Броневая сталь

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при изготовлении деталей брони стационарных объектов и корпусов транспортных средств, подвергаемых воздействию бронебойных снарядов калибром 30-125 мм. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, алюминий, азот, медь, ниобий, серу, фосфор и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,29-0,38, кремний 0,15-0,37, марганец 0,30-0,60, хром 1,20-2,00, никель 1,20-2,20, 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. Повышаются запас вязкости, прочностные и пластические характеристики стали, что обеспечивает высокую противоснарядную стойкость и живучесть брони. 3 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при изготовлении деталей брони стационарных объектов и корпусов транспортных средств, подвергаемых воздействию бронебойных снарядов калибров 30-125 мм.

В настоящее время для указанных деталей применяют листы и плиты толщиной 30-160 мм из свариваемых улучшаемых хромомолибденовых, хромоникельмолибденовых и хромоникельмолибденованадиевых сталей, содержащих до 0,38 мас.% углерода. Стали, используемые для противоснарядного бронирования, подвергаются закалке и высокому (500-650°С) отпуску. Такая термическая обработка обуславливает высокие характеристики пластичности и запас вязкости материала, обеспечивающие живучесть (отсутствие склонности к хрупким разрушениям-расколам и тыльным отколам) деталей брони. При этом уровень прочностных характеристик (временное сопротивление при растяжении - σ_в) находится, как правило, в пределах 850-1100 МПа. Однако в связи с совершенствованием средств поражения применение сталей с указанным уровнем прочности не обеспечивает необходимую защиту бронируемых объектов в приемлемой толщине.

Основным путем повышения служебных свойств деталей брони является создание броневых сталей, обладающих более высокими прочностными характеристиками при сохранении достаточного уровня пластичности и вязкости.

Известна броневая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,26-0,31; кремний 0,10-0,35; марганец 0,50-0,80; хром 1,30-1,70; никель 0,50-1,00; молибден 0,30-0,50; сера и фосфор не более 0,015; железо остальное.

(«ARMOUR PLATES FOR PROF OF PROJECTILE PURPOSES» Defence Standart 95-13/1, London, 1981, ANNEX A, p.6)

Броневые листы и плиты, изготовленные из этой стали, имеют предел прочности σ_в=1100-1200 МПа при их толщине не более 36 мм. Более толстые плиты не обладают преимуществом по прочности и, очевидно, по бронестойкости перед используемыми в настоящее время.

Известна толстолистовая броневая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,25-0,32; кремний 0,05-0,75; марганец 0,10-1,50; хром 0,90-2,00; никель 1,20-4,50; молибден 0,10-0,70; алюминий 0,01-0,08; бор 0,001-0,004; титан до 0,10; ниобий до 0,050; ванадий до 0,10; азот до 0,012; сера не более 0.005; фосфор не более 0,015; железо остальное.

(DE 4223895 C1, C22D 8/02, 1994)

Сталь обладает пределом прочности более σ_в=1350 МПа после закалки и низкого отпуска в интервале температур 100-500°С. Однако практика свидетельствует о низких характеристиках живучести броневых плит, подвергнутых низкому отпуску, при их взаимодействии с бронебойными снарядами при отношении B/d≤1 толщины преграды В к калибру снаряда d.

Известен состав и способ производства броневых плит из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,15-0,20; кремний 0,10-0,50; марганец 0,70-1,70; хром 0,50-1,00; никель 1,00-2,50; молибден 0,20-0,70; алюминий до 0,01; бор до 0,005; ванадий 0,005-0,25; азот до 0,01; сера не более 0,002; фосфор не более 0,02; железо остальное.

(ЕР 1052296 А2, C21D 9/42, 2000)

Известная сталь после закалки с температуры 940°С в воде и отпуска 320°С с охлаждением на воздухе обладает в плитах толщиной 40-50 мм пределом прочности σ_в=1345-1317 МПа. При этом рекомендуемый авторами патента интервал температур отпуска (150-550°С) приведет, также как у стали по патенту (DE 4223895 C1, C22D 8/02, 1994), к пониженной живучести деталей брони, изготовленных из данной известной стали.

Известна броневая сталь шведского производства ARMOX 370S, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод до 0,30; кремний 0,10-0,40; марганец до 1,2; хром до 1,00; никель до 1,00; молибден до 0,70; бор до 0,005; сера не более 0,01; фосфор не более 0,03; железо остальное.

