ЗАЩИТНАЯ БРОНЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ОБСТРЕЛА, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PROTECTIVE ARMOUR FOR PROTECTION AGAINST BOMBARDMENT, AS WELL AS MANUFACTURING METHOD THEREOF

Изобретение относится к защитной броне для защиты от обстрела, содержащей щит, выполненный из легированной стали, которая имеет базовое содержание углерода менее 0,3 мас.% и которая в результате термохимической обработки в граничной зоне, идущей от по меньшей мере одной наружной поверхности щита, обогащена повышающими твердость элементами, такими как углерод и/или азот, причем сталь из-за проведенной после термохимической обработки термической обработки, например закалки и/или отпуска, имеет повышенную поверхностную твердость. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления такой брони.
Для бронирования автомобилей или других объектов, как, например, будок охраны, известна защитная броня, которая состоит из прокаленных сталей, твердых марганцевых сталей с содержанием марганца от 12 до 14 массовых процентов (мас.%) при одновременном содержании углерода от 1,2 мас.% до 1,4 мас.% или из плакированной стали, в частности стали с вальцовочным плакированием. Примерами таких обычных на рынке сталей являются, например, материалы Ultrafort 6355 (фирма Edelstahl Witten-Krefeld, артикул: 1.6355), Thyrodur X и Z (фирма Edelstahl Witten-Krefeld, артикул: 1.27XX), Dipro 50 и 60 M (фирма Dillinger Hütte GTS), а также Secure 500 (фирма Thyssen Krupp Stahl AG) и другие.
Броневые материалы в отношении своих характеристик надежности подвергаются, как правило, так называемому экспериментальному обстрелу, причем в настоящее время в Германии обязательны, в частности, стандарты DIN EN 1522, выпуск: 1999-02 "Окна, двери, запоры - Стойкость к пробоинам - Требования и классификация" (немецкая формулировка EN 1522:1998) и DIN EN 1523, выпуск: 1999-02 "Окна, двери, запоры - Стойкость к пробоинам - метод испытаний" (немецкая формулировка EN 1523:1998). Помимо этого, данные материалы могут также испытываться в соответствии с действующим в конкретной стране стандартом безопасности, а также нестандартным способом, причем используется другое, чем предусмотренное стандартами, оружие, например в России - автомат Калашникова.
Стойкость к сквозным пробоинам указана ниже в таблице в соответствии с классами.
Класс
Тип оружия, калибр
Масса пули (г)
Удаление от испытуемой мишени (м)
Скорость пули (м/с)
B1
22 LR
2,6
10
360
B2
9 мм Люгер
8,0
5
400
B3
0,357 Магнум
10,2
5
430
B4
0,44 Магнум
15,6
5
440
B5
Винтовка M16 5,56×45
4,0
10
950
B6
Винтовка G1 7,62×51 мягкий сердечник
9,5
10
830
B7
Винтовка G1 7,62×51 твердый сердечник
9,8
10
820
Для достижения высокого класса защиты от обстрела необходимо, чтобы использующиеся материалы, с одной стороны, имели высокую поверхностную твердость, чтобы отклонить или разрушить пулю, а с другой стороны, были бы достаточно вязкими, чтобы поглотить кинетическую энергию пули без образования трещин.
Защитная броня указанного выше типа известна из документа RU 2090828 C1. В этом документе описана стальная броня для применения в защитных бронежилетах или щитах и которая, в отличие от сталей, описанных как обычных на рынке, состоит из стали, которая благодаря термохимической обработке в граничной зоне обогащена повышающими прочность элементами, такими как описанные, в частности углеродом. Согласно известному патенту, при этом применяют специальные марки стали со следующим составом: C - от 0,20 до 0,27 мас.%, Si - от 1,20 до 1,50 мас.%, Mn - от 0,3 до 0,90 мас.%, Ni - от 0,50 до 1,20 мас.%, Cr - от 1,10 до 1,50 мас.%, Mo - от 0,15 до 0,35 мас.% и остальное Fe. При этом особо подчеркивается, что благодаря легированию кремнием (Si) достигается требуемая высокая твердость, а легированием никелем (Ni) достигается требуемая высокая вязкость. Однако недостатками способа получения известной защитной брони являются при этом высокая температура аустенитизации, при которой затрачивается много энергии и которая для описанного материала составляет 920°C, и необходимость точного соблюдения при термической обработке скорости нагрева от 1,5 до 2,5°C/с, так как в противном случае возникает феррито-бейнитная структура, которая не гарантирует желаемых для брони защитных характеристик.
