СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ СВАРИВАЕМОЙ БРОНИ Российский патент 2009 года по МПК C22C21/10 

Изобретение относится к металлургии алюминиевых сплавов, а именно к металлургии свариваемых сплавов системы алюминий-цинк-магний (Al-Zn-Mg), и может найти применение при изготовлении брони для защиты механизированных броненесущих и бронекорпусных объектов от воздействия средств поражения (осколки гранат, минный подрыв, пуля, снаряд и др.).

Известны сплавы системы Al-Zn-Mg, например 7039, 7020 и др., обладающие высокой прочностью и свариваемостью, которые за рубежом широко используют в конструкциях изделий двойного назначения. Известные сплавы в качестве основных легирующих элементов содержат цинк и магний, а в качестве дополнительных легирующих элементов - переходные элементы: марганец, хром, титан, цирконий. Данные сплавы в качестве неизбежных примесей также содержат железо, кремний, медь и другие элементы (Елагин В.И., Захаров В.В., Дриц A.M. «Структура и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg», M., Металлургия, 1982).

Известен отечественный алюминиевый сплав системы Al-Zn-Mg - 1903, который содержит следующие компоненты, мас.%: цинк 4,7-5,3; магний 2,1-2,6; марганец 0,05-0,15; хром 0,12-0,25; титан 0,03-0,10; цирконий 0,07-0,12; бериллий 0,0002-0,005; железо ≤0,35; кремний ≤0,25; медь ≤0,2; примеси в сумме ≤0,1, Al - остальное (ОСТ 1-92014-90).

Из свариваемых сплавов системы Al-Zn-Mg, исходя из химического состава и прочностных свойств, для изготовления броневых сварных конструкций помимо указанного сплава 1903 также могут быть использованы сплавы 1901 и 1915.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является сплав 1931А для свариваемой брони, содержащий следующие компоненты, мас.%: цинк 6,4-7,2; магний 2,6-3,2; марганец 0,07-0,14; хром 0,15-0,25; титан 0,03-0,10; цирконий 0,07-0,12; примеси; Al - остальное (RU 2044098, МПК С22С 21/10, 20.09.1995, реферат, ТУ 1-3-004-97 от 1997 г. Плиты слоистые на основе алюминия).

Прочность известных сплавов и, соответственно, бронестойкость изготовленной с их использованием «гомогенной» (выполненной из металла одного химического состава) или слоистой (выполненной из двух и более слоев металла разного химического состава) брони, например, в виде плиты возрастает с увеличением суммарного содержания основных легирующих компонентов: цинка и магния, которое в известных сплавах ограничено 6,4-9,2 мас.%.

Однако дальнейшее повышение прочностных свойств алюминиевых сплавов за счет повышения уровня легирования не приводит к росту защитных свойств броневой плиты из-за тыльных отколов (осколков металла на тыльной стороне брони), образующихся при интенсивных динамических нагрузках (воздействие средств поражения), вследствие недостатка пластичности сплавов. В слоистой броневой плите этот недостаток исключается подбором материала каждого слоя и толщиной слоев, обеспечивающих требуемый уровень пластичности и прочности броневой плиты.

Кроме того, сварные конструкции брони из известных сплавов системы Al-Zn-Mg имеют значительный недостаток: повышенную склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением при повышенной коррозионной агрессивности среды. Это явление связано с высоким суммарным содержанием цинка и магния в известных сплавах. Сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением характеризуется уровнем безопасных напряжений σ_кр, который для основного металла сплава 1903 с суммарным средним содержанием цинка и магния 7,2 мас.% составляет ≤100 МПа, а для сварного шва - ≤75 МПа. В сплаве на основе алюминия, выбранного в качестве ближайшего аналога, суммарное среднее содержание цинка и магния еще выше. Поэтому он используется только для изготовления срединных слоев в составе слоистой брони, которые не должны иметь контакта с агрессивной средой. Однако при изготовлении сварной конструкции слоистой брони, ввиду необходимости удаления внешнего коррозионностойкого слоя, избежать контакта срединных слоев с агрессивной средой невозможно.

Концентраторы напряжений конструкционного и технологического происхождения (как правило, неконтролируемые) и остаточные напряжения (сварочные, монтажные и т.д.) при эксплуатации сварной конструкции в коррозионно-агрессивных средах являются источником зарождения трещин. Для сварных конструкций брони, например брони бронекорпусной техники, характерно постоянное воздействие остаточных напряжений в сочетании с кратковременными напряжениями высокой интенсивности.

В условиях воздействия среднеагрессивных сред эксплуатационные напряжения высокой интенсивности в сочетании с концентраторами напряжений и остаточными напряжениями значительно ускоряют появление и развитие коррозионных трещин, что приводит к преждевременному разрушению узлов сварной конструкции брони.

