ВЫСОКОПРОЧНАЯ БРОНЕВАЯ СТАЛЬ И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВ ИЗ НЕЕ Российский патент 2014 года по МПК C22C38/44 F41H1/02 F41H5/02 C21D9/42 

Изобретение относится к области производства высокопрочной броневой листовой стали, применяемой для изготовления корпусов легкобронированных машин, деталей брони стационарных объектов и средств индивидуальной защиты.

Высокопрочные материалы имеют свою специфику поведения в условиях динамических нагрузок и должны обладать высокими значениями пределов прочности и текучести металла, которые определяются морфологией сформированной микроструктуры после термической обработки.

Известные составы высокопрочных броневых сталей [1-3] не обеспечивают необходимых свойств для комплексной защиты от новых средств поражения в силу несбалансированности содержания карбидообразующих и некарбидообразующих легирующих элементов в сталях по отношению к углероду, что приводит при термической обработке к образованию мартенсита нежелательной морфологии и субструктуры, либо к недостаточному уровню легирования цементита или к образованию крупных специальных карбидов, негативно влияющих на свойства брони.

Аналогом изобретения является сталь [4], имеющая следующий состав, масс.%:

углерод 0,4-0,7 кремний 0,5-1,5 марганец 0,3-1,5 хром 0,1-2,0 никель 1,0-5,0 молибден 0,2-1,0 железо остальное

Известная стальная броня не обеспечивает при термической обработке необходимый стабильный комплекс прочностных и пластических свойств металла и технических характеристик средств защиты. Листовая сталь обладает низкой живучестью по причине склонности к хрупким разрушениям, обусловленной высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов до 2,0% масс.

Аналогом изобретения также является высокопрочная броневая листовая сталь для защиты от пуль ТУС [5], которая содержит компоненты в следующем соотношении:

углерод 0,44-0,48 кремний 1,2-1,6 марганец 0,3-0,6 хром 1,3-1,7 никель 1,4-1,8 молибден 0,2-0,4 железо остальное

Недостатком известной броневой стали является высокое содержание углерода и хрома, при котором в процессе термообработки образуются специальные карбиды хрома типа (Fe,Cr)₇C₃ на дислокациях с последующей их коалесценцией по границам аустенитного зерна и мартенсита, повышающие склонность стали к хрупким разрушениям и снижающие броневую стойкость стали.

Аналогом изобретения является броневая термостойкая свариваемая сталь [6], имеющая следующий состав, масс.%:

углерод 0,001-0,41 кремний 0,10-2,6 марганец 0,10-1,8 хром 0,10-8,6 никель 0,10-1,9 молибден 0,10-0,6 кобальт 0,05-4,6 медь 0,10-1,9 сера не более 0,004 фосфор не более 0,008 железо остальное

Недостатком этой стали является то, что достигнутый уровень бронезащитных свойств обеспечивается только дополнительным легированием дорогостоящими компонентами, такими как кобальт, который вводится в количестве до 4,6 масс.%, никель и медь - до 1,9 масс.% при высоком содержании кремния (до 2,6 масс.%) и хрома (до 8,6 масс.%). Это значительно повышает стоимость броневой стали (на 20% - 30% за тонну) и использование ее становится экономически нецелесообразным. Кроме того, сталь является трудным материалом в технологическом использовании, что приводит к низкой стабильности бронезащитных свойств, большому уровню брака и дополнительным расходам при ее производстве.

Наиболее близким аналогом заявленной высокопрочной броневой листовой стали для защиты является броневая сталь [7], имеющая следующий состав:

углерод 0,45-0,50 кремний 0,17-0,40 марганец 0,60-0,80 хром 1,0-1,3 никель 1,20-1,5 молибден 0,25-0,35 ванадий 0,08-0,15 медь 0,1-0,2 сера 0,005-0,01 фосфор 0,003-0,01 цирконий 0,005-0,01 вольфрам 0,01-0,05 железо остальное

Использование известной листовой стати в качестве брони возможно только в толщине более 15 мм, когда энергоемкость при обстреле определяется высокой удельной массой защитного бронеэлемента, а микроструктура является вторичным фактором, характеризующим материал в этом процессе.

