国外均质轧制装甲钢板的生产现状及发展方向

侯登义

(山东钢铁集团有限公司,山东 济南250101)

国外均质轧制装甲钢板的生产现状及发展方向

侯登义

(山东钢铁集团有限公司,山东 济南250101)

简要介绍了装甲防护的基本原理和国外传统装甲钢的历史沿革,描述了现代装甲钢板的技术特点,列举了国外五个国家装甲钢板的系列品种、设计思路及主要技术指标,指出了国外装甲板的发展方向是高硬度、轻量化、纯净化,并将在民用领域得到广泛应用。

均质;装甲钢板;生产现状

1 引言

装甲的出现与发展经历了非常悠久的历程,自火药发射的热兵器出现后,对装甲防护的要求越来越高。19世纪初,由于蒸汽机的应用和冶炼技术的发展,使得熟铁被用来制造排水量较大战舰的装甲,到了19世纪末出现了正规的装甲钢,随着火炮的线膛化和穿、破甲技术的发展,装甲的厚度和质量都在急剧增加,随即出现了“装甲防护技术”。自1915年,厚度为5～10 mm的装甲钢在世界第一辆坦克上得到应用,到21世纪初期,反装甲武器的破甲性能已超过1000 mm的均质装甲钢板,穿甲性能将接近900 mm均质装甲钢板。包括均质装甲、间隙装甲、复合装甲、反应装甲、动态装甲的现代防护体系已经形成[1]。

装甲防护系统中最简单的结构单元为均质装甲,均质装甲是由单一的均质材料构成,如单纯的非金属或金属材料。通常“均质”指具有同一成分、均匀的组织结构和均一的机械性能的装甲铸件或轧材。均质装甲的均质性保证在装甲板的纵横截面上不出现反射应力波的第二介质。金属材料的均质性需要由高水平的冶金工艺来保证,均质装甲钢的抗弹性能取决于钢质纯净度、强度、韧性和厚度。

2 现代装甲钢的特点

在一百多年的装甲钢发展史中,对钢的化学成分的探索与研究,已证实了单靠增减钢中的某些合金元素或调整其含量,已很难使抗弹性能和工艺性能有较大幅度的提高。现代装甲钢是依靠现代冶金工艺来提高钢的纯净度,以获得优于传统装甲钢的抗弹性能和工艺性能[2]。

2.1 高纯净度

对装甲钢板,要求在高硬度下,仍具有良好的塑性和韧性,在相同硬度的情况下,钢的纯净度提高后,延伸率和断面收缩率将提高50%,低温韧性可提高35%～75%;有害杂质的降低或去除,使现代装甲钢的热加工工艺性能大幅度改善,回火脆性、白点、淬火裂纹、切割裂纹、焊接裂纹等缺陷大幅度减轻或消除;传统装甲钢的有害杂质含量高,在高速冲击载荷下,容易产生脆性损伤,使抗弹性能限制在较低的水平,由于纯净度的提高,现代装甲钢具有了良好的强度与韧性的平衡,可以在高硬度下不出现脆性,相应地提高了抗弹性能。

2.2 高表面品质

国外标准中的表面品质分为尺寸公差与表面品质,对装甲钢来说,因避免影响临界抗弹性能,一般不允许出现厚度负公差,在测量厚度时,在每块钢板的每个长边上测量三点(两端、中间各一点),在每端应测量两点,共测十点,最后计算其平均值。关于表面品质,欧美等国家略有不同,如美国标准规定,装甲钢板的表面应无轧痕、折叠、裂纹、氧化皮、机械擦伤和分层等缺陷,但允许采用打磨的方法清除表面轻微缺陷,打磨后钢板的实际厚度不小于厚度公差规定值,允许存在深度不超过0.38 mm的麻点;而俄罗斯等欧洲标准允许表面长度不大于20 mm和名义厚度值在95%以内的结疤和氧化铁皮等缺陷存在,亦可不予清理。

