СЛОИСТЫЙ БРОНЕЗАЩИТНЫЙ МАТЕРИАЛ
LAMINATED PROTECTIVE ARMOUR MATERIAL

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к составам высокоупрочняемых слоистых стальных материалов, используемых для изготовления бронезащитных конструкций.
Для защиты от поражающего действия современного огнестрельного оружия с пулями, снабженными термоупрочненным сердечником, используются бронезащитные закаливаемые на мартенсит монолистовые стали Б 100 СТ, имеющие следующий состав, мас.%:
Углерод+азот
0,45-1,05
Кремний
0,9-1,5
Марганец
0,5-1,5
Хром
0,7-5,5
Никель
0,6-3,5
Молибден
0,15-0,75
Сера+фосфор не более
0,010-0,016
Железо
Остальное [1].
Известна также монолистовая высокопрочная броневая сталь следующего состава, мас.%:
Углерод
0,44-0,48
Кремний
1,2-1,6
Марганец
0,3-0,6
Хром
1,3-1,7
Никель
1,4-1,8
Молибден
0,2-0,4
Железо
Остальное [2].
С целью повышения эффективности противостояния баллистико-ударному воздействию при обстреле необходимо при закалке увеличить до предельно достижимого значения твердость данных монолистовых сталей.
Однако такое увеличение твердости неизбежно ухудшает вязкостные свойства монолистовых сталей, что не исключает образования свозных трещин, снижения бронестойкости и живучести бронезащитной конструкции.
Преодолеть данное противоречие позволяет использование предлагаемого слоистого бронезащитного материала.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении бронестойкости при одновременном уменьшении толщины слоев бронезащитного материала.
Для решения поставленной технической задачи слоистый бронезащитный материал состоит из по меньшей мере двух слоев, фронтального и тыльного, причем фронтальный слой выполнен из стали следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,28-0,55
Кремний
0,15-0,30
Марганец
0,20-0,30
Хром
0,30-0,60
Никель
0,80-1,10
Молибден
0,10-0,30
Ванадий
0,05-0,15
Железо
остальное,
а тыльный слой состоит из стали, содержащей, мас.%:
Углерод
0,15-0,27
Кремний
0,30-0,60
Марганец
0,20-0,30
Хром
0,70-1,10
Никель
0,80-1,10
Молибден
0,10-0,30
Ванадий
0,10-0,25
Железо
остальное.
Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Выполнение бронезащитного материала слоистым позволяет в процессе закалки осуществить прокаливание на всю глубину каждого из составляющих слоев.
2
Закаленный фронтальный слой из стали предложенного состава с повышенной до 0,28-0,55% концентрацией углерода, обеспечивает в низкоотпущенном состоянии твердость 67 единиц HRC при ударной вязкости KCU 0,5 МДж/м. Благодаря этому термоупрочненный сердечник пули при соударении с фронтальным слоем фрагментированно разрушается.
2
Закаленный тыльный слой из стали предложенного состава с меньшей концентрацией углерода, имеющий меньшую твердость (60 единиц HRC), но, благодаря этому, существенно больший показатель ударной вязкости KCU 0,9 МДж/м, поглощает без трещинообразования кинетическую энергию отдельных фрагментов разрушившегося сердечника.
С учетом наличия в слоистом бронезащитном материале по меньшей мере двух слоев с различным составом и функциональными свойствами, он обозначен аббревиатурой Б 100 СТ2 (бронезащитный, с пределом текучести не выше 100 МПа, стальной, двухслойный).
Углерод упрочняет сталь как фронтального, так и тыльного слоев. При содержании углерода менее 0,28% во фронтальном слое не достигается предельная твердость закаленной стали, а при его содержании более 0,55% снижаются вязкость, пластичность и бронезащитные свойства слоистого материала.
Снижение содержания углерода в стали тыльного слоя менее 0,15% приводит к потере его прочностных свойств, а увеличение более 0,27% резко снижает показатель ударной вязкости, требует увеличения толщины слоев, что нецелесообразно.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость. При концентрации кремния в стали фронтального слоя менее 0,15% твердость и прочность стали ниже допустимых значений, а при концентрации более 0,30% снижается пластичность и вязкость.
В стали тыльного слоя увеличение содержания кремния более 0,60% приводит к ухудшению вязкостных свойств и образованию трещин при обстреле. Снижение концентрации кремния менее 0,30% ухудшает бронестойкость слоистого материала.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца как во фронтальном, так и тыльном слоях менее 0,20% прочность и твердость стали недостаточны. Увеличение содержания марганца во фронтальном и тыльном слоях более 0,30% приводит к снижению ударной вязкости закаленной стали и снижению бронестойкости слоистого материала.
