СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛЬНЫХ ЛИСТОВ ДЛЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ БРОНЕЗАЩИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF STEEL SHEETS FOR HETEROGENEOUS ARMOUR PROTECTING STRUCTURES

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к производству стального листового проката бронезащитного назначения, в особенности для средств индивидуальной защиты (бронежилеты, щиты и т.п.), легкобронированных боевых машин, летательных аппаратов, бронированных сооружений и строительных бронезащитных конструкций.
Известен способ производства листовой гетерогенной брони, включающий получение листов из стали следующего состава, мас.%:
Углерод
0,20-0,27
Кремний
1,20-1,50
Марганец
0,30-0,90
Хром
1,10-1,50
Никель
0,50-1,20
Молибден
0,15-0,35
Железо
Остальное.
Фронтальную сторону листовой стали подвергают химико-термической обработке (цементации) на глубину 20-40% от толщины брони, после чего нагревают со скоростью 1,2-2,5°С/с до температуры 920-950°С, выдерживают при этой температуре 15 мин, закаливают и отпускают при температуре 110-150°С [1].
Недостатки известного способа состоят в том, что в процессе химико-термической обработки распределение углерода по толщине и площади листа происходит неравномерно и не поддается выравниванию. Это снижает равномерность закалки, бронезащитную эффективность гетерогенной брони и для гарантированного ее применения требуется увеличение толщины листов и массы бронезащитной конструкции.
Помимо этого, данный способ не пригоден для производства стальных листов для гетерогенных бронезащитных конструкций против средств поражения увеличенных калибров, например, в боевых машинах, т.к. при химико-термической обработке упрочняется недостаточный поверхностный слой стального листа.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства гетерогенной стальной брони в виде двух стальных листов (фронтального и тыльного компонентов), получаемых при горячей прокатке. Фронтальный и тыльный компоненты выполнены из сталей с различной концентрацией углерода.
Сталь, из которой выполнен фронтальный компонент, имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод
0,30-0,80
Марганец
0,40-1,20
Кремний
0,10-0,80
Хром
0,20-2,80
Молибден
0,05-1,00
Алюминий
0,01-0,05
Никель
до 0,440
Фосфор
до 0,015
Сера
до 0,015
Железо
Остальное.
Тыльный компонент имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод
0,17-0,40
Марганец
0,40-2,00
Кремний
0,10-0,80
Хром
0,10-1,50
Молибден
0,05-1,50
Алюминий
0,01-0,05
Фосфор
до 0,025
Сера
до 0,025
Железо
Остальное.
Данный способ включает горячую прокатку стальных листов, нагрев до температуры 880-980°С, выдержку, закалку на мартенсит и низкотемпературный отпуск при температуре 170-230°С [2].
Недостатки данного способа состоят в том, что гетерогенная броня имеет неудовлетворительные броневые свойства относительно поражения бронебойными пулями последнего поколения, особенно усовершенствованного патрона калибра 7,62 мм (индекс 7Н23) с модернизированной пулей с новым высокотвердым термоупрочненным сердечником из инструментальной стали марки У12А повышенной пробиваемости твердых броневых преград. Улучшение броневых свойств за счет увеличения толщины листов для фронтального и тыльного компонентов приводит к недопустимому повышению массы бронезащитных конструкций.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении броневых свойств гетерогенных бронезащитных конструкций и снижении их массы.
Указанная техническая задача решается тем, что в известном способе производства стальных листов для гетерогенных бронезащитных конструкций, содержащих фронтальный и тыльный компоненты, выполненные из сталей с различной концентрацией углерода, включающем горячую прокатку стальных заготовок и закалку листов на мартенсит с последующим отпуском, согласно изобретению заготовку для фронтального листа изготавливают из стали, содержащей следующий химический состав, мас.%:
Углерод
0,3-0,6
Кремний
0,10-1,20
Марганец
0,15-0,70
Хром
0,30-1,40
Никель
0,60-1,90
Молибден
0,10-0,50
ванадий
не более 0,15
медь
не более 0,35
сера
не более 0,012
фосфор
не более 0,010
железо
остальное,
а для тыльного листа - из стали, содержащей следующий химический состав, мас.%:
углерод
0,15-0,35
ремний
0,10-1,20
марганец
0,15-0,70
хром
0,30-1,40
никель
0,60-1,90
молибден
0,10-0,50,
ванадий не более
0,15
медь не более
0,35
сера не более
0,012
фосфор не более
0,010
железо
остальное,
закалку фронтального и тыльного листов производят незамедлительно от температуры конца прокатки, составляющей не выше 750 и 850°С соответственно, отпуск фронтального листа проводят при температурах не выше 180°С с выдержкой не более 8 ч, а тыльного листа - не выше 230°С с выдержкой не более 6 ч. Стальные фронтальный и тыльный листы подвергают горячей прокатке до толщин, составляющих соответственно около 0,3 и 0,5 долей калибрового диаметра бронебойных пуль.
