Высокопрочная броневая листовая сталь

 

Изобретение относится к области производства высокопрочной броневой листовой стали, применяемой для индивидуальной защиты человека от стрелкового оружия, путем изготовления защитных противопульных жилетов, щитов, касок и других преград, а также может быть использована для изготовления корпусов легкобронированных машин БМП, БТР, БРДМ и др. Предложена высокопрочная броневая листовая сталь, которая содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 0,44-0,48; кремний 0,2-0,4; марганец 0,4-0,7; хром 1,12-1,4; никель 1,3-1,8; молибден 0,31-0,5; ванадий 0,15-0,25; железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение противопульной стойкости стальной брони от пробивного действия пуль с термоупрочненным сердечником калибра 7,62 и калибра 5,45, и снижение толщины брони менее 6,3 мм, и снижение веса стального изделия. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области производства высокопрочной броневой листовой стали, применяемой для индивидуальной защиты человека от стрелкового оружия путем изготовления защитных противопульных жилетов, щитов, касок и других преград. Сталь также может быть использована для изготовления корпусов легкобронированных машин БМП, БТР, БРДМ и др.

Необходимость создания высокопрочной стальной брони возникла с появлением новой пули со стальным термоупрочненным сердечником (ТУС) ПС-43 ТУС калибра 7,62 мм автоматов АК-47 и пули 7Н6 ТУС калибра 5,45 мм АК-74 взамен ранее применявшихся легких стальных пуль ПС-43 ЛПС и 7Н6 ЛПС, соответственно АК-47 и АК-74.

Твердость стального термоупрочненного сердечника пуль ПС-43 ТУС и 7Н6 ТУС составляет 55-56 HRC, в то время как твердость стального сердечника пуль ПС-43 ЛПС и 7Н6 ЛПС - 30-32 HRC. Потому пробивное действие этих пуль на стальную преграду при одинаковых скоростях пули Vcp=715 м/с (АК-47) и Vcp= 790 м/с (АК-74) сильно отличается.

Аналогом изобретения является сталь 45ХН2МФА по ГОСТ 4543-71 на "Стали легированные конструкционные". Издательство стандартов, М., 1973, стр. 9.

Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Углерод - 0,42 - 0,50 Кремний - 0,17 - 0,37 Марганец - 0,50 - 0,80 Хром - 0,80 - 1,10 Никель - 1,30 - 1,80 Молибден - 0,20 - 0,30 Ванадий - 0,10 - 0,18 Железо и неизбежные примеси - Остальное Сталь 45ХН2МФА предназначена преимущественно для изготовления торсионных валов. Однако, кроме того, она предназначена для изготовления изделий, испытывающих динамические нагрузки. Броневые стали также испытывают динамические нагрузки. На этом основании можно считать сталь 45ХН2МФА наиболее близким аналогом изобретения.

Одной из причин, снижающих противопульную стойкость стальной брони от воздействия пулями ТУС является недостаточный уровень твердости и прочности стали при достаточно высоком уровне пластичности.

Задачей изобретения является повышение противопульной стойкости стальной брони от пробивного действия пуль с термоупрочненным сердечником ПС - 43 ТУС калибра 7,62 АК - 47 и калибра 5,45 АК - 74.

Техническим результатом изобретения является снижение толщины брони менее 6,3 мм и, соответственно, и снижение веса стального изделия при обеспечении противопульной стойкости стальной брони от пробивного действия пуль с термоупрочненным сердечником ПС - 43 ТУС калибра 7,62 АК - 47 и калибра 5,45 АК - 74.

Поставленная задача решается путем создания высокопрочной броневой листовой стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий и железо. Предложенная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 0,44 - 0,48
Кремний - 0,2 - 0,4
Марганец - 0,4 - 0,7
Хром - 1,12 - 1,4
Никель - 1,3 - 1,8
Молибден - 0,31 - 0,5
Ванадий - 0,15 - 0,25
Железо - Остальное
Легирующие элементы влияют на свойства стали в комплексе и каждый в отдельности несет свою функцию через образование карбидов железа и карбидов других легирующих элементов.

Углерод.

Углерод обеспечивает умеренное повышение прочности стали. Содержание углерода выбрано в интервале 0,44-0,48%. Содержание углерода ниже 0,44% в сочетании с другими легирующими элементами и их соответствующим взаимным влиянием, а также при использовании оптимальной технологии термообработки не позволяет выйти на уровень твердости стали HRC>50. Это подтверждается достигнутым верхним уровнем твердости стали прототипа HRC≤50. Увеличение содержание углерода более 0,48% не целесообразно из следующих соображений.

Была выплавлена и прокатана сталь 55Х4Н3С2ГМ, имеющая состав С=0,54, Si= 1,8, Mn=0,85, Cr=2,4, Ni=3,3, Мо=0,50, V=0,30. После термообработки стали в толщине 4,0-4,5 мм (закалка 900^oС, масло, низкий отпуск 200-290^oС) получена твердость HRC= 57-58 ед. Испытания обстрелом стали пулями ПС - 43 калибра 7,62 и 5,45 ТУС показали, что стальные пластины или имели отколы или раскалывались, что указывает на недостаточную вязкость стали. Увеличение температуры отпуска до 400-800^oС, при которой твердость HRC уменьшалась до 52-54 ед. не дали положительного результата: раскол или откол пластин сохранился с кондиционными и некондиционными поражениями. Это указывает на определяющее влияние углерода на вязкость стали, несмотря на верхний уровень содержания хрома и никеля для хромоникель содержащих конструкционных сталей.

