ИЗДЕЛИЕ ИЗ СПЛАВА Al-Mg, ПОДХОДЯЩЕЕ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЙ В КАЧЕСТВЕ БРОНЕВОГО ЛИСТА
ARTICLE FROM Al-Mg ALLOY FOR USE AS ARMOUR PLATE

Область техники
Изобретение относится к листовому изделию из алюминиевого сплава, имеющему толщину по сортаменту 10 мм или более. В частности, это изобретение относится к сплавам Аl-Мg, которые подходят для броневого листа и, кроме того, обладают улучшенными эксплуатационными качествами, в особенности, улучшенной стойкостью к попадающим кинетическим снарядам в сочетании с улучшенной формуемостью.
Уровень техники
Как станет понятно из приведенного ниже, если не указано иное, обозначения сплавов и обозначения состояний поставки соответствуют обозначениям Алюминиевой Ассоциации в Стандартах и данных и Регистрационных записях по алюминиевым сплавам, которые публикуются Алюминиевой Ассоциацией.
При любом описании составов сплавов или предпочтительных составов сплавов все ссылки на процентные содержания всегда приводятся в массовых процентах, если не указано иное.
Благодаря своему легкому весу, алюминиевые сплавы нашли широкое применение в военных областях применения, включая военные транспортные средства, такие как автомобили для перевозки личного состава (транспортеры). Небольшой вес алюминия обеспечивает улучшенные характеристики и легкость транспортной техники, включая транспортировку военных транспортных средств по воздуху. В некоторых транспортных средствах целесообразно обеспечить ограждение или защиту от нападения, предусмотрев броневой лист для защиты находящихся в транспортном средстве людей. Алюминий широко используется в качестве броневого листа, и существует ряд спецификаций броневого листа для использования различных алюминиевых сплавов.
Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к броневому листу из алюминиевого сплава, являются стойкость к метательным снарядам, хорошая коррозионная стойкость и, в некоторых областях применения, хорошая свариваемость. Баллистические испытания часто проводят бронебойными (АР от англ. «armour piercing») снарядами, такими как 7,62-миллиметровая пуля АР М2, и снарядами, имитирующими разлет осколков (FSP от англ. «fragment simulating projectiles»), такими как осколочно-фугасный 20-миллиметровый снаряд. Желательны алюминиевые сплавы, которые удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к броневому листу, и эти пожелания удовлетворяются в разной степени. В военную спецификацию США для броневого листа MIL-DTL-46027J (сентябрь 1998) включены алюминиевые сплавы АА5083 и АА5456, а в военную спецификацию США MIL-DTL-46063H (сентябрь 1998) включен сплав АА7039. Является общепризнанным, что для многих областей применения броневой лист из сплава АА7039 лучше, чем броневой лист из АА5083 и АА5456, хотя его преимущество существеннее в части баллистических характеристик пробивания брони и менее значительнее в части характеристик имитации разлета осколков, по меньшей мере, согласно военным спецификациям. Однако сплав АА7039 может вызывать проблемы, связанные с коррозией или коррозией под напряжением, в гораздо большей степени, чем АА5083 и АА5456. Сплав АА7039 очень трудно сваривать. Сплав АА7039, если он используется в качестве броневого листа в различных областях применения, обычно находится в состоянии поставки Т6, а сплавы АА5083 и АА5456, если они используются в качестве броневого листа в различных областях применения, находятся в состоянии поставки Н131.
Диапазоны составов для АА5083 составляют, мас.%: Мg 4,0-4,9, Мn 0,40-1,0, Сr 0,05-0,25, Si макс. 0,40, Fe макс. 0,40, Сu макс. 0,10, Zn макс. 0,25, Ti макс. 0,15, примеси каждого элемента <0,05, в сумме <0,15, остальное - алюминий. Номинальный состав для сплава АА5083 составляет примерно 4,4 мас.% Мg, 0,7 мас.% Мn и 0,15 мас.% Сr.
Диапазоны составов для АА5456 составляют, мас.%: Мg 4,7-5,5, Мn 0,50-1,0, Сr 0,05-0,20, Si макс. 0,25, Fe макс. 0,40, Сu макс. 0,10, Zn макс. 0,25, Ti макс. 0,20, примеси каждого элемента <0,05, в сумме <0,15, остальное - алюминий. Номинальный состав для сплава АА5456 составляет примерно 5,0 мас.% Мg, 0,7 мас.% Мn и 0,15 мас.% Сr.
