stvolar (stvolar) wrote,
stvolar
stvolar

Categories:

Отдельные свойства защитных материалов, применявшихся в Российском императорском флоте - 1

Данная заметка представляет собой попытку сделать небольшой свод общедоступной информации об известных физико-химических характеристиках некоторых (увы, не всех) типов брони, а также отдельных видов конструкционной стали, применявшихся в Российском императорском флоте. Хотя она базируется большей частью на моем прежнем более обширном материале о развитии броневого производства для нужд Российского императорского флота, но также использует данные из ряда не указанных в этом материале источников. Приятного (надеюсь) чтения.




1. Сталежелезная броня.
Данный тип брони начал осваиваться в производстве на Ижорских заводах с 1883 года при технической поддержке английской фирмы Кэммел.
Согласно данным В.В.Арбузова в книге «Броненосец «Двенадцать Апостолов» (Санкт-Петербург, 2001 год, раздел «Бронирование» приложения 1; точную страницу назвать не представляется возможным из-за наличия у автора этой книги только в виде, адаптированном для размещения в сети Интернет) для указанного броненосца плиты на заводе Кэммел изготавливались по способу «смешанной системы», изобретенной инженером Вильсоном – сваркой расплавленной стали и листов прокатанного железа в пропорции 33,3 % стали и 66,6 % железа.
Исходя из имеющего у В.В.Арбузова описания, к железу в составе этих плит (97,8-98,1 %) производились весьма незначительные добавки (от 0,02 до 0,8 %) углерода, кремния, серы, фосфора и марганца. Сталь, предназначенная для них, при испытании на механический разрыв должна была обеспечивать разрывное усилие не менее чем 17,5-18,6 тонн на квадратный дюйм вдоль и 16-18 тонн поперек плиты [27,1-28,8 и 24,8-27,9 кг/мм кв. соответственно – прим. автора]. А ее удлинение при этом не должно было превышать 16-24 % на длине 203 мм.
Очевидно, сходные требования должны были предъявляться и к ижорскому варианту указанной брони.

2. Сталеникелевая и гарвеированная броня.
Производство сталеникелевой брони велось на Адмиралтейских Ижорских заводах и Обуховском сталелитейном заводе с 1893 года.
2.1. Согласно данным на страницах 243-246 и 331-332 книги В.И.Колчака «История Обуховского сталелитейного завода в связи с прогрессом артиллерийской техники» (Санкт-Петербург, 1903 год) на предварительных испытаниях в декабре 1892 года при выборе образца для воспроизводства предпочтение было отдано сталеникелевым плитам завода Виккерса, цементированным по способу Гарвея, показавшим наилучшие результаты при обстреле 6-дюймовыми снарядами Путиловского завода (эти плиты не пробивались и не растрескивались, выбоины от попаданий в плитах были минимального размера).
Поэтому принципы Гарвея, как отмечает В.И.Колчак, были приняты и на отечественных броневых заводах – Колпинских (Ижорских) и Обуховском.
Первые плиты, изготовленные Обуховским заводом, были стальные без никеля, 10-дюймовой (254 мм) толщины. Однако испытания двух таких плит, одна из которых, выполненная из тигельной стали, была закалена и отпущена, а вторая, из мартеновской стали, закалена без отпуска, привели к их пробитию со значительным растрескиванием плит.
После этого Обуховский завод перешел на изготовление сталеникелевых плит. В одну из подобных плит было произведено 5 выстрелов со от 606 до 640 м/с и плита не получила трещин.
На ОСЗ А.А.Ржешотарским в 1894 году был установлен следующий способ изготовления броневых плит. Материалом для сталеникелевой брони служила получаемая «кислым» способом мартеновская сталь в болванках от 1200 до 2400 пудов (от 19,66 до 39,31 метрической тонны), содержащая 0,25-0,35 % углерода, 2,5 % никеля и 0,4-0,5 % марганца. Отлитая и прокованная плита подвергалась гарвеированию, или цементации. Результатом гарвеирования являлось то, что у лицевой поверхности плиты содержание углерода доходило до 1,2 %, далее вглубь плиты оно постепенно уменьшалось, а на расстоянии около 1,55 дюйма (39,4 мм) от тыльной поверхности влияние цементации прекращалось.
Плиты отжигались в печах. Отжиг происходил сразу после отковки плиты и состоял в нагревании плиты докрасна, а потом в ее медленном охлаждении. Если плита гарвеировалась, то этот отжиг не производился, а плита после ковки и обрезки кромок шла сразу на гарвеирование и потом отжигалась при температуре около 700 градусов.
Задачей такой операции, как отжиг, было обеспечение хорошей вязкости плит. Сталь после отжига приобретает аморфное сложение на большую или меньшую глубину, причем у никелевой стали эта глубина больше, чем у обыкновенной углеродистой стали (для сравнения, применяемая в более поздней броне Круппа хромоникелевая сталь, подвергнутая одному только отжигу, дает сложение крупнозернистое, становится крайне твердой и хрупкой – однако после закалки в воде при известной температуре эта же сталь приобретает аморфное волокнистое сложение, причем глубина проникновения аморфности значительнее, чем для никелевой и обыкновенной углеродистой стали).
Обуховский завод подразделял свою броню на башенную и бортовую. При этом пробные образцы брони (бруски), вырезанные из кромок соответствующих типов плит, имели следующие отдельные характеристики:
а) башенные плиты:
предел прочного сопротивления – 3200-3700 атмосфер на квадратный дюйм;
сопротивление разрыву – 5500-6100 атмосфер у продольных и 5500-6500 атмосфер у поперечных брусков;
относительное удлинение при разрыве – 14,3-24,5 % у продольных и 13,5-21,2 % у поперечных брусков;
б) бортовые плиты (более твердые):
предел прочного сопротивления – 4200-4300 атмосфер на квадратный дюйм;
сопротивление разрыву – 6400-6900 атмосфер;
относительное удлинение при разрыве – 15,5-16,0 %.

