Многослойная бронепреграда для средств индивидуальной защиты
Изобретение относится к броневым конструкциям. Предложена многослойная бронепреграда для средств индивидуальной защиты, которая содержит бронепанель из высокопрочной конструкционной стали, снабженную тыльным слоем из тканевого бронепакета - ТСВМ, размещенный на лицевой стороне бронепанели подслой из никель-алюминиевого сплава марки ВКНА толщиной 0,1-0,15 мм и наружный слой керамики - оксида алюминия или карбида кремния, или карбида бора толщиной 1,5±0,2 мм. Изобретение направлено на создание многослойной бронепреграды пятого класса защиты, обеспечивающей защиту от пули БЗ-43. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к бронепреградам и может быть использовано для изготовления средств индивидуальной защиты (СИЗ) (бронежилеты, бронещиты, броненакладки и др.) от бронебойных пуль стрелкового оружия. Необходимость в предлагаемом изобретении возникла в связи с тем, что нужно было найти защиту от бронебойно-зажигательной пули БЗ-43 со специальным сердечником калибра 7,62 мм, патрон 57-БЗ-231, скорость 720-750 м/с, что соответствует 5а классу защиты по ГОСТ Р 50744-95. Пуля БЗ со специальным сердечником патрона 57-БЗ-231 автомата АКМ внесена в ГОСТ Р 50744-95. Изменением №1 Постановления Госстандарта России от 09.09.98, №354 с датой введения 01.01.1999 г.
В настоящее время все СИЗ с использованием стальной брони рассчитаны на защиту до 5 класса включительно (автомат АКМ патрон 57-Н-231 с пулей ПС калибра 7,62 мм, сердечник стальной термоупрочненный (ТУС), скорость 710-740 м/с), причем используется две композиции изготовления бронепанелей:
1. Стальная бронепанель толщиной 6,5+0,3 мм, рассчитанная на удержание пули ПС-43 ТУС при непробитии панели.
2. Стальная бронепанель толщиной 4,4+0,3 мм плюс тканевый бронеслой из материала ТСВМ. (Свидетельство на полезную модель №9519, 1998 г.), рассчитанная на удержание пули ПС-43 при непробитии композиции (Базовый вариант (фиг.1)).
Недостатком этих преград является то, что и первая и вторая композиции изготовления бронепанелей рассчитаны на защиту по 5 классу и не могут обеспечить защиту от пули БЗ-43 со специальным сердечником (5а класс). И в первой и второй композициях бронепанели при испытании пулями БЗ-43 имеют место некондиционные поражения. Поэтому задачей предлагаемого способа является получение бронепреграды, обеспечивающей защиту по 5а классу с минимальным изменением веса изделия.
Бронепанель должна обладать двумя важными свойствами, а именно, высокой твердостью поверхностного слоя, способного разрушить острый нос термоупрочненного стального сердечника пули БЗ-43 и необходимой вязкостью металла стальной бронепанели, достаточной для поглащения энергии удара пули без образования трещин и разрушения стальной брони, т.е. бронепреграда должна быть многослойной.
