomban finomítják a kellő szemcseméretűre, majd újabb keverésnek vetik alá, és oldószeres kötőanyaggal kezelik. A golyósmalom egy forgó dobból áll, amiben golyók találhatóak. A lőpor a golyók közé szorul forgás közben. Az ideoda ütődő golyók összezúzzák a szemcséket, és egy nagyon finom szemcséjű port képeznek. A golyók nem okoznak jelentős súrlódást, a lőpor pedig nem érzékeny az ütésre. Ezután a kissé nedves lőport tömörítik a megfelelő sűrűségűre. Az így kapott tömböket kiszárítják és összezúzzák. A szemcséket különböző lyukátmérőjű szitákon engedik keresztül, amelyek más-más tartályba kerülnek, így osztályozva szemcsemérettől függően a célnak éppen megfelelő lőport. [8, 9] A mai kézifegyverekben elképzelhetetlen lenne a feketelőpor használata. A lerakodó szilárd égéstermék szörnyen káros és persze veszélyes. Egy automata gépfegyver percenként több száz lövést képes leadni, egy fokozatosan elduguló cső nem túl szerencsés dolog. Tehát új lőporra van szükség, amely erős, kiszámítható, és tisztán ég. A füst nélkül égő lőpor nitrocellulóz (NC-) alapú. Égése során alkotóira bomlik. 2C6H7O2(ONO2)3 → 4CO2 + 8CO + 6H2O + H2 + 3N2

7. oldal

(2)


Ezek úgynevezett oldószeres eljárással gyártott lőporok, melyeket a gyártási folyamat során különböző adalékokkal látnak el: pl.: kémia stabilizátorokkal, flegmatizáló anyagokkal (melyek csökkentik az égési hőt), adnak hozzá grafitot is, mely véd a sztatikus feltöltődés ellen, de adhatnak hozzá torkolattűz-csökkentő adalékokat is. A nitrocellulózt legtöbben lőgyapotként ismerik, hiszen szálas formája miatt vattaszerű az állaga. Megkülönböztetünk több fajta NC-t, amik a bennük lekötött nitrogén mennyiségében különböznek (11–14%-ig bezáróan változhat). Robbanóanyagnak a 13–14% N-tartalmú NC-t használják. A nitrocellulóz nagyon tisztán ég el, füst és más szilárd égéstermék nélkül, ezért is nevezik füst nélküli lőpornak. [10]

2.4.

A töltény

A töltény egy olyan, lövés leadására önmagában nem alkalmas lőfegyver eszköz, amely a következő alkotóelemekből épül fel: szilárd lövedék, hajító töltet (robbanótöltet), gyújtóelegy (ill. csappantyú) és az ezeket egybefoglaló hüvely (5. ábra). [11] A puskatöltény lövedéke egy rézzel bevont acélburkolatú keményólom lövedék. Az előre gyártott ólom magvakat a kívül-belül rézzel bevont acélköpenybe utólag szerelik be, és a köpeny hátsó szélét ráperemezik az ólommagra. Ezek az

5. ábra – A töltény részei [5]

úgynevezett szerelt lőszeres lövedékek. Ezek a lövedékek teljesen kitöltik a huzagolás vonalát, a barázdák közötti átmérővel megegyező a mérete. Így a lövedék deformálódik a huzagok közt, kilövéskor az oromzatok szépen megvágják a felületét. Az érintkezés a csőfallal mindig közvetlen, így az ólmozódás is fokozottan jelentkezik, függően attól, hogy milyen keménységű az ólom és milyen kenőanyagot használunk. Minél keményebb az ötvözet, annál kevesebb az ólmozódás, annál nagyobb lövedéksebességeket érhetünk el. A töltény keménysége ónötvözéssel növelhető. [12] Az elöltöltős kúpos lövedéknek több fajtája is ismeretes. Az alakváltozás-mentes töltény legfőbb jellemzője, hogy a lövedék pontosan cső űrméretű, nem kotyog, de nem is szorul a csőben. A töltéskor a puskavessző súlyával, könnyen kell, hogy lenyomható legyen a lőportöltetre, ehhez mindig tiszta csőre van szükségünk, így minden lövés után érdemes tapasszal kihúzni a szennyeződést. E lövedéktípusnál minimális keményítésre van szükségünk, hogy elkerüljük a felesleges deformálódást és ólomlerakódásokat. [12]

8. oldal


A deformálódó lövedékek közül az expanzív lövedéknek a légpuskákhoz használatos lövedékhez hasonlóan szoknyája van, mely a kiterjedő lőporgázok hatására kitágul a huzagolásba. A táguláshoz minél lágyabb ötvözetre van szükség, így bármilyen keményítés felesleges. A kompressziós lövedékek egy vagy több mély barázdával rendelkeznek, mely segíti, hogy a lövedék a lőporgázok hatására könnyen belezömüljön a huzagokba. [12]

2.5.