В основе изобретения стоит задача создания защитной брони указанного выше типа и способа ее получения, благодаря которым можно при обеспечении желаемых характеристик надежности брони, в частности стойкости к сквозным пробоинам, соответствующей классу B3 и выше согласно стандартам DIN EN 1522 и DIN EN 1523, обеспечить уменьшения затрат и большую свободу при технологическом осуществлении способа получения.
Эта задача решена тем, что сталь в граничной зоне обогащена (или обогащается согласно способу) углеродом по меньшей мере до 0,5 мас.% и при наличии (или при образовании в соответствии со способом) карбидов имеет на наружной поверхности минимальную твердость 55 HRC, которая согласно способу обеспечивается термической обработкой, причем щит как в обогащенной углеродом граничной зоне, так и в не обогащенной или мало обогащенной углеродом области со сравнительно меньшей твердостью имеет содержание кремния максимум 0,4 мас.%.
Изобретение основано на выведенных из различных исследований сведениях, что легирование кремнием и никелем для получения защитной брони, отвечающей классам защиты от обстрела B3-B7, а также для обеспечения безопасности при обстреле оружием военного калибра не только не нужно, но что даже при прекращении влияния кремния как легирующего элемента, с одной стороны, понижается необходимая для аустенитизации температура для термохимической или термической обработки, а с другой стороны, можно произвести насыщение углеродом в гораздо более широкой области, чем известно согласно уровню техники, то есть, например, также избыточное науглероживание. В присутствии кремния в количестве выше 0,4 мас.% это невозможно, так как кремний, с одной стороны, сужает аустенитную область у железа и снижает стабильность карбидов железа, в частности вторичных, образованных согласно изобретению в структуре стали, вплоть до разложения с выделением графита.
С этой точки зрения особенно предпочтительным в духе изобретения материалом представляется сталь, которая имеет следующие показатели химического анализа плавки: C - от 0,17 до 0,20 мас.%, Si - от 0,20 до 0,30 мас.%, Mn - от 1,15 до 1,30 мас.%, P - максимум 0,030 мас.%, S - максимум 0,030 мас.%, Al - от 0,020 до 0,050 мас.%, Cu - максимум 0,25 мас.%, Ni - максимум 0,25 мас.%, Cr - от 1,15 до 1,30 мас.%, Ti - от 0,02 до 0,05 мас.%, B - от 0,0015 до 0,004 мас.%. Говоря о такой стали, имеется в виду цементируемая сталь, которая известна и имеется в продаже под условным обозначением материала 1.7160 или 16 MnCr 5 BP.
3
7
3
Этому основному материалу путем термохимической обработки, а также путем термической обработки придаются требуемые баллистические свойства. При этом в качестве термохимической обработки может проводиться, в частности, науглероживание, чем достигается то, что со стороны обстрела устанавливается или доэвтектоидное, или предпочтительно заэвтектоидное содержание углерода порядка по меньшей мере 0,5 мас.%, но особенно предпочтительно от 1,1 мас.% до 3,5 мас.%, вследствие чего в зависимости от состава стали достигается образование карбидов либо, например, в частности, вторичного цементита (FeC) и/или особых карбидов, как, например, (Cr, Fe)C.
