СВАРИВАЕМЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ БРОНИ
WELDED ALUMINIUM ALLOY FOR ARMOURED SKIN

Изобретение относится к металлургии алюминиевых полуфабрикатов, а именно к металлургии свариваемых алюминиевых сплавов системы алюминий - цинк - магний, и может найти применение при изготовлении гомогенных или слоистых броневых плит для броненесущих и бронекорпусных объектов.
Известен свариваемый алюминиевый сплав для брони, содержащий цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, медь, железо, кремний, примеси и алюминий, который при суммарном содержании цинка и магния 6,4-7,4 мас % и отношении содержания цинка к содержанию магния 2,57-3,67 содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %:
цинк
4,9-5,5
магний
1,5-1,9
марганец
0,2-0,5
хром
0,15-0,25
титан
0,03-0,10
цирконий
0,07-0,12
медь
0,10-0,20
железо
≤0,35
кремний
≤0,25
другие примеси
≤0,1
алюминий
остальное
(RU 2349664, C21C 21/10, опубликовано 20.03.2003, RU 2371660, C21C 21/10, опубликовано 27.10.2009.)
Известный свариваемый алюминиевый сплав обладает высокими броневыми свойствами, обеспеченными содержанием цинка и магния и их соотношением. Однако в жестких условиях эксплуатации броневых конструкций при воздействии коррозионных сред и значительных растягивающих и/или знакопеременных нагрузок сварные соединения из известного свариваемого сплава не обладают достаточной коррозионной стойкостью, в частности, стойкостью к зарождению и распространению коррозионных трещин. Кроме того, при высоких прочностных свойствах броня из известного сплава склонна к образованию тыльных отколов при воздействии современных средств поражения. Это приводит к ограничению применения известного сплава в качестве брони: преимущественно в составе слоистой брони с дополнительной защитой от коррозии снаружи и тыльных отколов изнутри бронекорпуса.
Известен свариваемый алюминиевый сплав для брони, содержащий цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, медь, железо, кремний, примеси и алюминий, который при суммарном содержании цинка и магния 5,8-7,8 мас. % и отношении содержания цинка к содержанию магния 1,95-4,2 содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %:
цинк
4,5-5,5
магний
1,3-2,3
марганец
0,2-0,7
хром
0,12-0,40
титан
0,03-0,12
цирконий
0,07-0,15
медь
0,10-0,30
железо
≤0,35
кремний
≤0,35
примеси
≤0,05 каждая в отдельности
и ≤0,15 в сумме
алюминий
остальное
(RU 2447392, опубликовано 10.04.2012.)
Данный алюминиевый сплав также не обладает достаточной коррозионной стойкостью, в частности, стойкостью к зарождению и распространению коррозионных трещин. Кроме того, при высоких прочностных свойствах броня из известного сплава склонна к образованию тыльных отколов при воздействии современных средств поражения. Это приводит к ограничению применения известного сплава в качестве брони: преимущественно в составе слоистой брони с дополнительной защитой от коррозии снаружи и тыльных отколов изнутри бронекорпуса.
Известен свариваемый алюминиевый сплав для брони, содержащий цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, медь, железо, кремний, примеси и алюминий, который при суммарном содержании цинка и магния 5,8-7,8 мас.% и отношении содержания цинка к содержанию магния 1,95-4,2 содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
цинк
4,5-5,5
магний
1,3-2,3
марганец
0,2-0,7
хром
0,12-0,4
титан
0,03-0,12
цирконий
0,07-0,15
медь
0,10-0,30
железо
≤0,35
кремний
≤0,35
другие примеси
(кальций, натрий,
никель)
≤0,05 каждая в отдельности и ≤0,15 в сумме
алюминий
остальное
(RU 2447392, опубликовано 10.04.2012.)
Данный алюминиевый сплав также не обладает достаточной коррозионной стойкостью, в частности, стойкостью к зарождению и распространению коррозионных трещин, склонен к образованию тыльных отколов при воздействии современных средств поражения.
Наиболее близким по составу компонентов является свариваемый алюминиевый сплав, содержащий цинк, магний, марганец, хром, цирконий, медь, железо, кремний, ванадий, бор, титан, другие элементы при следующем соотношении компонентов, мас.%:
цинк
3,5-6,0
магний
2-3,0
марганец
0,3-0,9
хром
<0,4
цирконий
<0,45
медь
<0,3
железо
<0,35
кремний
<0,3
ванадий
<0,15
бор
<0,1
титан
≤0,2
другие элементы
≤0,05 и <0,15 в сумме
алюминий
остальное
(CN 101914710 A, C22C 1/02, C22C 21/10, опубликовано 15.12.2010.)
Прочность броневых сплавов и, соответственно, бронестойкость изготовленных с их использованием гомогенной броневой плиты (выполненной из металла одного химического состава) возрастает с увеличением суммарного содержания основных легирующих компонентов (цинк + магний). Однако с ростом прочности сплава за счет такого легирования снижается его пластичность. Недостаток пластичности сплава проявляется в виде образующихся на плитах тыльных отколов при их испытаниях обстрелом.