A tönkremenetel és a fegyverápolás kapcsolata

A puskacső megfelelő ápolása megőrzi a fegyver hosszan tartó pontosságát. A cső gyors állapotromlását a csappantyú és a lőpor égéséből keletkező igen agresszív maró anyag okozza, mely belülről erősen korrodálja a cső falát. Ezen kívül a kilövéskor keletkező égéstermékek, illetve a töltényből származó anyagok lerakódhatnak a huzagolási barázdákba, ezáltal eltömítve a lövedék útját. A lerakódott, kis olvadáspontú anyagok a puskacső falával reakcióba léphetnek, ami korróziós repedéseket is okozhat. A lövedék és fal közötti súrlódás hatására kopás, valamint a gyors hőtágulási ciklusok következtében termikus fáradás is felléphet. Katonai kísérletek alapján bebizonyították, hogy a fegyverápolás jelentősen megnöveli a fegyver pontosságát. Akár 10 000 lövés után is tökéletesen működik, míg egy kezeletlen fegyver egy vadászszezon alatt tönkremegy.

3. CÉLKITŰZÉSEK A kutatómunkám célja feltárni a puskacsövek állapotát és károsodásait, valamint erről részletes leírást adni a további fejlesztések segítésére. A szakirodalom-kutatást figyelembe véve meghatározni, hogy a puskaporban és a lövedékben található anyagok milyen hatással vannak a puskacső felületére, és ezek milyen károsodást okoznak, beleértve a puska elsütésekor keletkező gyors és jelentős felmelegedés és lehűlés hatását is.

4. A VIZSGÁLATI MINTADARABOK ÉS BERENDEZÉSEK A kutatás során három különböző méretű és anyagú puskacsővel dolgoztunk. A vizsgálati mintákat a lőfegyverfejlesztéssel is foglalkozó konzulensem, Major László bocsátotta rendelkezésre. A mintákat széles körű vizsgálatoknak vetettük alá. A vizsgálatokhoz Olympus PMG3 típusú fénymikroszkópot, Olympus sztereomikroszkópot, Philips XL30 típusú pásztázó elektronmikroszkópot és Buehler mikrokeménységmérő berendezést használtunk.

9. oldal


5. AZ ANYAGVIZSGÁLATI PROGRAM ISMERTETÉSE A károsodáselemzési vizsgálati program lépései

5.1.

Mintavételezés: a három puskacsőből keresztmetszeti és hosszmetszeti próbatesteket állítottunk elő esztergálással, majd fűrésztárcsás marással; víz, és egyéb, a felület állapotát esetleg megváltoztató hűtőanyag használata nélkül. Szövetszerkezeti vizsgálat: a műgyantába ágyazott keresztirányú mintákról csiszolatot készítettem: 3 µm-es és 1µm-es gyémántszemcsékkel impregnált posztón políroztam, majd a maratás után fénymikroszkópon megvizsgáltam a szövetszerkezetet. Mikrokeménységmérés: 25 gramm terheléses keménységméréssel meghatároztam az anyag keménységét a puskacső belső átmérője felől a külső felé haladva. Károsodáselemzés sztereomikroszkóppal: a mikroszkóppal megvizsgáltam a hosszmetszeti minták kis nagyításban is látszódó károsodásait és szennyeződéseit. Károsodáselemzés pásztázó elektronmikroszkóppal: a vizsgálattal feltártam a puskacső belseje mentén lévő apró repedéseket, valamint pásztázó elektronmikroszkópban elemeztem (SEM-EDS analízis) a lerakódott égéstermékeket illetve szennyeződéseket.

Mintavételezés

5.2.

