JP6528004B2 - 引張強度２０００ＭＰａ級の防弾鋼板およびその製造方法 - Google Patents

引張強度２０００ＭＰａ級の防弾鋼板およびその製造方法 Download PDF

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Description

技術分野
本発明は、１種の鋼材料およびその製造方法、特に１種の防弾鋼板及びその製造方法に関する。
背景技術
国内外反テロ情勢の厳しさに従って、防弾性能を有する装甲車輌に対しての需要は年年増加されている。尚、より高い防弾レベルが要求された装甲鋼板に対しての需要も次第に増加されている。その以外、日常生活においても、一部分の鋼板は、防弾機能と防射撃機能を有する防弾ドア、防弾ヘルメット、防弾服、防弾シールド、あるいは、例えば、銀行カウンター、金庫、防爆車、防弾現金ドラック、潜水艦、上陸用舟艇、沿岸警備艇（coastguard cutter）、ヘリコプターなどの装置の防弾部品の製造に用いられる。
中国特許文献(CN101270439A、公開日：2008年9月24日、名称が「１種の高強度熱間圧延防弾鋼板及びその製造方法」である)に、高強度熱間圧延防弾鋼板及びその製造方法は公開された。該高強度熱間圧延防弾鋼板の製造方法は下のステップを含有する。ビレットを1150〜1250℃で加熱して80％よりも大きい変形量と830〜900℃最終圧延温度で圧延する。最終圧延後に、20℃/S以上の冷却速度で鋼板を460〜560℃に冷却して、巻取して、室温に空気冷却する。該製造方法で得られた防弾鋼板の成分は、C：0.15-0.22%、Si：0.2-0.6%、Mn：1.6-2.2%、P≦0.035%、S≦0.01%、Al：0.020-0.06%、N≦0.006%、Ti：0.025-0.15%、Cu＜0.3%、Nb≦0.055%および/あるいはV≦0.15%あるいはCr＜0.3%、Mo＜0.3%、Ni＜0.2%、Ca＜0.0050% 、B＜0.0025%の１種あるいは多種であり、残部がFeおよび不可避不純物である。該防弾鋼板の板厚みが3ｍｍ以下であり、且つ引張強度が高くない。
中国特許文献(CN102181795A、公開日：2011年9月14日、名称が「１種の超高強度防弾鋼板及びその製造プロセス」である)に、超高強度防弾鋼板及びその製造成形プロセスは公開された。該超高強度防弾鋼板の各化学元素(wt.％)は、C：0.30〜0.5、Si：0.40〜0.60、Mn：1.50〜1.80、P≦0.025、S≦0.01、Cr+Ni+Mo≦2.5、Nb+V+Ti+B≦0.20、残部がFeである。該超高強度防弾鋼板は低合金成分の設計を使用した。1180〜1250℃の加熱、1000〜1150℃の圧延、850〜900℃の最終圧延、900〜950℃の熱処理を経由して、型枠に水を流入する圧力が7〜8barであり、出口圧力が5.5〜7barであり、水流速度が1.5〜3m/sである通水冷却の熱衝撃圧延成形プロせスを使用して、各性能を満足し且つ板型の平坦度が良好であり、表面に酸化膜がない且つ厚みが2.2ｍｍであるB級超高強度軽量化防弾鋼板と3.7ｍｍのC級超高強度軽量化防弾鋼板を獲得した。該特許文献の公開の防弾鋼板にCu元素がない且つ該防弾鋼板の厚みが3ｍｍ以下である。
中国特許文献(CN103993235A、公開日：2014年8月20日、名称が「１種の高強度熱間圧延防弾鋼板の製造方法」である)に、高強度熱間圧延防弾鋼板を製造する方法は公開された。該高強度熱間圧延防弾鋼板の製造方法は下のステップを含有する。
1）成分に基づいて製錬鋳造して、成分が合格である連続鋳造スラブを得り、連続鋳造スラブを加熱炉に送り、加熱を行う；
2）加熱後の連続鋳造スラブを熱間圧延する；
3）熱間圧延後の連続鋳造スラブを冷却する；
4）冷却後の連続鋳造スラブを巻取り、熱間圧延板を得る；
5）熱間圧延板を熱処理して防弾鋼板を得る。