Диапазоны составов для АА7039 составляют, мас.%: Zn 3,5-4,5, Мg 2,3-3,3, Мn 0,10-0,40, Сr 0,15-0,25, Si макс. 0,30, Fe макс. 0,40, Сu макс. 0,10, Ti макс. 0,10, примеси каждого элемента <0,05, в сумме <0,15, остальное - алюминий. Номинальный состав для сплава АА7039 составляет примерно 4 мас.% Zn, 2,8 мас.% Мg, 0,25 мас.% Мn и 0,20 мас.% Сr.
Если не указано иное, все процентные содержания в настоящем описании представляют собой массовые проценты.
Наиболее важными требованиями для броневого листа из алюминиевого сплава являются стойкость к метательным снарядам, хорошая коррозионная стойкость и, в частности, стойкость к коррозии под напряжением, а в современных областях применения - хорошая свариваемость. Баллистические испытания часто проводят бронебойными снарядами, такими как снаряды калибра 0,30 дюйма, и снарядами, имитирующими разлет осколков, такими как осколочно-фугасный 20-миллиметровый снаряд. Желательны алюминиевые сплавы, которые удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к броневому листу.
Другой алюминиево-магниевый сплав - это сплав АА5059, зарегистрированный Алюминиевой Ассоциацией в июне 1999. Зарегистрированные диапазоны составов для АА5059 составляют, мас.%: Мg 5,0-6,0, Мn 0,6-1,2, Zn 0,40-0,9, Zr 0,05-0,25, Cr макс. 0,25, Si макс. 0,45, Fe макс. 0,50, Сu макс. 0,25, Ti макс. 0,20, примеси каждого элемента <0,05, в сумме <0,15, остальное - алюминий.
Этот алюминиевый сплав также описан в US-6238495-B2 и US-6342113-В2, которые оба этим упоминанием включены сюда во всей их полноте. Данный алюминиевый сплав предназначен для сооружения больших сварных конструкций, таких как контейнеры и емкости для морской и наземной транспортировки. Этот сплав нашел свое конкретное коммерческое применение в кораблестроении, где он применяется, как правило, в состоянии поставки Н321 или в состоянии поставки О и имеет толщину или сортамент менее 20 мм. Согласно US-6238495 состояние поставки Н321 достигалось в результате холодной прокатки с обжатием 40% с последующей термообработкой путем выдержки холоднокатаного изделия при 250°С в течение одного часа. Состояние поставки О достигалось в результате холодной прокатки с обжатием 40% с последующей выдержкой холоднокатаного изделия при 525°С в течение 15 минут.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить улучшенный сплав серии 5000, который обладает очень хорошей свариваемостью и, кроме того, демонстрирует хорошие антикоррозионные характеристики и высокую стойкость к попадающим кинетическим снарядам. Еще одна задача состоит в том, чтобы предложить изделие из сплава серии 5000, обладающее по меньшей мере схожими баллистическими свойствами, что и у его аналога АА5083-Н131, но с более высоким относительным удлинением при разрыве.
Эти и другие задачи и дополнительные преимущества решаются или достигаются настоящим изобретением, относящимся к листу из алюминиевого сплава, обладающему улучшенной стойкостью к попадающим кинетическим снарядам, причем этот лист имеет толщину по сортаменту 10 мм или более, а алюминиевый сплав имеет химический состав, содержащий, мас.%:
Мg примерно 4,0-6,0, предпочтительно примерно 4,3-5,7
Мn примерно 0,2-1,4, предпочтительно примерно 0,4-1,2
Zn макс. 0,9, предпочтительно примерно 0,20-0,90, более предпочтительно примерно 0,35-0,70
Zr<0,3, предпочтительно примерно 0,05-0,25
Cr<0,3
Sc<0,5
Ti<0,3
Fe<0,5, предпочтительно <0,25
Si<0,45, предпочтительно <0,2
Аg<0,4
Сu<0,25,
другие элементы и неизбежные примеси каждого <0,05, в сумме <0,20,
остальное - алюминий, и при этом лист из сплава получен при помощи процесса изготовления, содержащего литье, предварительный нагрев и/или гомогенизацию, горячую прокатку, первую операцию холодной обработки давлением, обработку отжигом при температуре менее 350°С, с последующей второй операцией холодной обработки давлением.