(Svenskt Stal, HEAVY PLATE DIVISION, ARMOX 370S, E77, Nov.1985)

Типичный уровень предела прочности указанной стали после контролируемой закалки в роликах и отпуска при температуре выше 400°С по данным производителя (Svenskt Stal OXELOSUND.) составляет σ_в=1200 МПа. Однако из анализа приведенной зависимости твердости от толщины плит следует, что указанный уровень прочности относится к листам, толщина которых не превышает 50 мм.

Наиболее близким к изобретению по составу основных легирующих элементов и уровню механических свойств является сталь ХН654.

(Stal-Eisen Werkstoffblatt 1925.) «Thyssen-Henrichshutte» Lastenheft fur die Lieferung von Blechen des hochfesten Vergutungssonderstahles XH 654. Bericht Nr.Qb-Nr.837/74)

Указанная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,25-0,35; кремний 0,10-0,40; марганец 0,40-0,70; хром 1,25-1,65; никель 1,45-1,75; молибден 0,35-0,50; ванадий 0,05-0,15; сера до 0,015; фосфор до 0,020; железо остальное. После термического улучшения прочность материала листа достигает σ_в=1380 МПа. Однако при толщине плит 90 мм предел прочности падает до σ_в=900-1100 МПа. Достигнутый уровень прочностных свойств не может привести к заметному повышению противоснарядной стойкости в широком интервале толщин броневых деталей, изготовленных из известной стали.

Задачей изобретения является состав броневой свариваемой стали, обеспечивающий при удовлетворительном уровне живучести более высокую противоснарядную стойкость брони, чем известные броневые стали.

Техническим результатом изобретения является повышение противоснарядной стойкости и живучести брони, изготовленной из броневой стали по изобретению.

Сущностью изобретения является броневая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, серу, фосфор и железо, а также алюминий, азот, медь и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,29-0,38; кремний 0,15-0,37; марганец 0,30-0,60; хром 1,20-2,00; никель 1,20-2,20; 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.

Введение в состав броневой стали по изобретению алюминия, азота, ниобия и меди, а также заявленные величины соотношений основных легирующих компонентов способствует стабильности получения высоких прочностных характеристик броневой стали по изобретению и ее сварных соединений. При этом броневая сталь обладает достаточно высоким уровнем пластичности и запасом вязкости, а также изотропностью листовых полуфабрикатов и плит, что обеспечивает повышение противоснарядной стойкости и живучести деталей брони и конструкций из стали по изобретению.

Изобретение может быть продемонстрировано примером.

Произвели выплавку 14-ти составов броневой стали в электродуговой печи (11 плавок броневой стали по изобретению и 3 плавки стали ближайшего аналога). Из слитков указанных плавок были изготовлены электроды, подвергнутые электрошлаковому переплаву. Электрошлаковый переплав электродов выполняли в изложницах с получением листовых слитков массой ≈10 т, которые были прокатаны на стане «4500» на листовые полуфабрикаты толщиной 45 и 70 мм. Из полученного проката вырезали карты для испытаний обстрелом и пробы для определения вида излома после их разрушения статической изгибной нагрузкой. Карты и пробы закаливали в воду с температуры 910±10°С и отпускали при температуре 600°С с последующим охлаждением в воде.

После испытания проб для определения вида излома из их материала вырезали образцы для определения механических свойств.

Химический состав броневой стали различных плавок приведен в таблице 1.

Результаты определения предела прочности материала опытного проката броневых сталей после термической обработки, обеспечивающей удовлетворительный вид излома проб, для двух групп составов заявленной стали с различным содержанием углерода и стали прототипа приведены в таблице 2.

В таблице 3 приведены результаты определения противоснарядной стойкости плит толщиной 45 и 70 мм из броневой стали по изобретению и из стали ближайшего аналога. При этом следует отметить, что при испытании карт толщиной 70 мм изготовленных из стали ближайшего аналога, наблюдались случаи хрупких разрушений в виде расколов и тыльных отколов диаметром в 3 и более раз больших калибра бронебойного сердечника.

Учитывая статистическую природу определяемых величин, результаты, приведенные в табл.2 и 3, представлены в виде расчетных статистических характеристик экспериментальных выборок предела прочности (σ_в) и скорости предела кондиционных поражений (V_пкп).