На стороне, противоположной обстреливаемой стороне, может также устанавливаться содержание углерода (с или без образования карбидов) от 0,5 мас.% до 3,5 мас.%, причем содержание углерода на обеих противолежащих сторонах может быть одинаковым или разным. Таким образом, получается, что щит будет иметь идущие от обеих наружных поверхностей, обогащенные углеродом граничные зоны сравнительно более высокой твердости с равным или разным содержанием углерода и соответственно равной или разной твердостью, которые при падении содержания углерода переходят в лежащую между граничными зонами, не обогащенную или мало обогащенную углеродом область сравнительно более низкой твердости.
При этом можно предусмотреть, в частности, чтобы в соответствии с выбранной глубиной (глубиной закалки) обогащенной углеродом граничной зоны или зоны после закалки и отпуска термохимически обработанной стали не больше примерно 50% предпочтительно максимум примерно 1/3 толщины щита имела по существу первоначальную или незначительно более высокую твердость стали, а по меньшей мере примерно 50%, предпочтительно по меньшей мере примерно 2/3 толщины щита имели бы более высокую твердость.
При наличии двух граничных зон они могут быть выполнены, в соответствии с классом опасности, с разной глубиной закалки и содержанием углерода. Смысл этих технических мер состоит при этом в том, чтобы благодаря сравнительно высокой глубине закалки и сильному обогащению карбидом разрушить или разорвать пули со стальным сердечником, ударяющиеся об обстреливаемую сторону, а на обратной стороне предотвратить выход пули через упругую и твердую граничную зону. Кроме того, предотвращается также отщепление или откол кусков стали с острыми краями, благодаря чему имеющаяся при необходимости дополнительная тканевая защита (защитное покрытие) сохраняется цельным.
Кроме того, возможно также, чтобы щит в области наружных поверхностей термохимически обрабатывался только частично.
Чтобы получить желаемые свойства, науглероживание можно проводить одно- или многократно. Другая возможность состоит в том, чтобы термохимическая обработка проводилась как нитроцементация, благодаря чему вблизи поверхности помимо образования карбидов происходит также образование нитридов, что в смысле изобретения также должно рассматриваться как выгодное.
Многократным науглероживанием при разных температурах науглероживания можно так повлиять на образование карбидов, чтобы по меньшей мере на одной стороне образовывался градиентный слой из мелких и крупных карбидов с более или менее сильно выраженной границей зерна. Этим можно получить упомянутую способность граничной зоны разрушать пули.
Термической обработкой, которая сначала включает закалку, в результате которой устанавливается наивысшая твердость на краю (путем одно- или также двукратной закалки) и вязкость в середине, можно достичь желаемой твердости, в частности по меньшей мере 55 HRC, предпочтительно более 60, особенно предпочтительно от 64 HRC до 67 HRC.
Для достижения хорошей ровности поверхности щита закалку можно проводить, в частности, в Quette (устройстве закалки под прессом) при соблюдении установленной формы и при нагрузке давлением. При этом оказывается технологически выгодным, что повышенное гидростатическое давление снижает температуру аустенитизации. Для окончательного установления твердости и вязкости как в обогащенной углеродом граничной зоне, так и в не обогащенной или мало обогащенной углеродом зоне со сравнительно низкой твердостью, после закалки предпочтительно может проводиться отпуск. Помимо стали, указанной выше как особенно предпочтительной, возможно также, чтобы применяющаяся сталь была низко- или высоколегированной сталью, содержащей хром, в частности хром вместе с марганцем и/или молибденом, например 25 CrMo 4, 17 CrNiMo 6, 13 CrMo 4 5, 20 МnСr5 или Х 19 NiCrMo 4.
Наличие хрома в характерном для данных сталей количестве снижает температуру аустенитизации, способствует образованию карбидов, снижает критическую скорость охлаждения при закалке и повышает прокаливаемость. При этом содержание хрома в стали должно быть не больше чем примерно 1,6 мас.% и предпочтительно находиться в интервале от 1,15 мас.% до 1,30 мас.%.
