RU2447181C1 - Armor steel - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: proposed armor steel contains following substances, in wt %: 0.24-0.64 C; 0.4-1.9 Si; 0.3-1.6 Mn; 0.6-2.0 Cr; 0.6-1.8 Ni; 0.10-0.40 Mo; 0.01-0.15 Al; 0.001-0.020 N; 0.05-0.35 Cu; 0.01-0.15 Ti; iron making the rest. Besides armor steel may additionally contain 0.05-5.0 wt % of Co.

EFFECT: higher strength.

2 cl, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к составам свариваемых сталей, используемых в бронезащитных конструкциях в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит.The invention relates to the field of metallurgy, and more particularly to compositions of welded steels used in armored structures in a highly hardened state after quenching on martensite.

Известна высокопрочная низколегированная сталь, закаливаемая на мартенсит, содержащая, мас.%:Known high-strength low alloy steel hardened to martensite, containing, wt.%:

УглеродCarbon 0,05-0,620.05-0.62 МарганецManganese 0,42-0,820.42-0.82 КремнийSilicon 0,80-1,800.80-1.80 ХромChromium 1,10-1,401.10-1.40 МолибденMolybdenum 0,15-0,600.15-0.60 АлюминийAluminum 0,02-0,150.02-0.15 ТитанTitanium 0,02-0,120.02-0.12 ЖелезоIron Остальное.Rest.

Данная сталь может содержать до 0,24% никеля, или 1,65-2,0% никеля при содержании молибдена 0,35-0,60%, а также 1,1-1,8% кремния и дополнительно до 0,02% церия (Патент Российской Федерации №2031179, МПК C22C 38/28, C22C 38/34, C22C 38/50, 1995 г.).This steel may contain up to 0.24% nickel, or 1.65-2.0% nickel with a molybdenum content of 0.35-0.60%, as well as 1.1-1.8% silicon and an additional up to 0.02 % cerium (Patent of the Russian Federation No. 2031179, IPC C22C 38/28, C22C 38/34, C22C 38/50, 1995).

Недостаток стали известного состава состоит в том, что она имеет низкую откольную стойкость при соударении с бронебойным сердечником пули. Это снижает ее бронестойкость.A disadvantage of steel of known composition is that it has a low spall resistance upon impact with an armor-piercing bullet core. This reduces its armor resistance.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является броневая сталь следующего состава, мас.%:The closest analogue to the proposed invention is armored steel of the following composition, wt.%:

УглеродCarbon 0,29-0,380.29-0.38 КремнийSilicon 0,15-0,370.15-0.37 МарганецManganese 0,30-0,600.30-0.60 ХромChromium 1,2-2,01.2-2.0 НикельNickel 1,2-2,201,2-2,20 МолибденMolybdenum 0,72-0,900.72-0.90 ВанадийVanadium 0,06-0,200.06-0.20 АлюминийAluminum 0,01-0,050.01-0.05 АзотNitrogen 0,005-0,0200.005-0.020 МедьCopper не более 0,50no more than 0.50 НиобийNiobium не более 0,05no more than 0,05 СераSulfur не более 0,012no more than 0,012 ФосфорPhosphorus не более 0,015no more than 0.015 ЖелезоIron ОстальноеRest

(Патент Российской Федерации №2341583, МПК C22C 38/48, 2007 г.).(Patent of the Russian Federation No. 2341583, IPC C22C 38/48, 2007).

Недостатки броневой стали данного состава состоят в том, что при многократном соударении с высокопрочными бронебойными сердечниками пуль в ней возникают полосы адиабатического сдвига, интенсивно нарастают повреждения микроструктуры, которые приводят к разрушению броневой преграды. Это снижает бронестойкость стали.The disadvantages of armored steel of this composition are that, when repeatedly impacted with high-strength armor-piercing bullet cores, adiabatic shear bands appear in it, damage to the microstructure that leads to the destruction of the armor barrier intensifies. This reduces the armor resistance of steel.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении бронестойкости.The technical problem solved by the invention is to increase the armor resistance.

Для решения поставленной технической задачи броневая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, азот, медь и железо, она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:To solve the technical problem, armor steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, aluminum, nitrogen, copper and iron, it additionally contains titanium in the following ratio, wt.%:

УглеродCarbon 0,24-0,640.24-0.64 КремнийSilicon 0,4-1,90.4-1.9 МарганецManganese 0,30-1,60.30-1.6 ХромChromium 0,6-2,00.6-2.0 НикельNickel 0,6-1,80.6-1.8 МолибденMolybdenum 0,10-0,400.10-0.40 АлюминийAluminum 0,01-0,150.01-0.15 АзотNitrogen 0,001-0,0200.001-0.020 МедьCopper 0,05-0,350.05-0.35 ТитанTitanium 0,01-0,150.01-0.15 ЖелезоIron ОстальноеRest

Кроме того, броневая сталь может дополнительно содержать кобальт в количестве 0,05-5,0%.In addition, armor steel may additionally contain cobalt in an amount of 0.05-5.0%.

