Броневая сталь
Владельцы патента RU 2447181:
Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (RU)
Изобретение относится к составам свариваемых сталей, используемых в бронезащитных конструкциях в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит. Броневая сталь содержит, мас.%: 0,24-0,64 C; 0,4-1,9 Si; 0,3-1,6 Mn; 0,6-2,0 Cr; 0,6-1,8 Ni; 0,10-0,40 Mo; 0,01-0,15 Al; 0,001-0,020 N; 0,05-0,35 Cu; 0,01-0,15 Ti; остальное Fe. Кроме того, броневая сталь может дополнительно содержать 0,05-5,0 мас.% Co. Сталь предложенного состава обладает повышенной бронестойкостью. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к составам свариваемых сталей, используемых в бронезащитных конструкциях в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит.
Известна высокопрочная низколегированная сталь, закаливаемая на мартенсит, содержащая, мас.%:
| Углерод | 0,05-0,62 |
| Марганец | 0,42-0,82 |
| Кремний | 0,80-1,80 |
| Хром | 1,10-1,40 |
| Молибден | 0,15-0,60 |
| Алюминий | 0,02-0,15 |
| Титан | 0,02-0,12 |
| Железо | Остальное. |
Данная сталь может содержать до 0,24% никеля, или 1,65-2,0% никеля при содержании молибдена 0,35-0,60%, а также 1,1-1,8% кремния и дополнительно до 0,02% церия (Патент Российской Федерации №2031179, МПК C22C 38/28, C22C 38/34, C22C 38/50, 1995 г.).
Недостаток стали известного состава состоит в том, что она имеет низкую откольную стойкость при соударении с бронебойным сердечником пули. Это снижает ее бронестойкость.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является броневая сталь следующего состава, мас.%:
| Углерод | 0,29-0,38 |
| Кремний | 0,15-0,37 |
| Марганец | 0,30-0,60 |
| Хром | 1,2-2,0 |
| Никель | 1,2-2,20 |
| Молибден | 0,72-0,90 |
| Ванадий | 0,06-0,20 |
| Алюминий | 0,01-0,05 |
| Азот | 0,005-0,020 |
| Медь | не более 0,50 |
| Ниобий | не более 0,05 |
| Сера | не более 0,012 |
| Фосфор | не более 0,015 |
| Железо | Остальное |
(Патент Российской Федерации №2341583, МПК C22C 38/48, 2007 г.).
Недостатки броневой стали данного состава состоят в том, что при многократном соударении с высокопрочными бронебойными сердечниками пуль в ней возникают полосы адиабатического сдвига, интенсивно нарастают повреждения микроструктуры, которые приводят к разрушению броневой преграды. Это снижает бронестойкость стали.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении бронестойкости.
Для решения поставленной технической задачи броневая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, азот, медь и железо, она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,24-0,64 |
| Кремний | 0,4-1,9 |
| Марганец | 0,30-1,6 |
| Хром | 0,6-2,0 |
| Никель | 0,6-1,8 |
| Молибден | 0,10-0,40 |
| Алюминий | 0,01-0,15 |
| Азот | 0,001-0,020 |
| Медь | 0,05-0,35 |
| Титан | 0,01-0,15 |
| Железо | Остальное |
Кроме того, броневая сталь может дополнительно содержать кобальт в количестве 0,05-5,0%.
Сущность изобретения состоит в следующем. При соударении с высокопрочным пулевым сердечником в броневой преграде возникает и распространяется вглубь ударная волна, что сопровождается перемещением металла в направлении фронта возмущения и трансформацией его микроструктуры. После разгрузки импульса ударно-волнового воздействия происходит образование микротрещин в стали. Введение в состав предложенной стали 0,01-0,15% титана при регламентированном содержании остальных компонентов обеспечивает снижение объема металла, перемещаемого за фронтом ударной волны, вызывает искажение кристаллической решетки реечного мартенсита и появлению в ней дополнительной упрочняющей фазы - мартенсита деформации с ε-карбидной фазой титана.
Деформационное структурное упрочнение стали в результате ударно-волнового воздействия приводит к тому, что сердечник пули при соударении с броневой преградой разрушается на более мелкие фрагменты, чем обеспечивается ее непробитие.
Введение в сталь предложенного состава кобальта обеспечивает расширение температурного интервала устойчивого состояния мартенсита, за счет чего повышается живучесть бронеконструкции в целом.
