Каменное литье
Владельцы патента RU 2510374:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к искусственным плавленым силикатным керамическим материалам, в частности к составам каменного литья, и предназначено для изготовления пулезащитных броневых пластин (плит) бронежилетов. Кроме оборонной отрасли, изобретение может быть использовано в строительной, горно-обогатительной и других областях промышленности. Предлагаемое каменное литье содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: SiO2 43-45; Аl2О3 15-16; CaO 9-17; FeO 5-8; MgO 8-9; Fe2O3 3-5; TiO2 1-1,5; К2О и/или Na2O 2,5-4; Cr2O3 2-2,5 и СаF2 1,5-2. За счет использования недорогих технологии, исходного сырья и оптимального содержания добавок каменное литье обладает более низкой стоимостью. Наличие диссипативных свойств, соответствующих требованиям ГОСТ Р 50744-95 «Бронеодежда. Классификация и основные требования», свидетельствует о его пригодности для изготовления пулезащитных броневых пластин бронежилетов. Технический результат изобретения - получение материала, пригодного для изготовления пулезащитных броневых пластин бронежилетов, а также для элементов, сочетающих пулестойкость со способностью рассеивания и поглощения радиационного и инфракрасного излучения. 3 табл., 2 ил.
Изобретение относится к искусственным плавленым силикатным материалам, в частности к составам каменного литья, и предназначено для изготовления пулезащитных броневых пластин (плит) бронежилетов и военной техники, совмещающих в себе функцию защиты от радиоактивного излучения и маскировку за счет поглощения ИК-излучения. Кроме оборонной отрасли, изобретение может быть использовано в строительной, горно-обогатительной и др. отраслях промышленности.
Пулезащитные броневые пластины, являющиеся вставными «жесткими» элементами многослойных бронепанелей, имеют бронежилеты, начиная с третьего класса защитной структуры бронеодежды, определяемого в соответствии с ГОСТ 50744-95 «Бронеодежда. Классификация и основные требования». Материал пулезащитных броневых пластин поглощает и рассеивает (диссипирует) энергию пуль стрелкового оружия.
Традиционно пулезащитные броневые пластины изготавливают из металлических материалов - высокопрочных углеродистых и легированных сталей, сплавов на основе титана или алюминия. В настоящее время для этой цели используют керамические материалы. Такие важные свойства керамических материалов, как в 2-3 раза меньшая плотность по сравнению с металлическими материалами, высокие твердость, модуль упругости, температура плавления (разложения) и сохранение прочности при нагреве, позволяют применять их для изготовления пулезащитных броневых пластин бронежилетов.
Наиболее высокие защитные свойства имеют ударопрочные керамические материалы на основе карбида бора B4C, существенно снижающие массу броневой защиты, а также на основе диборида титана TiB2, обладающие наибольшей твердостью и модулем упругости. Однако высокая стоимость технологий получения сдерживает их массовое применение для защиты от баллистических поражений. Сравнительно дешевый оксид алюминия Al2O3 считают наиболее перспективным для серийного производства броневой керамики на его основе, получаемой по традиционной технологии, для защиты живой силы.
Известен патент RU 2331038 (МПК F41H 5/04, F41H 1/02, опубл. 10.08.2008), посвященный конструкции броневого элемента для защитного жилета, где в качестве материала броневой плиты (пластины), поглощающего энергию удара пули, используют керамические композиции на основе оксида алюминия Al2O3 и керамические материалы, армированные керамическими волокнами из Al2O3, Al2O3·2SiO2 или TiO2. За счет использования простейших и композиционных материалов авторы патента RU 2331038 решают одну из поставленных задач - уменьшение в 1,7-2,5 раза весовых характеристик броневых плит.
Общими недостатками керамических материалов, получаемых с помощью традиционной технологии, включающей обработку исходного сырья - получение порошков, приготовление керамической массы смешением, формование изделий, сушку и спекание при высоких температурах, являются: наличие некоторой остаточной пористости, всегда сохраняющейся в материале; необходимость использования дефицитного дорогостоящего сырья и/или сложных и также дорогостоящих технологий и оборудования для достижения высоких плотности, прочности и др. показателей, что значительно удорожает получаемый керамический материал.
