Слоистая плита на основе алюминия для противопульной сварной брони
Владельцы патента RU 2371660:
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт стали" (ОАО "НИИ стали") (RU)
Изобретение относится к сварным броневым конструкциям. Слоистая плита на основе алюминия для противопульной сварной брони включает лицевой, срединный и тыльный слои из алюминиевых сплавов, тонкие слои толщиной 1-3% толщины плиты, расположенные между указанными слоями и на внешних поверхностях лицевого и тыльного слоев. Лицевой слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты. Тонкие слои выполнены из алюминиевого сплава, содержащего цинк, кремний, марганец, железо, титан и примеси. Тыльный слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты. По меньшей мере один из лицевого, срединного и тыльного слоев выполнен из алюминиевого сплава, содержащего цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, медь, железо, кремний и примеси, при этом суммарное содержание цинка и магния составляет 6,4-7,4 мас.%, а отношение содержания цинка к содержанию магния - 2,57-3,67. Техническим результатом является повышение бронестойкости, циклической долговечности, а также уровня безопасных напряжений слоистой плиты и ее сварных соединений. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области сварных броневых конструкций, в частности, включающих броневые плиты, которые состоят из нескольких слоев металла различного состава, и может быть использовано в машиностроении при создании объектов защиты от стрелкового оружия, осколков гранат и т.п.
В настоящее время наиболее широко используются три типа брони: противопульная, противопульно-противоснарядная и противоснарядная. Противопульная броня предназначена для защиты объектов от стрелкового оружия калибра 5,45-12,7 мм. Объектами защиты такой броней являются средства индивидуальной защиты, бронеавтомобили, большинство изделий бронетехники легкой весовой категории и др. Противопульно-противоснарядная броня предназначена для защиты, в основном, от пуль калибра 12,7-14 мм и малокалиберных снарядов калибра 20-30 мм. Противоснарядная броня предназначена, в основном, для защиты от крупнокалиберных снарядов калибра 50- 100 мм и более.
Достижение максимального результата защиты для каждого типа брони обусловлено правильным выбором конструктивного решения и материала, используемого для изготовления броневой плиты, а также технологии ее изготовления.
Для противопульной и противопульно-противоснарядной сварной брони в настоящее время используют гомогенные (однослойные) и слоистые (многослойные) плиты, выполненные из свариваемых высокопрочных алюминиевых сплавов.
Бронестойкость гомогенной плиты определяется твердостью алюминиевого сплава, который при этом должен обладать достаточной пластичностью. Недостаток пластичности сплава ведет к расколам (трещинам) броневой плиты и отколам с ее тыльной стороны при обстреле средством поражения.
Наиболее твердыми и достаточно пластичными среди свариваемых алюминиевых сплавов являются термоупрочняемые сплавы системы Al-Zn-Mg, которые широко используются для изготовления броневых плит. Из известных сплавов системы Al-Zn-Mg как броневые сплавы позиционируются сплавы 7039 (США), 7020 (Франция), 1903 (Россия) и т.д.(В.И.Елагин, В.В.Захаров, A.M.Дриц «Структура и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg». M.: Металлургия, 1982; ОСТ1-92014-90).
Для сплавов системы Al-Zn-Mg характерно увеличение твердости и снижение пластичности с увеличением суммарного содержания основных легирующих элементов цинка и магния (Σ Zn+Mg). В настоящее время твердость НВ=160 броневых сплавов системы Al-Zn-Mg, используемых для изготовления противопульных гомогенных плит, является предельной, поскольку исчерпан резерв пластичности. Дальнейшее увеличение твердости броневого сплава системы Al-Zn-Mg сопровождается тыльными отколами и снижением бронестойкости. Практика также показала малую эффективность повышения броневых свойств гомогенных плит за счет совершенствования технологии их изготовления.
Для обеспечения повышенного, по сравнению с гомогенной плитой, уровня броневых свойств используют слоистую (многослойную) плиту на основе алюминиевых сплавов. Известна слоистая плита, включающая лицевой (внешний) слой из свариваемого сплава системы Al-Zn-Mg с твердостью НВ=150, срединный слой из несвариваемого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu с твердостью НВ=180 и тыльный слой из свариваемого сплава системы Al-Zn-Mg с твердостью НВ=150. Между этими слоями расположены тонкие (до 2,5% от толщины плиты) слои из технически чистого алюминия. Бронестойкость данной слоистой плиты в зависимости от условий испытаний на 4-20% выше бронестойкости гомогенной плиты из сплавов 7017, 7039, 7020 («International Defense Review», 1988, v.21, p.1657-1658).
Известна другая слоистая плита на основе алюминия (марка ПАС-1) для противопульная брони. Плита включает лицевой слой из свариваемых сплавов системы Al-Zn-Mg оригинального состава с твердостью не менее 165 и толщиной 75-90% толщины плиты, тыльный слой из известного свариваемого сплава системы Al-Zn-Mg с твердостью НВ=135-150 и толщиной 5-15% толщины плиты, а также 3 слоя из технически чистого алюминия, расположенные на внешних поверхностях лицевого и тыльного слоев, а также между ними. Толщина каждого слоя из технически чистого алюминия составила 1-3% толщины плиты (RU 2071025 С1, кл. F41H 5/04, опубл. 27.12.1996).