Углерод упрочняет сталь. При концентрации углерода менее 0,24% не достигается требуемая прочность и твердость стали, а при его концентрации более 0,64% снижаются вязкость, пластичность и бронезащитные свойства закаленной стали. Кроме того, при концентрации углерода более 0,64% не исключается коробление и поводки при сварке деталей броневой преграды.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость. Он упрочняет сталь без образования карбидов и нитридов, повышает устойчивость мартенсита при локальном нагреве в месте соударения с пулевым сердечником. При концентрации кремния менее 0,4% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 1,9% снижается ее пластичность и вязкость, а также свариваемость.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,30% прочность и твердость стали недостаточны. Увеличение содержания марганца более 1,60% приводит к снижению ударной вязкости закаленной стали.
Хром повышает прочность, вязкость и бронестойкость стали. При его концентрации менее 0,6% прочность и вязкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 2,0% приводит к потере пластичности.
Никель способствует повышению пластичности и вязкости закаленной стали, но при его содержании более 1,8% повышается содержание остаточного аустенита в стали и ухудшается бронестойкость. Снижение содержания никеля менее 0,6% приводит к потере пластичности и ударной вязкости.
Молибден образует мелкодисперсные карбиды, благоприятно изменяет распределение вредных примесей, уменьшая их концентрацию по границам зерен, повышает прочность и вязкость стали, обусловливает мелкозернистость микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,10% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,40% ухудшает свариваемость и пластичность закаленной стали.
Алюминий дораскисляет сталь, способствует измельчению микрострктуры, повышению работы удара и бронестойкости стали. При содержании алюминия менее 0,01% его присутствие не сказывается на повышении функциональных свойств стали. Увеличение концентрации алюминия более 0,15% ведет к графитизации стали, снижению броневой стойкости.
Влияние азота в данной стали подобно влиянию углерода, но азот, упрочняя сталь, не вызывает снижения ударной вязкости. При содержании азота менее 0,001% сталь имеет недостаточную прочность. Увеличение его концентрации более 0,020% ведет к потере пластичности и снижению откольной стойкости.
Медь повышает теплостойкость стали при локальном тепловыделении в месте соударения с бронебойным сердечником. При концентрации меди менее 0,5% имеет место локальное снижение прочностных свойств и бронестойкости стали. Увеличение концентрации меди более 0,35% снижает ударную вязкость и свариваемость закаленной стали, что недопустимо.
Титан оказывает существенное влияние на сопротивление пробитию и эволюцию микроструктуры в месте соударения. При содержании титана в стали предложенного состава менее 0,01%) циклические соударения при обстреле ведут к накоплению повреждений и разрушению броневой преграды. Увеличение концентрации титана более 0,15% нежелательно, так как уменьшает дессипацию кинетической энергии при соударении с броневым сердечником, что увеличивает вероятность пробития броневой преграды.
Введение в сталь кобальта способствует повышениют бронестойкость стали при повышенных температурах, обусловленных как прямым термическим влиянием, так и адиабатическим нагревом, возникающим при соударении сердечника пули с броневой преградой. При снижении содержания кобальта менее 0,05% ухудшается бронестойкость стали при нагреве. Увеличение концентрации кобальта более 5,0% снижает ударную вязкость, способствует разрушению стальной броневой преграды при ударно-волновом деформировании и снижению бронестойкости.
Стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. Выплавленную сталь в ковше раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррохромом, ферромолибденом, ферротитаном, ферроазотом, вводили металлические никель, медь, алюминий, кобальт. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.1.
Сталь разливали в слитки и подвергали прокатке в слябы толщиной 100 мм. Затем слябы нагревали до температуры 1250°C и прокатывали на реверсивном стане кварто 2000 в листы толщиной от 5,0 до 12,0 мм.
