Высокопрочная броневая сталь и способ производства листов из нее
Владельцы патента RU 2520247:
Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "ЛВС" (RU)
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.
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 σв/σ0,2>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.
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 |
при этом соотношение молибден/углерод составляет 0,8-2,0.
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.