Сущность изобретения состоит в следующем. При соударении с высокопрочным пулевым сердечником в броневой преграде возникает и распространяется вглубь ударная волна, что сопровождается перемещением металла в направлении фронта возмущения и трансформацией его микроструктуры. После разгрузки импульса ударно-волнового воздействия происходит образование микротрещин в стали. Введение в состав предложенной стали 0,01-0,15% титана при регламентированном содержании остальных компонентов обеспечивает снижение объема металла, перемещаемого за фронтом ударной волны, вызывает искажение кристаллической решетки реечного мартенсита и появлению в ней дополнительной упрочняющей фазы - мартенсита деформации с ε-карбидной фазой титана.The invention consists in the following. In a collision with a high-strength bullet core, a shock wave arises and propagates deep into the armored barrier, which is accompanied by the movement of the metal in the direction of the perturbation front and the transformation of its microstructure. After the shock pulse is unloaded, microcracks form in the steel. The introduction of 0.01-0.15% titanium into the composition of the proposed steel with a regulated content of the remaining components ensures a decrease in the volume of metal moved behind the shock wave front, causing distortion of the lattice of rack martensite and the appearance of an additional strengthening phase in it - strain martensite with ε-carbide titanium phase.

Деформационное структурное упрочнение стали в результате ударно-волнового воздействия приводит к тому, что сердечник пули при соударении с броневой преградой разрушается на более мелкие фрагменты, чем обеспечивается ее непробитие.Structural strain hardening of steel as a result of shock-wave action leads to the fact that the core of a bullet collides into smaller fragments when it collides with an armored obstacle, which ensures its non-penetration.

Введение в сталь предложенного состава кобальта обеспечивает расширение температурного интервала устойчивого состояния мартенсита, за счет чего повышается живучесть бронеконструкции в целом.Introduction to steel of the proposed composition of cobalt ensures the expansion of the temperature range of the stable state of martensite, which increases the survivability of the armored structure as a whole.

Углерод упрочняет сталь. При концентрации углерода менее 0,24% не достигается требуемая прочность и твердость стали, а при его концентрации более 0,64% снижаются вязкость, пластичность и бронезащитные свойства закаленной стали. Кроме того, при концентрации углерода более 0,64% не исключается коробление и поводки при сварке деталей броневой преграды.Carbon reinforces steel. At a carbon concentration of less than 0.24%, the required strength and hardness of steel is not achieved, and at a concentration of more than 0.64%, the viscosity, ductility and armor-protecting properties of hardened steel are reduced. In addition, with a carbon concentration of more than 0.64%, warping and leashes are not excluded when welding parts of an armored barrier.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость. Он упрочняет сталь без образования карбидов и нитридов, повышает устойчивость мартенсита при локальном нагреве в месте соударения с пулевым сердечником. При концентрации кремния менее 0,4% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 1,9% снижается ее пластичность и вязкость, а также свариваемость.Silicon deoxidizes steel, increases its strength and elasticity. It hardens steel without the formation of carbides and nitrides, increases the stability of martensite upon local heating at the site of collision with a bullet core. At a silicon concentration of less than 0.4%, the strength of steel is lower than acceptable, and at a concentration of more than 1.9%, its ductility and toughness, as well as weldability, are reduced.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,30% прочность и твердость стали недостаточны. Увеличение содержания марганца более 1,60% приводит к снижению ударной вязкости закаленной стали.Manganese deoxidizes and strengthens steel, binds sulfur. When the manganese content is less than 0.30%, the strength and hardness of the steel are insufficient. An increase in manganese content of more than 1.60% leads to a decrease in the toughness of hardened steel.

Хром повышает прочность, вязкость и бронестойкость стали. При его концентрации менее 0,6% прочность и вязкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 2,0% приводит к потере пластичности.Chrome increases the strength, toughness and armor resistance of steel. At a concentration of less than 0.6%, the strength and viscosity are below acceptable values. An increase in chromium content of more than 2.0% leads to a loss of ductility.

Никель способствует повышению пластичности и вязкости закаленной стали, но при его содержании более 1,8% повышается содержание остаточного аустенита в стали и ухудшается бронестойкость. Снижение содержания никеля менее 0,6% приводит к потере пластичности и ударной вязкости.Nickel helps to increase the ductility and toughness of hardened steel, but with its content of more than 1.8%, the content of residual austenite in steel increases and the armor resistance decreases. A decrease in nickel content of less than 0.6% leads to a loss of ductility and toughness.