2
Наличие молибдена повышает закаливаемость и понижает отпускную хрупкость. Предпочтительное для этого содержание молибдена находится в интервале от 0,20 мас.% до 0,40 мас.%. Кроме того, молибден обладает способностью к предусматриваемому изобретением образованию карбидов (МоС, МоС, смешанных карбидов с железом). Молибден также действует благоприятно повышая глубину проникновения углерода при термохимической обработке и, таким образом, ведет к повышению содержания углерода в граничной зоне.
В этой связи следует констатировать, что согласно изобретению не исключено также наличие никеля, хотя согласно изобретению он не считается существенным, в количестве более одного мас.%, и тем самым сталь может также быть высоколегированной, в частности никельсодержащей сталью, как уже называвшаяся выше X 19NiCrMo 4.
Особенно благоприятным в рамках изобретения будет считаться то, что сталь является низколегированной сталью, содержащей преимущественно марганец, как 16 MnCr 5, 16 MnCrS 5, 20 MnCr 5, 21 MnCr или 20 MnCrS 5. Наличие марганца в характерном для этих сталей количестве снижает температуру аустенитизации, а также критическую скорость охлаждения при закалке и повышает прокаливаемость. Кроме того, марганец образует сульфиды марганца, которые компенсируют вредное действие серы. Поэтому в материале могут присутствовать также более высокие концентрации серы, чем в сталях, указанных выше как особенно предпочтительные. Вследствие того, что марганец повышает активность углерода в железе, замедляется разложение карбидов железа, в отличие от их поведения в присутствии кремния. Марганец, как известно, действует также как раскислитель. Содержание марганца в стали должно согласно изобретению быть, в частности, больше примерно 0,8 мас.%, предпочтительно больше 1,0 мас.%, но меньше примерно 2,5 мас.%, предпочтительно меньше 2,0 мас.%, и особенно предпочтительно оно находится в интервале от 1,15 мас.% до 1,30 мас.%.
При содержании углерода в таких марганцовистых сталях до примерно 1,6 мас.% речь идет о так называемых перлитных марганцевых сталях, то есть не о твердых марганцевых сталях, применяющихся, как известно, для получения защитной брони, которые имеют очень высокое содержание марганца. Конечно, при проводимом согласно изобретению обогащении углеродом, которое может привести к необычно высокому для науглероживания содержанию углерода, возможно также, чтобы в граничной зоне щита сначала происходило образование аустенитной структуры, которая близка к структуре, имеющейся у марганцевых твердых сталей.
Щит защитной брони может быть выполнен, в частности, пластинчатым, т.е. по меньшей мере с двумя, в частности, идущими по существу параллельно друг другу наружными поверхностями, которые по сравнению с имеющимися поверхностями кромок имеют больший размер. При этом размер пластин (длина и ширина) устанавливаются в соответствии с конкретными условиями применения, и их максимальные размеры определяются из технологических данных при обработке стального листа. Предпочтительно щит должен иметь минимальную толщину примерно 3,0 мм; максимальная толщина должна лежать в интервале примерно от 10,0 мм до 25,0 мм.
Благоприятным образом может предусматриваться, чтобы в защитной броне согласно изобретению щит был соединен с покрытием, в частности высокопрочным, стойким к ударным нагрузкам, прочным на разрыв, химически устойчивым, огнестойким и/или самогасящимся материалом, таким как защитная ткань, образованная из пара-амидного волокна. Такие защитные ткани известны, например, под названием Kevlar.
В зависимых пунктах и в последующем описании представлены дальнейшие выгодные формы реализации изобретения.
Далее изобретение подробнее объясняется на примере со ссылкой на прилагаемые чертежи. Показано:
фиг.1 - защитная броня для защиты от обстрела в разрезе,
фиг.2 - сильно увеличенное изображение структуры, характерной для защитной брони согласно изобретению.
Как наглядно показано на фиг.1, защитная броня согласно изобретению включает для защиты от обстрела щит 1. Этот щит 1 состоит из легированной стали, которая имеет базовое содержание углерода менее 0,3 мас.%, что в содержащейся на фигуре диаграмме, которая показывает изменение концентрации углерода (C) по сечению (толщине d) щита 1, схематически показано отрезком кривой, находящимся в правой части. Соответствующая область щита обозначена символом B. Таким образом, содержание углерода лежит в интервале концентраций, который характерен для цементируемых сталей.