Недостаток каменного литья по патенту RU 1433939 состоит в наличии остаточной пористости 0,35-0,4%, что не позволяет использовать его в качестве материала пулезащитных броневых пластин бронежилетов.
Известно каменное литье с улучшенной термостойкостью, приведенное в патенте RU 2349557 (МПК C03C 3/00, опубл. 20.03.2009), содержащее компоненты при следующем соотношении, мас.%: SiO2 50,0-52,0; Al2O3 4,0-5,0; Fe2O3 10,5-11,9; FeO 0,4-1,0; CaO 3,1-4,5; MgO 9,0-11,0; TiO2 0,6-1,0; Na2O 2,0-2,5; K2O 3,5-4,0; F2 4,2-4,3; ZrO2 2,8-3,5; B2O3 5,0-6,0.
Также известно каменное литье с улучшенной термостойкостью, приведенное в патенте RU 2341485 (МПК C04B 30/00, опубл. 20.12.2008), содержащее компоненты при следующем соотношении, мас.%: SiO2 47,5-52,5; Al2O3 12,0-16,0; Fe2O3 6,0-9,0; FeO 0,5-1,0; CaO 6,0-8.0; MgO 12,0-16,0; Na2O 0,5-1,0; K2O 5,0-7,0.
Кроме того, известно каменное литье строительного назначения с улучшенной прочностью (патент RU 2303017, МПК C04B 32/00, опубл. 20.07.2007), включающее компоненты в следующем соотношении, мас.%: SiO2 50-54; Al2O3 2-4; Fe2O3 2-4; CaO 16-20; MgO 4-6; K2O 1,8-2,3; MnO 0,7-1,2; Cr2O3 1,5-2,5; NiO 6-10; ZrO2 3-7.
Общим недостатком указанных изобретений по патентам RU 2349557, RU 2341485 и RU 2303017 является то, что состав каждого из представленных материалов способствует улучшению лишь одного из свойств - либо термостойкости, либо прочности, в то время как для изготовления пулезащитных броневых пластин бронежилетов необходимо каменное литье, обладающее комплексом улучшенных свойств.
Наиболее близким аналогом по составу компонентов является стеклокристаллический плавленый материал, имеющий в качестве основной кристаллической фазы шпинели. Материал получен из различных отходов производства (в том числе золошлаковых), а также шахтных отходов и имеет следующий химический состав, мас.%: SiO2 38-62, Al2O3 14-32, Fe2O3 2,5-10, MgO 6-24. TiO2 1-24, CaO 1-8, K2O 0-2,5, Na2O 0-0,6, Cr2O3 0-3. В состав шихты входит CaF2, ZnO, ZrO2, CeO2 и другие дополнительные компоненты. Указанный материал предназначен для производства брони (баллистической защиты) (см. US 2010/0242715, кл. F41H 5/02, опубл.30.09.2010, всего 21 с., (I), см. с.8-9, табл.2, состав, абзац [0095], [0102]).
Недостатком известного материала является то, что он содержит в составе оксиды цинка, церия и циркония, которые являются редкими, и несет только одну функцию пулезащиты, не защищает от энергетического воздействия или локации.
Задача предлагаемого изобретения состоит в разработке материала - недорогого каменного литья, пригодного не только для изготовления пулезащитных броневых пластин бронежилетов, но и для изготовления защитных элементов, сочетающих пулестойкость со способностью рассеивания и поглощения радиационного и инфракрасного излучения.
Технический результат достигается тем, что каменное литье, включающее оксид кремния SiO2, оксид алюминия Al2O3, оксид кальция CaO, оксид железа (II) FeO, оксид магния MgO, оксид железа (III) Fe2O3, оксид титана TiO2, оксид калия K2O и/или оксид натрия Na2O, оксид хрома (III) Cr2O3 и фторид кальция CaF2, содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.%:
| оксид кремния SiO2 | 43-45 |
| оксид алюминия Al2O3 | 15-16 |
| оксид кальция CaO | 9-17 |
| оксид железа (II) FeO | 5-8 |
| оксид магния MgO | 8-9 |
| оксид железа (III) Fe2O3 | 3-5 |
| оксид титана TiO2 | 1-1,5 |
| оксид калия K2O и/или оксид натрия Na2O | 2,5-4 |
| оксид хрома (III) Cr2O3 | 2-2,5 |
| фторид кальция CaF2 | 1,5-2 |
Более низкой стоимости заявляемого каменного литья достигают за счет применения менее дорогостоящей технологии получения каменного литья по сравнению с традиционными технологиями получения высокопрочных керамических материалов или металлических сплавов, а также за счет использования недефицитного комплексного природного сырья и оптимизации содержания дополнительно вводимых добавок.
