Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Спецсталь тонколистова з високою твердістю для захисту бронетехніки, що містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, молібден, ванадій, титан, кальцій, алюміній, залізо та домішки сірки і фосфору, яка відрізняється тим, що для забезпечення необхідної бронестійкості, з метою підвищення живучості, запропоновано наступне співвідношенні компоненти, мас. %:

вуглець

0,27-0,38

марганець

0,55-1,05

кремній

1,10-1,60

хром

1,40-2,10

нікель

1,90-3,50

молібден

0,40-0,60

ванадій

0,15-0,28

титан

0,005-0,025

кальцій

0,0015-0,0040

алюміній

0,010-0,040

сірка

н. б. 0,005

фосфор

н. б. 0,015

залізо

решта.

Текст

Реферат: Спецсталь тонколистова з високою твердістю для захисту бронетехніки містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, молібден, ванадій, титан, кальцій, алюміній, залізо та домішки сірки і фосфору. UA 105096 U (54) СПЕЦСТАЛЬ ТОНКОЛИСТОВА З ВИСОКОЮ ТВЕРДІСТЮ ДЛЯ ЗАХИСТУ БРОНЕТЕХНІКИ UA 105096 U UA 105096 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Корисна модель належить до металургії чорних металів, конкретніше, до виробництва конструкційної середньолегованої високоміцної тонколистової сталі, яка може використовуватися як протикульова броня високої твердості, а також конструкційних броньових деталей товщиною 5-30 мм при виробництві бронетанкової техніки. Відома стальна броня по патенту США 5122336, С22с 38/44, опублікованому 16.06.1992 р., яка має наступний склад, мас. %: вуглець 0,4-0,7 кремній 0,5-1,5 марганець 0,3-1,5 нікель 1,0-5,0 хром 0,1-2,0 молібден 0,2-1,0 залізо решта. Склад сталі по патенту США 5122336, насамперед, має занадто великі інтервали мінімальної та максимальної кількості усіх легуючих елементів [7]. Відомо, що важливішими параметрами броньової сталі є міцнісні і пластичні властивості, які знаходяться у постійному протиріччі. Тому броньова сталь не може мати широкого розбігу кількості легуючих елементів. Складність є у тому, щоб при підвищенні твердості зберегти високу в'язкість сталі, яка не призводить до крихкого руйнування, тому склад за патентом США 5122336 не буде надійним для протикульової стійкості. Найбільш близькою щодо технічної суті та досягуваному позитивному ефекту є високоміцна тонколистова сталь марки БТ-70Ш в межах ТУ 14-1-2977-80 [2], яка містить, % мас.: С 0,32-0,37 Μn 0,25-0,55 Si 1,30-1,60 Cr 0,90-1,30 Ni 2,30-2,60 С 0,32-0,37 Mo 0,25-0,35 Ρ 0,012 S 0,010 Fe решта. Ця сталь використовується при товщині від 10 до 20 мм як протикульова броня з високою твердістю для виготовлення легкої бронетанкової техніки. Після виплавки у електродугових печах, електрошлакового переплаву (ЕШП), прокату зливків на заготовку та лист і наступної термомеханічної обробки (ТМО) в сталі - прототипі БТ70Ш досягається наступний рівень механічних властивостей: σв = 1850-2000 МПа σт = 1650-1750 МПа δ = 10,5-13,0 % ψ = 35,0-40,0 % +20 2 КСU =0,55-0,65 МДж/м . Недоліками сталі БТ-70Ш є: - незадовільні технологічні властивості при штампуванні, обробці різанням та інших видів механічної обробки у процесі виготовлення деталей, це пояснюється тим, що після ТМО досягається висока твердість листа -470-500 НВ; - підвищена чутливість сталі до перегріву з причини відсутності в ній легуючих елементів (ванадію, титану, кальцію), які перешкоджають зростанню зерна аустеніту при високотемпературних нагріваннях, наприклад, при зварюванні, що призводить до значного росту зерна та погіршує в'язкопластичні властивості сталі в навколошовній зоні [3] - використання термомеханічної обробки, яка забезпечує зазначений рівень механічних властивостей в сталі БТ-70Ш внаслідок обмежених технічних можливостей існуючого обладнання в