| Таблица 1 | ||||||||||||
| Состав броневых сталей | ||||||||||||
| № состава | Содержание химических элементов, мас.% | |||||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Al | N | Cu | Ti | Co | Fe | |
| 1 | 0,23 | 0,3 | 0,2 | 0,5 | 0,5 | 0,09 | 0,009 | 0,0009 | 0,04 | 0,009 | -- | Ост. |
| 2 | 0,24 | 0,4 | 0,3 | 0,6 | 0,6 | 0,10 | 0,010 | 0,001 | 0,05 | 0,010 | -- | -:- |
| 3 | 0,44 | 1,2 | 0,9 | 1,3 | 1,2 | 0,25 | 0,080 | 0,010 | 0,20 | 0,050 | -- | -:- |
| 4 | 0,64 | 1,9 | 1,6 | 2,0 | 1,8 | 0,40 | 0,150 | 0,020 | 0,35 | 0,100 | -- | -:- |
| 5 | 0,65 | 2,0 | 1,7 | 2,1 | 1,9 | 0,50 | 0,160 | 0,022 | 0,36 | 0,110 | -- | -:- |
| 6 | 0,23 | 0,8 | 0,5 | 0,5 | 0,8 | 0,20 | 0,050 | 0,001 | 0,10 | 0,011 | 0,04 | -:- |
| 7 | 0,45 | 1,1 | 0,8 | 1,2 | 1,3 | 0,24 | 0,070 | 0,011 | 0,18 | 0,060 | 0,05 | -:- |
| 8 | 0,50 | 1,5 | 1,5 | 1,4 | 1,5 | 0,28 | 0,090 | 0,013 | 0,28 | 0,090 | 2,25 | -:- |
| 9 | 0,63 | 1,8 | 1,5 | 1,9 | 1,7 | 0,38 | 0,140 | 0,019 | 0,34 | 0,095 | 5,00 | -:- |
| 10 | 0,66 | 2,1 | 1,7 | 2,1 | 1,9 | 0,42 | 0,170 | 0,021 | 0,37 | 0,012 | 5,20 | -:- |
| 11 | 0,30 | 0,3 | 0,4 | 1,6 | 1,5 | 0,80 | 0,030 | 0,014 | 0,45 | -- | -- | -:- |
Листовую сталь с различными составами подвергали незамедлительной закалке водой с прокатного нагрева от температуры 840°C. Закаленную сталь составов №1-5 и 11 отпускали при температуре 250°C, а составов №6-10 отпускали при температуре 450°C. Время выдержки в обоих случаях составляло 3 ч.
После охлаждения от листовой стали отбирали пробы и производили испытания механических свойств, а также бронестойкости. Бронестойкость оценивали по минимальной толщине H (мм) непробития пластин при обстреле из снайперской винтовки Драгунова бронебойными пулями типа Б-32 калибра 7,62 мм с расстояния 100 м. В таблице 2 приведены результаты испытаний свойств горячекатаной листовой стали.
| Таблица 2 | ||||||
| Механические свойства и бронестойкость листовых сталей | ||||||
| № состава | HRC, ед. | σв, МПа | σт, МПа | δ5, % | KCU, МДж/см2 | H, мм |
| 1 | 55 | 1610 | 1430 | 9,5 | 38 | 11,0 |
| 2 | 60 | 1800 | 1700 | 16 | 48 | 6,5 |
| 3 | 61 | 1820 | 1700 | 17 | 50 | 6,0 |
| 4 | 60 | 1830 | 1750 | 16 | 49 | 6,5 |
| 5 | 53 | 1730 | 1680 | 9,2 | 36 | 12,0 |
| 6 | 56 | 1650 | 1530 | 9,5 | 37 | 11,0 |
| 7 | 60 | 1820 | 1710 | 17 | 50 | 6,3 |
| 8 | 62 | 1830 | 1720 | 17 | 50 | 6,0 |
| 9 | 61 | 1830 | 1730 | 17 | 50 | 6,3 |
| 10 | 57 | 1680 | 1690 | 9,8 | 39 | 10,0 |
| 11 | 56 | 1510 | 1320 | 9,7 | 38 | 12,0 |
Из таблиц 1 и 2 следует, что предложенная сталь (составы №2-4, 7-9), имеет наиболее высокую бронестойкость: минимальная толщина листа, выдерживающая стандартные баллистикоударные испытания, составляла H=6,0-6,5 мм.
При запредельных содержаниях химических элементов в сталях (составы №1, №5, №6, №10), а также при использовании стали-прототипа (состав 11) механические и бронезащитные свойства горячекатаных закаленных листов снижаются, значение Н возрастает до 10-12 мм.
Технико-экономические преимущества предложенной броневой стали состоят в том, что введение в ее состав 0,01-0,10% титана при регламентированной концентрации всех остальных элементов обеспечивает в процессе закалки полное превращение аустенита в мартенсит, уменьшение количества включений перлитной фазы, повышение бронестойкости. Дополнительное введение в сталь кобальта в количестве 0,05-5,0% повышает температурную стабильность мартенсита, сталь сохраняет высокие функциональные свойства даже при более высоких температурах отпуска, что также способствует повышению бронестойкости стали и живучести броневой конструкции.
В качестве базового объекта принята сталь-прототип. Использование предложенной стали позволит как повысить эффективность бронезащитных конструкций в целом на 8-10%, так и снизить их толщину и массу при сохранении бронезащитных свойств.
1. Броневая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, азот, медь и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,24-0,64 |
| Кремний | 0,4-1,9 |
| Марганец | 0,30-1,6 |
| Хром | 0,6-2,0 |
| Никель | 0,6-1,8 |
| Молибден | 0,10-0,40 |
| Алюминий | 0,01-0,15 |
| Азот | 0,001-0,020 |
| Медь | 0,05-0,35 |
| Титан | 0,01-0,15 |
| Железо | Остальное |
2. Броневая сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт в количестве 0,05-5,0 мас.%.