В одном из вариантов реализации лист обладает по меньшей мере 4%-ным улучшением, а предпочтительно - по меньшей мере 5%-ным улучшением, предела V50 по сравнению с аналогом АА5083-Н131, измеренного при испытании 0,3 АМР2 в соответствии с MIL-DTL-46027J от сентября 1998.
Под аналогом АА5083-Н131 имеется в виду лист из алюминиевого сплава, имеющий состав, который охарактеризован выше для АА5083, подвергнутый обработке и термообработке до состояния поставки Н131 и имеющий те же размеры в длину, ширину и толщину, что и лист по настоящему изобретению, с которым он сравнивается. Типичный аналог имеет состав в пределах следующего элементного «окна»: примерно 4,4 мас.% Мg, 0,7 мас.% Мn, 0,15 мас.% Сr, макс. 0,40 мас.% Si, макс. 0,40 мас.% Fe, макс. 0,10 мас.% Сu, макс. 0,25 мас.% Zn, макс. 0,15 мас.% Ti, примеси каждого элемента <0,05 мас.%, в сумме <0,15 мас.%, а остальное алюминий. В типичную технологическую схему для получения состояния поставки Н131 входят литье слитка заданного состава, гомогенизация и/или предварительный нагрев перед горячей прокаткой, горячая прокатка до промежуточного сортамента, холодная прокатка до конечного сортамента с использованием деформации при холодной прокатке в примерно 15-25%, с последующей операцией растягивания на максимум 1,5%, чтобы удовлетворить требования по плоскостности и прямолинейности. После любого из этапов холодной прокатки или растягивания отжиг не осуществляют. Лист, находящийся в пределах элементного состава и обработанный так, как описано для настоящего изобретения, обладающий упомянутым по меньшей мере 4%-ным улучшением предела V50 по сравнению с единственным аналогом АА5083-Н131, соответствует этому признаку, являясь листом, обладающим по меньшей мере 4%-ным улучшением предела V50 по сравнению с аналогом АА5083-Н131. Например, лист, находящийся в пределах элементного состава, описанного для настоящего изобретения, обладающий упомянутым по меньшей мере 4%-ным улучшением предела V50 по сравнению с аналогом АА5083-Н131 и имеющий состав 4,4 мас.% Мg, 0,7 мас.% Мn, 0,15 мас.% Сr, 0,2 мас.% Si, 0,2 мас.% Fe, 0,05 мас.% Сu, 0,15 мас.% Zn, 0,1 мас.% Ti, примеси каждого элемента <0,05 мас.%, в сумме <0,15 мас.%, а остальное - алюминий, соответствует этому признаку, являясь листом, обладающим по меньшей мере 4%-ным улучшением предела V50 по сравнению с аналогом АА5083-Н131.
Аналогичным образом, аналог АА7039-Т6 представляет собой лист из алюминиевого сплава, имеющий состав, охарактеризованный выше для АА7039, подвергнутый обработке и термообработке до состояния поставки Т6 и имеющий те же размеры в длину, ширину и толщину, что и лист по настоящему изобретению, с которым он сравнивается. Типичный аналог имеет состав в пределах следующего элементного «окна»: примерно 4 мас.% Zn, 2,8 мас.% Мg, 0,25 мас.% Мn и 0,20 мас.% Сr, макс. 0,30 мас.% Si, макс. 0,40 мас.% Fe, макс. 0,10 мас.% Сu, макс. 0,10 мас.% Ti, примеси каждого элемента <0,05 мас.%, в сумме <0,15 мас.%, остальное - алюминий; например, 4 мас.% Zn, 2,8 мас.% Мg, 0,25 мас.% Мn и 0,20 мас.% Сr, 0,20 мас.% Si, 0,20 мас.% Fe, 0,05 мас.% Сu, 0,05 мас.% Ti, примеси каждого элемента <0,05 мас.%, в сумме <0,15 мас.%, остальное - алюминий.
Броневой лист применим, например, в военной и/или антитеррористической областях, чтобы защитить личный состав правоохранительных органов и/или вооруженных сил. Например, личный состав правоохранительных органов и/или вооруженных сил, патрулирующий районы, где находятся известные террористы или лица, подозреваемые в террористической деятельности, может делать это на транспортных средствах, защищенных предложенным броневым листом.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано многоцелевое колесное транспортное средство (HMMWV) с дополнительным бронированием.