A három puskacső anyagában és méretében eltérő. Az anyag pontos összetételét nem ismertük, ezért a minták megkülönböztetését kinézetük alapján határoztam meg. Egy látszólag azonos anyagból készült „hosszú” és „rövid” puskacső, valamint egy „kompozit köpenyes” mesterlövészpuska-cső állt rendelkezésünkre (6. ábra). A szénszálas kompozit köpeny jelentősége az, hogy a hibrid puskacső merevségét növeli, miközben a súlya csökken. H K

R

6. ábra – A vizsgálatra beérkezett puskacsövek: H = hosszú, R = rövid és K = kompozit köpenyes hibrid

10. oldal


7. ábra – A rövid és a kompozit köpenyes hibrid puskacső száraz megmunkálása esztergán

A mintavételezés során hűtés nélküli forgácsolást alkalmaztunk, minek az az értelme, hogy a puskacsövön lerakódott szennyeződések ne tűnjenek el a vízzel történő hűtés következtében, illetve további korrózió és egyéb szennyeződés ne keletkezzen az anyagon.

8. ábra – A puskacsövekből esztergálással és fűrészeléssel kivágott vizsgálati minták

A mintákat a puskacsövek torkolatától (a továbbiakban: eleje) és a töltényűr felőli végéből (a továbbiakban: hátulja) vettük, összehasonlítva az eltéréseket. A forgácsolás után tisztítást nem alkalmaztam, egyedül a leszúrás helyén maradt sorját távolítottam el (7–8. ábra).

11. oldal


5.3.

A szövetszerkezet vizsgálata

A keresztmetszeti mintákat a csiszolás, polírozás és maratás után fénymikroszkóppal elemeztem. Már a maratás során kiderült, hogy a puskacsövek anyaguk összetételében nem azonosak, hiszen a kompozit köpenyes hibrid cső anyagát a szénacélokhoz használatos Nital (98% etilalkohol + 2% HNO3) marószer nem marta, így Cr-Ni ötvözőt tartalmazó anyagokhoz használatos marószert (vas-klorid oldat) kellett alkalmaznom. 5.3.1. A rövid puskacső metallográfiai vizsgálata A rövid puskacső elejénél a belső és külső átmérő mentén jelentős szövetszerkezeti változás nem történt. Mindkét oldalon bénit-martenzites szövet mutatkozik (9–10. ábra).

9. ábra – A rövid puskacső elejének belső átmérője mentén készült mikroszkópi felvétel

10. ábra – A rövid puskacső elejének külső átmérője mentén készült mikroszkópi felvétel

11. ábra – A rövid puskacső anyagának finom, főleg bénites szövetszerkezete

12. ábra – A rövid puskacső anyagában észlelt zárványok (a sötét foltok)

A puskacső hátuljánál a szövetszerkezet a belső és külső átmérő mentén szintén nem változik (11. ábra), azonban az anyagon belül apró zárványok észlelhetők (12. ábra). A SEMEDS mérés szerint a puskacső anyaga csak az alapalkotó ötvözőket (Si, Mn, C) tartalmazza.

12. oldal


5.3.2. A hosszú puskacső metallográfiai vizsgálata A hosszú puskacső szövetszerkezete a cső elején és végén, valamint a belső és külső átmérők mentén is ugyanolyan, ahogyan ezt a rövid puskacsőnél is tapasztaltuk. A hosszú csőnél azonban nem bénit-martenzites a szövetszerkezet, hanem csaknem kizárólag finomlemezes perlit jelenik meg, nagyon kevés proeutektoidos ferrittel (13. ábra). Ez a SEM-EDS mérés adataival együtt arra utal, hogy a puskacső anyaga kb. 0,7% C-tartalmú, ötvözetlen acél, amelyet a melegalakítási hőmérsékleten végzett kovácsolás után levegőn hűtöttek.

