Свариваемый сплав на основе алюминия для слоистой алюминиевой брони

 

Изобретение относится к сплавам на основе алюминия, предназначенным для слоистой алюминиевой брони. Сплав содержит, 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 0,05 0,12; алюминий остальное, причем суммарное содержание цинка и магния составляет 9,0 10,4 мас. а отношение содержания цинка и магния составляет 9,0 10,4 мас. а отношение содержания цинка и магния 2,0 2,8. Свойства сплава следующие: ПКП слоистой плиты 666 674 м/с, ПКП серийной плиты 617 - 628 м/с; выигрыш в скорости ПКП 7,3 8,1% весовой выигрыш 8,6 - 8,9% 2 табл. 4 ил.

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно сплавов системы алюминий-цинк-магний, используемых для изготовления сварных высокопрочных конструкций, подвергаемых импульсным нагружениям высокой интенсивности (инкассаторские бронеавтомобили, бронированные сейфы и др. объекты гражданского и военного назначения).

Известны сплавы на основе алюминия, содержащие цинк, магний в качестве основных легирующих элементов, а также дополнительно переходные элементы марганец, цирконий, хром, титан.

Эти сплавы как высокопрочные и свариваемые успешно используются в изделиях бронетанковой техники (Елагин В.И. Захаров В.В. Дриц А.М. Структура и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg. М. Металлургия, 1982, с. 210).

Наиболее близок к изобретению по химическому составу высокопрочный свариваемый алюминиевый сплав, содержащий, мас. Цинк 5,5 6,3 Магний 2,6 3,5 Марганец 0,2 0,45 Цирконий 0,1 0,3 Хром 0,2 0,4 Титан 0,1 0,3 Алюминий Остальное Примеси: Железо 0,3 Кремний 0,2 Медь 0,2 Использование сплава 1901 в качестве гомогенной противопульной брони показало, что он обеспечивает высокую твердость (до 170НВ) и пластичность, необходимую для броневых материалов. Однако дальнейшее повышение твердости сплава 1901 за счет дополнительного легирования приводит к снижению противопульной стойкости вследствие снижения живучести (раскол, отколы с тыльной поверхности плиты) из-за понижения пластичности материала.

Слоистые алюминиевые плиты за счет своих конструктивных особенностей позволяют использовать в качестве лицевого слоя сплавы с более высокой твердостью, чем сплав 1901.

При использовании сплава 1901 в качестве лицевого слоя в слоистой броне противопульная стойкость снижается по сравнению с гомогенной (из сплава 1901) плитой, так как снижается средняя твердость плиты из-за наличия в ней мягких прослоек, но одновременно появляется избыток пластичности.

Целью изобретения является создание сплава на основе алюминия, содержащего цинк, магний, марганец, цирконий, хром и титан, который при его использовании в качестве лицевого слоя в слоистой броне позволил бы получить более высокую по сравнению с гомогенной броней противопульную стойкость.

Это достигается за счет увеличения твердости лицевого слоя в слоистой броне путем создания сплава на основе алюминия, содержащего цинк, магний, марганец, цирконий, хром и титан, отличающегося тем, что в нем суммарное содержание цинка и магния равно 9,0-10,4 мас. при отношении содержания цинка к содержанию магния, равном 2,0-2,8, и суммарном содержании переходных элементов Mn, Cr, Ti, Zn, равном 0,3-0,61, содержит ингредиенты в соотношении, мас. цинк 6,4 7,2; магний 2,6 3,2; марганец 0,07 0,14; хром 0,15 0,25; цирконий 0,05 0,12; титан 0,03 0,10; алюминий остальное.