2
Сущность изобретения состоит в следующем. Для повышения броневых свойств и снижения массы гетерогенной бронезащитной конструкции необходимо обеспечить оптимальное сочетание различающихся механических свойств и толщин взаимосвязанных фронтального и тыльного компонентов с учетом калибра бронебойных пуль, снабженных высокотвердым термоупрочненным стальным сердечником. Фронтальный компонент функционально должен иметь более высокую твердость (59-62 HRC) для фрагментированного разрушения такого сердечника. Разрушаясь в соударении с пулей, фронтальный компонент должен сохранять целостность тыльного компонента, броневой конструкции в целом и неповрежденным защищаемый объект. Тыльный компонент функционально должен гасить энергию фрагментов разрушения пули и фронтального компонента. Это достигается за счет повышенных вязкостных свойств (KCU≥0,6 МДж/м) и, как следствие, несколько сниженной твердости (55-57 HRC).
Указанное гетерогенное сочетание механических и функциональных свойств обеспечивается при использовании стали предложенного состава вследствие дифференцирования концентрации углерода во фронтальном и тыльном компонентах, благодаря чему в результате незамедлительной закалки и последующего отпуска формируются максимальные броневые свойства для гетерогенной конструкции, успешно противостоящей современным пулям превалирующего типа 7Н23 калибра 7,62 мм.
Максимально высокие броневые свойства при условии обеспечения минимальной массы бронеконструкции в зависимости от требуемого класса бронирования достигаются при взаимосвязанных толщинах фронтального и тыльного компонентов соответственно около 0,3 и 0,5 долей от калибрового диаметра бронебойных пуль в интервале стрелковых систем калибров от 5,45 мм вплоть до 14,5 мм.
Углерод упрочняет закаленную сталь. При концентрации углерода в тыльном компоненте менее 0,15% не достигается требуемая прочность и твердость, а при его концентрации более 0,35% снижаются вязкость, пластичность и бронезащитные свойства закаленной низкоотпущенной стали. Увеличение концентрации углерода более 0,60% во фронтальном компоненте приводит к его растрескиванию при ударе пулями типа 7Н23. В то же время уменьшение содержания углерода во фронтальном компоненте менее 0,30% не обеспечивает фрагментированное разрушение сердечника, что требует увеличения толщины гетерогенных стальных листов обоих компонентов и массы гетерогенной конструкции.
Кремний раскисляет сталь, повышает прочность и упругость в закаленном и низкоотпущенном состоянии. Но главное - он упрочняет сталь без образования включений карбидов и нитридов, повышает устойчивость мартенсита к отпуску при соударении с пулей. При концентрации кремния менее 0,10% прочность и твердость стальных компонентов ниже допустимой, а при концентрации более 1,20% снижается пластичность и вязкость, из-за чего не обеспечивается достижение максимальных броневых свойств.
Марганец раскисляет и упрочнят сталь. При его концентрации менее 0,15% снижается твердость и прочность фронтальных и тыльных компонентов. Увеличение концентрации марганца более 0,7% в сочетании с хромом приводит к появлению трещин при пулевых ударах, что снижает броневые свойства гетерогенной конструкции в целом.
Хром повышает прочность, вязкость и бронестойкость стали. При его концентрации менее 0,30% прочность и вязкость обоих компонентов ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 1,40% приводит к потере пластичности и бронестойкости из-за роста внутренних напряжений в закаленной низкоотпущенной стали.
Никель способствует повышению пластичности и вязкости закаленной низкоотпущенной стали. Однако при его содержании более 1,90% повышается содержание остаточного аустенита в стали и ухудшаются ее броневые свойства. Снижение содержания никеля менее 0,60% приводит к потере пластичности и ударной вязкости при пулевых ударах.
Молибден и ванадий благоприятно изменяют распределение вредных примесей в мартенсите, уменьшая их концентрацию по границам зерен, повышают прочность и вязкость стали, обусловливают мелкозернистость микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,1% прочностные свойства стали ниже требуемого уровня. Увеличение содержания молибдена более 0,50%, а также ванадия более 0,15% ухудшает пластичность и броневые свойства закаленной низкоотпущенной стали. В обоих случаях не достигаются максимально возможные броневые свойства гетерогенных конструкций.