Известен способ получения многослойной стальной брони с высокотвердым поверхностным слоем, за счет насыщения поверхностного слоя низколегированной стали углеродом (Патент RU №2090828 С1, 1997 г.). Способ имеет недостатки. Во-первых, заявленная твердость поверхностного слоя по Роквеллу HRC=62-67 ед. недостаточна для разрушения острого носа сердечника пули БЗ-43, имеющего примерно ту же твердость. Во-вторых, существующая технология не позволяет управлять процессом с получением гарантированной глубины цементованного слоя на стальной пластине. При обработке стальной пластины методом цементации на глубину порядка 1,0 мм величина основного цементованного слоя колеблется в пределах 0,8-1,4 мм, что естественно приводит к изменению соотношения слоев: цементованного (высокотвердого) и основного (пластичного и менее твердого), а тем самым, принципиально меняется противопульная стойкость бронепреград. В-третьих, цементации подвергаются, как правило, только легированные низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,18% по массе. Даже при получении цементованного слоя нужной толщины и необходимой твердости после термообработки бронепанели основной слой стали, имеющий низкое содержание углерода, не будет иметь прочностных механических свойств, достаточных для обеспечения противопульной стойкости. В-четвертых, между цементованным слоем и основным металлом достаточно большая переходная зона, в которой содержание углерода меняется от максимальной величины (цементованный слой) до минимального (основной слой). Величина этой зоны также весьма переменна и непосредственно связано с переменностью цементованого слоя. Нами ранее была проведена работа по получению двухслойной стальной брони с использованием метода цементации поверхностного слоя. Были изготовлены образцы толщиной 4,5 и 5,6 мм из стали, широко используемой 18Х2Н4МА и среднеуглеродистой легированной 40ХНМС, с целью получения высокотвердого поверхностного слоя на уровне 62-64 HRC после их соответствующей цементации и термообработки. Стали обрабатывались для получения цементованного слоя 1,0 мм. Исследования показали, что на стали 18Х2Н4МА величина цементованного слоя колебалась в пределах 0,8-1,3 мм с соответствующими колебаниями переходной зоны до 0,5-0,7 мм. Твердость поверхностного цементованного слоя находилась в пределах HRC=60-62 ед., а твердость основного металла весьма низкая HRC=35-38 ед. При испытании образцов по 5 классу пулями ПС-43 ТУС происходило их хрупкое разрушение или пробитие с расколами. Стальные панели из стали 40ХНМС при цементации по двум технологиям: в газовой среде (газовый карбюризатор) и с использованием твердого карбюризатора не удалось получить плотного цементованного слоя. Слой был рыхлый с отслоениями, т.е. сталь такого состава (среднеуглеродистая, низколегированная), на которой удается получить уровень механических свойств после обычной термической обработки на достаточно высоком уровне с твердостью HRC=52-56 ед., не может быть использована для цементации. Этим еще раз были подтверждены рекомендации по составу сталей, которые могут подвергнуться цементации.
Предлагается броня для защитного жилета от поражения пулями с высокой кинетической энергией с целью снижения травмы человека от их воздействия (Патент RU 2062430 С1, 1996 г.). Броня выполнена в виде нескольких расположенных одна рядом с другой плит из твердого материала, помещенных в вязкую на удар оболочку, и образующих компактный блок при соотношении массы блока к площади его тыльной поверхности не менее 0,28 кг/дм2, причем площадь блока не менее 2,5 дм2.
Недостатком данного изобретения являются:
1. При условии, что бронепанель не монолитна, а разделена на секции (плиты), то эта секция (плита) даже при непробитии нанесет сильнейшую травму человеку в связи с тем, что площадь плиты значительно меньше площади всего блока, равной не менее 2,5 дм2.
2. При соотношении массы блока, к площади его тыльной поверхности не менее 0,28 кг/дм2 толщина панели, если она выполнена из стали с учетом веса вязкой оболочки с лицевой и тыльной сторон, находится в пределах 3,0-3,5 мм, что может обеспечить защиту в лучшем случае по 3 и 4 классу ГОСТ Р 50744-95.
3. Если твердым материалом является керамика, то для обеспечения ее работоспособности в составе бронепанели необходим ее жесткий подпор с тыльной стороны, так как в противном случае она будет просто раскалываться ввиду очень низкой пластичности, пропуская сердечник пули. При попадании сердечника пули в стык между блоками он практически беспрепятственно проходит через бронепанель, поражая человека.
4. Не дано конкретного решения конструкции бронепанели: размера блоков, материала плит, соединение стыков, соединение блоков и вязкой оболочки и соответственно не проведены испытания бронепанели и их результаты.
Предлагается многослойная бронепреграда, в которой в качестве основного защитного слоя для разрушения высокотвердого сердечника используется керамика (Патент RU 2239148 C1, F 41 H 5/04, 2003 г.). Бронепреграда представляет собой многослойную бронепанель, состоящую из облицовки внешней и внутренней, герметика демпфера и керамики, крепящейся к подложке, которая является материалом защищаемого объекта, и предназначена для использования при защите стационарных объектов и транспортных средств (бронемашин, БМП, БТР, автомобилей, летающих аппаратов, емкостей, контейнеров и др.) В силу сложности изготовления такой бронепреграды, значительного веса и высокой стоимости не может быть использована при изготовлении средств индивидуальной защиты (жилеты, щиты и др.).