На фиг. 1 представлены экспериментальные данные по влиянию отношения Zn/Mg на твердость сплава при суммарном содержании Σ Zn + Mg 9 и 10,5 мас. (кривая 1 и 2 соответственно) и сопротивление коррозионному растрескиванию (кривая 3), где τ_кр. время до разрушения образца; на фиг. 2 области существования сплавов 1901 и предлагаемого в координа- тах Σ Zn + Mg Zn/Mg на фиг. 3 схема образования трещин в слоистой плите при импульсном нагружении высокой интенсивности (боек, пуля); на фиг. 4 экспериментальные данные по влиянию суммарного содержания переходных элементов на прочность сплава Al Zn Mg с суммарным содержанием Zn + Mg 10,4% Из кривых 1 и 2 видно, что максимальная твердость сплавов Al Zn Mg с суммарным содержанием Zn + Mg 9 10,4% соответствует значению отношения Zn/Mg 2,4.

Интервал изменения отношения Zn/Mg в сплаве 1901 составляет 1,6 2,4. Этот интервал следует рассматривать как Zn/Mg 2,0± ±0,4. В соответствии с графиками фиг. 1 это соотношение не обеспечивает получение максимальных значений прочности сплава.

В предлагаемом сплаве отношение Zn/Mg выбрано равным 2,0 2,8, т.е. Zn/Mg 2,4±0,4, что обеспечивает повышение по сравнению со сплавом 1901 минимальных значений твердости сплава на 5-6 ед. НВ.

Повышение отношения Zn/Mg в предлагаемом сплаве позволяет повысить и коррозионную стойкость при воздействии напряжений (см. фиг. 1, кривая 3).

Прочностные свойства сплавов системы Al Zn Mg определяются главным образом суммарным содержанием основных легирующих элементов цинка и магния. Наряду с повышением твердости за счет изменения отношения Zn/Mg в предлагаемом сплаве увеличено суммарное содержание Zn + Mg с 8,1 9,8% для сплава 1901 до 9,0 10,4 мас. что дает повышение твердости сплава на 12 15 ед. НВ.

Основное назначение переходных металлов (ПМ) Mn, Cr, Ti, Zr в сплавах системы Al Zn Mg является повышение их коррозионной стойкости и свариваемость.

Растворимость ПМ в твердом алюминии мала, а их повышенное содержание может привести к появлению включений первичных интерметаллидов, которые отрицательно влияют как на механические, так и коррозионные свойства. Так, первичные интерметаллы в слитках сплавов Al Zn Mg наблюдали при содержании Ti 0,15% Zr= 0,2% поэтому в сплаве содержание ПМ не рекомендуктся более 0,2- 0,25% каждого в отдельности (Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. М. Металлургия, 1975, с. 147 159).

ПМ оказывает влияние на механические (прочностные) свойства сплавов. При комплексном легировании (одновременное введение нескольких элементов) переходными металлами на прочностные свойства сплава влияет суммарное содержание ПМ.

Из приведенных на фиг. 4 данных видно, что оптимальное суммарное содержание ПМ составляет 0,45±0,15% что и выбрано для заявляемого сплава.

Выбор оптимального содержания ПМ позволил увеличить твердость предлагаемого сплава на 3 4 ед. НВ по сравнению со сплавом 1901, где содержание ПМ составляет 1,0±0,4% Таким образом, выбор оптимального соотношения содержания Zn/Mg в сплаве, повышение содержания основных легирующих элементов, оптимизация суммарного содержания ПМ позволило обеспечить твердость предлагаемого сплава на 20 25 ед. НВ выше по сравнению со сплавом 1901.

Из представленных на фиг. 2 областей существования сплава 1901 и предлагаемого видно, что при одинаковой сумме цинка и магния в обоих сплавах (фиг. 2 интервал а) предлагаемый сплав имеет повышенную твердость из-за более благоприятного отношения Zn/Mg.

С другой стороны, при одинаковых соотношениях Zn/Mg (фиг. 2, интервал В) у обоих сплавов, предлагаемый сплав имеет более высокую твердость за счет повышенного по сравнению со сплавом 1901 содержания ΣZn + Mg.

Таким образом, из анализа областей существования сплавов (фиг. 2) видно, что предлагаемый сплав имеет более высокую твердость во всей своей области существования и отличается от известного в каждой точке области существования, либо суммарным содержанием основных легирующих элементов, либо их соотношением.

