СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНЫХ МОНОЛИСТОВЫХ БРОНЕЭЛЕМЕНТОВ Б 100 СТ Российский патент 1999 года по МПК C21D9/42 F41H1/02 F41H5/02 

Изобретение относится к металлургическому производству высокопрочных сталей, их деформационно-термическому переделу и может быть использовано для изготовления стальных бронеэлементов для средств броневой защиты людей, техники и сооружений против поражения баллистическими телами высокой кинетической энергии (пуль, снарядов, осколков и т.п.), в частности, для средств индивидуальной бронезащиты (бронеодежда и т.п.), техники (бронирование автомобилей и т.п.).

Известен способ производства стальных бронеэлементов, включающий горячую прокатку стального листа при 1020-700^oC, охлаждение на воздухе, отжиг, механическую обработку, холодную штамповку, закалку, отпуск при температуре 200^oC [1].

Недостаток указанного способа - низкая противопульная стойкость стальных бронеэлементов по отношению к 5,45-мм автоматному патрону 7H6 с пулей со стальным термоупрочненным сердечником при обстреле с дистанции 25-50 м. При толщине бронеэлементов не менее 5,7 мм дистанция 100% непробития составляет более 150 м.

Наиболее близким техническим решением является решение, согласно которому способ изготовления стальных бронеэлементов для средств индивидуальной защиты включает горячую прокатку, отжиг с использованием тепла прокатного нагрева, охлаждение, механическую обработку, холодное формообразование, закалку, отпуск [2].

Однако, недостатком способа по прототипу является сравнительно большая толщина стальных бронеэлементов - около 5 мм. Так, для обеспечения 100% непробития с дистанции 50 м при скорости соударения 845-855 м/с и направлении по нормали при обстреле пулями со стальными термоупрочненными сердечниками 5,45-мм автоматного патрона 7H6 требуются стальные бронеэлементы толщиной не менее 4,6 мм. Указанный способ не обеспечивает получение бронеэлементов, стойких против пуль больших калибров.

Изобретение направлено на повышение стойкости стальных монолистовых бронеэлементов против поражения пулями со стальными сердечниками, в том числе термоупрочненными, калибров: 5,45-мм автоматных патронов, 7,62-мм автоматных, винтовочных и пулеметных патронов, 12,7-мм крупнокалиберных пулеметных патронов. В частности, при обстреле по нормали с характерных дальностей 5,45-мм и 12,7-мм пулями при отсутствии разрушений и достаточной живучести толщина стальных бронеэлементов должна быть не более 4,5 мм и 15 мм соответственно.

Это достигается тем, что способ изготовления стальных монолистовых бронеэлементов Б100СТ включает горячую прокатку, отжиг с использованием тепла прокатного нагрева, охлаждение, формообразование, закалку и отпуск.