該製造方法で得られた防弾鋼板の各化学元素は、C：0.08〜0.12%、Si：0.7〜1.3%、Mn：1.30〜1.8%、Al：0.01〜0.06%、P≦0.02%、S≦0.004%、N≦0.004%、O≦0.015%、Gr：0.3〜1.0%，Ti+Nb≦0.2%、B：0.0015-0.0025%、残部がFeおよび不可避不純物である。該特許文献の公開の防弾鋼板の厚みが3ｍｍ以下である。同時に焼入れ＋焼き戻し処理後のブリネル硬さは500級前後だけを達成した。
発明の概要
本発明の目的は、高い引張強度とブリネル硬さを有する１種の引張強度2000ＭＰａ級且つブリネル硬さ600級の防弾鋼板を提供するものである。尚、該防弾鋼板は良好な耐大気腐食性能をさらに有する。
前記目的を実現するために、本発明は、下の化学元素の質量百分配合比を有する１種の引張強度2000ＭＰａ級且つブリネル硬さ600級の防弾鋼板を提供した。
Ｃ：0.35〜0.45%；
Ｓｉ：0.80〜1.60%；
Ｍｎ：0.3〜1.0%；
Al：0.02〜0.06％；
Ni：0.3〜1.2％；
Cr：0.30〜1.00％；
Mo：0.20〜0.80％；
Cu：0.20〜0.60％；
Ti：0.01〜0.05％；
B：0.001〜0.003％；
残部がFeおよび不可避不純物である。
本発明前記の引張強度2000ＭＰａ級且つブリネル硬さ600級の防弾鋼板の各化学元素の設計原理は下のようになった。
炭素：Ｃは、鋼中で固溶強化の作用を発揮して、鋼の強度の向上への貢献が最も大きいである。尚、Ｃもコストが最も低い強化元素である。一定な硬度級別を達成するために、鋼中で高い含有量のＣを含有する必要である。だが、Ｃの含有量は高すぎると、鋼板の溶接性能と靱性へ不利である。鋼板の強靱性との適応性を配慮すると、本発明前記防弾鋼板中のＣ含有量を0.35〜0.45％にコントロールすべきである。
ケイ素：Ｓｉは脱酸元素である。尚、Ｓｉもフェライトへ溶解することによって固溶強化の作用を発揮でき、鋼板強度と硬度を顕著に向上できる。Ｓｉが発揮する固溶強化の作用はC、N、Pだけよりも低いが、他の合金元素よりも高い。Ｓｉの固溶強化作用を十分に利用するために、Ｓｉの含有量が一般的に0.6％よりも低くない。本発明前記防弾鋼板に対しては、Ｓｉ含有量を0.8〜1.60％の範囲にコントロールすることによって、固溶強化作用を発揮する。
マンガン：Ｍｎは、臨界冷却速度を低下し、焼入れ性を大きく向上する。同時に、Mnは鋼板に対して固溶強化作用を有する。Mn含有量が高すぎると、マルテンサイトの転移温度の低下が多すぎであり、室温残留オーステナイトの増加を引き起こし、鋼板の強度増加へ不利である。尚、鋳造スラブ中心偏析部位に粗大MnSが生成されたため、板厚中心の靱性をも低下する。本発明技術方案に基づいて、該防弾鋼板中のMn含有量を0.30〜1.00％に設定する必要がある。
アルミニウム：Ａｌも脱酸元素とする。Ａｌは、Ｎと細小且つ難溶であるＡｌＮ粒子に形成し、鋼板のミクロ組織を細化する。尚、Al元素はBNの生成を更に抑制することによって、Bを固溶状態として存在して、鋼板の焼入れ性を保証できる。Al元素含有量が高すぎると、鋼中で粗大なアルミナ異物が生成される。そうすると、本発明前記防弾鋼板のAl含有量を0.02〜0.06％にすべきである。
ニッケル：Niは、鋼中で基体相フェライトとオーステナイトだけに溶解し且つ炭化物に形成しない。Niのオーステナイト安定化作用は非常に強くて、鋼板の高靱性を保証する主要な元素である。Ni元素が本発明防弾鋼板で発揮する作用及び合金元素添加コストを総合的に配慮すると、Ni含有量を0.3〜1.2％範囲に設定すべきである。
クロム：Crはオーステナイト相区域を縮小する元素だけではなくて、フェライトにも溶解できる。Crはオーステナイトの安定性を向上して、C曲線を右へ移動して、臨界冷却速度を低下して、鋼の焼入れ性を向上できる。本発明前記防弾鋼板中で、Cr含有量を0.30〜1.00％にコントロールすべきである。
モリブデン：Moは鋼中で固溶体相に存在されているため、Moの添加で鋼板が固溶強化作用を有させて、鋼の硬度と強度を向上する作用を発揮する。本発明防弾鋼板中のMo元素含有量を0.20〜0.80％に設定する。
銅：Cuは、鋼中で主に固溶態で存在されており、固溶強化作用を発揮する。その同時に、本発明の防弾鋼板に0.20〜0.60％のCuを加入することによって鋼板の耐大気腐食性能をも顕著に向上する。