Исходя из вышесказанного следует, что наряду с основным показателем - бронестойкостью сопротивление коррозионному растрескиванию даже в малоагрессивных средах является одной из важнейших характеристик сварных броневых конструкций из алюминиевых сплавов, определяющих их живучесть.

Целью изобретения и его техническим результатом является создание сплава на основе алюминия для свариваемой брони из «гомогенных» или слоистых плит, который обеспечивает как повышение бронестойкости, так и повышение уровня безопасных напряжений - σ_кр (сопротивления коррозионному растрескиванию) как самого сплава, так и его сварных соединений при эксплуатации брони в агрессивных средах.

Сущностью изобретения является сплав на основе алюминия для свариваемой брони, который при суммарном содержании цинка и магния 6,4-7,4 мас.% и отношении содержания цинка к содержанию магния 2,57-3,67 содержит цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, медь, железо, кремний и примеси 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.

Повышение стойкости сплава по изобретению к коррозионному растрескиванию обеспечивается суммарным содержании цинка и магния 6,4-7,4 мас.%, отношением в количестве содержания цинка к содержанию магния 2,57-3,67, введением меди как легирующего компонента в количестве 0,10-0,20 мас.% и наличием в сплаве железа и кремния, а также повышением содержанием марганца до 0,5 мас.%, причем заявленное содержание марганца способствует повышению бронестойкости сплава. Для получения сплава по изобретению используется стандартная технология изготовления полуфабрикатов из сплавов системы Al-Zn-Mg.

Для оценки сравнительных уровня бронестойкости и уровня безопасных напряжений σ_кр были изготовлены броневые плиты («гомогенные» и слоистые) толщиной 20-40 мм и листы толщиной 3 мм. Плиты использовали для определения бронестойкости и механических свойств (в состоянии Т1), а листы - для определения σ_кр сплавов и сварных соединений из них.

Анализ результатов испытаний показал, что механические свойства сплавов 1903, 1931А и сплава по изобретению практически равны.

Обстрел броневых плит пулями калибра 7,62 и 12,7 мм показал, что при равных толщинах плит при углах обстрела более 60° бронестойкость плит из сплава по изобретению на 5-7% выше бронестойкости плит из известных сплавов.

Исследования сопротивления коррозионному растрескиванию сварных соединений проводили методом переменного погружения в раствор хлорида натрия при растяжении на установке «Сигнал». Образцы сплавов в состоянии Т1 сваривали проволокой св. АМГ6. После сварки образцы термообработке не подвергали. Уровнем безопасных напряжений σ_кр принимали уровень напряжений, при котором в испытуемых образцах не появлялись трещины в течение всего времени испытаний. Проведенные сравнительные испытания показали, что уровень безопасных напряжений σ_кр для известных сплавов составил 100 МПа, а для их сварного соединения - 75 МПа. Для сплава по изобретению уровень безопасных напряжений σ_кр составил 250 МПа, а для его сварного соединения - 160 МПа.

Таким образом, использование сплава по изобретению позволяет более чем в 2 раза повысить уровень безопасных напряжений в сварной «гомогенной» и слоистой броне, а также увеличить ее бронестойкость, что повышает эксплуатационную надежность брони броненесущих и бронекорпусных объектов, особенно при эксплуатации в регионах с повышенной коррозионной активностью окружающей среды.

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе алюминия, а именно к металлургии свариваемых сплавов системы алюминий-цинк-магний, и может найти применение при изготовлении брони для защиты механизированных броненесущих и бронекорпусных объектов от воздействия средств поражения - осколков гранат, минного подрыва, пуль, снарядов и др. Сплав на основе алюминия содержит суммарное содержание цинка и магния 6,4-7,4 мас.% и отношение содержания цинка к содержанию магния 2,57-3,67 при следующем соотношении компонентов, 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, примеси ≤0,1, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является создание сплава на основе алюминия для свариваемой брони из гомогенных или слоистых плит, который обеспечивает как повышение бронестойкости, так и повышение сопротивления коррозионному растрескиванию как самого сплава, так и его сварных соединений при эксплуатации брони в агрессивных средах.

Сплав на основе алюминия для свариваемой брони, содержащий цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий и примеси, отличающийся тем, что при суммарном содержании цинка и магния 6,4-7,4 мас.% и отношении содержания цинка к содержанию магния 2,57-3,67 он дополнительно содержит медь, железо, кремний при следующем соотношении, мас.%:

цинк4,9-5,5магний1,5-1,9марганец0,2-0,5хром0,15-0,25титан0,03-0,10цирконий0,07-0,12медь0,10-0,20железо≤0,35кремний≤0,25примеси≤0,1алюминийостальное