Вместе с тем «Подробный указатель по отделам Всероссийской промышленной и художественной выставки 1896 года в Нижнем-Новгороде. Отдел XVI Военно-морской» (Москва, 1896 год) на странице 66 приводит несколько отличающиеся от указанных выше данные по химическому составу 10-дюймовой сталеникелевой бортовой броневой плиты Обуховского завода для броненосца «Полтава». Согласно «Указателю» эта плита была изготовлена под гидравлическим прессом из нижней части мартеновской болванки (весом 2000 пудов), содержащей 0,33 % углерода, 0,4 % марганца и около 3 % никеля. Вес плиты 520 пудов. Стоимость 5200 рублей. После отковки и нагревания в печи до 800 градусов плита была закалена в воде и после отпуска остывала медленно в печи в продолжении трех суток; после этого в ней высверлены были отверстия для болтов и плита была испытана стрельбой.
В заключение здесь стоит отметить, что согласно сведениям, приводимым В.Я.Крестьяниновым на страницах 55-56 «Мидель-шпангоута» № 40, посвященного эскадренному броненосцу «Гангут», по состоянию на июль 1896 года, когда решался вопрос о перебронировании этого корабля с использованием гарвеированной брони, из-за неготовности печей для цементирования плит Обуховский завод соглашался поставлять только сталеникелевые плиты, а гарвеированные – не ранее января 1897 года.
2.2. Уже упоминавшийся «Подробный указатель по отделам Всероссийской промышленной и художественной выставки 1896 года в Нижнем-Новгороде» на странице 30 содержит и данные о 12-дюймовой сталеникелевой бортовой плите производства Адмиралтейских Ижорских заводов для эскадренного броненосца «Севастополь».
Приводимый в «Указателе» химический состав стали данной плиты был следующим – углерода около 0,22 %, никеля около 2,25 % и марганца около 0,45 %. Отлитая для этой плиты болванка прокована под прессом, окончательно прокатана до 12-дюймовой толщины и загнута по шаблонам. После обрезки кромок плита закалена, отожжена и в ней высверлены дыры. Чтобы привести плиту из болванки в конечный вид, ее потребовалось нагревать 10 раз. Вес плиты 832 пуда при стоимости пуда 12-дюймовой брони 12 рублей.
Для ижорской гарвеированной брони процесс ее производства описал Р.В.Кондратенко на странице 37 своей работы «Развитие броневого производства в Российской империи» (Санкт-Петербург, 2008 год) со ссылкой на статью лейтенанта Н.М.Беклемишева «Об изучении техники офицерами флота» («Записки курса военно-морских наук», выпуск 1, Санкт-Петербург, 1897 год):
«… материалом для гарвеированных плит Ижорского завода служил «лом чугуна и железа, сплавляемый в печах Сименса с кислым (песчаным) подом», тогда как для изготовления строительной стали использовался основной под – доломитовый. В начале плавки вводился никель. Готовую сталь выпускали в изложницы и давали остыть в течение трех-четырех дней. Болванки вынимали краном, отделяли шлак, а оставшуюся часть нагревали в калильных печах и раскатывали между вальцами. Для науглероживания плиты складывали попарно, с прослойкой угля, помещали в цементирововочную печь и заделывали вход кирпичами. В печи плиты постепенно нагревали в течение трех недель. За это время их лицевая поверхность насыщалась углеродом до 1 %, тогда как в среднем металл плиты содержал около 0,25 % углерода. Цементированные плиты обрезались круглыми пилами и выгибались под прессом при повторном нагреве, после чего нагревались до температуры закалки и помещались в закалочный бак, где их омывали струи воды, сначала с закаливаемой стороны, а затем и с обратной, в течение двух часов, после чего науглероженная поверхность приобретала твердость на глубину примерно 1,5 дюймов [38,1 мм – прим. автора]. По окончании проверки и возможной выправки, в плите сверлили гнезда для болтов, после чего она считалась готовой к отправке в Петербург или Кронштадт.».