Україні не дозволяє виробляти листи більш ширшого розмірного сортаменту щодо товщини (10-20 мм) при постійно зростаючій потребі в металопрокаті товщиною 4-10 мм; - висока собівартість металопрокату через застосування в технологічній схемі виробництва дорогих переробок ЕШП та ТМО (не менш на 30 %). Усунення в сталі БТ-70Ш зазначених недоліків може бути досягнуто, при збереженні необхідного комплексу механічних властивостей та бронестійкості, за рахунок раціонального легування сталі основними елементами: С, Mn, Si, Cr, Ni, Mo, мікролегуванням міцними 1 UA 105096 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 карбідоутворюючими елементами V, Ті, Са, а також застосуванням при виробництві сучасного сталеплавильного обладнання та технологічних засобів, таких як позапічна обробка рідкого металу та його вакуумування безкремнисте розкислення, термічна обробка литої заготовки та кінцева термообробка, яка містить подвійне гартування та низький відпуск [4]. Технічний результат запропонованої для патентування сталі полягає у тому, що для підвищення технологічних та службових (твердість, бронестійкість) властивостей вона додатково легована ванадієм, титаном, кальцієм та має наступний хімічний склад при співвідношенні інгредієнтів, мас. %: вуглець 0,27-0,38 марганець 0,55-1,05 кремній 1,10-1,60 хром 1,40-2,10 нікель 1,90-3,50 молібден 0,40-0,60 ванадій 0,15-0,28 титан 0,005-0,025 алюміній 0,010-0,040 кальцій 0,0015-0,0040 сірка н. б. 0,005 фосфор н. б. 0,015 залізо решта. Вибір складу та співвідношення інгредієнтів у запропонованій сталі має технічне та економічне обґрунтування, виходячи з мінімально необхідної концентрації вуглецю і легуючих елементів, які забезпечують необхідний рівень характеристик міцності та в'язкої пластичності, а також технологічні і службові властивості листового прокату товщиною 4-30 мм. Виходячи з цього, в запропонованій сталі зменшені в порівнянні з прототипом, межі концентрації вуглецю, а саме: нижній рівень на 0,05 %, а верхній збільшено на 0,01 %. Важливим показником, відповідаючим за зварюваність сталі, є вуглецевий еквівалент (С е), який розраховується з формули [3]: Се = С+Мn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Мо/4+(V+Nb)/14, де Се - вуглецевий еквівалент сталі; С, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, Nb - відсотки елементів сталі. Усереднене значення Се для сталі БТ-70Ш: Се1с = 0,345+0,40/6+1,45/24+2,45/40+1,10/5+0,30/4=0,827; Усереднений рівень Се для патентованої сталі: Се2с = 0,375+0,80/6+1,35/24+2,7/40+1,75/5+0,50/4+(0,215+0,015)/14=1,122. Порівняння вуглецевих еквівалентів показує, що зварюваність запропонованої сталі дещо поступається сталі-прототипу, але незначно. Зниження вуглецю нижче 0,27 % недоцільно з-за зменшення твердості, а підвищення вище 0,38 % - внаслідок небажаного окрихчення, а також підвищення значень вуглецевого еквіваленту що погіршує зварюваність металу [3]. Регламентація кількості марганцю в межах 0,55-1,05 обумовлено забезпеченням в сталі наскрізного прогартування, що сприяє підвищенню міцнісних властивостей сталі, а також дозволяє частково замінити гостродефіцитний та дорогий нікель, зменшити його нижню межу на 0,1 %. Введення в сталь 1,90-3,5 % нікелю є достатнім для досягнення необхідного комплексу механічних властивостей. Концентрація нікелю менше 1,9 % спричиняє зниження в'язкопластичних властивостей сталі, введення його вище верхньої межі (3,5 %) не виявляє помітного впливу на ці характеристики, а також призводить до здороження сталі. Використання нікелю в сталі сприяє присутності в ній термічно стабільної аустенітної фази з морфологією прошарків, що завищує енергоємність сталі та визначає опір деформування при швидкостях балістичної