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является бронепреграда (Патент RU 2102688 С1, 20.01.1998, F 41 H 5/04), состоящая из высокопрочной конструкционной легированной стали (А), с лицевой стороны которой размещена пластина из средне- или высокопрочного титанового сплава (В), а с тыльной стороны также пластина из титанового сплава (А1) и затем многослойный пакет из баллистической ткани.
Недостатком данного изобретения является:
1. Бронепанель по данному изобретению не рассчитана для защиты от пуль с высокотвердым сердечником, имеющим острый нос и, в частности, от пули БЗ-43 в силу того, что титановые сплавы указанных марок ОТ4, ВТ4-ВТ23 имеют невысокий уровень твердости и предела прочности, не превышающий 1150-1200 МПа, и поэтому не представляют серьезного препятствия для высокотвердых сердечников, которые при соударении с более мягким материалом не разрушаются и не деформируются при прохождении через него. Титановые сплавы, как имеющие более высокий уровень пластических свойств, удлинение δ5=9-15%, ударную вязкость KCU=30-60 Дж/См2, незначительно теряющие эти свойства при низких температурах, и невысокий удельный вес ρ=4,5 г/см2 применяют в основном в авиации, криогенной технике и, в том числе химическом машиностроении.
2. Между лицевой пластиной из титанового сплава и стальной подложкой имеется зазор, заполненный полимерным наполнителем, а потому нет жесткого подпора титановой пластины со стороны стальной подложки, в связи с чем значительно ослабляется противопульная стойкость конструкции. Стальной сердечник высокой твердости будет свободно разрушать титановую пластину, как более мягкий материал. Нами ранее была опробована конструкция бронепанели «сталь + сталь», в которой лицевой слой из стали высокой твердости HRC=60-63 ед. и тыльный слой из высокопрочной стали были соединены высокопрочным клеем. Результаты испытания показали, что бронепанель не работает как единая конструкция и разрушение ее пулей производится по частям, сначала лицевой, а затем и тыльный слой, т.к. в этом случае отсутствует сила, препятствующая сдвигу лицевого слоя относительно тыльного. Это условие обеспечивается только при условии соединения слоев на молекулярном уровне.
3. Сталь химсостава, приведенная в п.5 формулы изобретения, имеет невероятно широкий разброс легирующих элементов. Стали с содержанием легирующих на верхнем или нижнем пределах являются сталями с совершенно разными механическими и служебными свойствами. Существующие ГОСТы на конструкционные стали (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 8479-70 и др.) для обеспечения примерно одинакового уровня свойств требуют максимальный разброс (по массе, %): углерод - 0,07, хром и никель - 0,40-0,45, молибден 0,20-0,25, ванадий 010-0,15, марганец 0,30-0,35, кремний 0,20-0,40. По приведенному в п.5 химическому составу разброс легирующих элементов составляет (по массе, %): углерод - 0,14, хром - 4,2, никель - 2,1, молибден - 2,5, ванадий - 0,25, марганец - 0,9, кремний - 0,73. Практически стали с содержанием элементов на нижнем пределе можно отнести к классу хромоникельмолибденовых сталей типа 40ХНМ, а на верхнем пределе к классу хромоникельмолибденованадиевых сталей типа 45ХНМФ, которые имеют различия в механических, а следовательно, и служебных свойствах.
4. Представленное рекомендованное соотношение слоев А/В=0,5-1,0, A1=(0,2-0,5)В, где А - лицевая пластина из титанового сплава, В - подложка из стали, A1 - тыльная пластина из титанового сплава, только отчасти соответствует приведенному в аналоге снижению поверхностной плотности по сравнению со стальной преградой толщиной 7 мм, а именно, только нижнему уровню значений А=0,5 и A1=025 В. При промежуточных значениях А и A1 и верхних значениях А=1,0 и A1=0,5 В и толщине стальной подложки 4,7 мм получаются следующие значения поверхностной плотности:
Стальная бронепреграда толщиной 7 мм - 5,495 г/см2,
Бронепреграда аналога:
- при минимальных значениях А и А1 - 4,2 г/см2,
- при минимальном значении А и максимальном A1 - 5,94 г/см2,
- при максимальном значении А и минимальном А1 - 6,21 г/см2,
- при максимальных значениях А и А1 - 6,85 г/см2.