チタン：Tiは鋼中のC、Nと炭化チタン、窒化チタンあるいは炭窒化チタンを形成して、鋼スラブを加熱圧延する段階で、オーステナイトの晶粒を細化する作用を発揮して、鋼板の強度と靱性を向上できる。だが、多すぎるチタンは多い粗大な窒化チタンを形成して鋼板の強度と靱性へ不利影響を及ぼす。そうすると、本発明前記防弾鋼板中のチタンの含有量を0.01〜0.05％にコントロールする必要である。
ホウ素：Bをより少量で添加することは、鋼の焼入れ性を顕著に増加して、マルテンサイト組織を容易に獲得する。本発明防弾鋼板に対しては、多すぎるB元素の添加は不適当である。これは、Bが晶界との間に強い結合力があり晶界に偏集しやすいため、鋼板の性能へ影響があるからである。そうすると、本発明防弾鋼板に対しては、0.001〜0.003％でBを加入すると、鋼板の焼入れ性を向上できるし、相応なマルテンサイトのミクロ組織をも獲得できる。
さらに、本発明前記防弾鋼板のミクロ組織は焼き戻しマルテンサイト＋極少量の残留オーステナイトである。焼き戻しマルテンサイトは、過飽和度が多少低いマルテンサイトと極細小のε-炭化物からなる。
また、本発明前記防弾鋼板では、前記残留オーステナイトの構成比が1％よりも低い。
更に、本発明前記防弾鋼板では、不可避不純物の中のP≦0.010%、S≦0.005%である。本技術方案に対しては、不可避不純物は主にSとPである。
尚、本発明前記防弾鋼板の厚みが6〜22ｍｍである。
本発明の他の目的は１種の防弾鋼板の製造方法を提供するものである。該製造方法によって得られた防弾鋼板は、高い引張強度と大きいブリネル硬さを有する。その引張強度は2000ＭＰａ級を達成できる。そのブリネル硬さは600級を達成できる。尚、該製造方法によって得られた防弾鋼板は、優良な耐大気腐食性能をさらに有する。
前記発明目的を実現するために、本発明の防弾鋼板の製造方法は、(1)製錬と鋳込み；(2)加熱；(3)圧延；(4)冷却；(5)焼入れ；(6)低温焼き戻しを、順次に含む。
更に、前記防弾鋼板の製造方法のステップ(2)では、加熱温度が1130〜1250℃であり、加熱時間が120〜180分である。
更に、前記防弾鋼板の製造方法のステップ(3)では、最終圧延温度を950〜1050℃にコントロールすることによって、圧延段階での変形抗力を低減する。
また、前記防弾鋼板の製造方法のステップ(4)では、冷却方式が空気冷却である。
前記防弾鋼板の製造方法のステップ(5)では、焼入れ温度が880〜930℃であり、保温時間が板厚×（2〜3）分/mmであることによって、鋼板がオーステナイト化区域に進入することを確保する。
更に、前記防弾鋼板の製造方法のステップ(6)では、焼き戻し温度が180〜220℃であり、保温時間が板厚×（3〜5）分/mmであることによって、応力作用を取り除く目的を達成する。
合金元素を合理的に設計・添加することによって、本発明前記防弾鋼板の引張強度は高くなり、2000ＭＰａ級を達成できる。同時に、該防弾鋼板のブリネル硬さは大きくなり、600級を達成できる。
また、本発明前記防弾鋼板は、優良な耐大気腐食性能を有する。
尚、現有技術の厚みが3ｍｍ以下である防弾鋼板よりも、本発明前記防弾鋼板の厚みは6〜22ｍｍを達成できるため、該鋼板の防弾と防撃透との能力はより好ましいである。
本発明防弾鋼板の防弾性能はEU標準EN.1063中のFB5級の標準要求を満足できる。
本発明前記防弾鋼板の製造方法によって引張強度が高い且つブリネル硬さが大きい防弾鋼板を獲得できる。
図１は実施例４の防弾鋼板の光学顕微鏡下の500倍のメタログラフィーを示した。 図２は実施例４防弾鋼板の走査型電子顕微鏡下の5000倍のメタログラフィーを示した。
以下、図の説明と具体的な実施例と結合しながら、本発明前記防弾鋼板及びその製造方法についてさらに解釈と説明する。だが、該解釈と説明は本発明の技術方案の構成について限定しない。
実施例１〜６
表１では、実施例１〜６防弾鋼板中の各化学元素の質量百分配合比を示した。
Figure 0006528004
前記実施例１〜６中の防弾鋼板は、順次に下のステップで得られた。