13. ábra – A hosszú puskacső perlites szövetszerkezete

13. oldal


5.3.3. A kompozit köpenyes hibrid puskacső Az anyagát tekintve hibrid anyagnak minősülő – szénszál + műgyanta kompozit köpeny (15. ábra) az acél hordozón – puskacső (14. ábra) hátuljánál jól észlelhető repedések mutatkoztak a belső átmérő mentén, melyek a fém tiszta, maratlan állapotában is láthatók (16. ábra). A szövetszerkezet a kis C-tartalmú (C < 0,2%) acélok lágymartenzites jellegét ölti. A repedések és a kiválások (17–18. ábra) arra engednek következtetni, hogy a gyors felmelegedés és gyors lehűlési ciklusok hatására az anyag nagy hőmérsékletváltozáson ment keresztül, s ennek következtében hőfáradás (esetleg hősokk) okozta repedések keletkeztek.

14. ábra – A műgyantába ágyazott szénszálas kompozit anyagú köpeny a hibrid puskacsövön

A hőfáradás olyan anyagkárosodás, melynek során a ciklikusan váltakozó hőterhelés (hő- és mechanikai terhelés) váltakozó képlékeny alakváltozást idéz elő az anyag felület közeli rétegeiben, a külső és a belső anyagrészek eltérő és akadályozott hőtágulása következtében. A hőlökés hatására kialakuló hőfeszültség – különösen egyidejűleg ható mechanikai terheléssel – az anyag folyáshatárát elérő feszültséget, az akadályozott alakváltozás pedig repedést, sőt törést eredményezhet [13]. Természetesen a visszahűlés folyamata levegőn lassabban következik be, mint az azonnal fellépő felmelegedés. Ez a jelenség csak a lőpor gyújtásának a helye körül okozott problémát, a puskacső elején repedések már nincsenek.

14. oldal


15. ábra – A szénszál erősítésű köpeny metszete

16. ábra – Repedés a maratlan mintán

17. ábra – Kiválás az elsődleges ausztenit szemcsehatáron

18. ábra – Repedések és kiválások hálózata, martenzitesre edződött részek

19. ábra – Martenzitesre edződött sáv a cső furata mentén

Igaz, a puskacső elejénél repedések nem voltak, de az anyag belsejéhez képest, egy más réteg keletkezett. A folyamatos melegedés és lehűlés hatására a cső belseje edzésnek lett kitéve, így ez újraedződési martenzitet eredményezett (19. ábra).

15. oldal


Mikrokeménységmérés

5.4.

A keménységmérést a cső belső furata felőli oldalától kifelé végeztem el, kezdetben 0,03 mm-ként, később ritkábban 0,50 majd 1,00 mm-enként. A repedésekből kiindulva feltételeztem, hogy a belső átmérő mentén keményebb lesz az anyag, így ennek csökkenése rövidtávon bekövetkezik. Beigazolódott, hogy a cső keménysége a belső átmérő mentén valamivel nagyobb, mint a külsejénél, tehát keményedés történt, aminek a hőmérsékletváltozás volt a kiváltó oka. Ez mindegyik mintára igaz, a károsodástól függetlenül. A kompozit köpenyes hibrid puskacső acél alaptestének kémiai összetételét SEM-EDS analízissel vizsgálva – 12% Cr, 0,9% Mn, 0,5% Si – és a [15] adatait figyelembe véve anyagát X12Cr13S típusú, martenzites korrózióálló (automata) acélként határoztam meg. A cső hátuljából kivett keresztcsiszolati minta keménységváltozási diagramja látható a 20. ábrán: az 590 HV0,025 alapkeménységhez képest a 700 HV fölé növekedő keménység oka nem lehet más, mint az újraausztenitesedés utáni edződés. Ez pedig azt is jelenti, hogy a puskacső belső felületének hőmérséklete megközelítette az 1200°C-t, ugyanis a Fe-Cr-C pszeudobinér fázisdiagramok [16, 17] szerint közel ekkora hőmérséklet kell az ausztenitesedés megindulásához. 1. táblázat: A keménységmérési eredmények átlagértékei; HV0,025

Rövid

Hosszú

Kompozit köpenyes

Eleje

Hátulja

Eleje

Hátulja

Eleje

Hátulja

Belső 

334

689

330

619

715

719

Közepe

336

330

319

334

598

605

Külső 

330

340

319

320

583

585

Vickers-keménység, HV0,025

720 700 680 660 640 620 600 580 560 0

1

2 3 Távolság a belső felülettől (mm)

4

5

20. ábra – Keménységváltozás a kompozit köpenyes hibrid puskacső acél anyagában a csőfurattól kifelé mérve

16. oldal


5.5.