Отличием от прототипа является то, что для изготовления бронеэлементов выбирают легированную сталь с суммарным содержанием углерода и азота в процентных долях по массе от 0,45% до 1,05%, которое в зависимости от толщины изготавливаемых бронеэлементов определяют из соотношения C = 0,45 + 0,03 A (%), где C - суммарное содержание углерода и азота, %; A - толщина изготавливаемых бронеэлементов в интервале 0,5 - 20,5 мм,
расплав стали выбранного состава подвергают затвердеванию со скоростью не менее 1 мм/с, получая литые заготовки бронеэлементов, ширина 2-х граней которых находится в пределах от 40 до 200 мм, а длина в 1,5-2 раза больше их минимальной ширины, литые заготовки с температурой не ниже 900^oC незамедлительно нагревают до температуры начала ковки и куют с величиной деформации по двум взаимно-перпендикулярным граням не менее 40%, получая удлиненные поковки прямоугольного сечения, которые разделяют по длине на промежуточные поковки длиной в 1,5-2 раза больше их поперечных линейных размеров, промежуточные поковки незамедлительно подвергают диффузионному отжигу, после чего их продолжают ковать, деформируя сначала на 30-50% в направлении их наибольшего размера, затем в трех взаимно-перпендикулярных направлениях не менее чем на 50-60%, получая кованые листовые заготовки толщиной от 30 до 120 мм и длиной не менее чем в 2 раза большей их ширины, которые незамедлительно подвергают ускоренному отжигу с ковочного нагрева в интервале температур от Ar₁ - 50^oC до Ar₁ - 100^oC в течение не менее одного часа, после чего кованые ускоренно-отожженные листовые заготовки подвергают промежуточному охлаждению до температуры окружающей среды, в данном случае до температуры цеха, промежуточной механической обработке для удаления поверхностного слоя толщиной не менее 1,5 мм и горячей прокатке в интервале температур от Ar₃ + 120^oC до Ar₃ + 40^oC, чередуя пропуски в продольном и поперечном направлениях до получения катаных листовых заготовок заданных размеров, после чего последние незамедлительно подвергают ускоренному отжигу с прокатного нагрева в интервале температур от Ar₁ - 50^oC до Ar₁ - 100^oC в течение не менее одного часа, катаные ускоренно-отожженные листовые заготовки охлаждают до температуры чистовой прокатки, которую ведут с суммарным обжатием 1-5%, после чистовой прокатки проводят формообразование заготовок бронеэлементов, которые подвергают закалке с охлаждением до температуры в интервале от 100 до -90^oC, отпуску при одной из температур в интервале 100-250^oC и заключительной механической обработке поверхности.

Бронеэлементы изготавливают из легированной стали следующего состава, 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
Бронеэлементы изготавливают из легированной стали с содержанием азота до 0,2%, в том числе.

Все технологические операции обработки стали давлением и отжигом осуществляют по принципу деформационно-термического передела - максимального совмещения выполнения в одном тепловом цикле последовательных операций: затвердевания стали и ковки; ковки и диффузионного отжига; ковки и ускоренного последеформационного отжига; горячей прокатки и ускоренного последеформационного отжига; горячей прокатки, ускоренного последеформационного отжига и чистовой прокатки.

Технический результат при изготовлении стальных монолистовых бронеэлементов по заявляемому способу достигается путем расчета суммарного содержания углерода и азота по экспериментально установленному соотношению, подбора состава стали по остальным компонентам, проведением и режимами ее затвердевания и деформационно-термической обработки. Это обеспечивает создание как в литых заготовках, так и в кованых листовых, кованых ускоренно-отожженных листовых заготовках, а также в катаных листовых, катаных ускоренно-отожженных листовых заготовках и в заготовках бронеэлементов микроструктуры стали с ультрамелким и равномерным зерном, дисперсными карбонитридными частицами, что обуславливает при заключительной закалке и отпуске перевод максимального количества легирующих элементов углерода и азота в твердый раствор стали в бронеэлементах и минимальное их количество в связанном состоянии в виде карбонитридных частиц, охрупчивающих сталь при ударных баллистических нагрузках бронеэлементов.

Созданная по заявленному способу микроструктура низкоотпущенного мартенсита наиболее благоприятно обуславливает повышение твердости стали в бронеэлементах при сохранении на достаточном уровне вязкопластических свойств.

Готовые бронеэлементы в широком интервале толщины от 0,5 до 20,5 мм обладают твердостью от 58 до 63 единиц HRC при удовлетворительных характеристиках пластичности, ударной вязкости и сопротивления хрупкому разрушению.

Пример 1. Для изготовления стальных монолистовых бронеэлементов толщиной A = 4,4 мм для оснащения бронежилетов была выбрана легированная сталь, для которой из соотношения, полученного экспериментальным путем (C = 0,45 + 0,03 A), определено суммарное содержание углерода и азота в зависимости от толщины бронеэлемента - 0,58%.