Представленные значения поверхностной плотности показывают, что некоторое снижение веса бронепреграды наблюдается только при минимальных значениях А и A1, а с учетом массы наполнителя и клея это преимущество несколько уменьшается. При остальных значениях А и A1 поверхностная плотность бронепреграды аналога превышает поверхностную плотность стальной бронепреграды.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение защиты живой силы и объектов техники от бронебойной зажигательной пули БЗ-43 со специальным сердечником калибра 7,62 мм, со скоростями обстрела 720-750 м/с, что соответствует 5а классу защиты по ГОСТ 50744-95, и тем самым предполагается поднять уровень защиты на один класс выше по сравнению с общепринятым 5 классом защиты вышеупомянутых объектов.
Сложность решения поставленной задачи по обеспечению защиты по 5а классу от пули БЗ-43 состоит в том, что сердечник этой пули имеет острый нос при твердости стали сердечника 62-65 ед. по Роквеллу, в отличие от пули ПС-43 ТУС (5 класс), имеющий тупой нос с площадью среза 6,8-7 мм2. В связи с этим для разрушения острого носа сердечника твердость стали в монолитной броне порядка 55-57 ед. по Роквеллу представляется недостаточной, как практически соизмеримой с твердостью сердечника.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что создается новая композиционная система бронепреграды (фиг 2), состоящая из четырех слоев: лицевого высокотвердого слоя керамики толщиной 1,5±0.2 мм одного из материалов: оксид алюминия - Al2O3, карбид кремния - SiC, карбид бора - B4O (1), подслоя, состоящего из пластичного и вязкого никель-алюминиевого (Ni+Al) сплава толщиной 0,1-0,15 мм (2), бронепанели из высокопрочной конструкционной стали (3) и тканевого бронеслоя из ткани ТСВМ (4).
Техническая задача решается следующим образом.
На лицевую поверхность бронепанели (3) (фиг.2), термообработанной на конечные свойства и обеспечивающей защиту по 3 классу ГОСТ 50744-95, на специальной установке «Unicoat» фирмы «Sulzer Metco» плазменным методом наносится путем сканирования поверхности керамика в виде порошка фракцией 20-100 микрон. Важным требованием процесса является получение достаточно прочного сцепления керамики и стали.
Для этого на стальную бронепанель 3 (фиг.2) сначала наносился подслой из вязкого никель-алюминиевого сплава «ВКНА» толщиной 0,1-0,15 мм, а затем слой керамики толщиной 1,5±0.2 мм.
Таким образом, при осуществлении данной технологии создается бронепреграда следующего технологического состава (фиг.2):
- Лицевой слой - керамика с подслоем из никель-алюминиевого сплава «ВКНА».
- Тыльный слой - бронепанель и далее бронеслой тканевый ТСВМ.
Пример осуществления изобретения.
На лицевую поверхность бронепанели (3) (фиг.1), которая в комбинации с тканевым бронеслоем ТСВМ (4) обеспечивает защиту по 5 классу ГОСТ 50744-95 и которая является (базовым вариантом), после подготовки поверхности (зачистка от окалины и обезжиривания) плазменным методом были нанесены следующие слои:
- вначале связующий вязкий подслой никель-алюминиевого сплава «ВКНА» толщиной 0,1-0,15 мм;
- затем керамика оксида алюминия Al2O3 - 100% толщиной 1,5±0.2 мм.
Бронепреграды но базовому (фиг.1) и по предлагаемому (фиг.2) вариантам были испытаны по 5 (пуля ПС-43 ТУС) и 5а (пуля БЗ-43) классам. Результаты испытаний (таблица 1) показывают, что наилучшие результаты получены на бронепанелях, изготовленных по предлагаемому варианту, на которых обеспечивается 100% удержание пули БЗ-43 (5а класс) по сравнению с базовым вариантом. Следует отметить, что у бронепреграды, изготовленной по предлагаемому варианту, значительно повысилась эффективность защиты от пули ПС-43 ТУС (5 класс). Это можно объяснить тем, что сердечник пули имеет тупой нос, в результате чего происходит уменьшение давления на лицевой слой и, как следствие, снижается процент пробития тканевого бронеслоя или не наблюдается даже пробития композиции «керамика с подслоем «ВКПА» + высокопрочная конструкционная сталь».
