БРОНЕВАЯ СТАЛЬ Российский патент 2012 года по МПК C22C38/14 C22C38/50 

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. σ_в, МПа σ_т, 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.

Изобретение относится к составам свариваемых сталей, используемых в бронезащитных конструкциях в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит. Броневая сталь содержит, мас.%: 0,24-0,64 C; 0,4-1,9 Si; 0,3-1,6 Mn; 0,6-2,0 Cr; 0,6-1,8 Ni; 0,10-0,40 Mo; 0,01-0,15 Al; 0,001-0,020 N; 0,05-0,35 Cu; 0,01-0,15 Ti; остальное Fe. Кроме того, броневая сталь может дополнительно содержать 0,05-5,0 мас.% Co. Сталь предложенного состава обладает повышенной бронестойкостью. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

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.%.