3. Крупповская броня (хромоникелевая цементированная и нецементированная).
3.1. На Обуховском заводе производство брони по способу Круппа было организовано в 1898 году.
Как пишет В.И.Колчак на страницах 330 и 332 своей работы «История Обуховского сталелитейного завода в связи с прогрессом артиллерийской техники», в отличие от плит прежнего образца, сталь для крупповской брони, производимой на заграничных заводах, должна была содержать 0,3-0,4 % углерода, 1,5-2,0 % хрома, 3,5-4,0 % никеля, 0,35 % марганца, а также не более 0,1 % кремния и 0,04 % фосфора. Видимо, требования к химическому составу ее отечественной версии также должны были быть примерно аналогичными.
Первоначально с изготовлением крупповских плит на Обуховском заводе возникали проблемы – при обрезке краев плит по срезам обнаруживались вертикальные трещины, сильно углублявшиеся в плиту и делавшие ее непригодной для дальнейшей обработки. Такого брака в начале производства было до 20 % всех изготовленных заводом плит. По рекомендациям инженеров Круппа несколько снизили содержание углерода и кремния в броневом материале, но это не дало результатов. После дополнительных исследований выяснилось, что брак был обусловлен двумя причинами:
разницей в способах ковки плит – под молотом с прокаткой на валках в Эссене и ковальным прессом на Обуховском заводе;
разницей в способах отливки плит в мартеновских печах – «основным» способом у Круппа и «кислым» на Обуховском заводе.
Указания инженеров Круппа были приняты во внимание, после чего производство плит на Обуховском заводе было налажено и установилось окончательно.
3.2. Процесс производства крупповской брони на Ижорском заводе перед Первой мировой войной по описанию лейтенанта А.Е.Колтовского (Всемирное техническое обозрение. Год XIV. № 8, с. 178-181) приведен в статье Р.В.Кондратенко «Развитие броневого производства в России до Первой мировой войны» (сборник «Гангут», выпуск № 45, страницы 66-69), содержащей применительно к теме данной заметки следующую информацию:
«Способ изготовления броневых плит на Адмиралтейском Ижорском заводе установлен инженером Названовым, благодаря трудам которого мы имеем возможность в настоящее время получать броню высокого качества. Будучи основан на способе тепловой обработки Круппа, он по своим приемам несколько отличается от подобного же производства на заводе в Эссене. На Ижорском заводе болванки прокатываются, после чего уже непосредственно, без предварительного отжига, подвергаются цементации, механическая же обработка производится лишь по окончании тепловой, перед приготовлением плиты к односторонней закалке.
Для изготовления «ижорской» брони служит сталь, в среднем, следующего состава: углерода 0,3 %, марганца 0,4 %, никеля 3,7 %, хрома 1,8 %, кремния 0,04 %, фосфора не более 0,04 %. Такая сталь получается в Мартеновских печах …».
Помимо химического состава броневой стали, здесь интересна еще и сама оценка способа изготовления брони, которую с учетом технологических отличий от оригинального процесса Круппа именуют уже не крупповской, а «ижорской».
Автору известны также еще два описания процесса производства крупповской брони, содержащие фрагментарные сведения о ее химическом составе:
1) процесс производства гарвеированной и крупповской брони по описанию И.А.Яцыно («Курс морской артиллерии. Часть II», Санкт-Петербург, 1901 год, страницы 285-290):
«Сущность изготовления Гарвеированных и Крупповских плит. Задача, преследуемая при изготовлении гарвеированных и крупповских плит, заключается в том, чтобы придать плите требуемую неоднородность: сделать ее в окончательном виде возможно твердой с поверхности и возможно вязкой – в остальной массе плиты. Достигается это путем насыщения наружного слоя плиты углеродом, придающим, как известно, способность стали закаливаться, т.е. приобретать чрезмерную твердость при быстром охлаждении после нагрева до известной температуры. Эта способность увеличивается с увеличением % содержания углерода и при содержании его 1,0 % – 1,2 % закаленная сталь приобретает почти твердость стекла. Процесс, путем которого производится насыщение поверхности плиты углеродом, называется цементацией, а плиты, обработанные таким образом – цементованными.
Весь процесс производства плит распадается на следующие операции:
1) Отливка. В сталеплавильных печах емкостью 30-40 тонн каждая выплавляется сталь с возможно низким содержанием углерода (не более 0,2 %), возможно чистая от вредных примесей и с умеренным содержанием марганца. Кроме того вводятся в сталь никель 2 – 3 1/2 % и хром.
2) Ковка. Отлитая болванка проковывается под гидравлическим прессом или прокатывается между валками до требуемой толщины.