Для экспериментальной оценки уровня прочностных и броневых свойств предлагаемого сплава были изготовлены и испытаны слоистые плиты толщиной 27,5 мм с использованием предлагаемого сплава и гомогенные плиты из сплава 1901 такой же толщины.

Испытания противопульной стойкости проводились пулей калибра 7,62 мм под углом α 0^о ( α угол между нормалью к испытуемой карте и траекторией полета пули). Противопульная стойкость определялась величиной предельной скорости кондиционных поражений ( V_пкп).

Из представленных в табл. 1 результатов видно, что максимальный уровень пулестойкости в опытных плитах получен при суммарном содержании Zn + Mg 10,4% т. е. при максимальном (предельном) содержании легирующих элементов. Дальнейшее повышение суммарного содержания цинка и магния (верхний запредельный уровень) повышает прочностные (твердость) свойства сплава. Однако вследствие снижения пластических свойств сплава с ростом уровня легирования повышается склонность к трещинообразованию (фиг. 3) и, как следствие, снижается уровень пулестойкости (табл. 1, плавка 3-229).

Прочностные свойства и противопульная стойкость на другом запредельном уровне (ниже нижнего) легирования ниже свойств нижнего предельного уровня легирования. Это является следствием снижения прочностных свойств сплава как за счет снижения Σ Zn + Mg, так и суммы ПМ, при некотором "излишке" пластических свойств. Сам же нижний уровень содержания легирующих элементов определяется только технологическими соображениями, и чем он ближе к среднему содеpжанию этих элементов в сплаве, тем будет выше гарантированный уровень прочностных и броневых свойств.

Из представленных в табл. 1 экспериментальных данных видно, что при равном суммарном содержании Zn + Mg (плавки 3-238 и 3-234) предлагаемый сплав имеет более высокую твердость и противопульную стойкость вследствие более благоприятного соотношения Zn/Mg и суммарного содержания ПМ.

Преимущество слоистых перед гомогенными определялось в виде выигрыша в скорости ( ΔV_пкп) ΔV_пкп= · 100 где V_пкп^сл, V_пкп^гом предельная скорость кондиционных поражений соответственно слоистой и гомогенной плиты равной толщины.

Весовой выигрыш слоистой брони с использованием предлагаемого сплава определяется как разница равностойких толщин гомогенной (В^гом) и слоистой (В^сл) брони, отнесенной к толщине равностойкой гомогенной брони из сплава 1901, т.е.

ΔB 100 Из приведенных в табл. 2 данных видно, что использование предлагаемого сплава в качестве лицевого слоя в слоистой броне позволит повысить пулестойкость плит на 7-8% при равной толщине плиты или при равной бронестойкости обеспечить снижение веса (весовой выигрыш) бронеконструкции на 8,6 8,9% по сравнению с гомогенной плитой из сплава 1901 при сохранении высокого уровня живучести.

Такие важные для броневого материала характеристики, как свариваемость и коррозия под напряжением оценивалась на специальных сварных пробах, изготовленных из слоистого проката, включающего в себя предлагаемый сплав (пл. 3-234).

Анализ результатов и сравнение их с аналогичными результатами испытаний гомогенного проката из сплава 1901 показали, что предлагаемый сплав не уступает по указанным характеристикам сплаву 1901.

Использование предлагаемого сплава в лицевом слое слоистых плит обеспечивает по сравнению с гомогенным материалом повышение на 7 8% броневых свойств за счет более высокой (на 20 25 ед. НВ) твердости лицевого слоя; снижение общего веса изделий за счет использования слоистых материалов, обеспечивающих требуемый уровень броневых свойств в меньших толщинах.

Формула изобретения

СВАРИВАЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ СЛОИСТОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ БРОНИ, содержащий цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, 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 0,05 0,12
Алюминий Остальное
причем суммарное содержание цинка и магния составляет 9,0 10,4 мас. а отношение содержания цинка к содержанию магния 2,0 2,8.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6