Указанное содержание хрома и молибдена в известных сталях не позволяет получать после термической обработки структуру низкоотпущенного мартенсита с высокой пластичностью и низкой склонностью к хрупким разрушениям, что приводит к снижению противопульной и противоосколочной стойкости брони, поскольку при термообработке образуются карбиды хрома и молибдена с высоким уровнем легирования по границам кристаллов мартенсита и исходного зерна аустенита, тем самым, повышая охрупчивание металла при высокоскоростных нагрузках.

Задачей изобретения является обеспечение противопульной стойкости тонколистовой брони, изготовленной из среднелегированной стали с уровнем легирования, обеспечивающим сбалансированное соотношение карбидообразующих элементов к углероду, и формирование карбидной фазы на основе легированного цементита и субмикроструктуры мартенсита при термообработке листового проката с достижением соотношения прочности к пластичности σ_в/σ_0,2>1,1.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагается высокопрочная броневая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, масс.%:

углерод 0,28-0,40 кремний 0,80-1,40 марганец 0,50-0,80 хром 0,10-0,70 никель 1,50-2,20 молибден 0,30-0,80 алюминий 0,005-0,05 медь не более 0,30 сера не более 0,012 фосфор не более 0,015 железо остальное

Техническим результатом изобретения является повышение противопульной стойкости и живучести листовой брони даже в листах толщиной менее 10 мм, которое достигается за счет того, что содержание карбидообразующих элементов (кремний, хром и молибден) по отношению к углероду сбалансировано до уровня, при котором при термической обработке тонколистового проката (закатка с низким отпуском) образуется легированный цементит с последующим выделением карбидов в объеме кристаллов мартенсита в пределах первичного аустенитного зерна, когерентных с металлической матрицей, что существенно снижает склонность брони к хрупким разрушениям, приводит к образованию микроструктуры с морфологией реечного мартенсита, обладающего высокой прочностью и пластичностью и, как следствие, высокой энергоемкостью при высокоскоростных нагрузках листовой брони.

При содержании углерода менее 0,28 масс.% степень тетрагональности решетки мартенсита недостаточна для формирования необходимой субструктуры мартенсита при закалке, обеспечивающей высокую твердость и прочность брони.

При содержании углерода более 0,40 масс.% в процессе закалки среднелегированной стали в структуре металла образуются нестехиометрические по углероду карбиды и двойникованный мартенсит с высокой склонностью к хрупким разрушениям и низкой вязкостью, что приведет к зарождению и развитию трещин в процессе изготовления брони (правка, штамповка и т.д.) и ее эксплуатации.

Никель способствует повышению пластичности и вязкости закаленного металла и ускоряет коалесценцию карбидов, смещая ее в область более низких температур по сравнению с нелегированной сталью. При содержании никеля более 2,20 масс.% происходит интенсивная коалесценция карбидов и их рост до размеров, снижающих положительное влияние никеля на пластичность. Кроме того, в микроструктуре реечного мартенсита появляется остаточный аустенит, что дополнительно снижает пластичность и повышает склонность стали к хрупким разрушениям при производстве листа и ухудшается (снижается) его бронестойкость. При содержании никеля менее 1,5 масс.% снижается пластичность металла в силу недостаточного уровня легирования.

Введение в состав броневой стали по изобретению серы, фосфора, алюминия и меди в заявленных пределах способствует достижению стабильности высоких прочностных и пластических свойств, так как при закалке формируется мелкое зерно с минимальным сопротивлением процессам фазовых превращений.