Медь повышает устойчивость мартенситной структуры при соударениях с пулями. Однако увеличение концентрации меди более 0,35% снижает ударную вязкость, в результате не достигается максимально возможные броневые свойства гетерогенных конструкций.
Сера и фосфор в данной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации серы не более 0,012% и фосфора не более 0,010% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время, более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожают ее производство, что нецелесообразно.
Испытания образцов гетерогенных бронезащитных конструкций из листов из сталей с предложенным составом обстрелом пулями с высокопрочным сердечником по стандартной методике показали, что наиболее высокие кондиционные броневые свойства при минимальной массе имеют место при толщине фронтальных и тыльных компонентов около 0,3 и 0,5 долей калибрового диаметра применяемых пуль. Снижение толщин менее 0,3 и 0,5 калибрового диаметра пуль повышает вероятность образования незначительных и допустимых повреждений, а их увеличение более 0,3 и 0,5 калибрового диаметра пуль приводит к неоправданному увеличению массы бронезащитных конструкций.
Наиболее высокие функциональные свойства гетерогенных бронезащитных конструкций были получены в случае незамедлительной закалки стальных листов от температуры конца прокатки. Однако при температурах конца прокатки выше 750°С и 850°С для фронтальных и тыльных компонентов соответственно мартенсит терял микроструктурные преимущества пакетной реечной морфологии, соответственно снижались твердость, прочность и ударная вязкость стали, ухудшались ее броневые свойства, требовалось увеличение толщины листов и массы бронезащитных конструкций.
При температуре отпуска фронтальных компонентов выше 180°С и продолжительности выдержки более 8 ч, а также при температуре отпуска тыльных компонентов выше 230°С и продолжительности выдержки более 6 ч происходит падение их твердости, прочностных и броневых свойств. Поэтому для исключения вероятности повреждения гетерогенных бронезащитных конструкций требовалось увеличение толщины стальных листов, что ведет к увеличению массы бронезащитных конструкций.
Примеры реализации способа
В плавильных и рафинировочных агрегатах производят выплавку сталей для гетерогенных бронезащитных конструкций: фронтальных и тыльных компонентов (табл.1). Выплавленные стали разливают в слитки, которые прокатывают в плоские заготовки толщиной 80 мм. Составы листовых сталей, произведенные по заявленному способу для фронтальных и тыльных компонентов бронезащитной гетерогенной конструкции обозначаются соответственно Б200Ф и Б200Т.
аф
кпф
ф
ф
Плоские заготовки для фронтальных компонентов из стали состава 3 (табл.1) подвергают абразивной зачистке, нагревают до температуры аустенитизации Т=1250°С, после чего прокатывают на листовом реверсивном стане 2000 с температурой конца прокатки Т=660°С в листы для фронтальных компонентов конечной толщины Н=2,3 мм, что составляет около Н=0,3·d калибрового диаметра d бронебойной пули с высокопрочным сердечником калибра d=7,62 мм.
Таблица 1
Химический состав сталей для фронтальных и тыльных компонентов
№ состава
Содержание химических элементов, мас.%
С
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
V
Cu
S
Р
Fe
Фронтальный компонент Б200Ф
1
0,29
0,09
0,14
0,29
0,50
0,09
0,05
0,20
0,010
0,007
Основа
2
0,30
0,10
0,15
0,30
0,60
0,10
0,06
0,20
0,010
0,008
-:-
3
0,45
0,40
0,42
0,85
1,20
0,30
0,10
0,32
0,011
0,009
-:-
4
0,60
1,20
0,70
1,40
1,90
0,50
0,15
0,35
0,012
0,010
-:-
5
0,68
1,30
0,80
1,50
1,98
0,52
0,16
0,36
0,013
0,011
-:-
Тыльный компонент Б200Т
6
0,14
0,09
0,14
0,29
0,50
0,09
0,05
0,18
0,011
0,006
Основа
7
0,15
0,10
0,15
0,30
0,60
0,10
0,06
0,20
0,012
0,005
-:-
8
0,25
0,52
0,50
0,81
1,30
0,38
0,11
0,30
0,011
0,008
-:-
9
0,35
1,20
0,70
1,40
1,90
0,50
0,15
0,35
0,012
0,010
-:-
10
0,36
1,22
0,75
1,43
1,93
0,51
0,16
0,37
0,014
0,012
-:-
оф
оф
Прокатанные листы подвергают незамедлительной закалке водой, после чего отпускают при температуре Т=160°С с выдержкой продолжительностью τ=7 ч.
