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问题范围有点笼统了，现代火炮的范围太大、包含的种类过多，虽说大体制造上有很多的相似之处，但至少仅以“坦克炮”和“大口径舰炮”来论，其从技术指标到炮钢材料、后续加工工艺或多或少都有不同。所以，本文仅能泛泛而谈了。  火炮身管的基本需求 以坦克炮为例，其大体上由身管、炮闩、摇架、俯仰机构、转动机构、平衡机构和抵消后坐力装置等组成，但就其本源，最核心的部件还是火炮身管。因此谈论火炮的制造，就必须先谈谈身管的制造技术。  实际上，由于坦克炮的性能指标要求，其身管制造在所有火炮类型中来说都算是要求比较苛刻的，简单来说就是要兼顾寿命、强度、刚度、韧性、重量等实际需要，又要平衡技术性能、经济性、便于量产的现实矛盾，所以制造合格的火炮身管，与在实验室开发一款新型高强材料是两码事。那么我们下面就从火炮身管材料（炮钢）的选择、冶炼以至于后续的加工工艺来略作说明。 火炮身管的材料与冶炼 研制一型机械设备，首先就要获取合适的材料，火炮身管材料（炮钢）的第一次大发展就要追溯到1850年左右，当时开发了铸造法制备炮钢并使最终火炮身管中残留有一定的压应力，炮钢的抗拉强度能够做到200MPa。进入20世纪以后，随着材料学的进步，人们通过调整Cr-Mo-V（铬-钼-钒）系钢材的化学成分比例，进一步提高了炮钢的韧性、强度、疲劳特性等性能。通过不断的研发试验，科研人员又发现Ni（镍）对于炮钢来说是一种非常有益的元素，能够抑制钢材晶粒的粗大化发展，在提高钢材强度的同时，还能改善其塑韧性，提升淬透性，这种发现迅速推动了含Ni炮钢的推广，即使到今天Cr-Ni-Mo-V系中碳低合金锻钢仍然统治了绝大多数火炮身管材料。这也从一个侧面反应了如今依靠调整化学成分来改善炮钢的力学性能，已经暂时走到了尽头，无非是在七十年代采用中强度2%含Ni（镍）炮钢，发展到如今含3%左右Ni的较高强度炮钢来应对更高的膛压需求而已。  总体来说，通过化学成分提高炮钢性能的方法暂时已经穷途末路，除非在材料学上再次完成一次突破性发展（比如国外正在研究的复合材料炮管和新型炮管绿色抗烧蚀涂层技术等）。但是，对炮钢性能要求的提高仍然没有止步，我们只好另辟蹊径，在冶炼工艺上做文章，这也是本文下节的源起。不过，大家还是要明白，材料成分本身不是不重要，只是现有技术在兼顾各项性能以后已经穷尽了办法，终归炮钢材料成分直接影响着火炮身管的强度、韧性、淬透性、低温韧性、回火脆性、韧脆转变温度等具体性能，研究炮钢材料中合金元素的添加种类和比例仍然是一个重要课题。  火炮身管材料的冶炼工艺 上文我们已经说到，通过调整炮钢化学成分的方法来提升性能已经遭遇瓶颈，那么提高冶炼钢水的纯净度就成为改善钢材综合性能的主要办法。有效去除和控制炼钢时钢水中的S（硫）、P（磷）等非金属夹杂元素，Pb（铅）、Sb（锑）、Bi（铋）、As（砷）、Sn（锡）等痕量元素（一种根据地壳中元素含量的划分方法），氧、氢、氮等有害气体（以上可以笼统的认为是对炮钢性能有不利影响的化学元素），可以保障炮钢的锻炼韧性、疲劳寿命和横向性能。  为了获取纯净的钢水，我们在炮钢的生产过程中必须从炉料就开始严格控制，并且需要采用真空处理、二次精炼等技术；针对钢水中仍然含有的夹杂元素，可以加入稀土、镁、钙等元素进行脱硫和夹杂形态控制；在钢材的组织结构和杂志含量得以有效控制的前提下，我们可以通过锻造（压力加工）来控制元素分布均匀性（主要是C碳元素）。但是，碳元素的宏观偏析（在钢锭、各锻件梯度和圆切片中分布差距很大）通过压力加工只能改变偏析模式而无法消除，我们只能通过炮钢的精炼工艺来改进凝固机理、防止溶质元素流动富集。