взаємодії [6]. На відміну від прототипу в запропонованій сталі збільшена концентрація хрому на 0,5-1,2 % та молібдену на 0,15-0,35 %. Це викликано необхідністю забезпечення високого рівню міцнісних властивостей при збережені достатнього опору сталі в'язкому та крихкісному руйнуванням [4]. Окрім того, збільшення кількості молібдену викликано необхідністю посилювання з його присутністю опору сталі оборотної відпускної крихкості [5]. При концентрації молібдену нижче 0,40 % не забезпечується надійний захист сталі від відпускної крихкості, зниження концентрації хрому нижче нижнього граничного значення, тобто менш 1,40 %, спричиняє зниження в сталі необхідного рівня міцності. Підвищення ж кількості хрому та молібдену вище верхньої межі концентрацій знижує рівень в'язких і пластичних властивостей, а також призводить до невиправданого подорожчання сталі. 2 UA 105096 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Змінювання нижньої та верхньої меж концентрації кремнію в порівнянні з прототипом, пояснюється тим, що при обраній системі легування та присутності основних легуючих елементів таких як марганець, хром, нікель і молібден, підвищення кремнію вище 1,60 % спричиняє окрихчення запропонованої сталі. Зменшення кремнію нижче 1,10 % не дає необхідного ефекту від його впливу на відпускостійкість та зміцнення сталі. Особливістю запропонованої сталі є використання безкремнистого розкислення із введенням Si в цілком розкислену марганцем та алюмінієм сталь на етапі розливки. Застосування цього способу розкислення дозволяє зменшити до мінімуму кількість крихких окислів кремнію та підвищити опір відколам броні при балістичних ударах [8]. Додаткове введення в запропоновану сталь ванадію і титану в кількості відповідно, 0,150,28 % та 0,005-0,025 % забезпечує здрібнення та досягнення однорідного по розміру зерна аустеніту внаслідок гальмування його росту у процесі високотемпературного нагріву тисненням, а також поліпшує процес зварювання, що має вплив на формування остаточних властивостей сталі [9]. При присутності в запропонованій сталі ванадію та титану менш 0,15 % і 0,005 % відповідно, ефект здрібнення зерна не спостерігається, при кількості цих елементів більш 0,28 % і 0,025 % додаткового здрібнення зерна також не виявляється. Додаткове введення у запропоновану сталь ванадію та титану надає можливість змінити прийняту для сталі - прототипу сталі БТ-70Ш технологію термозміцнення - мати необхідний комплекс технічних і службових властивостей після подвійного загартування від температур відповідно Ас3+70-100 °C і Ас3+40-60 °C та низького відпуску. Це дозволяє не застосувати технологію ТМО котра, як визначалось раніше, обмежує одержання якості - більш широким діапазоном товщин листового прокату. Окрім того - спрощує та здешевлюєпроцес механічної обробки при виготовленні деталей, оскільки лист після прокатки є у гарячекатаному становищі, має знижену твердість, тобто слід говорити про підвищення технологічних властивостей запропонованої сталі у порівнянні з прототипом. Додаткове введення в сталь кальцію в межах 0,0015-0,0040 % сприяє підвищенню опору руйнуванню - однієї із складових конструктивної міцності за рахунок рафінуючого та модифікуючого впливу на неметалічну фазу, а саме, на морфологію, форму, розмір і розподіл сульфідів марганцю у металі [10]. Окрім того, легування кальцієм знижує ліквацію шкідливих домішок і здрібнює дендритну структуру сталі у литому стані [11], а кальцій позитивно впливає на зварюваність сталі [10, 3]. Запропоновані межі легування титаном та кальцієм є оптимальними з впливу на конструктивну міцність заявлюваної сталі. Збільшення або зменшення відсоткової кількості цих інгредієнтів поверх верхнього або нижнього