Эффективность защитных свойств бронепанели по предлагаемому варианту (фиг.2) с лицевым слоем, содержащим 100% керамики оксида алюминия и связующим подслоем из никель-алюминиевого сплава «ВКНА», можно объяснить прежде всего высокой твердостью лицевого слоя порядка 3000 ед. по Виккерсу, что в 4-5 раз выше твердости высокопрочной стали (630-650 HV), в результате чего происходит разрушение острого носа пули БЗ-43 до диаметра сердечника, тем самым происходит увеличение площади контакта сердечника пули со стальной броней и снижение удельного давления сердечника на стальную броню и далее на тканевый бронеслой ТСВМ, и как следствие, его удержание.
Проведена оценка весовых характеристик бронепанели, которая показала, что масса бронепанели со 100% лицевым слоем керамики толщиной 1,5±0.2 мм (фиг.2) возрастает незначительно, на 8-10%, в сравнении с массой бронепанели по базовому варианту.
Важным достоинством керамического лицевого слоя бронепреграды является отсутствие швов на его поверхности, монолитность керамического слоя, повышающая стабильность противопульной стойкости всей поверхности бронепанели.
Таким образом, предлагаемая многослойная бронепреграда, состоящая из лицевого слоя связанных на молекулярном уровне в композиционный блок наружного слоя керамики, связующего вязкого никель-алюминиевого подслоя марки «ВКНА», подложки из высокопрочной конструкционной стали и тыльного слоя из тканевого бронепакета из материала ТСВМ, обеспечивающая защиту от пули БЗ-43 со специальным сердечником по 5а классу по ГОСТ Р 50744-95.
Производство брони по предлагаемому способу технологично и может быть осуществлено на действующем оборудовании машиностроительных и металлургических заводов.
| Таблица 1 Результаты испытаний бронепанелей, изготовленных по базовому и предлагаемому вариантам | |||||||||||
| Вариант | Состав бронекомплекта | Средства поражения | |||||||||
| Лицевой слой | Подслой | Броневая сталь, толщина, мм | Тканевый бронеслой | АКМ калибр 7,62, патрон 57-БЗ-231, пуля БЗ, сердечник специальный | АКМ калибр 7,62, патрон 57-БЗ-231, пуля ПС, сердечник стальной термоупрочненный | ||||||
| Состав | Толщина, мм | Характер поражения | % пробития тканевого бронеслоя | V, м/с | Характер поражения | % пробития тканевого бронеслоя | V, м/с | ||||
| Базовый вариант | Высокопрочная броневая сталь | - | - | 4,75 | ТСВМ | Кондиц Кондиц Кондиц Некондиц Некондиц | 80 78 96 100 100 | 740 736 749 738 752 | Кондиц Кондиц Кондиц | 50 38 56 | 735 727 738 |
| Предлагаемый вариант | Al2O3 (100%) | 1,5±0.2 | ВКНА (Ni+Al) | 4,73 | ТСВМ | Кондиц Кондиц Кондиц Кондиц | 70 52 66 72 | 752 730 742 748 | Кондиц Кондиц Кондиц Кондиц | 0 5 0 28 | 736 741 754 745 |
1. Многослойная бронепреграда для средств индивидуальной защиты, содержащая бронепанель из высокопрочной конструкционной стали, снабженную тыльным слоем из тканевого бронепакета - ТСВМ, отличающаяся тем, что на лицевой стороне бронепанели размещен подслой из никель-алюминиевого сплава марки ВКНА толщиной 0,1-0,15 мм и наружный слой керамики - оксида алюминия, или карбида кремния, или карбида бора, толщиной 1,5±0,2 мм.
2. Многослойная бронепреграда по п.1, отличающаяся тем, что подслой из никель-алюминиевого сплава и слой керамики нанесены на поверхность бронепанели методом плазменного напыления с использованием порошка фракцией 20-100 мкм.
3. Многослойная бронепреграда по п.1, отличающаяся тем, что бронепанель термически обработана на конечные свойства с твердостью 52-57 ед. по Роквеллу, а твердость наружного слоя керамики составляет 3000-5000 ед. по Викерсу.
4. Многослойная бронепреграда по п.1, отличающаяся тем, что наружный слой керамики представляет собой монолитную поверхность с одинаковой противопульной стойкостью по всей площади.