谈到这里，我想大家又要想起“老生常谈、高大上”的“电渣重融”技术了，没错电渣重融的确是一种不错又有效的精炼工艺，但绝不是唯一，且多么“高大上”的东西，这种技术苏联和德国已经开发并使用了半个多世纪了，而苏联上世纪六十年代就对法国出口了电渣重熔炉和相关技术专利，想想世界各国用这东西已经这么久了，况且这东西本身又不存在禁售。所以谈其火炮身管技术先进与否，绝不是一台炉子和是否采用电渣重熔这么简单，我国科研人员所耗费的艰辛不足为外人道也。  上图为法国L`ONDANINE兵工厂从前苏联引进的具有上世纪六十年代水平“电渣重融炉”的基本参数，该厂是法国主要的火炮身管制造厂家，在此只想说明电渣重熔技术仅仅是火炮性能改良中的一个小篇章，又老又成熟，着实没啥可吹的。事实上，电渣重熔的技术原理非常简单，将金属钢锭安装在电极下面，浸入在熔渣池中熔融的熔渣里（熔渣需要具备较高的电阻率，以便电流通过时大量产生热来融化钢锭；同时要具备碱性，可以起到脱氧、脱硫效果；还有有很好的熔融流动性，可以进行充分的化学物理反应），接通的交流电在通过熔渣时因其高电阻而大量产生热量，将浸入的钢锭熔化，熔化后的钢水通过熔渣池滴入熔融池，在进过冷凝器化热重新凝结成钢锭。通过这种方法，可以显著降低钢材中的非金属夹杂、有害气体含量，晶体颗粒更加细小均匀致密，有效提高钢材的力学性能。  值得注意的是，电渣重熔技术并非高性能火炮身管炮钢的唯一精炼方法，著名的德国豹2坦克120mm滑膛炮（自用版）就不是电渣重熔法，德国当时使用的是13.5吨真空自耗电极电弧炉将钢锭重熔成所需的精炼钢锭。作为电渣重熔炉技术的先驱之一，德国很早就装备电渣炉，但是他们依然使用真空自耗炉来精炼炮钢是有其具体原因的（略去不讲），这里只说一下德国人自己进行的电渣重熔精炼和真空自耗精炼出来的钢材性能研究：  德国人利用电渣重熔炉精炼出直径1000mm，长度5000mm的精炼钢锭，锻打成五根火炮身管，与利用真空自耗电弧炉重熔炼出的钢锭锻打成炮管进行了试验比较和化学分析，所得结果基本一致，两种制备方法通过后续工艺制造的火炮身管性能没有差别。同时，为了进一步的比对两种方法精炼钢锭的性能，又采用了同一炉号冶炼出钢锭进行试验：  基本上，两种精炼办法在产品性能上并无明确的“谁高谁低”，左右选择哪种办法进行精炼的因素，可能就是经济性、钢厂现有配套设备适用性以及工艺延续性等现实条件的考量。 火炮身管的后续制造工艺 经过精炼后的身管坯件，后续要经过锻造、热处理后续加工等步骤，就能够打造出合格的火炮身管。以德国的大口径、高膛压火炮身管（真空自耗法精炼炮钢到最终成炮）的典型工艺为例，其具体步骤是：30吨碱性电弧炉冶炼、真空脱气下注法浇注钢锭电极、电极清理打磨并切头、12吨真空自耗电弧炉重熔精炼钢锭、锻造加热炉加热、压力机锻造、井式（立式）炉热处理得到合格的身管炮钢毛坯，再经进一步的校正、机加工、身管自紧、表面处理、检验检测、等工序，基本就完成了火炮身管的制造。  由于内容量过大，本文的长度已经大大超过我的原本预期，所以关于火炮身管后续加工的具体情况，就不在这里赘述了，需要交流的朋友可以关注留言。此外，需要注意的是，炮钢精炼出来的钢锭不一定都是实心的，美国的火炮身管制造很早就采用了“电渣重熔空心管坯”技术，这样就大量提高了材料的利用率和节省后续深孔切削的工作量，其电渣重熔空心管坯的电渣炉是美国自己研制的，但是后续锻造所用的旋转精锻机则是从奥地利进口的。因此，一说哪种设备需要进口就“高潮”的朋友们，就暂时闭嘴吧，工业领域目前还没哪个国家可以完全依靠一己之力去生产各种合用的设备。 |
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