(1)製錬と鋳込み；
(2)加熱：加熱温度が1130〜1250℃、加熱時間が120〜180分だった；
(3)圧延：最終圧延温度を950〜1050℃にコントロールした；
(4)冷却：冷却方式が空気冷却だった；
(5)焼入れ：焼入れ温度が880〜930℃、保温時間が板厚×（2〜3）分/mmだった；
(6)低温焼き戻し：焼き戻し温度が180〜220℃、保温時間が板厚×（3〜5）分/mmだった。
表２では、実施例１〜６防弾鋼板の製造方法の具体的なパラメーターを示した。
Figure 0006528004
実施例１〜６の防弾鋼板について試料採取後に、サンプルについてEU標準EN.1063中のFB5級要求に基づいて鋼板に対して射撃実験を行った。実験条件と実験結果は表３に表示された。
表３では実施例１〜６の防弾鋼板の射撃実験後の結果を示した。
Figure 0006528004
表３から、実施例１〜６の防弾鋼板はすべて射撃実験で破過されていないことと、前記実施例中の防弾鋼板のいずれもEU標準EN.1063中のFB5級要求を満足したことが分かった。
実施例１〜６の防弾鋼板について試料採取後に、サンプルについて引張強度の実験とブリネル硬さの実験を行った。その実験結果を表４に示した。
表４では実施例１〜６の防弾鋼板の引張強度とブリネル硬さを示した。
Figure 0006528004
表４から、実施例１〜６の防弾鋼板のブリネル硬さがすべて600級を達成したことと、引張強度が全て2000MPa以上だったことが分かった。
図１と図２はそれぞれ、実施例４の光学顕微鏡下の500倍のメタログラフィーと走査型電子顕微鏡下の5000倍のメタログラフィーを示した。図１と図２から、そのミクロ組織は主に焼き戻しマルテンサイトであり、残留のオーステナイトの含有量が非常に低いことが分かった。
前記から分かるように、本発明の技術方案は合金元素設計＋合理な製造プロセスによって、引張強度とブリネル硬さが超高である防弾鋼板を獲得した。
注意することは、前記に挙げられたことが本発明の具体的な実施例だけだったが、本発明が前記実施例に限定されなくて、類似な変化もできる。当業者が本発明の公開内容から直接的に引き出した全部の変形あるいは聯想された全部の変形も本発明の保護範囲に含まれる。

Claims (5)

  1. 化学元素の質量百分配合比で、Ｃ：0.35〜0.45%、Ｓｉ：0.80〜1.60%、Ｍｎ：0.3〜1.0%、Al：0.02〜0.06％、Ni：0.3〜1.2％、Cr：0.30〜1.00％、Mo：0.20〜0.80％、Cu：0.20〜0.60％、Ti：0.01〜0.05％、B：0.001〜0.003％、残部がFeおよび不可避不純物である引張強度2000ＭＰａ以上且つブリネル硬さ587以上の防弾鋼板。
  2. そのミクロ組織が、焼き戻しマルテンサイト＋極少量の残留オーステナイトであって、
    前記残留オーステナイトの構成比が1％よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の防弾鋼板。
  3. 前記不可避不純物中のP≦0.010%、S≦0.005%であることを特徴とする請求項１に記載の防弾鋼板。
  4. その厚みが6〜22ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３中の何れか１項に記載の防弾鋼板。
  5. (1)製錬と鋳込み；
    (2)加熱温度が1130〜1250℃であり、加熱時間が120〜180分である加熱；
    (3)最終圧延温度を950〜1050℃にコントロールする圧延；
    (4)冷却方式が空気冷却である冷却；
    (5)焼入れ温度が880〜930℃であり、保温時間（分）が板厚（mm）×（2〜3）分/mmである焼入れ；
    (6)焼き戻し温度が180〜220℃であり、保温時間（分）が板厚（mm）×（3〜5）分/mmである低温焼き戻しを、順次に含むことを特徴とする請求項１〜４中の何れか１項に記載の防弾鋼板の製造方法。
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