Молибден образует мелкодисперсные карбиды, благоприятно изменяет распределение вредных примесей, уменьшая их концентрацию по границам зерен, повышает прочность и вязкость стали, обусловливает мелкозернистость микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,10% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,40% ухудшает свариваемость и пластичность закаленной стали.Molybdenum forms finely dispersed carbides, favorably changes the distribution of harmful impurities, reducing their concentration along grain boundaries, increases the strength and toughness of steel, and determines the fine-grained microstructure. When the molybdenum content is less than 0.10%, the strength of the steel is lower than the required level, and an increase in its content of more than 0.40% affects the weldability and ductility of hardened steel.

Алюминий дораскисляет сталь, способствует измельчению микрострктуры, повышению работы удара и бронестойкости стали. При содержании алюминия менее 0,01% его присутствие не сказывается на повышении функциональных свойств стали. Увеличение концентрации алюминия более 0,15% ведет к графитизации стали, снижению броневой стойкости.Aluminum preoxidizes steel, contributes to the grinding of the microstructure, increase the work of impact and armor resistance of steel. When the aluminum content is less than 0.01%, its presence does not affect the increase in the functional properties of steel. An increase in aluminum concentration of more than 0.15% leads to graphitization of steel and a decrease in armor resistance.

Влияние азота в данной стали подобно влиянию углерода, но азот, упрочняя сталь, не вызывает снижения ударной вязкости. При содержании азота менее 0,001% сталь имеет недостаточную прочность. Увеличение его концентрации более 0,020% ведет к потере пластичности и снижению откольной стойкости.The effect of nitrogen in a given steel is similar to that of carbon, but nitrogen, a hardened steel, does not cause a reduction in toughness. With a nitrogen content of less than 0.001%, the steel has insufficient strength. An increase in its concentration of more than 0.020% leads to a loss of ductility and a decrease in spall resistance.

Медь повышает теплостойкость стали при локальном тепловыделении в месте соударения с бронебойным сердечником. При концентрации меди менее 0,5% имеет место локальное снижение прочностных свойств и бронестойкости стали. Увеличение концентрации меди более 0,35% снижает ударную вязкость и свариваемость закаленной стали, что недопустимо.Copper increases the heat resistance of steel with local heat release at the site of impact with an armor-piercing core. At a copper concentration of less than 0.5%, there is a local decrease in the strength properties and armor resistance of steel. An increase in copper concentration of more than 0.35% reduces the toughness and weldability of hardened steel, which is unacceptable.

Титан оказывает существенное влияние на сопротивление пробитию и эволюцию микроструктуры в месте соударения. При содержании титана в стали предложенного состава менее 0,01%) циклические соударения при обстреле ведут к накоплению повреждений и разрушению броневой преграды. Увеличение концентрации титана более 0,15% нежелательно, так как уменьшает дессипацию кинетической энергии при соударении с броневым сердечником, что увеличивает вероятность пробития броневой преграды.Titanium has a significant effect on the penetration resistance and the evolution of the microstructure at the collision site. When the titanium content in the steel of the proposed composition is less than 0.01%), cyclic impacts during firing lead to accumulation of damage and destruction of the armor barrier. An increase in titanium concentration of more than 0.15% is undesirable, since it reduces the desorption of kinetic energy during collisions with the armored core, which increases the likelihood of penetration of the armored barrier.

Введение в сталь кобальта способствует повышениют бронестойкость стали при повышенных температурах, обусловленных как прямым термическим влиянием, так и адиабатическим нагревом, возникающим при соударении сердечника пули с броневой преградой. При снижении содержания кобальта менее 0,05% ухудшается бронестойкость стали при нагреве. Увеличение концентрации кобальта более 5,0% снижает ударную вязкость, способствует разрушению стальной броневой преграды при ударно-волновом деформировании и снижению бронестойкости.The introduction of cobalt into steel helps to increase the armor resistance of steel at elevated temperatures, due to both direct thermal influence and adiabatic heating arising from the collision of a bullet core with an armored barrier. With a decrease in the cobalt content of less than 0.05%, the armor resistance of steel when heated. An increase in cobalt concentration of more than 5.0% reduces the toughness, contributes to the destruction of steel armor barriers during shock-wave deformation and reduce armor resistance.

Стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. Выплавленную сталь в ковше раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррохромом, ферромолибденом, ферротитаном, ферроазотом, вводили металлические никель, медь, алюминий, кобальт. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.1.Steel of various chemical composition was smelted in an electric arc furnace. Smelted steel in the ladle was deoxidized with ferromanganese, ferrosilicon, alloyed with ferrochrome, ferromolybdenum, ferrotitanium, ferro nitrogen, and metallic nickel, copper, aluminum, and cobalt were introduced. Using synthetic slag, excess sulfur and phosphorus were removed. The chemical composition of smelted steels is given in table 1.

Сталь разливали в слитки и подвергали прокатке в слябы толщиной 100 мм. Затем слябы нагревали до температуры 1250°C и прокатывали на реверсивном стане кварто 2000 в листы толщиной от 5,0 до 12,0 мм.Steel was poured into ingots and rolled into slabs 100 mm thick. Then, the slabs were heated to a temperature of 1250 ° C and rolled on sheets with a thickness of 5.0 to 12.0 mm on a quarto 2000 reversing mill.

Таблица 1Table 1 Состав броневых сталейThe composition of the armored steels № составаComposition number Содержание химических элементов, мас.%The content of chemical elements, wt.% CC SiSi MnMn CrCr NiNi MoMo AlAl NN CuCu TiTi CoCo FeFe 1one 0,230.23 0,30.3 0,20.2 0,50.5 0,50.5 0,090.09 0,0090.009 0,00090,0009 0,040.04 0,0090.009 --- Ост.Ost. 22 0,240.24 0,40.4 0,30.3 0,60.6 0,60.6 0,100.10 0,0100.010 0,0010.001 0,050.05 0,0100.010 --- -:--: - 33 0,440.44 1,21,2 0,90.9 1,31.3 1,21,2 0,250.25 0,0800,080 0,0100.010 0,200.20 0,0500,050 --- -:--: - 4four 0,640.64 1,91.9 1,61,6 2,02.0 1,81.8 0,400.40 0,1500.150 0,0200,020 0,350.35 0,1000,100 --- -:--: - 55 0,650.65 2,02.0 1,71.7 2,12.1 1,91.9 0,500.50 0,1600.160 0,0220,022 0,360.36 0,1100,110 --- -:--: - 66 0,230.23 0,80.8 0,50.5 0,50.5 0,80.8 0,200.20 0,0500,050 0,0010.001 0,100.10 0,0110.011 0,040.04 -:--: - 77 0,450.45 1,11,1 0,80.8 1,21,2 1,31.3 0,240.24 0,0700,070 0,0110.011 0,180.18 0,0600,060 0,050.05 -:--: - 88 0,500.50 1,51,5 1,51,5 1,41.4 1,51,5 0,280.28 0,0900,090 0,0130.013 0,280.28 0,0900,090 2,252.25 -:--: - 99 0,630.63 1,81.8 1,51,5 1,91.9 1,71.7 0,380.38 0,1400.140 0,0190.019 0,340.34 0,0950,095 5,005.00 -:--: - 1010 0,660.66 2,12.1 1,71.7 2,12.1 1,91.9 0,420.42 0,1700.170 0,0210,021 0,370.37 0,0120.012 5,205.20 -:--: - 11eleven 0,300.30 0,30.3 0,40.4 1,61,6 1,51,5 0,800.80 0,0300,030 0,0140.014 0,450.45 --- --- -:--: -

Листовую сталь с различными составами подвергали незамедлительной закалке водой с прокатного нагрева от температуры 840°C. Закаленную сталь составов №1-5 и 11 отпускали при температуре 250°C, а составов №6-10 отпускали при температуре 450°C. Время выдержки в обоих случаях составляло 3 ч.Sheet steel with various compositions was subjected to immediate quenching with water from rolling heating from a temperature of 840 ° C. Hardened steel of compositions No. 1-5 and 11 was released at a temperature of 250 ° C, and compositions No. 6-10 were released at a temperature of 450 ° C. The exposure time in both cases was 3 hours.

После охлаждения от листовой стали отбирали пробы и производили испытания механических свойств, а также бронестойкости. Бронестойкость оценивали по минимальной толщине H (мм) непробития пластин при обстреле из снайперской винтовки Драгунова бронебойными пулями типа Б-32 калибра 7,62 мм с расстояния 100 м. В таблице 2 приведены результаты испытаний свойств горячекатаной листовой стали.After cooling, samples were taken from sheet steel and tests of mechanical properties and armor resistance were carried out. Armor resistance was estimated by the minimum thickness H (mm) of non-penetration of the plates when fired from a Dragunov sniper rifle with B-32 type armor-piercing bullets of 7.62 mm caliber from a distance of 100 m. Table 2 shows the test results of the properties of hot-rolled sheet steel.