A puskacsövek belső felületén talált lerakódások vizsgálata

A sztereomikroszkópos képek készítéséhez a hosszmetszeti mintákat használtam. Mindegyiken megfigyelhetők a huzagolás nyomai, illetve a cső elejétől és hátuljától függően a különböző mértékű lerakódások, illetve néhol a repedések is láthatók. 5.5.1. A rövid puskacső lerakódásainak vizsgálata A huzagolási barázda a cső elején és végén jól megkülönböztethető a képek alapján. Az elején sokkal élesebb az oromzat és a barázda közötti határvonal, míg a hátuljánál az élek sokkal lekerekedettebbek. A közelebbi nagyításokban megfigyelhető, hogy az égésből és a szennyeződésekből származó termékek a puskacső hátuljánál ellepik az egész felületet, ezzel szemben az elején még részben tiszta, fémes felületet is találunk. Ennek oka, hogy az égés kezdetekor a gyulladásból származó gázok és égéstermékek felhalmozódnak, melyek a cső elejéhez, torkolatához közeledve egyre csökkennek.

21. ábra – A rövid puskacső lerakódásai (hátul)

22. ábra – A rövid puskacső huzagolása (hátul)

23. ábra – A rövid puskacső huzagolása (elöl)

24. ábra – A rövid puskacső lerakódásai (elöl)

17. oldal


5.5.2. A hosszú puskacső lerakódásainak vizsgálata Ahogyan a rövid puskacsőnél, úgy itt is a huzagolási barázdák jól láthatók, annyi különbséggel, hogy a cső torkolatánál lévők sokkal jobban eldeformálódottak, mint a töltényűrben. Már elemzés nélkül is felismerhető korróziós termék jelent meg a szennyeződések és lerakódások között.

25. ábra – A hosszú puskacső huzagolás (elöl)

26. ábra – A hosszú puskacső lerakódásai (elöl)

5.5.3. A szénszálas kompozit köpenyes, hibrid puskacső lerakódásainak vizsgálata A hibrid puskacső eleje és hátulja között feltűnő különbségek látszódnak. Míg az előző két esetben csak a felületre lerakódott szennyeződések és égéstermékek látszódnak, addig ebben az esetben a lövedék begyújtásának helyén, ahogyan a szövetszerkezeti vizsgálat során, itt is repedések találhatók, míg a cső elején a többi puskacsőhöz képest a huzagolás mondhatni tiszta állapotban látszik. Ahogyan már a maratás kapcsán említettem (puskacsövet csak a Cr-Ni acélokhoz alkalmazható marószer marta), az anyag ezen újabb megfigyelés alapján is rozsdamentes acélból készültnek tűnik, mivel korróziós foltok nincsenek rajta.

27. ábra – A kompozit köpenyes puskacső huzagolása a cső elülső részén

28. ábra – A kompozit köpenyes köpenyes puskacső repedései a cső hátulsó részén

18. oldal


29. ábra – A kompozit köpenyes köpenyes puskacső repedései a cső hátulsó részén I.

5.6.

30. ábra – A kompozit köpenyes köpenyes puskacső repedései a cső hátulsó részén II.

Az égéstermékek és lerakódások elemzése

A pásztázó elektronmikroszkópi képekből láthatók a belső felületen lévő apró repedések, melyekről már a szövetszerkezeti vizsgálat során megállapítottam, hogy hőfáradás okozta repedések. A repedésekben előszeretettel tapadnak meg az égéskor és a lövedék felületéről felszabaduló anyagok (31. ábra), amelyek fokozhatják a repedésterjedést.

a)

b)

c)

d)

31. ábra – A hosszú puskacsőben képződött repedések és lerakódások: a) és b). A kompozit köpenyes puskacső repedései és a bennük megtapadt lerakódások: c) és d) (nyilak jelölik)

19. oldal


A 31.c-d ábrán látható, a repedésekben megtapadt anyagok összetevőit EDS-analízissel elemeztem. Az eredményekből kiderült, hogy a lerakódások nem a lőpor égéséből, hanem a lövedékből származó fémes anyagok kerültek oda, olvadék állapotban. A 31.b. ábrán látható fehér sáv összetételi elemzéséből kiderült, hogy 90%-ban ón található a felületen, ami a lövedékből származik. A lövedék kis mértékű képlékeny alakváltozás szenved, hiszen a szakirodalom szerint az ónt a lövedékmag keményítésére használják, de a súrlódásnak és az ebből eredő felmelegedésnek és felületi megolvadásnak köszönhetően apró szemcsék kiszakadnak belőle a lövés során.