3) Цементация. Прокованные плиты тщательно очищаются от приставшей окалины и закладываются в особую печь для цементации. Цементация проводится или угольным порошком (способ Гарвея) или газом (способ Круппа и Крезо). … Температура печи постепенно поднимается и в течение нескольких дней доводится до максимальной около 1000° С. При этой температуре углерод соединяется с железом непосредственно; углерод мало по малу насыщает поверхность плиты и постепенно переходит в глубже лежащие слои. К концу операции, которая продолжается несколько дней, плиты оказываются насыщенными углеродом с поверхности до 1,5-1,3 %. Содержание углерода в глубже лежащих слоях постепенно падает и на глубине 1 1/2’’ [38,1 мм – прим. автора] и далее оно падает до нормального, т.е. того, какое было до цементации.
После этой операции плита становится химически неоднородной в отношении углерода, но эта неоднородность в сечении плиты не имеет резкой границы.
Процентное содержание углерода в толщине 1 1/2’’ по мере приближения к поверхности возрастает постепенно, а потому внутренняя связь между частицами не нарушается при дальнейшей обработке плиты, при нагревах и охлаждениях вследствие разницы коэффициентов сжатия и расширения, что несомненно могло бы иметь место при более резкой разнице в химическом составе двух рядом лежащих слоев.»;
2) процесс производства крупповской брони по данным А.М.Васильева из книги «Линейные корабли типа «Советский Союз» (Санкт-Петербург, 2006 год, страница 103) (возможно, учитывая имеющиеся у данного автора ссылки на технические условия приемки брони, принятые в 1916 году, данное описание также приведено применительно к техпроцессам по состоянию на указанный год):
«Наиболее сложным было производство гетерогенной (цементированной) брони по патенту Круппа (сокращенное обозначение тех лет – броня КЦ), приобретенному Россией как и другими странами, в начале XX века.
В самом общем виде этот процесс заключался в следующем:
Хромоникелевая сталь (примерно до 4 % никеля, до 2% хрома плюс другие элементы) варилась в мартене (сначала с кислым, а затем с основным подом) и отливалась в изложницу. …».
Напоследок нужно лишь указать обнаруженные на Цусимских форумах данные из работы Ю.А.Шиманского «Справочник корабельных инженеров» (страница 100) об удельном весе 1 кубического метра крупповской брони – 7985 кг.