Сталь имеет следующие показатели химического анализа плавки: C - от 0,17 до 0,20 мас.%, Si - от 0,20 до 0,30 мас.%, Mn - от 1,15 до 1,30 мас.%, P - максимум 0,030 мас.%, S - максимум 0,030 мас.%, Al - от 0,020 до 0,050 мас.%, Cu - максимум 0,25 мас.%, Ni - максимум 0,25 мас.%, Cr - от 1,15 до 1,30 мас.%, Ti - от 0,02 до 0,05 мас.%, B - от 0,0015 до 0,004 мас.%.
Путем термохимической обработки сталь в граничной зоне R, идущей от наружной поверхности D1 щита 1 и представляющей собой сторону обстрела, обогащается повышающими твердость элементами (углеродом), что на диаграмме схематически обозначено отрезком кривой, находящимся в левой части. Таким образом, щит 1 в граничной зоне R для обогащения углеродом науглерожен, в частности избыточно науглерожен.
Термохимическая обработка для науглероживания может при этом проводиться при температуре в интервале от 900°C до 1040°C и при длительности обработки в интервале от 30 до 720 минут, в частности, в газообразной среде, как обогащенная пропаном атмосфера эндотермического газа, или при низком давлении в ацетилене. При необходимости путем неоднократного повторения термохимической обработки в граничной зоне R может быть достигнута концентрация углерода по меньшей мере 0,8 мас.%, в частности от более 1,1 мас.% до 3,5 мас.%.
Вследствие термической обработки, проводимой после термохимической обработки, например такой, как закалка и/или отпуск, сталь на наружной поверхности D1 имеет повышенную поверхностную твердость, определяемую по методу Роквелла (Rockwell C). В частности, на наружной поверхности D1 щита 1 твердость устанавливается в интервале примерно от 60 до 67 HRC.
Термическая обработка включает аустенитизацию, предпочтительно при температуре в интервале от 800°C до 880°C, с последующей закалкой, в частности, в масле. Закалка проводится предпочтительно в Quette, т.е. при соблюдении установленной формы и при нагрузке давлением.
Аустенитизация и закалка могут при необходимости проводиться как двукратная закалка, причем на первом этапе закалки температура аустенитизации согласуется с не обогащенной или мало обогащенной углеродом зоной B стали, а на втором этапе закалки температура аустенитизации согласуется с обогащенной углеродом зоной R стали. Благодаря этому образуется очень мелкоигольчатый мартенсит как закалочная структура, а в результате возникающего эффекта отпуска достигается также измельчение зеренной структуры слоя в мало обогащенной углеродом области B.
Проводимая после термохимической обработки термическая обработка включает отпуск, в частности, при продолжительности отпуска до 3 часов при температуре до 300°C. Твердость в ненауглероженной или малонауглероженной области B щита 1 может после этого составлять, в частности, примерно от 35 до 47 HRC.
Графическое изображение на фиг.1 при этом указывает также на то, что в соответствии с выбранной глубиной t обогащенной углеродом граничной зоны R после закалки и отпуска стали менее чем 50% толщины D щита 1 имеет по существу первоначальную твердость стали или незначительно более высокую твердость, и по меньшей мере примерно 50% толщины D щита 1 имеет повышенную твердость. Эта толщина D щита 1 может составлять, в частности, примерно от 3,0 мм до 10 мм, например 7,5 мм.
Кроме того, как следует из фиг.1, в представленном варианте реализации изобретения предусматривается, что щит 1 соединен с покрытием, в частности высокопрочным, стойким к ударным нагрузкам, прочным на разрыв, химически устойчивым огнестойким и/или самогасящимся материалом 2, таким как защитная ткань, состоящая из пара-арамидного волокна, которое находится, в частности, на стороне, противоположной обстреливаемой.