Известна слоистая плита на основе алюминия для противопульно-противоснарядной брони (ПАС-2), включающая лицевой, срединный и тыльный слои, а также тонкие слои из технически чистого алюминия толщиной 1-3% толщины плиты, расположенные между указанными слоями, а также на внешних поверхностях лицевого и тыльного слоев. Лицевой, срединный и тыльный слои изготовлены из свариваемых алюминиевых сплавов, причем лицевой слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты, а тыльный слой - 7-23% толщины плиты (RU 2102241 С1, кл. F41H 5/04, опубл. 20.01.1998).
Известные отечественные плиты ПАС имеют более высокий (на 5-15%) уровень бронестойкости перед вышеприведенным зарубежным аналогом, а также более высокий уровень устойчивости к коррозионному разрушению под действием растягивающих напряжений, который характеризуется уровнем безопасных напряжений σКР. Преимущество плит ПАС по коррозионным свойствам обеспечивают тонкие слои из технически чистого алюминия, которые являются механическим барьером для зарождения и распространения коррозионных трещин. Однако при эксплуатации слоистых плит ПАС в составе высоконагруженной сварной брони в условиях воздействия сред, обладающих повышенной агрессивностью, достигнутый в настоящее время уровень безопасных напряжений σКР может оказаться недостаточным. Это связано с тем, что современные технологии изготовления сварной брони с использованием слоистых плит в должной мере не обеспечивают подавление действия источников зарождения трещин: концентраторов напряжений конструкционного и технологического происхождения (как правило, неконтролируемых) и остаточных напряжений (сварочных, монтажных и т.д.).
Целью изобретения является разработка слоистой плиты на основе алюминия для противопульной сварной брони с повышенным уровнем бронестойкости и усталостной прочности, а также повышенным уровнем коррозионной стойкости ее сварных соединений. Техническим результатом является повышение бронестойкости, циклической долговечности, а также уровня безопасных напряжений σКР слоистой плиты и ее сварных соединений.
Сущностью изобретения является слоистая плита на основе алюминия для противопульной сварной брони, включающая лицевой, срединный и тыльный слои из алюминиевых сплавов, тонкие слои толщиной 1-3% толщины плиты, расположенные между указанными слоями и на внешних поверхностях лицевого и тыльного слоев, причем лицевой слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты, тонкие слои выполнены из алюминиевого сплава, содержащего цинк, кремний, марганец, железо, титан и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| цинк | 0,80-1,35 |
| кремний | 0,08-0,30 |
| марганец | 0,015-0,035 |
| железо | 0,10-0,40 |
| титан | 0,03-0,18 |
| примеси | не более 0,1 |
| алюминий | остальное |
тыльный слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты, а, по меньшей мере, один из лицевого, срединного или тыльного слоев выполнен из алюминиевого сплава, содержащего цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, медь, железо, кремний и примеси, при следующем соотношении, мас.%:
| цинк | 4,9-5,5 |
| магний | 1,5-1,9 |
| марганец | 0,2-0,5 |
| хром | 0,15-0,25 |
| титан | 0,03-0,10 |
| цирконий | 0,07-0,12 |
| медь | 0,10-0,20 |
| железо | ≤0,35 |
| кремний | ≤0,25 |
| другие примеси | ≤0,1 |
| алюминий | остальное |
при этом суммарное содержание цинка и магния составляет 6,4-7,4 мас.%, а отношение содержания цинка к содержанию магния - 2,57-3,67.
На чертеже представлена схема расположения слоев плиты по изобретению и преимущественный путь распространения трещины коррозионно-усталостного происхождения в сварном соединении, где:
1 - лицевой слой;
2 - срединный слой;
3 - тыльный слой;
4 - тонкий слой, расположенный между лицевым и срединным слоем;
5 - тонкий слой, расположенный между срединным и тыльным слоем;
6 - тонкий слой, расположенный на внешней поверхности лицевого слоя;
7 - тонкий слой, расположенный на внешней поверхности тыльного слоя.
8 - сварной шов;
9 - элемент сварной брони, изготовленный из слоистой плиты или из свариваемого алюминиевого сплава;
10 - трещина.
Слоистую плиту по изобретению получают по серийной технологии изготовления плит ПАС: сборка пакета из листов соответствующих алюминиевых сплавов→нагрев→прокатка в размер→обрезка кромок→закалка→правка→финишная термообработка.