4. Броня Гантке.
В 1915 году Ижорский завод приступил к поточному производству броневых плит по новому способу, предложенному русским инженером Гантке. Суть способа состояла в том, что один из наиболее длительных процессов при производстве брони, а именно цементация, упразднялся введением нового рода стали с повышенным содержанием углерода (С.Е.Виноградов, «Последние исполины Российского императорского флота: линейные корабли с 16’’ артиллерией в программах развития флота 1914-1917 гг.», Санкт-Петербург, 1999 год, страница 112). К сожалению, каких-либо иных сведений о данном типе брони в распоряжении автора не имеется.

5. Еще одним достаточно своеобразным типом брони, производившимся на Обуховском сталелитейном заводе, была так называемая «пушечная» сталь, широко применявшаяся на кораблях Российского императорского флота для проходивших вниз от боевых рубок труб защиты проводов.
На Цусимских форумах автору данной заметки встретилась выдержка из одного неустановленного дореволюционного литературного источника, содержащая характеристики разных видов материалов, применявшихся при производстве артиллерии. В числе прочих там фигурирует и «орудийная сталь», имеющая следующие характеристики – предел упругости 3300 атмосфер, «крепость» 7500 атмосфер, текучесть (относительное удлинение при разрыве) 14 %, удельный вес 7,5 (видимо, тонны на метр кубический), температура плавления 1300 градусов Цельсия.



Возможно, именно этот материал и имелся в виду под «пушечной» сталью, использовавшейся в броневом деле.

6. К концу 1894 года ввиду расширявшегося внедрения на броненосных кораблях Российского императорского флота в целом башенного, а не барбетного размещения главной артиллерии возник вопрос о прикрытии стреляющих комендоров в башнях куполами (рубками) из литой стали (Дукельский А.Г., «Исторический очерк развития и проектирования башенных установок в России 1886-1917 г.г.», Москва, 1931 год, страница 46).
Одним из первых обладателей таких рубок стал «Император Николай I» – они были выполнены Металлическим заводом в феврале 1895 года. При этом для изготовления рубок по информации Дукельского были выработаны следующие технические условия:
«а) по всей поверхности куполов металл не должен иметь раковин, рябин и прочих пороков, способных уменьшить прочность куполов;
б) из прибыли отлитых куполов должны быть вырезаны, для испытания на растяжение, по два цилиндрических бруска, диною в 100 мм (3,937 дм.) между чертами, а диаметром 13,8 мм (0,543 дм.), т.е. площадью поперечного сечения 150 квадратных миллиметров, и
в) при пробе на растяжение, металл в этих брусках должен иметь сопротивление разрыву не менее 45 килограмм на кв. миллиметр (28,6 тонны на кв. дюйм) при относительном удлинении не менее 10 %.».
К рубкам башенных командиров и комендоров последних довоенных 12-дюймовых башен по разработанному Металлическим заводом проекту и модели МТК были выработаны новые условия их проектирования, приводимые в работе А.Г.Дукельского на страницах 156-157 :
«1) Рубки должны иметь правильную цилиндрическую форму, удобную для ковки на стержне.
2) Толщина брони рубок должна быть не более толщины брони самих башен. Наибольшая толщина стенок впереди 9 дм, а сзади 4,5 дм [229 и 114 мм соответственно – прим. автора].

7) Металл рубок (твердая сталь) должен удовлетворять нижеследующим механическим требованиям:
Разрывное усилие А=70 кг на кв. мм. Относительное удлинение, при брусках длиною 100 мм, между кернами, В=15 %;
Допускаются отклонения от этих величин на 3 кг или 3 % в ту или другую сторону, но с тем, чтобы сумма А+В была не меньше 85.».

Однако в декабре 1899 года МТК уведомил Металлический завод о том, что «управляющий Морским министерством изволил приказать делать рубки для башенных командиров и комендоров по прежнему чертежу из литой стали».

Продолжение следует - причем прямо сегодня.

С уважением. Стволяр.
Tags: Российская Империя, Российский императорский флот, броневое производство, броня "компаунд", броня Гантке, броня Гарвея, броня Круппа, гарвеевская броня, гарвеированная броня, кораблестроительная сталь, круппированная броня, крупповская броня, маломагнитная сталь, производство брони, пушечная сталь, сталежелезная броня, сталеникелевая броня, стальная броня, физико-химические свойства брони
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 3 comments