Таблица 2table 2 Механические свойства и бронестойкость листовых сталейMechanical properties and armor resistance of sheet steel № составаComposition number HRC, ед.HRC, units σ_в, МПаσ _in , MPa σ_т, МПаσ _t , MPa δ₅, %δ ₅ ,% KCU, МДж/см² KCU, MJ / cm ² H, ммH mm 1one 5555 16101610 14301430 9,59.5 3838 11,011.0 22 6060 18001800 17001700 1616 4848 6,56.5 33 6161 18201820 17001700 1717 50fifty 6,06.0 4four 6060 18301830 17501750 1616 4949 6,56.5 55 5353 17301730 16801680 9,29.2 3636 12,012.0 66 5656 16501650 15301530 9,59.5 3737 11,011.0 77 6060 18201820 17101710 1717 50fifty 6,36.3 88 6262 18301830 17201720 1717 50fifty 6,06.0 99 6161 18301830 17301730 1717 50fifty 6,36.3 1010 5757 16801680 16901690 9,89.8 3939 10,010.0 11eleven 5656 15101510 13201320 9,79.7 3838 12,012.0

Из таблиц 1 и 2 следует, что предложенная сталь (составы №2-4, 7-9), имеет наиболее высокую бронестойкость: минимальная толщина листа, выдерживающая стандартные баллистикоударные испытания, составляла H=6,0-6,5 мм.From tables 1 and 2 it follows that the proposed steel (compositions No. 2-4, 7-9) has the highest armor resistance: the minimum sheet thickness withstanding standard ballistic impact tests was H = 6.0-6.5 mm.

При запредельных содержаниях химических элементов в сталях (составы №1, №5, №6, №10), а также при использовании стали-прототипа (состав 11) механические и бронезащитные свойства горячекатаных закаленных листов снижаются, значение Н возрастает до 10-12 мм.With exorbitant contents of chemical elements in steels (compositions No. 1, No. 5, No. 6, No. 10), as well as when using prototype steel (composition 11), the mechanical and armor-protecting properties of hot-rolled hardened sheets are reduced, the value of H increases to 10-12 mm .

Технико-экономические преимущества предложенной броневой стали состоят в том, что введение в ее состав 0,01-0,10% титана при регламентированной концентрации всех остальных элементов обеспечивает в процессе закалки полное превращение аустенита в мартенсит, уменьшение количества включений перлитной фазы, повышение бронестойкости. Дополнительное введение в сталь кобальта в количестве 0,05-5,0% повышает температурную стабильность мартенсита, сталь сохраняет высокие функциональные свойства даже при более высоких температурах отпуска, что также способствует повышению бронестойкости стали и живучести броневой конструкции.The technical and economic advantages of the proposed armored steel are that the introduction of 0.01-0.10% titanium into it at a regulated concentration of all other elements ensures the complete conversion of austenite to martensite during the quenching process, reducing the number of perlite phase inclusions, and increasing the armor resistance. An additional introduction of cobalt in steel in an amount of 0.05-5.0% increases the temperature stability of martensite, the steel retains high functional properties even at higher tempering temperatures, which also contributes to an increase in steel resistance and survivability of the armored structure.

В качестве базового объекта принята сталь-прототип. Использование предложенной стали позволит как повысить эффективность бронезащитных конструкций в целом на 8-10%, так и снизить их толщину и массу при сохранении бронезащитных свойств.The prototype steel was adopted as the base object. Using the proposed steel will allow both to increase the efficiency of armored structures in general by 8-10%, and to reduce their thickness and weight while maintaining armor-protecting properties.

Claims (2)

1. Броневая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, азот, медь и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,24-0,64 Кремний 0,4-1,9 Марганец 0,30-1,6 Хром 0,6-2,0 Никель 0,6-1,8 Молибден 0,10-0,40 Алюминий 0,01-0,15 Азот 0,001-0,020 Медь 0,05-0,35 Титан 0,01-0,15 Железо Остальное 1. Armor steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, aluminum, nitrogen, copper and iron, characterized in that it additionally contains titanium in the following ratio, wt.%:
Carbon 0.24-0.64 Silicon 0.4-1.9 Manganese 0.30-1.6 Chromium 0.6-2.0 Nickel 0.6-1.8 Molybdenum 0.10-0.40 Aluminum 0.01-0.15 Nitrogen 0.001-0.020 Copper 0.05-0.35 Titanium 0.01-0.15 Iron Rest 2. Броневая сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт в количестве 0,05-5,0 мас.%. 2. Armor steel according to claim 1, characterized in that it further comprises cobalt in an amount of 0.05-5.0 wt.%.