Наиболее близкой технологией производства листового проката из стали является способ [7], заключающийся в нагреве заготовок до температуры горячей деформации, с последующей прокаткой с регламентированным обжатием и закалкой с отпуском, при этом нагретые заготовки перед прокаткой подвергают горячей ковке при температуре 1100-800°С, изотермическому отжигу при температуре 630-670°C с охлаждением в печи и повторному нагреву под прокатку до температуры 1050-1100°C в печи с нейтральной атмосферой, а после закалки с отпуском - дополнительному отпуску, причем прокатку проводят при температуре 1100-800°C с суммарным обжатием не менее 80%.

Недостатком известного способа является сложность технологии, заключающаяся в многоступенчатости, а также высокое энергопотребление из-за того, что проведение ряда стадий требует высокой температуры.

Задачей, которая стоит перед изобретением, относящемся к технологии производства листового проката, является упрощение процесса проката предлагаемого листового материала.

Способ производства листового проката по изобретению заключается в нагреве заготовок до температуры горячей деформации, с последующей прокаткой с регламентированным обжатием и закалкой с отпуском, при этом закалку стали проводят в прессе под давлением 150-500 кг/см² и с охлаждением водой при расходе воды 0,2-0,5 м³/час

Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами.

Высокопрочную среднелегированную броневую сталь выплавляли в электродуговой печи емкостью 150 тонн с последующей обработкой шлаками в ковше. Сталь разливали на установке непрерывной разливки в заготовки сечением 180×250 мм с массой до 25 тонн, которые прокатывали на лист толщиной 2-20 мм. Затем заготовки катаного листа подвергали термической обработке, включающей закалку в прессе под давлением 250 кг/см² с охлаждением водой при расходе воды 0,3 м³/час и проводили низкий отпуск при температуре 150-250°C в печи.

Состав стали различных плавок представлен в Таблице 1.

Соотношение молибдена к углероду выдерживается в интервале масс.% 1,0-2,0.

Предпочтительно повышенное содержание молибдена при среднем содержании углерода и соблюдении соотношения молибден/углерод в пределах 0,8-1,2 масс.%, при этом содержание хрома предпочтительно находится на уровне 0,2-0,3 масс.%. В этом случае подавляется процесс образования двойникового мартенсита, и его объемная доля не превышает 5% дисперсной субструктуры реечного мартенсита. Режимы термической обработки выбирают с учетом толщины листа брони, которая изменялась от 2,3 до 6,5 мм. Карточки для испытаний, согласно нормативной документации (ГОСТ Р 50963), вырезали из листа стали по изобретению после окончательной термообработки и подвергали обстрелу пулями калибра 7,62 мм при скорости 435 м/сек и количестве выстрелов 4-6. Результаты испытаний на противопульную стойкость приведены в табл.2.

Все поражения для предлагаемого состава стали были кондиционными. На карточках, изготовленных из стали по прототипу, после испытаний в аналогичных условиях обнаружены на тыльной стороне трещины и отколы.

Из приведенных данных следует, что в предложенной высокопрочной броневой листовой стали уровень технических свойств повышается благодаря достигнутому сочетанию высоких прочностных и пластических свойств и повышению сопротивления развития трещин за счет сбалансированного уровня легирования стали, обеспечивающих формирование высокодисперсной микроструктуры с морфологией реечного мартенсита и карбидами на основе легированного цементита равномерно распределенными по субмикроструктуре.

Опыт работы по изготовлению брони из стали предлагаемого состава показывает, что процесс производства является более технологичным и простым в сравнении с прототипом.