Верхний предел по содержанию углерода 0,48% является оптимальным, подтверждением чего является сталь 50ХФА, содержащая элементы по марочному составу в следующем соотношении: С=0,46-0,54, Si=0,17-0,37, Mn=0,50-0,80, Сu= 0,8-1,1, V=0,10-0,20, которая после термообработки (закалка с 850^oС в масло, низкий отпуск при 200^oС) имеет твердость HRC=50-51. Причем, нужно отметить, что данная сталь имеет низкое содержание кремния, повышающего твердость, и не имеет никеля, повышающего вязкие свойства стали (2).

Кремний.

Содержание кремния 0,2-0,4% - выбрано практически без изменений по сравнению с прототипом.

Хром.

Хром повышает прочность стали за счет образования карбидов и влияет на прокаливаемость стали, способствуя тем самым некоторому увеличению вязкости стали за счет измельчения аустенитного зерна. Степень повышения прочности и вязкости стали сильно зависит от количества хрома.

Выбранное содержание хрома - 1,12-1,4% - повышает прочность и твердость стали через снижение вязкости феррита, снижает склонность стали к хрупкому разрушению, тем самым повышая ее пластичность.

Никель.

Никель повышает сопротивление стали хрупкому разрушению, пластичность и вязкость стали, уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений и понижает температуру порога хладноломкости, обеспечивает высокое сопротивление хрупкому разрушению, повышает прокаливаемость стали. Никель наиболее эффективно (на 30-40%) увеличивает ударную вязкость феррита при его содержании до 2%, при этом повышая твердость (до 20%) и значительно снижает порог хладноломкости стали.

Верхний предел по содержанию никеля принят не более 1,8% исходя из того, что необходимо повысить ударную вязкость феррита, при этом не повышая значительно его твердость.

Содержание никеля менее 1,3% при данном содержании легирующих в стали является не достаточным для достижения необходимой пластичности стали.

Выбор данного интервала значений содержания никеля подтверждается и свойствами стали типа 3ОХГС, в которую был введен никель в количестве 1,4-1.8% (сталь 3ОХГСН2А). В результате ударная вязкость стали была увеличена с 88 до 100-110 дж/см (3).

Молибден.

Молибден в сталь вводят для предотвращения обратимой отпускной хрупкости, в то же время молибден, несколько повышая твердость феррита, резко снижает его ударную вязкость, а следовательно, и стали в целом.

Количество молибдена в стали выбрано в интервале 0,31-0,5%.

Содержание молибдена - 0,31-0,5% - определяется практикой минимального его содержания в сталях этого класса.

Ванадий.

Ванадий имеет более высокую степень химического сродства к углероду, чем железо, хром, молибден, а потому значительная его доля образует карбид ванадия VC на первой стадии легирования при V/C≤1, при которой происходит рост дисперсности карбидных частиц, уменьшение размеров аустенитного зерна, снижение содержания углерода в феррите и, следовательно, увеличение вязкости и прочности стали. Поскольку период первой стадии легирования сокращается с повышением степени химического сродства легирующего элемента к углероду, количество вводимого в сталь легирующего элемента должно быть тем меньше, чем выше его сродство к углероду. (3) В связи с этим содержание ванадия в стали принято 0,15-0,25%. Нижний предел содержания ванадия 0,15% определяется практикой его наименьшего количества в сталях данного класса.

Пример. Произведена выплавка стали по предлагаемому изобретению (табл. 1).

Слитки прокатаны на листы толщиной 6,3; 5,8; 5,5; 4,4; 4,0 мм и после термообработки проведены противопульные испытания (табл. 2).

Броневая защита из стали нового состава имеет меньший вес. Снижение веса на площади броневого листа составляет 8-9%, что играет существенную роль для повышения технических характеристик бронежилетов или бронемашин за счет снижения веса.

В комбинированной броне "Сталь+ТСВМ¹" (схема, табл.2) преимущество нового состава позволяет экономить ткань ТСВМ на 10 слоев в композиции "Сталь+VGM²" и 20 слоев в композиции "Сталь+СТТ³" и, следовательно, дает возможность снижать стоимость изделия при той же противопульной стойкости. В комбинированной броне (п.3, табл.2) можно идти по пути уменьшения веса изделия за счет уменьшения толщины стальной пластины, тем самым повышая технические характеристики изделия.

Таким образом, сталь нового состава имеет более высокую противопульную стойкость, что дает возможность повышать технические характеристики бронеизделий как за счет их более высокой противопульной стойкости, а также за счет снижения их веса и получить экономию ткани ТСВМ в комбинированной броне.

Литература
1. ГОСТ 19526-74, ГОСТ 21967-85.

2. Марочник сталей и сплавов, п/р В.Г. Сорокина, Москва, Машиностроение, 1989, с.353, 210, 262.

3. Металловедение и термическая обработка. Справ. В 3-х томах п/р М.Л. Бернштейна и А. Г. Рахштадта, том 2, Основы термической обработки, Москва, Металлургия, 1983, с. 267-273.

4. А.П. Гуляев Металловедение, Москва, Металлургия, 1986.

Формула изобретения

Высокопрочная броневая листовая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %:
Углерод - 0,44-0,48
Кремний - 0,2-0,4
Марганец - 0,4-0,7
Хром - 1,12-1,4
Никель - 1,3-1,8
Молибден - 0,31-0,5
Ванадий - 0,15-0,25
Железо - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2