Содержание остальных элементов в химическом составе стали было определено соответственно равным, мас.%:
Кремний - 0,72
Марганец - 0,68
Хром - 1,6
Никель - 1,2
Молибден - 0,5
Сера + фосфор - ≤0,010
Железо - Остальное
Для получения литых заготовок бронеэлементов жидкую сталь разливали в изложницы вместимостью 25 кг и обеспечивали скорость затвердевания стали около 1,5 мм/с.

Литые заготовки бронеэлементов имели среднее поперечное сечение с линейными размерами 110 х 110 мм.

Прервав охлаждение литых заготовок при температуре не ниже 900^oC, их незамедлительно помещали в печь и нагревали до температуры начала ковки 1150^oC, затем ковали на гидравлическом молоте. Полученные удлиненные поковки с поперечным сечением 60 х 60 мм разрубали поперек на промежуточные поковки длиной 130-140 мм, которые незамедлительно подвергали диффузионному отжигу, для чего их помещали в печь при температуре 1100^oC. После выдержки при этой температуре в течение 2 часов продолжали ковку промежуточных поковок деформированием сначала осадкой на 60% по наибольшему размеру (130-140 мм), а затем - деформированием в 3-х взаимно перпендикулярных направлениях с получением кованых листовых заготовок толщиной 33 мм, шириной 90 мм и длиной 170 мм. Эти заготовки незамедлительно подвергали ускоренному отжигу с ковочного нагрева, для чего помещали их в печь при температуре 650^oC, где выдерживали 2,5 часа.

Затем кованые ускоренно-отоженные листовые заготовки охлаждали на воздухе до температуры цеха и подвергали промежуточной механической обработке, зачищая абразивными кругами 100% поверхности их широких граней, снимая слой с каждой грани в 1,5 мм с целью устранения поверхностных дефектов.

Кованые ускоренно-отожженные листовые заготовки нагревали до температуры горячей прокатки 1000^oC, прокатывали на листовом двухвалковом стане "400", чередуя пропуски в продольном и поперечном направлениях. Получив катаные листовые заготовки номинальной толщиной 4,5 мм с допуском + 0,1 мм, шириной 250 мм и длиной около 400 мм, их незамедлительно подвергали ускоренному отжигу с прокатного нагрева, для чего катаные листовые заготовки переносили в печь при температуре 650^oC, где выдерживали 2,5 часа. Полученные катаные ускоренно-отожженные листовые заготовки охлаждали до температуры около 200^oC и подвергали чистовой прокатке на листовом четырехвалковом стане "400" до номинальной толщины 4,4 мм, после чего охлаждали на воздухе до температуры цеха.

Из листов после чистовой прокатки изготавливали заготовки, соответствующие своей формой готовым бронеэлемента согласно требованиям нормативно-технической документации на бронежилеты. Формообразование заготовок бронеэлементов осуществляли резкой листов электрической пилой, гибкой на гидравлическом прессе и закруглением кромок абразивной обработкой.

После формообразования заготовки бронеэлементов закаливали от температуры 890^oC в масле с переносом сначала в соленую воду, затем в сухой лед. После этого заготовки бронеэлементов незамедлительно подвергали отпуску при температуре 190^oC в течение 30 минут.

Термообработанные заготовки бронеэлементов подвергали заключительной механической дробеструйной обработке с контролем упрочнения их поверхности наклепом, после чего проводили контрольные измерения твердости изготовленных бронеэлементов согласно нормативно-технической документации. На поверхность каждого бронеэлемента наносили декоративно-защитное покрытие.

Полученные таким способом стальные монолистовые бронеэлементы толщиной 4,4 мм (против толщины 4,6 мм по прототипу) выдерживали без разрушения обстрел по нормали с расстояния 50 м тремя 5,45-мм пулями со стальными термоупрочненными сердечниками автоматного патрона 7H6 при скорости соударения до 860 м/с.