На фиг.2 показано транспортное средство Stryker.
На фиг.3 показано транспортное средство Bradley M2/M3.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации
Настоящим изобретением предлагается лист из алюминиевого сплава, обладающий улучшенной стойкостью к попадающим кинетическим снарядам, причем лист имеет толщину по сортаменту 10 мм или более, а алюминиевый сплав имеет химический состав, содержащий, мас.%:
Мg примерно 4,0-6,0, предпочтительно примерно 4,3-5,7, например, 4,9-5,6
Мn примерно 0,2-1,4, предпочтительно примерно 0,4-1,2, например, 0,65-0,9
Zn примерно 0,9 макс., предпочтительно примерно 0,20-0,90, предпочтительнее примерно 0,35-0,70, например, 0,45-0,6
Zr<0,3, предпочтительно примерно 0,05-0,25, например, примерно 0,05-0,15
Сr<0,3, например, примерно 0,08-0,15
Sc≤0,5, например, примерно 0,08-0,45, 0,2-0,45 или <0,1, но предпочтительно 0,05-0,30, 0,05-0,20 или 0,05-0,15
Ti≤0,3, например <0,1
Fe<0,5, предпочтительно <0,25, например, <0,14
Si<0,45, предпочтительно <0,2, например, <0,14
Аg<0,4, например, <0,01
Сu<0,25, например, <0,05,
другие элементы и неизбежные примеси каждого <0,05, в сумме <0,20,
остальное - алюминий,
и при этом лист из сплава получен при помощи процесса изготовления, содержащего литье, предварительный нагрев и/или гомогенизацию, горячую прокатку, первую операцию холодной обработки давлением, обработку отжигом при температуре менее 350°С, с последующей второй операцией холодной обработки давлением.
В одном из вариантов реализации лист обладает по меньшей мере 4%-ным, а предпочтительно по меньшей мере 5%-ным улучшением предела V50 по сравнению с аналогом АА5083-Н131, измеренного при испытании 0,3 АМР2 в соответствии с MIL-DTL-46027J от сентября 1998. Это улучшение особенно отчетливо выражено для листовых изделий из сплава с 4,9 мас.% Мg или более.
В одном из вариантов реализации лист обладает по меньшей мере 4%-ным улучшением, а предпочтительно по меньшей мере 6%-ным улучшением предела V50 по сравнению с аналогом АА5083-Н131, измеренного при испытании 20 мм FSP в соответствии с MIL-DTL-46027J от сентября 1998. Это улучшение особенно отчетливо выражено для листовых изделий из сплава с 4,9 мас.% Мg или более.
Лист из алюминиевого сплава по настоящему изобретению представляет собой листовое изделие, идеально подходящее для применения в качестве броневого листа, имеющего по меньшей мере схожие баллистические свойства, а в лучших примерах даже значительно улучшенные баллистические свойства по сравнению с его аналогом АА5083-Н131 в сочетании с улучшенной формуемостью, выраженной относительным удлинением при разрыве.
Лист из алюминиевого сплава по настоящему изобретению также представляет собой листовое изделие, обладающее баллистическими свойствами, близкими к его аналогу АА7039-Т6, но в сочетании с очень хорошей свариваемостью и улучшенными характеристиками коррозионной стойкости, в частности, по стойкости к коррозии под напряжением, по сравнению со сплавом АА7039-Т6. Это сочетание баллистических свойств, очень хорошей свариваемости и характеристик коррозионной стойкости благоприятствует применению листа из сплава по настоящему изобретению в качестве броневого листа.
m
Важным преимуществом настоящего изобретения является улучшенная массовая эффективность по сравнению с аналогом АА5083-Н131 и даже по сравнению с аналогом АА7039-Т6. Изделие из сплава по изобретению обладает меньшей удельной плотностью, измеренной при 20°С, по сравнению с обоими сплавами АА5083 и АА7039, обеспечивая в результате подходящие соотношение "прочность/вес" или удельную прочность (прочность на растяжение, деленная на удельную плотность). Это улучшение особенно отчетливо выражено для листовых изделий из сплава с 4,9% Мg или более. Массовая эффективность является критерием результативности FSP, а также связана с удельной плотностью и делает возможным справедливое сравнение друг с другом различных материалов броневого листа сходного сортамента. Массовую эффективность или "Е" определяют как вес на единицу площади эталонного материала, например, сплава-аналога АА5083-Н131, требуемый для отражения некой данной баллистической угрозы, деленный на вес на единицу площади рассматриваемого материала.