Для сравнительной оценки коррозионных, броневых и усталостных свойств известной плиты и плиты по изобретению были исследованы плиты номинальной толщиной 30 мм и листы сплавов толщиной 3 мм в состоянии Т1. Сварку плит с другим элементом сварной брони проводили сварочной проволокой св. АМг6. Тонкие слои были выполнены из алюминиевого сплава, содержащего, мас.%: цинк - 0,92, кремний - 0,15, марганец - 0,024, железо - 0,03, титан - 0,12, примеси - не более 0,1, алюминий - остальное. Лицевой, срединный и тыльный слои были выполнены из алюминиевого сплава, который при суммарном содержании цинка и магния 6,8 мас.% и отношении содержания цинка и магния 3,0, содержал, мас.%: цинк - 5,1, магний - 1,7, марганец - 0,35, хром - 0,18, титан - 0,74, цирконий - 0,96, медь - 0,15, железо - менее 0,35, кремний - менее 0,25, другие примеси - менее 0,1, алюминий - остальное.
Сравнительные испытания проводили по стандартным методикам. Броневые свойства определяли путем обстрела пулей калибром 7,62 мм под углом α=0° (α - угол между траекторией пули и нормалью к плите) с определением предельной скорости кондиционных поражений (VПКП). Усталостные свойства определяли на образцах сечением 30×80 мм, отобранных от существующих и предлагаемых плит в состоянии Т1. Испытания проводили при знакопеременном нагружении на базе 100000 циклов с частотой 10 Гц. Оценку сопротивления коррозионному разрушению проводили по величине уровня безопасных напряжений σКР. Уровнем безопасных напряжений σКР принимали уровень напряжений, при котором в испытуемых образцах (элементах конструкций и т.п.) не появлялись трещины в течение всего времени испытаний. Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице.
| Таблица | |||
| Характеристики | Слоистые плиты | Преимущество плит по изобретению | |
| Известные | По изобретению | ||
| Бронестойкость VПКП, м/сек | 730 | 755 | выше на 3,5% |
| Циклическая долговечность σu, МПа | 235 | 340 | больше в 1,45 раза |
| Уровень безопасных напряжений сварных соединений σКР, МПа | 100 | 160 | больше в 1,6 раза |
| Уровень безопасных напряжений для плиты σКР, МПа | 150 | 230 | больше в 1,53 раза |
Проведенные испытания показали, что трещина 10 зарождается, как правило, на стыке сварного шва 8 и зоны термического влияния, и распространяется в лицевом слое 1, поскольку тонкий слой 4, расположенный между лицевым 1 и срединным слоем 2, является барьером, препятствующим переходу трещины из лицевого 1 в срединный 2 слой. При этом следует отметить, что время до зарождения трещины в сварном соединении плиты по изобретению несколько больше времени до зарождения трещины в сварном соединении известной слоистой плиты.
В коррозионно-активной среде скорость распространения трещины 10 в лицевом слое слоистой плиты по изобретению заметно ниже скорости ее распространения в лицевом слое известной слоистой плиты. Это указывает на то, что в заявленном техническом решении тонкий слой 4 на внешней поверхности лицевого слоя обеспечивает электрохимическую (протекторную) защиту лицевого слоя 1 в зоне развития трещины, в отличие от известного технического решения, в котором тонкий слой из технически чистого алюминия, способного к пассивации, защищает лицевой слой механически и не влияет на скорость распространения образовавшейся трещины.
Представленные результаты показывают, что слоистые плиты для противопульной брони по изобретению по сравнению с известной плитой обладают более высокой бронестойкостью, а также имеют более высокие характеристики по усталостным свойствам и сопротивлению коррозионному растрескиванию под напряжением. Сварные соединения с использованием слоистых плит по изобретению также имеют значительное преимущество по сопротивлению коррозионному разрушению.
Использование слоистых плит по изобретению в сварной противопульной броне существенно повышает ее эксплуатационную надежность и живучесть.
Слоистая плита на основе алюминия для противопульной сварной брони, включающая лицевой, срединный и тыльный слои из алюминиевых сплавов, тонкие слои толщиной 1-3% толщины плиты, расположенные между указанными слоями и на внешних поверхностях лицевого и тыльного слоев, причем лицевой слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты, отличающаяся тем, что тонкие слои выполнены из алюминиевого сплава, содержащего цинк, кремний, марганец, железо, титан и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| цинк | 0,80-1,35 |
| кремний | 0,08-0,30 |
| марганец | 0,015-0,035 |
| железо | 0,10-0,40 |
| титан | 0,03-0,18 |
| примеси | не более 0,1 |
| алюминий | остальное, |
тыльный слой выполнен толщиной 4-13% толщины плиты, а, по меньшей мере, один из лицевого, срединного и тыльного слоев выполнен из алюминиевого сплава, содержащего цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, медь, железо, кремний и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| цинк | 4,9-5,5 |
| магний | 1,5-1,9 |
| марганец | 0,2-0,5 |
| хром | 0,15-0,25 |
| титан | 0,03-0,10 |
| цирконий | 0,07-0,12 |
| медь | 0,10-0,20 |
| железо | ≤0,35 |
| кремний | ≤0,25 |
| другие примеси | ≤0,1 |
| алюминий | остальное, |
при этом суммарное содержание цинка и магния составляет 6,4-7,4 мас.%, а отношение содержания цинка к содержанию магния - 2,57-3,67.