Так, например, по данным Первоуральского завода горного оборудования приблизительная рыночная цена 1 тонны производимого им каменного литья составляет 13 тыс. рублей, в то время как цена наиболее распространенной алюмооксидной керамики - около 25 тыс. рублей (цены рассчитаны на основе средних экономических показателей производителей продукции).
Исходным сырьем для производства каменного литья служат основные и ультраосновные горные породы и/или зольно-шлаковые отходы техногенного происхождения (доменные шлаки, топливные золы и др.). В частности, исходным сырьем для изготовления заявляемого каменного литья служит горнблендит Качканарского месторождения Исовского района Свердловской области - горная порода основного состава, модифицированная введением дополнительных добавок плавикового шпата (содержащего фторид кальция CaF2) и хромита (FeCr2O4).
Дополнительная добавка плавикового шпата CaF2 способствует снижению температуры плавления и вязкости расплава, увеличивая его жидкотекучесть, что улучшает литейные свойства расплава и повышает технологичность производства. Т.е. указанная добавка служит флюсом. Применение менее 1,5 мас.% плавикового шпата в совокупности с составом используемого горнблендита Качканарского месторождения недостаточно снижает вязкость расплава, что ухудшает его технологические свойства. Экспериментально установлено, что оптимальное количество дополнительно вводимого плавикового шпата CaF2 составляет 1,5-2 мас.%.
Дополнительная добавка тугоплавкого хромита (FeCr2O4) обеспечивает дополнительные центры кристаллизации при застывании расплава и придает ему более равномерную и плотную структуру, повышая такие физико-механические свойства каменного литья, как твердость, прочность, диссипативность. Добавка хромита (FeCr2O4) способствует ускорению процессов кристаллизации при охлаждении расплава. Экспериментально установлено, что оптимальное количество дополнительно вводимой добавки хромита (FeCr2O4) составляет 2-2,5 мас.%. Данное количество добавки обеспечивает стимуляцию развития пироксеновой структуры материала, которая кристаллизуется с образованием диссипативных каналов, которые обеспечивают диссипацию не только кинетической энергии движения поражающего элемента, но и воздействия радиации и ИК-излучения. Введение менее 2 мас.% хромита (FeCr2O4) приводит к снижению физико-механических свойств получаемого каменного литья.
Поскольку для достижения необходимых результатов воздействия дополнительных добавок вполне достаточно не более 2 мас.% плавикового шпата CaF2 и не более 2,5 мас.% хромита (FeCr2O4), то дальнейшее увеличение их содержания нецелесообразно, в том числе и из-за повышения стоимости получаемого каменного литья.
На фиг.1 показан спектр поглощения образца материала.
На фиг.2 - изображение микроструктуры образца с диссипативными каналами.
Технология получения каменного литья включает: расплавление предварительно подготовленной шихты из горных пород и/или отходов производства (шлаков) и соответствующих добавок к ним, последующую отливку расплава в формы, кристаллизацию изделий, отжиг и охлаждение.
Перед загрузкой в печь исходные сырьевые материалы измельчают, просеивают, дозируют в требуемых количествах и смешивают, получая шихту. Для плавки шихты применяют шахтные, ванные, вращающиеся и электрические печи. Наиболее распространены ванные печи. Расплав получают при температуре 1400…1500°C. При указанной температуре плавления происходит химическое взаимодействие компонентов шихты, образование силикатов и алюмосиликатов кальция, магния и железа. При непрерывной отливке изделий расплав поступает в копильники, в которых создают запас однородной массы с температурой 1180…1250°C. Охлаждение расплава перед разливкой в формы необходимо для снижения усадочных дефектов (трещин, раковин) и образования надлежащей структуры изделий. Далее расплав выливают в земляные, металлические или силикатные формы, подогретые до 600…700°C, и постепенно охлаждают. Постепенное понижение температуры благоприятствует выпадению кристаллической фазы из расплава. Затем сформованные изделия каменного литья помещают в туннельные, или камерные печи, или в специальные печи, где подвергают отжигу - выдерживают при температуре 800…900°C в течение определенного времени, и медленному охлаждению. Отжиг способствует снижению температурных напряжений, связанных с охлаждением и кристаллизацией, увеличению сопротивляемости получаемого каменного литья ударным нагрузкам.