Было обнаружено, что если принять за норму АА5083-Н131, то АА7039-Т64 демонстрирует более чем на 3% лучшую массовую эффективность, в то время как изделие из сплава согласно этому изобретению демонстрирует более чем 5%-ное улучшение, а в лучших примерах - по меньшей мере 7%-ное улучшение. Обнаруженное улучшение повышалось еще больше по мере увеличения скорости попадающего снаряда. Улучшенная массовая эффективность изделия из сплава позволяет сооружать более легкое транспортное средство, одновременно обеспечивая идентичную стойкость к попадающим снарядам. Экономия веса в бронированном транспортном средстве может выражаться, среди прочих преимуществ, в его мобильности. В качестве альтернативы, при сооружении бронированного транспортного средства можно использовать лист неизмененной толщины, при этом обеспечивая значительно улучшенную стойкость к попадающим снарядам и, таким образом, улучшенную живучесть.
В изделии из сплава согласно этому изобретению содержание Мg ограничивается 6%, так как изделия из сплава с более высоким содержанием Мg не очень просто изготавливать. Кроме того, содержание Мg более 6% не приводит к какому-либо существенному повышению прочности, в то время как при более высоких уровнях Мg коррозионная стойкость, в частности, стойкость к межкристаллитной коррозии, коррозионному расслаиванию и коррозии под напряжением, ухудшаются очень быстро. Содержание Мg должно превышать 4% для того, чтобы, среди прочего, обеспечить достаточные уровни прочности для предпочтительных областей применения листа из сплава в качестве броневого листа. Более предпочтительно, содержание Мg составляет по меньшей мере 4,3%, а более предпочтительно - по меньшей мере 4,9%. Если необходимо, Мg+Мn составляют более 6,8%, или Мg+Мn составляют менее 5,9%.
Листовое изделие предпочтительно имеет содержание Zn в диапазоне примерно 0,2-0,9 мас.%, чтобы улучшить свариваемость и коррозионную стойкость базового листа.
Листовое изделие предпочтительно имеет содержание Zr в диапазоне примерно 0,05-0,25%, например, >0,16 до 0,25, чтобы еще больше улучшить свариваемость и коррозионную стойкость базового листа.
Ti может быть намеренно добавлен вплоть до примерно 0,3%, например, >0,16 до 0,3, в качестве измельчающей зерно добавки во время литья и/или сварки.
При желании Сr и/или Ti могут отсутствовать. Однако в другом варианте реализации дополнительное улучшение свойств, особенно коррозионной стойкости, листового изделия из алюминиевого сплава по изобретению получают, когда и Ti, и Сr присутствуют в значительных количествах в пределах заданного диапазона. Предпочтительно, титан и хром присутствуют в изделии из алюминиевого сплава в равных или примерно равных количествах, и при этом содержание Сr находится в диапазоне примерно 0,08-0,25%, а содержание Ti находится в диапазоне примерно 0,1-0,2%. В этом варианте реализации также может присутствовать Zr в ранее заданном диапазоне 0,05-0,25%, в дополнение к совместному присутствию Ti и Сr в заданных диапазонах.
Было обнаружено, что для данного состава сплава при совместном добавлении Сr и Ti прочность увеличивается, при этом ударная вязкость сохраняется на примерно том же уровне.
В одном из вариантов реализации может быть намеренно добавлен Sc вплоть до 0,5%, предпочтительно - в диапазоне 0,05-0,3%, а более предпочтительно - в диапазоне 0,05-0,15%, чтобы дополнительно увеличить стойкость к попадающим кинетическим снарядам.
В предпочтительном варианте реализации лист из алюминиевого сплава по настоящему изобретению имеет состав в пределах диапазона АА5059.
В одном из вариантов реализации лист из сплава обладает условным пределом текучести (PS), составляющим по меньшей мере примерно 250 МПа, предпочтительно - по меньшей мере примерно 255 МПа, а более предпочтительно - по меньшей мере примерно 260 МПа, при измерении в его L-направлении.
В одном из вариантов реализации лист из сплава обладает пределом прочности на растяжение (UTS), составляющим по меньшей мере примерно 320 МПа, предпочтительно - по меньшей мере примерно 330 МПа, а более предпочтительно - по меньшей мере примерно 340 МПа, при измерении либо в его L-направлении, либо в его LT-направлении.