Пример 2. Для изготовления стальных монолистовых бронеэлементов номинальной толщиной A = 15 мм для легкобронированной техники была выбрана легированная сталь, для которой из соотношения, полученного экспериментальным путем (C = 0,45 + 0,03A), было определено суммарное содержание углерода и азота. Оно составило 0,9%.

Содержание остальных компонентов стали в мас.% было выбрано следующим:
Кремний - 0,8
Марганец - 0,7
Хром - 2,4
Никель - 1,5
Молибден - 0,6
Сера + фосфор - Менее 0,010
Железо - Остальное.

Пример 2 осуществления способа изготовления стальных монолистовых бронеэлементов по последовательности и температурно- временным режимам основных технологических операций аналогичен примеру 1, за исключением: литые заготовки бронеэлементов получали массой в 50 кг с размерами поперечного сечения 150 х 150 мм, ковали их с получением промежуточных поковок сечением 90 х 90 мм и длиной 180 мм и ускоренно-отожженных кованых листовых заготовок толщиной 95 мм, шириной 100 мм и длиной около 150 мм, катаные листовые заготовки получали номинальной толщиной 15 мм и форматом несколько большим, чем 300 х 300 мм, а заготовки бронеэлементов после обрезки на гильотинных ножницах имели прямоугольную конфигурацию, соответствующую конфигурации готовых бронеэлементов.

Баллистические испытания показали, что изготовленные способом по примеру 2 стальные монолистовые бронеэлементы толщиной 15 мм выдерживают без разрушения обстрел по нормали с расстояния 100 м 12,7-мм бронебойно-зажигательными пулями Б-32 по сравнению с броней толщиной 20 мм, изготавливаемой по традиционной технологии.

Изменение соотношения компонентов стали, скорости ее затвердевания в сторону повышения - технологически трудно осуществимо, а в сторону понижения - недопустимо из-за огрубления литой структуры стали. Отклонения от технологической схемы ковки и сочетания ее с отжигами, от их температуры, как и отклонение от технологической схемы прокатки в сочетании с ускоренным отжигом и их режимами, нарушение режима чистовой прокатки неизбежно вызывают огрубление микроструктуры стали и частиц карбонитридной фазы в отожженном состоянии, что ухудшает эффективность закалки по достижению сочетания высокой твердости (более 59 единиц HRC) с удовлетворительной пластичностью и вязкостью.

Отклонения от технологических схем и режимов закалки и отпуска укрупняют зеренную структуру, увеличивают долю остаточного аустенита в стали в готовых бронеэлементах, что снижает их твердость и ударную вязкость и, в итоге, бронестойкость при поражении стрелковым оружием.

Заявляемый способ отличается высокой технологичностью и ресурсосбережением, поскольку сквозная технология по его параметрам осуществляется практически с полным совмещением в едином тепловом цикле смежных операций обработки давлением - термической обработки.

Заявляемый способ, по сравнению с известными, обеспечивает снижение массы стальных монолистовых бронеэлементов толщиной в интервале от 0,5 до 20,5 мм не менее чем на 10% для толщин, близких к середине интервала, и не менее чем на 20% для толщин, близких к верхнему пределу указанного интервала.

Изготавливаемым по заявляемому способу стальным монолистовым бронеэлементам авторами дано специальное наименование - "Б100СТ".

Источники информации:
1. Элементы. Технические условия АДУ 14.39.00.00 T1, ВТИ21-ВО. - М.: 1989.