в
2
В сплавах системы Al-Zn-Mg, предназначенных для изготовления гомогенной броневой плиты, суммарное содержание основных легирующих элементов (цинк и магний) не превышает 7-8 мас %, что соответствует твердости по Бринеллю 1500-1600 МПа (прочность σ=48-50 кг/мм) и относительному удлинению (показатель пластичности) δ=6-8%. Такое сочетание прочности и пластичности обеспечивает максимальную бронестойкость сплавов системы Al-Zn-Mg при использовании их в качестве брони для защиты от пуль калибра 5,45-12,7 мм.
Увеличение калибра средства поражения требует повышения пластичности сплава и, следовательно, снижения уровня его легирования. Так, для защиты от снарядов калибра 20-30 мм показатель пластичности, обеспечивающий максимальный уровень бронестойкости, должен быть не менее 8-12%, что соответствует твердости 1300-1400 МПа.
Отличительной особенностью полуфабрикатов и, особенно, сварных соединений из сплавов системы Al-Zn-Mg является их повышенная склонность к коррозионному растрескиванию (КР) под действием растягивающих напряжений, особенно при повышенной коррозионной агрессивности окружающей среды.
КР
Сопротивление коррозионному растрескиванию характеризуется максимально допустимым уровнем напряжений (σ), при которых металл (сварное соединение) не подвергается разрушению при долгосрочном воздействии коррозионно-агрессивной среды.
кр
среднее
КР
среднее
среднее
КР
Величина σ, в основном, зависит от суммарного содержания основных легирующих элементов (∑Zn+Mg). Так, для плит из сплава 1903 (∑(Zn+Mg)=7,4%) σ=100 МПа; для плит из сплава 1903A (∑(Zn+Mg)=6,9 мас %), а судя по химическому составу и для сплава 7039 (∑(Zn+Mg)=6,8 мас %) σ=250 МПа, а для сварных соединений соответственно 75 и 160 МПа.
КР
Однако таких значений σ недостаточно для обеспечения удовлетворительной эксплуатационной надежности сварных конструкций при их долгосрочной эксплуатации в коррозионно-агрессивных средах, т.к. остаточные напряжения в зоне сварных соединений плит толщиной 40 мм могут достигать величин более 160-180 МПа, а при наличии концентраторов напряжений они могут существенно возрастать. Вероятно, по этой причине неоднократные попытки использования плит из сплава 7039 (США) в качестве брони для плавающего бронетранспортера потерпели неудачу (из-за неудовлетворительной стойкости сварной конструкции - корпуса машины к коррозионному растрескиванию).
КР
Целью изобретения и его техническим результатом является создание свариваемого алюминиевого сплава для брони, который обеспечивает при высокой коррозионной стойкости брони повышение уровня безопасных напряжений - σ (сопротивление коррозионному растрескиванию), повышение сопротивление к образованию тыльных отколов как самих сплавов, так и сварных соединений.
Технический результат достигается тем, что свариваемый алюминиевый сплав для брони содержит цинк, магний, марганец, хром, цирконий, медь, железо, кремний, ванадий, бор, никель, кальций и алюминий, причем при суммарном содержании цинка и магния 5,0-7,3 мас % и отношении содержания цинка к содержанию магния 1,90-4,58 он содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %:
цинк
3,8-5,3
магний
1,2-2,0
марганец
0,91-1,3
хром
0,12-0,40
цирконий
0,07-0.15
медь
0,10-0,30
железо
≤0,35
кремний
≤0,35
ванадий
0,01-0,12
бор
0,01-0,12
никель
≤0,05
кальций
≤0,05
алюминий
остальное
Для обеспечения максимальной стойкости плит из сплава по и зобретению и его сварных соединений к коррозионному растрескиванию оптимальное суммарное содержание цинка и магния составляет около 6 мас.% при оптимальном отношении содержания цинка к магнию около 3,1.
Изобретение может быть проиллюстрировано следующим примером.
Броневые плиты из сплава по изобретению или слоистые плиты с использованием сплава для тыльного слоя броневой плиты изготавливают по стандартной технологии. Изготовление сплошной броневой плиты включает: отливку слитков, их гомогенизационый отжиг, порезку на слябы, горячую прокатку слябов на плиты заданной толщины, закалку, правку, искусственное старение плит на максимальную прочность (состояние T1), порезку плит на заданные размеры, проведение контрольных испытаний.
Для сравнительной оценки использовали гомогенные броневые плиты толщиной 40 мм и листы толщиной 3 мм из сплава 1903A и сплава по изобретению.
Исследования металлографических, механических и коррозионных характеристик сравниваемых сплавов показали преимущество сплава по изобретению, в том числе по вероятности образования тыльных отколов. Аналогичные результаты следует ожидать для сварных соединений сравниваемых сплавов (сварка проволокой свАМг6) без их термообработки после сварки.
КР
КР
Уровень безопасных напряжений σ для известного сплава 1903А составляет 250 МПа, а для его сварного соединения - 160 МПа. Для сплава по изобретению уровень безопасных напряжений σ следует ожидать на уровне 330 МПа, а для его сварного соединения - 210 МПа.
Таким образом, использование сплава по изобретению позволит повысить уровень броневых свойств плит на 5-6% за счет отсутствия тыльных отколов, а также уровень безопасных напряжений более чем на 30% как плит, так и сварных соединений с их использованием, что повышает бронестойкость и эксплуатационную надежность бронекорпусных объектов, особенно при их эксплуатации в регионах с повышенной коррозионной активностью окружающей среды.