ат
кпт
т
Плоские заготовки для тыльных компонентов из стали с составом 8 (табл.1) подвергают абразивной зачистке, нагревают до температуры аустенитизации Т=1200°С, после чего прокатывают на листовом реверсивном стане 2000 с температурой конца прокатки Т=760°С в листы для тыльных компонентов конечной толщины Н=3,8 мм, что составляет около 0,5·d калибрового диаметра d=7,62 мм бронебойной пули с высокопрочным сердечником.
кпт
от
от
Прокатанные листы при температуре Т=760°С подвергают незамедлительной закалке водой, после чего отпускают при температуре Т=160°С с выдержкой продолжительностью τ=5 ч.
Варианты реализации режимов производства стальных листов для фронтальных и тыльных компонентов представлены в табл.2.
Таблица 2
Режимы производства листов для фронтальных и тыльных компонентов
№ варианта
№ состава
Н<sub>ф</sub> (Н<sub>т</sub>)
Т<sub>кпф</sub>(Т<sub>кпт</sub>), °С
Т<sub>оф</sub> (Т<sub>от</sub>), °С
τ<sub>оф</sub> (τ<sub>от</sub>), ч
Фронтальный компонент Б200Ф
1
5
0,2·d
960
190
3
2
2
0,3·d
750
180
4
3
3
0,3·d
725
160
5
4
4
0,3·d
750
150
6
5
1
0,4·d
640
140
7
Тыльный компонент Б200Т
6
10
0,4·d
730
150
8
7
6
0,5·d
750
155
6
8
7
0,5·d
760
160
5
9
8
0,5·d
850
230
4
10
9
0,6·d
880
240
3
Листы для фронтального и тыльного компонентов подвергают механическим испытаниям. Результаты испытаний механических свойств компонентов приведены в табл.3. Данные, представленные в табл.3, свидетельствуют о том, что при реализации предложенного способа достигается наиболее высокий комплекс механических свойств листов как для фронтального (варианты 2-4), так и для тыльного (варианты 7-9) компонентов. В случаях запредельных значений заявленных параметров имеет место ухудшение механических свойств листов как для фронтальных (варианты 1 и 5), так и тыльных (варианты 6 и 10) компонентов.
Таблица 3
Механические свойства стальных листов для фронтальных и тыльных компонентов гетерогенных бронезащитных конструкций
№ варианта
HRC,ед.
σ<sub>B</sub>, МПа
σ<sub>т</sub>, МПа
δ<sub>4</sub>, %
KCU, МДж/м<sup>2</sup>
Фронтальный компонент Б200Ф
1.
57
1680
1430
5
0,2
2.
59
1800
1500
7
0,5
3.
62
1900
1600
8
0,5
4.
61
1850
1520
7
0,5
5.
55
1650
1400
5
0,3
Тыльный компонент Б200Т
6.
53
1690
1350
7
0,5
7.
56
1700
1400
8
0,6
8.
57
1750
1450
9
0,7
9.
55
1700
1400
8
0,7
10.
52
1680
1300
7
0,5
Полученные листы размерами 300×300 мм соединяли неразъемно попарно фронтальный с тыльным для испытания гетерогенных бронезащитных конструкций, после чего проводили их натурные стендовые противопульные испытания путем обстрела на полигоне бронебойными пулями патронов индекса 7Н23 калибра 7,62 мм из автомата Калашникова. Обстрел вели по нормали к фронтальному и соответственно тыльному компонентам гетерогенной конструкции.
Противопульные испытания показали, что при использовании в качестве фронтальных компонентов стальных листов, произведенных по предложенным режимам (варианты 2-4) в неразъемном соединении с тыльными компонентами (варианты 7-9), обеспечивается непробитие гетерогенных броневых конструкций при зачетных попаданиях в них пуль патрона 7Н23. При использовании в качестве фронтальных компонентов стальных листов, произведенных по вариантам 1 и 5 в парах с тыльными компонентами, произведенных по вариантам 6 и 10, имели место недопустимые пробития плоских гетерогенных конструкций пулями патронов 7Н23.
В качестве базового объекта для сравнения принят способ-прототип. При сравнении установлено, что при той же суммарной толщине гетерогенной брони, что и при использовании компонентов из заявленной стали, известный способ не обеспечивает ее непробития бронебойными пулями патронов 7Н23. Для обеспечения зачетных непробитий необходимо увеличить толщину брони, получаемой по известному способу, не менее чем в 1,3 раза. Следствием этого является недопустимое увеличение массы гетерогенной бронезащитной конструкции.
Источники, использованные при составлении описания изобретения:
1. Патент Российской Федерации №2090828, МПК F41H 5/04, C21D 9/46, С23С 8/22, 1997.
2. Патент США №4645720, МПК F41H 5/04, 1987 - прототип.