Примеры практической реализации предлагаемого изобретения рассмотрены ниже.
В таблице 1 приведены экспериментальные составы №№1-5 каменного литья с указанием оксидного содержания компонентов.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Экспериментальные составы каменного литья | ||||||||||
| Номер состава | Оксидное содержание компонентов, мас.% | |||||||||
| SiO2 | Al2O3 | CaO | FeO | MgO | Fe2O3 | TiO2 | K2O, и/или Na2O |
Cr2O3 | CaF2 | |
| №1 | 41 | 21 | 12 | 6 | 7 | 3,5 | 0,5 | 5 | 3,5 | 0,5 |
| №2 | 43 | 15 | 17 | 5 | 8 | 3 | 1 | 4 | 2 | 2 |
| №3 | 45 | 16 | 9 | 8 | 9 | 5 | 1,5 | 2,5 | 2,5 | 1,5 |
| №4 | 48 | 10 | 9,5 | 8,5 | 9,5 | 5,5 | 2 | 1,5 | 3 | 2,5 |
| №5 | 50 | 13 | 7 | 10 | 5 | 7 | 2,5 | 1 | 1,5 | 3 |
По указанным в таблице 1 рецептурным составам №№1-5 изготовлены плитки (пластины) каменного литья размером 100×100×15 мм по приведенной ниже технологической схеме. Перед загрузкой в печь исходные сырьевые материалы - горнблендит Качканарского месторождения вместе с дополнительными добавками плавикового шпата CaF2 и хромита (FeCr2O4) - измельчают, просеивают, дозируют в необходимом соотношении и смешивают с получением шихты. Шихту загружают в электрическую печь и при температуре 1400…1500°C получают расплав, время обработки 1-2 ч. Затем расплав поступает в копильник для получения его однородной массы с температурой 1180…1250°C. Далее расплав разливают в плоские металлические формы размером 100×100×15 мм, подогретые до 600…700°C, и постепенно охлаждают. Затем пластины каменного литья помещают в муфельную печь и отжигают при температуре 800…900°C в течение 12-16 ч. После отжига каменное литье постепенно охлаждают.
Для полученного каменного литья (состав №3) по используемым традиционно методикам определены следующие показатели физико-механических свойств: плотность 2,9 г/см3, предел прочности при сжатии 450 МПа, предел прочности на изгиб 50 МПа, микротвердость 15 ГПа, ударная вязкость 2,5 кДж/м2.
Изготовленные пластины каменного литья составов №№1-5 размером 100×100×15 мм подвергли полигонным испытаниям в соответствии с требованиями ГОСТ P 50744-95 на пулестойкость - свойство элементов броневой защиты противостоять сквозному пробитию метаемыми элементами или их фрагментами. В таблице 2 приведен перечень использованных при этом регламентированных средств поражения, их характеристики и условия испытаний.
| Таблица 2 | ||||
| Характеристики средств поражения и условия испытаний каменного литья составов №№1-5 на пулестойкость | ||||
| Характеристики средств поражения и условия испытаний | Средство поражения | |||
| Пистолет Макарова (ПМ) | Автомат АК-74 | Снайперская винтовка СВД (1) | Снайперская винтовка СВД (2) | |
| Индекс патрона | 9-мм пистолетный патрон 57-Н-181С с пулей Пст | 5,45-мм патрон 7Н6 с пулей ПС | 7,62-мм патрон 57-Н-323С с пулей ЛПС | 7,62-мм патрон 7-БЗ-3 с пулей Б-32 |
| Тип сердечника | Стальной | Стальной | Стальной | Специальный |
| Масса, г | 5,9 | 3,4 | 9,6 | 10,4 |
| Скорость, м/с | 305-325 | 890-910 | 820-840 | 800-835 |
| Дистанция, м | 5 | 7 | 7 | 7 |
В таблице 3 приведены результаты испытаний изготовленных пластин каменного литья составов №№1-5 на пулестойкость.