Полученное из электронного микроснимка и показанное на фиг.2 изображение среза структуры G на наружной поверхности D1 обогащенной углеродом граничной зоны R показывает, что типичная для защитной брони согласно изобретению структура G включает матрицу M из отпущенной смешанной микроструктуры, которая содержит мартенсит, а также небольшую долю остаточного аустенита и/или промежуточной структуры, такой как бейнит. Кроме того, можно видеть, что обогащенная углеродом граничная зона имеет включения E в структуре G, предпочтительно сферические и пластинчатые, которые должны идентифицироваться химически как нитриды или карбиды, в частности как вторично образованные карбиды железа, или также как особые карбиды, такие как смешанные карбиды хрома и/или молибдена, и которые наряду с мартенситом отвечают за высокую поверхностную твердость наружной поверхности D1.
Определение качества защиты от обстрела защитной брони по изобретению в соответствии со стандартами DIN EN 1522 и DIN EN 1523 показало, что щит 1 (без покрытия тканью 2) всегда обнаруживал стойкость к сквозным пробоинам, соответствующую классам B3 и выше, причем более высокое содержание углерода, двойная закалка и закалка в Quette соответствовали, как правило, более высокому классу, и достигался как класс B7 защиты от обстрела, так и надежность при обстреле с применением оружия военного калибра.
Изобретение не ограничено представленным примером осуществления, но охватывает все варианты реализации, действующие согласно изобретению равным образом. Так, в этом отношении уже указывалось, что состав стали для щита 1 может отклоняться от представленного в примере анализа плавки.
В этой связи отмечается, что применение легированной стали, имеющей содержание элементарного углерода менее 0,3 мас.%, а также содержание кремния максимум 0,4 мас.% и обогащенной в результате термохимической обработки в граничной зоне элементами, повышающими прочность, такими как углерод и/или азот, в качестве материала для получения защитной брони для защиты от обстрела, которая может быть получена, в частности, согласно вышеописанному способу, также обладает признаками изобретения. Другие правила, которые касаются составов сплава для щита 1, считающихся особенно выгодными, таких как содержание марганца, хрома, молибдена и никеля, были указаны выше.
Кроме того, специалист может при этом предусмотреть и другие целесообразные характеристики или технические меры для конструктивного исполнения защитной брони согласно изобретению. Уже упоминалось, что щит 1 может иметь обогащенные углеродом граничные зоны R сравнительно более высокой твердости, идущие от обеих наружных поверхностей D1, D2, которые могут иметь равное, а также разное содержание углерода и в соответствии с этим равную или разную твердость. Не обогащенная или мало обогащенная углеродом область B со сравнительно низкой твердостью лежала бы в этом случае между граничными зонами R, находящимися под этими обеими наружными поверхностями D1, D2.
В объем изобретения подпадает также случай, когда обе наружные поверхности D1, D2 щита 1 защитной брони согласно изобретению идут не параллельно, но немного наклонно друг к другу, благодаря чему при определенных условиях можно достичь лучшей защиты от выстрелов.
Кроме того, изобретение не ограничивается определенными в независимых пунктах 1, 22 и 33 комбинациями отличительных признаков, но может определяться также любой другой комбинацией раскрытых отдельных признаков. Это означает, что, в принципе, практически каждый отдельный отличительный признак указанных пунктов может быть опущен или заменен признаком, раскрытым по меньшей мере в другом месте заявки. В этом отношении формулу изобретения нужно понимать лишь как первую попытку формулировки изобретения.
Ссылочные обозначения
1
щит
2
покрытие на щите 1
B
ненауглероженная область 1 с пониженной твердостью
D
толщина щита 1
d
толщина щита 1, переменная величина на диаграмме
D1
наружная поверхность щита 1, обстреливаемая сторона
D2
наружная поверхность щита 1, лежащая напротив D1
E
углубление в G
G
структура щита 1 в зоне R (на D1)
M
матрица структуры G
R
науглероженная граничная зона щита 1 с повышенной твердостью
t
глубина R