Броневая сталь

Броневая сталь

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к составам свариваемых сталей, используемых в бронезащитных конструкциях в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит.

Известна высокопрочная низколегированная сталь, закаливаемая на мартенсит, содержащая, мас.%:

Углерод	0,05-0,62
Марганец	0,42-0,82
Кремний	0,80-1,80
Хром	1,10-1,40
Молибден	0,15-0,60
Алюминий	0,02-0,15
Титан	0,02-0,12
Железо	Остальное.

Данная сталь может содержать до 0,24% никеля, или 1,65-2,0% никеля при содержании молибдена 0,35-0,60%, а также 1,1-1,8% кремния и дополнительно до 0,02% церия (Патент Российской Федерации №2031179, МПК C22C 38/28, C22C 38/34, C22C 38/50, 1995 г.).

Недостаток стали известного состава состоит в том, что она имеет низкую откольную стойкость при соударении с бронебойным сердечником пули. Это снижает ее бронестойкость.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является броневая сталь следующего состава, мас.%:

Углерод	0,29-0,38
Кремний	0,15-0,37
Марганец	0,30-0,60
Хром	1,2-2,0
Никель	1,2-2,20
Молибден	0,72-0,90
Ванадий	0,06-0,20
Алюминий	0,01-0,05
Азот	0,005-0,020
Медь	не более 0,50
Ниобий	не более 0,05
Сера	не более 0,012
Фосфор	не более 0,015
Железо	Остальное

(Патент Российской Федерации №2341583, МПК C22C 38/48, 2007 г.).

Недостатки броневой стали данного состава состоят в том, что при многократном соударении с высокопрочными бронебойными сердечниками пуль в ней возникают полосы адиабатического сдвига, интенсивно нарастают повреждения микроструктуры, которые приводят к разрушению броневой преграды. Это снижает бронестойкость стали.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении бронестойкости.

Для решения поставленной технической задачи броневая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, азот, медь и железо, она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,24-0,64
Кремний	0,4-1,9
Марганец	0,30-1,6
Хром	0,6-2,0
Никель	0,6-1,8
Молибден	0,10-0,40
Алюминий	0,01-0,15
Азот	0,001-0,020
Медь	0,05-0,35
Титан	0,01-0,15
Железо	Остальное

Кроме того, броневая сталь может дополнительно содержать кобальт в количестве 0,05-5,0%.

Сущность изобретения состоит в следующем. При соударении с высокопрочным пулевым сердечником в броневой преграде возникает и распространяется вглубь ударная волна, что сопровождается перемещением металла в направлении фронта возмущения и трансформацией его микроструктуры. После разгрузки импульса ударно-волнового воздействия происходит образование микротрещин в стали. Введение в состав предложенной стали 0,01-0,15% титана при регламентированном содержании остальных компонентов обеспечивает снижение объема металла, перемещаемого за фронтом ударной волны, вызывает искажение кристаллической решетки реечного мартенсита и появлению в ней дополнительной упрочняющей фазы - мартенсита деформации с ε-карбидной фазой титана.

Деформационное структурное упрочнение стали в результате ударно-волнового воздействия приводит к тому, что сердечник пули при соударении с броневой преградой разрушается на более мелкие фрагменты, чем обеспечивается ее непробитие.

Введение в сталь предложенного состава кобальта обеспечивает расширение температурного интервала устойчивого состояния мартенсита, за счет чего повышается живучесть бронеконструкции в целом.

Углерод упрочняет сталь. При концентрации углерода менее 0,24% не достигается требуемая прочность и твердость стали, а при его концентрации более 0,64% снижаются вязкость, пластичность и бронезащитные свойства закаленной стали. Кроме того, при концентрации углерода более 0,64% не исключается коробление и поводки при сварке деталей броневой преграды.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость. Он упрочняет сталь без образования карбидов и нитридов, повышает устойчивость мартенсита при локальном нагреве в месте соударения с пулевым сердечником. При концентрации кремния менее 0,4% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 1,9% снижается ее пластичность и вязкость, а также свариваемость.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,30% прочность и твердость стали недостаточны. Увеличение содержания марганца более 1,60% приводит к снижению ударной вязкости закаленной стали.

Хром повышает прочность, вязкость и бронестойкость стали. При его концентрации менее 0,6% прочность и вязкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 2,0% приводит к потере пластичности.

Никель способствует повышению пластичности и вязкости закаленной стали, но при его содержании более 1,8% повышается содержание остаточного аустенита в стали и ухудшается бронестойкость. Снижение содержания никеля менее 0,6% приводит к потере пластичности и ударной вязкости.

Молибден образует мелкодисперсные карбиды, благоприятно изменяет распределение вредных примесей, уменьшая их концентрацию по границам зерен, повышает прочность и вязкость стали, обусловливает мелкозернистость микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,10% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,40% ухудшает свариваемость и пластичность закаленной стали.

Алюминий дораскисляет сталь, способствует измельчению микрострктуры, повышению работы удара и бронестойкости стали. При содержании алюминия менее 0,01% его присутствие не сказывается на повышении функциональных свойств стали. Увеличение концентрации алюминия более 0,15% ведет к графитизации стали, снижению броневой стойкости.

Влияние азота в данной стали подобно влиянию углерода, но азот, упрочняя сталь, не вызывает снижения ударной вязкости. При содержании азота менее 0,001% сталь имеет недостаточную прочность. Увеличение его концентрации более 0,020% ведет к потере пластичности и снижению откольной стойкости.

Медь повышает теплостойкость стали при локальном тепловыделении в месте соударения с бронебойным сердечником. При концентрации меди менее 0,5% имеет место локальное снижение прочностных свойств и бронестойкости стали. Увеличение концентрации меди более 0,35% снижает ударную вязкость и свариваемость закаленной стали, что недопустимо.