рівня до поліпшення механічних властивостей не призводить. Наявність у заявлюваній сталі до 0,30 % міді не спричиняє помітного впливу на механічні властивості. Для забезпечення низької концентрації шкідливих домішок, таких як сірка та фосфор при виплавці запропонованої сталі передбачається застосування сучасних технологічних схем, які включають обробку рідкої сталі синтетичними шлаками, подвійне скачування окисного шлаку, обробку на установках піч-ківш, вакуумування та інші методи позапічної обробки. Застосування цих технологічних засобів та обладнання гарантовано забезпечить концентрацію S в сталі не більш 0,005, фосфору - не більш 0,015 %, що сприяє підвищенню в'язкопластичних властивостей і відповідно, живучості броні при балістичних випробуваннях. Застосування зазначених металургійних засобів дозволяє виключити із технологічної схеми виробництва дорогий енергоємний процес електрошлакового переплаву, що призводить до значного (у 1,5-2 рази) здешевлення броньової сталі на відміну від прототипу. Як приклад конкретного виконання в лабораторних умовах було виплавлено три склади заявлюваної сталі: два - з близьким до нижньої та верхньої граничних концентрацій та одну плавку - із середнім співвідношенням компонентів. Для порівняння, у подібних умовах виробили сталь-прототип із складом інгредієнтів ближче до середнього рівня. Хімічний склад, режими термічної обробки, результати механічних і спеціальних випробувань наведені у таблицях 1-3. 3 UA 105096 U Таблиця 1 Хімічний склад сталей Варіант сталі C 1 0,273 2 0,33 3 0,38 Сталь БТ 70Ш 0,340 прототип 5 10 Μn 0,54 0,75 1,04 Si 1,11 1,35 1,58 Сr 1,42 1,80 2,08 Концентрації елементів, % Ni Mo V Ті Аl Са S Ρ 1,93 0,39 0,15 0,006 0,011 0,0017 0,005 0,010 2,60 0,49 0,21 0,015 0,025 0,0026 0,004 0,010 3,49 0,58 0,28 0,024 0,038 0,0037 0,002 0,008 0,45 1,35 1,10 2,37 0,30 0,006 0,010 Сталь виплавляли у індукційній печі з тиглем ємністю 50 кг. Зливки масою близько 16 кг нагрівали до 1150-1200 °C та прокатували на пластини товщиною від 5,0 до 30,0 мм. Температура закінчення прокатки сягала 850-900 °C. Після прокатки та уповільненого охолоджування піддали відпалу пластини при температурі 1000+10 °C продовж 5-6 год. Відпалені пластини розрізали на картки розміром 5-30×150×200 мм, які потім термічно обробили за режимами, наведеними у табл. 2. Виготовлення та випробовування зразків на розрив і ударний згин виконувались із стандартних методиках в умовах ГП "УкрДержНДІ КM "Прометей". Середні значення механічних властивостей сталей з результатів випробувань не менше 3-х зразків кожного виду випробувань наведені в табл. 3. Таблиця 2 Режими термічної обробки пластин із заявленої сталі і сталі - прототипу Варіант сталі Параметри термічної обробки Перше гартування Друге гартування Середовище 2 Середовище 1 t , °C τвид, хв. t , °C τвид, хв. охолодження охолодження 1050+10 15-20 повітря 870+10 30-40 вода 1050+10 15-20 повітря 870+10 30-40 вода 1050+10 15-20 повітря 870+10 30-40 вода 1 2 3 Сталь1050+10 15-20 прототип повітря 870+10 30-40 220+10 вода 220+10 220+10 220+10 Відпуск τвид, Середовище хв. охолодження 4-6 повітря 4-6 повітря 4-6 повітря 4-6 3 t , °C повітря Примітка: Тривалість видержування при гартуванні та відпуску обиралась залежно від товщин пластин. Температура води при гартуванні складала 15-20 °C. Таблиця 3 Механічні властивості сталей після термічної обробки Механічні властивості Варіант сталі σв, МПа σ0,2, МПа δ, % ψ, % KCU 2 МДж/м KCU 2 МДж/м 1 1705,0 1536,0 11,01 57,6 0,82 0,58 2 1973,0 1779,0 10,38 54,3 0,87 0,64 +20 15 4 -40 Твердість НВ (відб. мм) 2,65 2,70 2,75 2,70 2,60 2,65 2,70 2,70 Фактична товщина картки, мм 4,98 10,10 15,90 25,0 5,05 10,08 16,05 25,00 UA 105096 U Продовження