В одном из вариантов реализации лист из сплава обладает относительным удлинением при разрыве, измеренным при испытании на растяжение в соответствии со стандартом ASTM B557 в L-направлении, составляющим более 10%, а предпочтительно - более 12%. В следующем варианте реализации относительное удлинение в LT-направлении составляет 13% или более, а в лучших примерах - 14% или более. Эти значения обеспечивают улучшенную формуемость, в результате чего - листовое изделие перед сваркой может подвергаться формообразованию, например, путем изгибания. Эти значения относительного удлинения выше по сравнению с листом АА5083-Н131 аналогичной толщины.
Лист согласно этому изобретению идеально подходит в качестве броневого листа для применения в бронированных транспортных средствах, в частности, в бронированных военных транспортных средствах. Диапазон сортамента или диапазон толщин листа из алюминиевого сплава находится выше примерно 10 мм. Подходящий верхний предел для листа (плиты) из алюминиевого сплава составляет примерно 100 мм. Предпочтительный диапазон сортамента составляет примерно 15-75 мм, а более предпочтительно сортамент находится в диапазоне примерно 25-75 мм.
В более предпочтительном варианте процесса изготовления листа из сплава этот лист при конечном сортаменте после операции холодной обработки давлением не подвергается дополнительной термообработке, так что в листе из сплава не происходит сколь-либо существенного восстановления. Это приводит к тому, что механические свойства при конечной толщине или конечном сортаменте остаются практически неизменными, таким образом, практически не происходит восстановления. После операции холодной обработки давлением согласно настоящему изобретению может быть осуществлена термообработка в течение, например, 30 мин при 80°С, так как это лишь стабилизирует изделие из сплава. В то же время, термообработка в течение 30 мин или 60 мин при 250°С с целью получить состояние поставки Н321 приводит, среди прочего, к нежелательному увеличению пластичности. В предпочтительном случае необходимо избегать любой высокотемпературной термообработки после холодной обработки давлением до конечной толщины.
Описанный здесь сплав может быть произведен слитком и может быть получен в виде слитка или сляба при помощи литейных технологий, включая те, которые используются в данной области техники в настоящее время. Предпочтительной методикой является полунепрерывное литье больших слитков, например, 350 или 600 мм в толщину на примерно 1000 мм или более в ширину на примерно 3,5 м или более в длину. Такие большие слитки предпочтительны при реализации изобретения на практике, особенно при изготовлении больших листовых изделий, предназначенных для применения в качестве броневого листа.
Заготовку из алюминиевого сплава предпочтительно подвергают предварительному нагреву или гомогенизируют при температуре по меньшей мере 480°С перед горячей прокаткой в один или несколько этапов. Чтобы избежать эвтектического плавления, приводящего к возможному нежелательному образованию пор внутри слитка, температура не должна быть слишком высокой и, как правило, не должна превышать 535°С. Время нахождения при этой температуре для большого коммерческого слитка может составлять примерно 2-24 часа. Более длинный период времени, например, 48 часов или более, не оказывает непосредственного неблагоприятного эффекта на желаемые свойства, но является экономически непривлекательным. При использовании обычной печи промышленного масштаба скорость нагрева, как правило, находится в диапазоне 30-40°С/час.
Сплав подвергают горячей прокатке, чтобы уменьшить его толщину на по меньшей мере примерно 30% от его первоначальной толщины (до какой-либо горячей прокатки), предпочтительно - на примерно 50% или более, например, 60 или 65% или более от его толщины при использовании большой коммерческой исходной заготовки (например, с толщиной около 400 мм или более), используя реверсивный стан горячей прокатки, который прокатывает металл в направлении вперед и назад, за счет сжатия уменьшая его толщину. Таким образом, первоначальная горячая прокатка может быть выполнена в пошаговом режиме с использованием разных прокатных станов. Она также может включать традиционные процедуры подогрева при температуре около 500°С или на этом уровне между проходами прокатки, чтобы восполнить потерянное тепло.
После операции горячей прокатки изделие из сплава обрабатывают в холодном состоянии посредством первой операции холодной обработки давлением, выбираемой из группы, состоящей из (i) растягивания в диапазоне от 2 до 15% и (ii) холодной прокатки с обжатием в диапазоне от 4% до менее 45%.