2. Патент РФ N 2015491, F 41 H 5/04, 30.06.94.1

Изобретение относится к металлургическому производству высокопрочных сталей и может быть использовано для изготовления бронеэлементов для средств броневой защиты людей, техники и сооружений. Для изготовления бронеэлементов выбирают легированную сталь с суммарным содержанием углерода и азота 0,45 - 1, 05 мас.%, которое определяют из соотношения С = 0,45 + 0,03А (%), где С - суммарное содержание углерода и азота, А - толщина бронеэлементов в интервале 0,5-20,5 мм. Расплав стали выбранного состава подвергают затвердеванию со скоростью не менее 1 мм/с. Литые заготовки с температуры не ниже 900°С нагревают до температуры начала ковки и куют с величиной деформации не менее 40% по двум взаимно перпендикулярным граням, проводят диффузионный отжиг и продолжают ковать, деформируя заготовки сначала на 30-50%, затем в трех взаимно перпендикулярных направлениях не менее чем на 50 -60%, затем проводят отжиг с ковочного нагрева в интервале температур от Аr₁ - 50°С до Аr₁ - 100°С и промежуточное охлаждение до температуры цеха, промежуточную механическую обработку, горячую прокатку проводят в интервале температур от Аr₃+120°С до Аr₃+40°С, чередуя прокатку в продольном и поперечном направлениях, затем проводят отжиг с прокатного нагрева в интервале температур от Аr₁- 50°С до Аr₁ -100°С, охлаждают до температуры чистовой прокатки, которую ведут с суммарным обжатием 1-5%, а после формообразования заготовок бронеэлементов их подвергают закалке с охлаждением до температуры в интервале от 100 до -90°С и отпуску при температуре 100 - 250°С. Техническим результатом изобретения является повышение стойкости бронеэлементов против поражения пулями со стальными сердечниками. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления стальных монолистовых бронеэлементов, включающий горячую прокатку, отжиг с использованием тепла прокатного нагрева, охлаждение, формообразование, закалку и отпуск, отличающийся тем, что для изготовления бронеэлементов выбирают легированную сталь с суммарным содержанием углерода и азота 0,45 - 1,05 мас.%, которое определяют из соотношения С = 0,45 + 0,03А (%), где С - суммарное содержание углерода и азота, (%); А - толщина бронеэлементов в интервале 0,5 - 20,5 мм; расплав стали выбранного состава подвергают затвердеванию со скоростью не менее 1 мм/с, полученные литые заготовки с температурой не ниже 900^oС нагревают до температуры начала ковки и куют с величиной деформации не менее 40% по двум взаимно перпендикулярным граням, проводят диффузионный отжиг и продолжают ковать, деформируя заготовки сначала на 30 - 50% в направлении их наибольшего размера, затем в трех взаимно перпендикулярных направлениях не менее чем на 50 - 60%, затем проводят отжиг с ковочного нагрева в интервале температур от Ar₁ - 50^oC до Ar₁ - 100^oС в течение не менее 1 ч, после чего проводят промежуточное охлаждение до температуры цеха, промежуточную механическую обработку для удаления поверхностного слоя, горячую прокатку проводят в интервале температур от Ar₃ + 120^oС до Ar₃ + 40^oС, чередуя прокатку в продольном и поперечном направлениях, проводят отжиг с прокатного нагрева в интервале температур от Ar₁ - 50^oC до Ar₁ - 100^oС в течение не менее 1 ч, охлаждают до температуры чистовой прокатки, которую ведут с суммарным обжатием 1 - 5%, а после формообразования заготовок бронеэлементов их подвергают закалке с охлаждением до температуры в интервале от 100 до -90^oС и отпуску при 100 - 250^oС. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что литые заготовки бронеэлементов получают длиной в 1,5 - 2,0 раза больше их минимального поперечного линейного размера, а после ковки с величиной деформации не менее 40% по двум взаимно перпендикулярным граням получают заготовки в виде удаленных поковок прямоугольного сечения, которые разделяют по длине на промежуточные поковки длиной в 1,5 - 2,0 раза больше их поперечных линейных размеров, промежуточные поковки продолжают ковать, получая кованные листовые заготовки длиной, не менее чем в два раза большей их ширины. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что бронеэлементы изготавливают из легированной стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, 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
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что бронеэлементы изготавливают из легированной стали с содержанием азота до 0,2 мас.%. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после отпуска проводят заключительную механическую обработку поверхности бронеэлементов.