Таблица 1 № состава Содержание легирующих и примесных элементов, масс.% C Si Mn Cr Ni Mo Al Cu S P 1 0,28 0,80 0,50 0,10 1,50 0,30 0,005 0,10 0,004 0,005 2 0,32 0,85 0,57 0,20 1,66 0,27 0,016 0,15 0,006 0,006 3 0,35 1,16 0,66 0,27 1,87 0,34 0,027 0,17 0,007 0,008 4 0,38 1,30 0,71 0,42 2,15 0,46 0,040 0,25 0,009 0,013 5 0,41 1,42 0,81 0,52 2,25 0,51 0,055 0,32 0,013 0,016 6 0,30 0,75 0,76 0,15 1,85 0,48 0,025 0,17 0,004 0,006 7 0,31 0,76 0,78 0,45 1,83 0,23 0,027 0,19 0,005 0,007 8 0,39 1,32 0,54 0,27 1,56 0,31 0,028 0,21 0,005 0,005 9 0,38 1,34 0,57 0,30 2,15 0,46 0,031 0,24 0,006 0,008 10 0,34 1,17 0,78 0,31 1,72 0,37 0,035 0,25 0,007 0,009 11 0,35 1,13 0,67 0,29 1,75 0,39 0,028 0,23 0,005 0,011 Аналог по 2400558 №13 0,28 1,60 0,40 0,30 0,85 2,0 Co 3,30 0,45 0,003 0,004 Прототип по 2456368 0,34 0,23 0,50 1,84 2,02 0,84 0,015 0,29 0,002 0,011

Таблица 2
Результаты противопульных испытаний проводились в соответствии с ГОСТ Р 50963. Средняя скорость пуль при обстреле карточек составляла соответственно: пистолет ТТ (патрон калибра 7,62 мм с пулей ПСТ) - 435 м/сек   Номер карточки Толщина листа, мм Оценка поражения Карточки по изобретению 103 2,40 кондиционные 2,40 кондиционные 2,40 кондиционные 135 2,35 кондиционные 2,35 кондиционные 2.35 кондиционные 746 2,60 кондиционные 2,60 кондиционные 2.60 кондиционные 733 2,65 кондиционные 2,65 кондиционные 2,65 кондиционные Карточки по прототипу 1 2,40 пробитие 2 2,35 пробитие 3 2,35 пробитие

Список источников информации

1. RU 2236482 С1, С22С 38/46, опубл. 20.09.2004 г.

2. RU 2236482 С1, С22С 38/46, опубл. 20.09.2004 г.

3. JP 2006-070327 C22C 38/00, опубл. 16.03.2006 г.

4. US 5122336, С22С 38/44, опубл. 16.06.1993 г.

5. RU 2185459, С1, С22С 38/44, опубл. 20.07.2002 г.

6. RU 2400558, C22C 38/58, опубл. 27.09.2010 г.

7. RU 2456368, С22С 38/50, опубл. 20.07.2012 г.

8. US 5122336, С22С 38/44, опубл. 16.06.1992 г.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной броневой листовой стали. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,28-0,40, кремний 0,80-1,40, марганец 0,50-0,80, хром 0,10-0,70, никель 1,50-2,20, молибден 0,30-0,80, алюминий 0,005-0,05, медь не более 0,30, сера не более 0,012, фосфор не более 0,015, железо - остальное. Соотношение молибден/углерод составляет 0,8-2,0. Стальные заготовки нагревают до температуры горячей деформации, осуществляют прокатку с регламентированным обжатием и закалку с отпуском. Закалку проводят в прессе с охлаждением водой под давлением 150-500 кг/см² и при ее расходе 0,2-0,5 м³/час. Обеспечивается противопульная стойкость изготовленной из стали брони. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Высокопрочная броневая листовая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
углерод 0,28-0,40 кремний 0,80-1,40 марганец 0,50-0,80 хром 0,10-0,70 никель 1,50-2,20 молибден 0,30-0,80 алюминий 0,005-0,05 медь не более 0,30 сера не более 0,012 фосфор не более 0,015 железо остальное

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что содержание хрома в составе находится на уровне 0,2-0,3 мас.%.

3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что соотношение молибден/углерод в составе находится на уровне 0,8-1,2.

4. Способ производства листового проката из высокопрочной броневой стали по п.1, включающий нагрев заготовок до температуры горячей деформации, с последующей прокаткой с регламентированным обжатием и закалкой с отпуском, при этом закалку проводят в прессе с охлаждением водой под давлением 150-500 кг/см² и при ее расходе 0,2-0,5 м³/час.