| Таблица 3 | ||||
| Результаты испытаний каменного литья составов №№1-5 на пулестойкость | ||||
| Номер состава каменного литья | Средство поражения | |||
| Пистолет Макарова (ПМ) | Автомат АК-74 | Снайперская винтовка СВД (1) | Снайперская винтовка СВД (2) | |
| №1 | Пробитие* | Пробитие | Пробитие | Пробитие |
| №2 | Нет пробития | Нет пробития | Нет пробития | Пробитие |
| №3 | Нет пробития | Нет пробития | Нет пробития | Нет пробития |
| №4 | Нет пробития | Нет пробития | Пробитие | Пробитие |
| №5 | Нет пробития | Пробитие | Пробитие | Пробитие |
| * Пробитие - наличие сквозной трещины в броневой защите, а также выход фрагментов метаемого элемента или вторичных осколков за броневую защиту. |
Из таблицы 3 видно, что наиболее успешно прошли испытания пластины каменного литья, изготовленные из состава №3. Указанный материал по пулестойкости соответствует 6 классу защитной структуры бронеодежды, определяемому по баллистической таблице, приведенной в ГОСТ P 50744-95, в зависимости от применяемого средства поражения.
Каменное литье состава №2 соответствует 5 классу защитной структуры бронеодежды, поскольку этот материал выдержал испытания при стрельбе пулями со стальными сердечниками - пробития пластин отсутствуют, однако пробитие зафиксировано при стрельбе из снайперской винтовки СВД (2) с применением пуль с термоупрочненным сердечником.
В общем случае результат испытания «нет пробития» означает, что при попадании пули в экспериментальные пластины предлагаемого каменного литья наблюдают их разрушение - в месте контакта пули и пластины происходит образование большого количества маленьких осколков. При этом продвижения пули или маленьких осколков дальше пластины нет, что свидетельствует о диссипации энергии пули пластиной каменного литья, т.е. пуля уже не обладает достаточной энергией, чтобы пробить пластину каменного литья и ранить мягкие ткани человека.
Дополнительные исследования и сопоставление данных о свойствах подобных материалов позволяют утверждать о стойкости материала в условиях радиационного излучения и способности к поглощению ИК-излучений спектра 400-1400 см-1 (фиг.1).
Кроме того, исследованиями установлено, что свойства материала достигаются за счет образования без циркониевых шпинелей и пироксеновых минералов, которые в результате роста из кристаллитов позволяют обеспечить в материале систему диссипативных каналов (фиг.2).
Таким образом, результаты полигонных испытаний предлагаемого каменного литья составов №№2 и 3 свидетельствуют о его соответствии требованиям ГОСТ P 50744-95, кроме того, разработанный материал обладает невысокой стоимостью за счет использования недорогих технологии, исходного сырья и оптимизации содержания добавок, т.е. разработанный материал пригоден для изготовления пулезащитных броневых пластин бронежилетов и военной техники, совмещающих в себе функцию защиты от радиоактивного излучения и маскировку за счет поглощения ИК-излучения.
Каменное литье, включающее оксид кремния SiO2, оксид алюминия Al2O3, оксид кальция CaO, оксид железа (II) FeO, оксид магния MgO, оксид железа (III) Fe2O3, оксид титана TiO2, оксид калия K2O и/или оксид натрия Na2O, оксид хрома (III) Cr2O3 и фторид кальция CaF2, отличающееся тем, что содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.%:
| оксид кремния SiO2 | 43-45 |
| оксид алюминия Al2O3 | 15-16 |
| оксид кальция CaO | 9-17 |
| оксид железа (II) FeO | 5-8 |
| оксид магния MgO | 8-9 |
| оксид железа (III) Fe2O3 | 3-5 |
| оксид титана TiO2 | 1-1,5 |
| оксид калия K2O и/или оксид натрия Na2O | 2,5-4 |
| оксид хрома (III) Сr2О3 | 2-2,5 |
| фторид кальция CaF2 | 1,5-2 |