32. ábra – A 31.b. ábrán látható fehér sáv anyagösszetételi elemzése, EDS-spektruma

Az ón jó korrózióálló, nedves levegőn nem oxidálódik, ezenkívül ellenáll a szerves savaknak. A legtöbb lövedék magjának alapanyaga ón-ólom ötvözet. Az ónalapú fehérfém legfontosabb ötvözőeleme az antimon (ezt nem észleltük a vizsgálat során) és a réz, amelyet észleltünk, de ez bizonyosan a lövedék bevonatából származik. Vannak olyan típusú lövedékek, melyeknél az ón mellett a réz is megjelenik. A réz az ónban nem oldódik. 1% Cu-tartalomnál eutektikum keletkezik, amely majdnem tiszta ónból és a CuSn vagy Cu3Sn vegyület kis mennyiségű krisztallitjaiból áll [14]. A 32. ábrán látható, hogy az ón mellett, megtalálható csekély mennyiségű réz is, mely tehát szintén a lövedék anyagából származik. A lövedékekhez nem csak ólom vagy ólom-ón ötvözetet használnak, hanem ónbronzokat is alkalmaznak. Ebből lerakódott maradvány is lehet a 27. ábrán látható fehér rákenődés. A 33. ábrán az látszik, hogy a Pb- és főleg a Cutartalom lényegesen nagyobb, de még a Zn csúcsa is jól észlelhető. A Fe és a Cr a puskacső anyagából adódik, amelyet elkerülhetetlenül gerjeszt a vizsgáló elektronsugár.

20. oldal


33. ábra – A 31.c ábrán látható fehér pontok egyikének anyagösszetételi elemzése, EDS-spekruma

Az ólommal szemben több előnyös tulajdonsága miatt is alkalmazzák manapság az ónbronzokat. Az ónalapú fehérfémek kopásállósága valamivel nagyobb az ólom alapúétól. A súrlódási tényezőjük csökken a hőmérséklet növelésével, ha eközben az ötvözet túlságosan nem lágyul ki. A lágyulás a súrlódási tényező hirtelen növekedését okozza. Kedvezőtlen hőmérsékleti viszonyok között (>80°C) ónalapú fémet célszerű használni.

6. A VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE A vizsgálatok során feltárt repedésekből, az edződés hatására kialakuló keménységváltozásokból egyértelműen megállapítható, hogy a lövedéksúrlódás kiváltotta hőmérsékletváltozás nagy hatást gyakorol a puskacsövekre. A lövés pillanatában képződő hőt nem lehet befolyásolni. Ahhoz, hogy ezek a repedések ne jelenjenek meg, a hőterhelés hatását jól bíró anyag kiválasztását, vagy a belső felület hőhatására történő érzékenységét kell megváltoztatni. A minták között alkalmazott rozsdamentes acél alapanyaga 12% krómot tartalmaz, erősen ötvözött acélnak minősül, keményebb és szilárdabb anyag a szénacéloknál, mégis ez bizonyult a legsérülékenyebbnek. A keményedés jelensége mindegyiknél fellépett. Ebből adódik az a következtetés, hogy egy keményebb felületi réteg talán megakadályozhatná, vagy csökkenthetné a repedésképződést. Ehhez különböző felületkezelési eljárások alkalmazhatóak, például a nitridálás. Ennek és más lehetséges felületkezeléseknek a működőképességét a jövőben célszerű kísérletileg is ellenőrizni.