Хром повышает твердость, и в большей степени вязкость стали закаленной. В условиях, когда содержание углерода в стали фронтального слоя составляет 0,28-0,55%, при концентрации хрома менее 0,30% твердость этого слоя ниже допустимого значения, а при концентрации хрома более 0,60% увеличивается склонность фронтального слоя к трещинообразованию.
Никель способствует повышению пластичности и вязкости закаленной стали, но при его концентрациях как во фронтальном, так и тыльном слоях более 1,10%, повышается содержание остаточного аустенита в стали и ухудшаются функциональные свойства слоистого бронезащитного материала. Снижение содержания никеля менее 0,80% приводит к потере пластичности и ударной вязкости фронтальных и тыльных слоев, слоистый материал не выдерживает баллистических испытаний на бронестойкость.
Молибден образует мелкодисперсные карбиды, благоприятно изменяет распределение вредных примесей по границам зерен, повышает прочность и вязкость стали, обусловливает мелкозернистость микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,10% прочность тыльного и фронтального слоев ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания в тыльном и фронтальном слоях более 0,30% ухудшает вязкостные свойства в закаленном состоянии.
Ванадий способствует повышению твердости, и в большей степени вязкости стальных слоев после закалки. В условиях, когда содержание углерода в стали фронтального слоя составляет 0,28-0,55%, при концентрации ванадия менее 0,05% твердость этого слоя ниже допустимого значения, а при концентрации ванадия более 0,15% увеличивается склонность фронтального слоя к трещинообразованию.
При содержании углерода 0,15-0,27%, характерном для стали тыльного слоя, снижение концентрации ванадия менее 0,10% приводит к падению прочностных свойств, а при его концентрации более 0,25% имеет место снижение вязкостных и пластических свойств закаленной стали. Это снижает бронестойкость слоистого материала и требует увеличения толщины его слоев.
Стали различного химического состава для фронтального и тыльного слоев выплавляли в электродуговой печи. В ковше стали раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррохромом, ферромолибденом, феррованадием, вводили металлический никель. Химический состав выплавляемых сталей приведен в таблице.
Стали 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 4,0 до 6,0 мм. Прокатанные листы подвергали с прокатного нагрева немедленной закалке с температуры 850°C водой. Закаленные листы отпускали путем выдержки в течение 3 ч при температуре 200°C.
После охлаждения листов производили испытания их механических свойств, а также изготовление двухслойных образцов путем соединения сваркой по боковым сторонам вырезанные из листов карточек размерами 200×200 мм. Полученный таким образом образцы слоистого бронезащитного материала подвергали стандартному испытанию путем обстрела по нормали с расстояния 50 м пулями с термоупрочненными стальными сердечниками.
Испытания показали, что наиболее высокими бронезащитными свойствами обладали образцы слоистого материала, фронтальные слои которых были выполнены из сталей с предложенными составами 2-4 и с тыльными слоями - из сталей с предложенными составами 7-9. Следствием этого явилась возможность снижения толщин слоев бронезащитного материала.
В случаях запредельных значений содержания химических элементов во фронтальных (составы 1 и 5) и/или тыльных слоях (составы 6 и 10), имело место снижение бронестойкости слоистого бронезащитного материала, что требовало, в свою очередь, увеличение толщины составляющих слоев.
Технико-экономические преимущества предложенного слоистого бронезащитного материала состоят в том, что целенаправленное формирование заданных функциональных свойств во фронтальном и тыльном слоях обеспечивает существенное повышение его бронезащитных свойств при одновременном снижении толщины слоев. Использование предложенного слоистого бронезащитного материала повышает эксплуатационные характеристики и живучесть бронированных изделий при одновременном уменьшении их массы.
Химический состав сталей слоистого бронезащитного материала Б 100 СТ2
№ состава
Содержание химических элементов, мас.%
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
V
Fe
Состав сталей для фронтального слоя
1.
0,27
0,14
0,19
0,29
0,70
0,09
0,04
Остальн.
2.
0,28
0,15
0,20
0,30
0,80
0,10
0,05
-:-
3.
0,41
0,22
0,25
0,45
0,95
0,20
0,10
-:-
4.
0,55
0,30
0,30
0,60
1,10
0,30
0,15
-:-
5.
0,56
0,32
0,31
0,70
1,20
0,40
0,17
-:-
Состав сталей для тыльного слоя
6.
0,14
0,20
0,10
0,60
0,70
0,08
0,09
Остальн.
7.
0,15
0,30
0,20
0,70
0,80
0,10
0,10
-:-
8.
0,21
0,45
0,25
0,90
0,95
0,20
0,18
-:-
9.
0,27
0,60
0,30
1,10
1,10
0,30
0,25
-:-
10.
0,28
0,70
0,40
1,20
1,20
0,35
0,26
-:-
Литература
1. Патент Российской Федерации №2139357, МПК C21D 9/42, 1999 г.
2. Патент Российской Федерации №2185459, МПК C22C 38/44, 2002 г.