После первой операции холодной обработки давлением имеет место вторая операция холодной обработки давлением, выбираемая из группы, состоящей из (i) растягивания в диапазоне примерно 2-15% и (ii) холодной прокатки с обжатием в диапазоне примерно от 4% до менее 45%.
Между первой и второй операциями холодной обработки давлением лист подвергают обработке отжигом при температуре менее 350°С, подходящей для улучшения обрабатываемости давлением, предпочтительно - при температуре 300°С или менее, а более предпочтительно - в диапазоне температур примерно от 220°С до 300°С. Время выдержки при температуре отжига, как правило, будет находиться в диапазоне от 10 минут до 10 часов.
Было обнаружено, что, если осуществляют только одну операцию холодной обработки давлением без какой-либо обработки отжигом, это приведет либо к слишком низкой прочности и сниженным баллистическим свойствам, либо к очень низкой формуемости.
В предпочтительном варианте реализации холодное растягивание при первой и второй операциях холодной обработки давлением состоит в растяжении в диапазоне примерно 4-15%, а предпочтительно - в диапазоне примерно 4-10%.
Растягивание определяется как постоянное удлинение в направлении растягивания, обычно в L-направлении листового изделия. Операцию растягивания предпочтительно осуществляют при производстве листовых изделий с сортаментом большей толщины, например, для листовых изделий, имеющих конечный сортамент 25 мм или более, а предпочтительно 38 мм или более. Было обнаружено, что операция холодного растягивания позволяет получить более однородные свойства по толщине листа по сравнению с операцией холодной прокатки.
Этапы холодной обработки давлением могут также осуществляться в комбинации, хотя и в менее предпочтительном режиме, например, путем выполнения операции холодной прокатки на 10% с последующей операцией растягивания на 8%.
Листовое изделие из алюминиевого сплава по изобретению можно сваривать при помощи всех обычных технологий сварки, таких как дуговая сварка металлическим электродом в среде инертного газа (MIG) и сварка трением с перемешиванием. После операции сварки нет необходимости в дополнительной термообработке с тем, чтобы получить максимальные свойства или восстановить некоторую потерю механических свойств, что является результатом подвода тепла во время операции сварки, и поэтому уменьшаются затраты при производстве бронированных транспортных средств. Алюминиевый лист может быть сварен с использованием обычной присадочной проволоки, такой как АА5183, либо с использованием модифицированной присадочной проволоки, имеющей более высокое содержание Мg и/или Мn.
Дополнительный аспект изобретения относится к способу применения изделия из алюминиевого сплава в качестве броневого листа в бронированном транспортном средстве, в частности, в военных транспортных средствах, таких как гусеничные боевые машины, бронированные автомобили для перевозки личного состава (бронетранспортеры), бронированные машины поддержки, машины для высадки морского десанта, усовершенствованные машины-амфибии для высадки морского десанта и роботизированные транспортные средства с вооружением. При применении в подобных бронированных транспортных средствах это будет некая разновидность сварной конструкции, такая что она образует целостную броню. В случае листа из алюминиевого сплава согласно этому изобретению возможен навесной броневой лист, но он не является наиболее предпочтительным вариантом применения.
На фиг.1 показано многоцелевое колесное транспортное средство 110 высокой мобильности с дополнительным бронированием армии США («HMMWV»). На Фиг.2 показано транспортное средство 120 Stryker. На Фиг.3 показано транспортное средство 130 Bradley М2/М3. Эти транспортные средства 110, 120, 130 могут быть модифицированы ввиду настоящего изобретения за счет наличия листов брони по настоящему изобретению, наложенных, например, при помощи сварки, на внешнюю поверхность или другие места транспортного средства, подходящие для броневой защиты. Броня является жизненно важной защитой от малокалиберного стрелкового оружия, реактивных противотанковых гранатометов (RPG или РПГ) и самодельных взрывных устройств (IED). Дополнительная информация о бронированных транспортных средствах доступна на веб-сайте Global Security.org, Александрия, штат Вирджиния,
http://www.globalsecurity.org/military/systems/ground/hmmwvua.htm, июль 2006.
Теперь изобретение будет проиллюстрировано со ссылкой на не ограничивающие варианты его реализации.