21. oldal


7. ÖSSZEFOGLALÁS A kutatómunka célja három típusú puskacső állapotának felmérése és károsodási analízise volt. Ehhez különböző vizsgálatsorozaton estek át a puskacsövekből vett minták. A mikroszkópos elemzések során felfedezett repedések hőfáradás okozta jelenségre utalnak. A repedések kizárólag a kompozit borítású puskacső töltényűrjében jelentkeztek, de ez nem jelenti azt, hogy további használat után a gyengén ötvözött acélból készült puskákon repedések nem keletkeztek volna. Ennek egyik előjele, hogy zárványokat fedeztem fel azok belsejében. A cső belső átmérője mentén észlelet keményedés a gyakori hőmérsékletváltozás miatt történő edzés következménye. Némely esetben a szövetszerkezet átalakulása is igazolta ezt az állítást. Ezek a puskacsövek fegyver viszonylatban igen alacsony élettartamúnak számítanak, ezért is merülhetett fel a gyártóban károsodásuk feltárása. Az eredmények felhasználásával továbbfejlesztésükre törekszik, melyet kezdetben egy nitridálással történő felületkeményítésnek vet alá.

8. SUMMARY The aim of the project was to survey the damage and make failure analyses on three types of gun barrels. The specimens cut-off from gun barrels were analyzed by optical microscope, scanning electron microscope and energy dispersive analysis, and finally, by hardness testing. At the chamber the characteristic crack network formed on the surface of the barrel, as I observed during the microscopy analysis. These crack pattern surely caused by thermal fatigue. It is important to note that the thermal fatigue crack pattern shown only near the chamber of the barrel. Cracks are much denser in case of the composite coated hybrid barrel, but it doesn’t mean, if the unalloyed high-carbon steel was used more times, the cracks wouldn’t appear. One of that statement’s sign, bands was found inside. The consequence of the frequent temperature changes is the producing of a significant increasing of hardness along the inner surface; so this is a surface quenching effect. In some cases it proves microstructural changes. Really the lifetime of these guns is very low. The results of this project will be a guide to improve this gun barrels to raise their lifetime. Firstly, the inner surface will be nitrided.

22. oldal


9. A HIVATKOZOTT FORRÁSOK JEGYZÉKE [1]

http://fegyvermester.hu/fegyverism/09_loveszfegyverek_fo_reszei.pdf

[2]

http://nimrodderringer.hu/wp-content/uploads/products/1118/index-normal.jpg

[3]

http://kapszli.hu/huzagolas-az-ordog-muve/

[4]

http://kapszli.hu/huzagolt-cso-gyartasa-regen-es-ma/

[5]

http://kapszli.hu/az-eloltolto-fegyveres-loveszet-alapja-10-a-fegyver-reszei-a-cso-es-ahuzagolas/

[6]

http://kapszli.hu/a-hidegen-kovacsolt-huzagolas-gyartasa/

[7]

Piroska György: A belballasztika fő feladatának numerikus megoldásra alapuló modell megalkotása porózus lőporokra. PHD értekezés / Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem/ 2005

[8]

http://pyromaster.org/html/r/r4.html

[9]

http://pyromaster.org/html/12.html

[10] http://pyromaster.org/html/r/r23.html [11] https://hu.wikipedia.org/wiki/T%C3%B6lt%C3%A9ny [12] http://kapszli.hu/lovedekkeszites-olombol/ [13] http://csonkaszki.hu/phocadownload/Karosszerialakatos/Anyagism.pdf [14] Artinger-Kalor-Romvári: Fémek technológiája /Műszaki Könyvkiadó/ Budapest/ 1972 [15] Michael K. Degerness: Composite structural member. US Patent 6889464 B2, 2005. [16] http://thomas-sourmail.net/stainless/figures/FeCrC.jpg [17] Milton Sergio Fernandes de LimaI, Ana Maria do Espirito Santo: Phase transformations in an AISI 410S stainless steel observed in directional and laser-induced cooling regimes. Mat. Res. vol.15 no.1 São Carlos Jan./Feb. 2012 Epub Jan 31, 2012. http://dx.doi.org/10.1590/S1516-14392012005000003 [18] Olin Mathieson: Composite firearm barrel comprising glass fibers. US Patent US2847786, 1958. [19] Alexander Hammer: Composite lightweight barrel with predetermined thermal characteristics. US Patent US3004361 1961. [20] United Technologies Corporation: Compliant composite tubular liners of fiber reinforced glass/glass-ceramic having utility as gun barrel liners. US Patent, US4435455 1984. [21] Her Majesty The Queen In Right Of Canada: Carbon fibre gun barrel. US Patent, US4646615 1987.

23. oldal

KÜLÖNLEGES LŐFEGYVEREK KÁROSODÁSI ANALÍZISE

Recommend Documents