При этом фактический уровень предела прочности материала плит после термической обработки, обеспечивающей необходимый запас вязкости, составил 1272-1510 МПа у стали по изобретению и 1130-1306 МПа у стали ближайшего аналога (см. табл.2). Разница средних значений пределов прочности составляет для указанных сталей 138 и 197 МПа в зависимости от содержания углерода стали по изобретению и является статистически значимой при уровне доверительной вероятности 0,95.

Представленные в таблицах данные позволили сделать следующие выводы:

- броневая сталь по изобретению обладает повышенной прочностью при достаточном уровне пластичности, запаса вязкости и изотропности катаных заготовок;

- при различных значениях отношений толщины брони к калибру снаряда среднее значение V_пкп броневой стали по изобретению превышает аналогичный показатель плит из известной стали на 8-12% (указанный вывод статистически значим при уровне доверительной вероятности более 0,95);

- броня из броневой стали по изобретению обладает повышенной противоснарядной стойкостью и живучестью.

Таблица 1 Химический состав опытных плавок сталей
Сталь	Номер плавки	Содержание компонентов, мас.%
С	Si	Mn	Cr	Ni	Мо	V	Al	N	Cu	Nb	S	Р
по изобретению	814	0,29	0,29	0,44	1,70	1,80	0,74	0,12	0,010	0,006	0,21	-	0,008	0,011
	940	0,34	0,23	0,50	1,84	2,02	0,84	0,14	0,015	0,017	0,29	-	0,002	0,011
	961	0,34	0,35	0,55	1,62	1,94	0,75	0,08	0,030	0,014	0,17	-	0,008	0,015
	202	0,33	0,29	0,45	1,69	1,93	0,72	0,09	0,035	0,013	0,13	-	0,007	0,011
	623	0,29	0,35	0,49	1,84	2,05	0,87	0,10	0,020	0,008	0,24	-	0,008	0,012
	375	0,31	0,26	0,30	2,00	2,20	0,78	0,12	0,030	0,010	0,19	0,01	0,005	0,014
	264	0,30	0,15	0,44	1,50	1,91	0,72	0,13	0,020	0,005	0,18	0,05	0,007	0,013
	698	0,37	0,22	0,32	1,30	1,70	0,82	0,13	0,040	0,018	0,09	-	0,007	0,009
	573	0,38	0,31	0,52	1,51	1,81	0,85	0,20	0,020	0,020	0,12	-	0,004	0,007
	039	0,35	0,35	0,35	1,23	1,75	0,70	0,17	0,025	0,009	0,11	-	0,009	0,011
574	0,37	0,28	0,56	1,48	1,67	0,80	0,15	0,020	0,015	0,12	-	0,012	0,007
аналог	175	0,31	0,20	0,40	1,24	1,47	0,50	0,10	-	-	-	-	0,004	0,009
	140	0,34	0,25	0,70	1.30	1,35	0,45	0,06	-	-	-	-	0,003	0,007
114	0,29	0,34	0,45	1,50	1,74	0,32	0,15	-	-	-	-	0,007	0,010

Таблица 2 Результаты определения предела прочности стальных плит
Сталь	Содержание углерода, мас.%	Предел прочности, σв, МПа	Количество определений, шт.	Среднее квадратичное отклонение S, МПа
Минимальное	Максимальное	Среднее
по изобретению	0,29-0,33	1272	1434	1361	34	45,1
по изобретению	0,34-0,38	1380	1510	1420	31	46,5
аналог	0,29-0,34	1130	1306	1223	18	42,0

Таблица 3 Результаты определения противоснарядной стойкости Vпкп
Номинальная толщина плит, мм	Угол встречи, градус	Калибр снаряда, мм	Сталь	Значения Vпкп, м/с	Количество испытаний карт, шт.	Среднее квадратичное отклонение S, м/с
Миним.	Максим.	Среднее
45	45	57	аналог	645	735	675	6	22,0
по изобретению	661	743	700	11	25,7
70	0	100	аналог	476	515	498	8	13,8
по изобретению	506	564	532	21	16,5
70	70	125	аналог	1285	1328	1302	8	16,0
по изобретению	1328	1411	1370	8	26,2

Броневая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, азот, медь и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,29-0,38
кремний	0,15-0,37
марганец	0,30-0,60
хром	1,20-2,00
никель	1,20-2,20
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