Титан оказывает существенное влияние на сопротивление пробитию и эволюцию микроструктуры в месте соударения. При содержании титана в стали предложенного состава менее 0,01%) циклические соударения при обстреле ведут к накоплению повреждений и разрушению броневой преграды. Увеличение концентрации титана более 0,15% нежелательно, так как уменьшает дессипацию кинетической энергии при соударении с броневым сердечником, что увеличивает вероятность пробития броневой преграды.

Введение в сталь кобальта способствует повышениют бронестойкость стали при повышенных температурах, обусловленных как прямым термическим влиянием, так и адиабатическим нагревом, возникающим при соударении сердечника пули с броневой преградой. При снижении содержания кобальта менее 0,05% ухудшается бронестойкость стали при нагреве. Увеличение концентрации кобальта более 5,0% снижает ударную вязкость, способствует разрушению стальной броневой преграды при ударно-волновом деформировании и снижению бронестойкости.

Стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. Выплавленную сталь в ковше раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррохромом, ферромолибденом, ферротитаном, ферроазотом, вводили металлические никель, медь, алюминий, кобальт. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.1.

Сталь 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 5,0 до 12,0 мм.

Таблица 1
Состав броневых сталей
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Al	N	Cu	Ti	Co	Fe
1	0,23	0,3	0,2	0,5	0,5	0,09	0,009	0,0009	0,04	0,009	--	Ост.
2	0,24	0,4	0,3	0,6	0,6	0,10	0,010	0,001	0,05	0,010	--	-:-
3	0,44	1,2	0,9	1,3	1,2	0,25	0,080	0,010	0,20	0,050	--	-:-
4	0,64	1,9	1,6	2,0	1,8	0,40	0,150	0,020	0,35	0,100	--	-:-
5	0,65	2,0	1,7	2,1	1,9	0,50	0,160	0,022	0,36	0,110	--	-:-
6	0,23	0,8	0,5	0,5	0,8	0,20	0,050	0,001	0,10	0,011	0,04	-:-
7	0,45	1,1	0,8	1,2	1,3	0,24	0,070	0,011	0,18	0,060	0,05	-:-
8	0,50	1,5	1,5	1,4	1,5	0,28	0,090	0,013	0,28	0,090	2,25	-:-
9	0,63	1,8	1,5	1,9	1,7	0,38	0,140	0,019	0,34	0,095	5,00	-:-
10	0,66	2,1	1,7	2,1	1,9	0,42	0,170	0,021	0,37	0,012	5,20	-:-
11	0,30	0,3	0,4	1,6	1,5	0,80	0,030	0,014	0,45	--	--	-:-

Листовую сталь с различными составами подвергали незамедлительной закалке водой с прокатного нагрева от температуры 840°C. Закаленную сталь составов №1-5 и 11 отпускали при температуре 250°C, а составов №6-10 отпускали при температуре 450°C. Время выдержки в обоих случаях составляло 3 ч.

После охлаждения от листовой стали отбирали пробы и производили испытания механических свойств, а также бронестойкости. Бронестойкость оценивали по минимальной толщине H (мм) непробития пластин при обстреле из снайперской винтовки Драгунова бронебойными пулями типа Б-32 калибра 7,62 мм с расстояния 100 м. В таблице 2 приведены результаты испытаний свойств горячекатаной листовой стали.

Таблица 2
Механические свойства и бронестойкость листовых сталей
№ состава	HRC, ед.	σв, МПа	σт, МПа	δ5, %	KCU, МДж/см2	H, мм
1	55	1610	1430	9,5	38	11,0
2	60	1800	1700	16	48	6,5
3	61	1820	1700	17	50	6,0
4	60	1830	1750	16	49	6,5
5	53	1730	1680	9,2	36	12,0
6	56	1650	1530	9,5	37	11,0
7	60	1820	1710	17	50	6,3
8	62	1830	1720	17	50	6,0
9	61	1830	1730	17	50	6,3
10	57	1680	1690	9,8	39	10,0
11	56	1510	1320	9,7	38	12,0

Из таблиц 1 и 2 следует, что предложенная сталь (составы №2-4, 7-9), имеет наиболее высокую бронестойкость: минимальная толщина листа, выдерживающая стандартные баллистикоударные испытания, составляла H=6,0-6,5 мм.

При запредельных содержаниях химических элементов в сталях (составы №1, №5, №6, №10), а также при использовании стали-прототипа (состав 11) механические и бронезащитные свойства горячекатаных закаленных листов снижаются, значение Н возрастает до 10-12 мм.

Технико-экономические преимущества предложенной броневой стали состоят в том, что введение в ее состав 0,01-0,10% титана при регламентированной концентрации всех остальных элементов обеспечивает в процессе закалки полное превращение аустенита в мартенсит, уменьшение количества включений перлитной фазы, повышение бронестойкости. Дополнительное введение в сталь кобальта в количестве 0,05-5,0% повышает температурную стабильность мартенсита, сталь сохраняет высокие функциональные свойства даже при более высоких температурах отпуска, что также способствует повышению бронестойкости стали и живучести броневой конструкции.

В качестве базового объекта принята сталь-прототип. Использование предложенной стали позволит как повысить эффективность бронезащитных конструкций в целом на 8-10%, так и снизить их толщину и массу при сохранении бронезащитных свойств.

1. Броневая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, азот, медь и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,24-0,64
Кремний	0,4-1,9
Марганец	0,30-1,6
Хром	0,6-2,0
Никель	0,6-1,8
Молибден	0,10-0,40
Алюминий	0,01-0,15
Азот	0,001-0,020
Медь	0,05-0,35
Титан	0,01-0,15
Железо	Остальное

2. Броневая сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт в количестве 0,05-5,0 мас.%.