таблиці 3 Механічні властивості сталей після термічної обробки Механічні властивості Варіант сталі 15 20 25 30 δ, % ψ, % KCU 2 МДж/м KCU 2 МДж/м 2093,0 1886,0 8,96 46,8 0,96 0,64 Стальпрототип 10 σ0,2, МПа 3 5 σв, МПа 2005,0 1850,0 12,5 38,6 0,62 0,48 +20 -40 Твердість НВ (відб. мм) 2,55 2,60 2,65 2,60 2,50 2,65 2,70 2,65 Фактична товщина картки, мм 5,00 9,97 16,15 25,05 5,06 10,00 16,10 25,00 Оцінка бронестійкості запропонованої сталі і сталі-прототипу здійснювалась способом кульового обстрілу карт по ДЗСТ В21967 в умовах ділянки випробувань ВАТ "Азовмаш". Результати проведених кульових випробувань свідчать, що запропонована марка сталі перевершує з бронестійкості відому сталь-прототип залежно від товщини на 10-40 %. У промислових умовах при кооперації заводу підвищеної ваги бурильних та ведучих труб Сумського НПО ім. Фрунзе (виплавка, відливка зливків та виготовлення слябів), Алчевського металургійного комбінату (прокатка на листи) та ВАТ "Азовмаш" (термообробка та кульові випробування) виготовлена дослідна партія заявлюваної сталі, при цьому собівартість зменшена на 30 %. Результати кульових випробувань додатково підтверджують, що рівень бронестійкості перевищує рівень стійкості сталі марки БТ-70Ш при товщині 8-10 мм - на 15 %, 10 мм - на 21 %, 16 та 20 мм - на 5 %. Джерела інформації: 1. Стали горячекатаные броневые для БТТ Марки ГОСТ В19526-74. 2. Технические условия ТУ 14-1-2977-80. 3. Гривняк И. Свариваемость стали. Перевод со словацкого. - Μ.: Машиностроение, 1984. 216 с. с ил. 4. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. - М.: Металлургия, 1982. 5. Баландин А.Ю. и др. Пути создания толстолистовой деформируемой свариваемой броневой стали (для корпуса основного танка) с уровнем прочности 1500-1600 МПа. - в сб. "Вопросы оборонной техники", серия 16, 1986, вып. 1 (151). 6. Любченко А.Л., Анастасиади Г.П., Баландин А.Ю. Основные направления разработки высокопрочных броневых сталей - В сб. "Вопросы оборонной техники", серия 16, 1988, вып. 5-6 (167-168). 7. Патент США 5122336, С22с 38/44, опубликованный 16.06.1992 г. 8. Гуляев А.П. Чистая сталь. М.: Металлургия, 1982. 9. Гудремон Э. Специальные стали. Перевод с немецкого. - Т. 1. - Металлургия, 1960 952 с. с ил. Т.2, 1966, с. 953-1638 с ил. 10. Явойский В.И., Рубенчик Ю.И., Окенко А.П. Неметаллические включения и свойства стали. - М.: Металлургия, 1980-175 с. с ил. 11. Пискова В.П., Масленков С.Б. и др. Влияние способа выплавки и микролегирования РМЗ и бором на качество низкоуглеродистых сталей //Сталь. - 1983. - № 9. - с. 32-35. 35 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 Спецсталь тонколистова з високою твердістю для захисту бронетехніки, що містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, молібден, ванадій, титан, кальцій, алюміній, залізо та домішки сірки і фосфору, яка відрізняється тим, що для забезпечення необхідної бронестійкості, з метою підвищення живучості, запропоновано наступне співвідношенні компоненти, мас. %: вуглець 0,27-0,38 марганець 0,55-1,05 кремній 1,10-1,60 5 UA 105096 U хром нікель молібден ванадій титан кальцій алюміній сірка фосфор залізо 1,40-2,10 1,90-3,50 0,40-0,60 0,15-0,28 0,005-0,025 0,0015-0,0040 0,010-0,040 н. б. 0,005 н. б. 0,015 решта. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6

Дивитися

Додаткова інформація

МПК / Мітки

МПК: C22C 38/00

Мітки: бронетехніки, тонколистова, твердістю, спецсталь, високою, захисту

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/8-105096-specstal-tonkolistova-z-visokoyu-tverdistyu-dlya-zakhistu-bronetekhniki.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спецсталь тонколистова з високою твердістю для захисту бронетехніки</a>

Подібні патенти