Примеры
Пример 1
В промышленном масштабе при помощи DC-литья было отлито несколько слитков толщиной 400 мм с составом в пределах диапазона АА5059, а именно, мас.%: 5,45% Мg, 0,81% Мn, 0,51% Zn, 0,14% Zr, 0,09% Si, 0,08% Fe, 0,03% Ti, остальное - алюминий и неизбежные примеси. Слитки были очищены от поверхностного слоя, затем предварительно нагреты в течение 8 часов при 510°С, затем подвергнуты горячей прокатке до сортамента от 28 до 57 мм, а затем в качестве первой операции холодной обработки давлением были подвергнуты холодному растягиванию на 6%, затем подвергнуты отжигу с выдержкой примерно 15 минут при примерно 250°С, а затем были подвергнуты холодному растягиванию на примерно 6% или холодной прокатке с обжатием примерно 7% в качестве второй операции холодной обработки давлением, приводящей к конечной толщине листа. Методика горячей прокатки была таковой, чтобы можно было варьировать вытяжку или обжатие при холодной обработке давлением с целью исследовать механические свойства как функцию конечной толщины листа. К холоднообработанным листам не применялась никакая последующая термообработка после последней операции холодной обработки давлением.
Механические свойства (условный предел текучести и предел прочности на растяжение) были измерены в соответствии со стандартом ASTM B557 в LT-направлении и L-направлении. Механические свойства приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Механические свойства - условный предел текучести, предел прочности на растяжение и относительное удлинение в LT- и L-направлениях как функция от величины толщины.
Толщина
L-направление
LT-направление
PS [МПа]
UTS
А [%]
PS [МПа]
UTS
А [%]
25,4
320
376
12
277
370
16
38,8
309
387
11,3
262
374
16,6
50,8
305
361
14
266
362
15
Из результатов, приведенных в Таблице 1, можно видеть, что уровни механических свойств изделия из сплава при его изготовлении в соответствии с данным изобретением демонстрируют сочетание значительно более высоких свойств и относительного удлинения по сравнению с аналогом АА5083-Н131. Типичное относительное удлинение для АА5083-Н131 аналогичной толщины составляет примерно 9% в L-направлении при условном пределе текучести 255 МПа и пределе прочности на растяжение 310 МПа, и примерно 9,5% в LT-направлении при условном пределе текучести 256 МПа и пределе прочности на растяжение 311 МПа.
Пример 2
Этот пример относится к листу из алюминиевого сплава сортамента 38,8 мм согласно данному изобретению, в частности, предпочтительному варианту сплава АА5059, изготовленному в соответствии с процессом и химическим составом Примера 1. Этот лист испытали на его баллистические свойства и сравнили с его аналогом - броневым листом из АА5083-Н131.
Были выполнены два баллистических испытания, а именно, испытание на пробивание брони пулями калибра 0,3 дюйма (7,62 мм) согласно MIL-DTL-46027J от сентября 1998 и 20-миллиметровыми снарядами, имитирующими разлет осколков, согласно MIL-DTL-46027J от сентября 1998. В обоих испытаниях определяли предел V50 в м/с. Предел V50 или значение v50 определяется как среднее арифметическое от 2 (3) самых низких скоростей метательного снаряда, обеспечивающих полное пробивание, и 2 (3) самых высоких его скоростей, обеспечивающих частичное пробивание. "2 (3)" означает "две из трех". Эти скорости должны попадать в пределы вилки 18,3 (27,4) м/с (MIL-DTL-46027J(MR)). Результаты приведены в Таблице 2.
Таблица 2
Предел V50 (в м/с) для сплава АА5059, обработанного согласно изобретению, против стандартного АА5083-Н131
Толщина
0,3 АРМ2
20 мм FSP
АА5083-Н131
АА5059
AA5083-H131
AA5059
Измерено
Улучшение
Измерено
Улучшение
38
716
750
5,1%
724
757
4,5%
Из результатов, приведенных в Таблице 2, можно видеть, что листовое изделие согласно этому изобретению демонстрирует в испытаниях обоих типов лучшие баллистические свойства по сравнению с его аналогом АА5083-Н131. В сочетании с более высоким относительным удлинением при разрыве, которое проиллюстрировано в приведенном выше Примере 1, это делает лист из сплава согласно данному изобретению очень привлекательным кандидатом для применения в качестве броневого листа.
Теперь, после того как изобретение полностью описано, средним специалистам в данной области техники будет понятно, что в него могут быть внесены многочисленные изменения и модификации без отклонения от сущности или объема изобретения, как описано здесь.