2.3 优异的机械性能

装甲钢是抗弹材料,硬度是其机械性能中的重要参数。由于布氏硬度的压痕面积较大,可以减少材料不均质的影响,数据波动较小,同时对试样表面光洁度的要求低,便于在线采用,所以在硬度检验中广为使用。在测量时,应将表面的脱碳层打磨掉,同一块钢板或试样的布氏压痕直径数值之差应控制在0.15 mm以内。装甲钢的硬度范围并没有统一的划分,随用途及生产国家的不同,划分标准各异,通常分为三大类:高硬度装甲钢一般用于抗中、小口径穿甲弹攻击,布氏硬度值在450 HBW以上;中硬度装甲钢兼有抗中口径穿甲弹和抗冲击作用,布氏硬度在240～450 HBW之间;低硬度装甲钢能够抗爆轰冲击,布氏硬度值一般低于240 HBW。上世纪80年代前,世界各国对装甲钢的验收标准中基本上都不要求做全面的机械性能测定,近年来均提高了性能检验标准,如在美国,除硬度必检外,还将装甲钢的低温韧性列为必检项目,一般规定对40～60 mm厚的中高硬度装甲钢板,在调质状态下-40℃横向冲击功大于30 J,但低温冲击值只能是反映钢板品质的一个定性指标,并不能反映与抗弹性能之间的定量关系,通过大量的实弹射击试验证明,降低靶板的温度等同于提高了应变速率,即降低了抗弹极限值,但找不到温度和抗弹极限之间的定量规律,因此低温冲击试验并不能代替抗弹试验。

2.4 抗枪弹损伤

装甲钢板抵抗各种打击物体侵入的能力,称为抗弹性能,打击物体包括:枪弹、火炮发射的普通穿甲弹、长杆形穿甲弹、破甲弹、预制破片弹、自锻破片弹以及地雷等。装甲受到攻击后其形状、尺寸或结构完整性出现任何变化的,都叫做损伤。一般用于评价装甲板抗弹性能的最关键指标为抗弹极限速度,是指装甲在某个规定的厚度和倾角的条件下,随着弹丸速度的增加,由部分击穿向完全击穿转变的过程中,完全击穿的几率为某一特定值时的弹丸着靶速度,当穿透几率为50%时,称为V50抗弹极限速度。装甲被穿透时可能出现5种基本形式的破坏,在每种穿透形式下,在装甲的正面和背面都可能出现不同形式的损伤,归纳起来可能出现的损伤见表1[2]。在未穿透的情况下,正面各种损伤亦存在,背面损伤仅有凸起和在背凸处有未透裂纹。

表1 不同穿透形式下的装甲损伤

装甲损伤的结果评定不仅取决于损伤类型及其大小,而且要按照装甲类型、材料、结构、抗弹能力的技术要求以及试验弹种等因素综合考虑。一般来说,塑性损伤属于合格损伤范畴,脆性损伤是应极力避免的。俄罗斯对不同厚度装甲钢在不同着靶速度下的不合格损伤有明确的规定,如对厚度规格在45～100 mm的轧制装甲板,不允许在3倍弹径范围以外出现任何损伤;美国军标中对大于20 mm装甲板规定,在采用M95AP穿甲弹垂直射击时,不能在2倍弹径范围以外出现崩落和裂纹。

抗弹试验费用昂贵,准备工作量大,是必须采用的。对此项试验,世界各国都有不同的试验方法和标准,其中美国与俄罗斯的试验方法,代表了北约和前华约的两大不同的体系。

3 国外现代装甲钢板的系列品种

自从1888年英国Messis Vickers公司生产出全钢装甲板以来,装甲钢已成为主战坦克上用量最大的金属材料,约占整车质量的40%～50%。随着装甲钢在战场上的广泛应用和材料工艺技术的发展,其化学成分、制造工艺及机械性能已是众所周知,毫无秘密可言。

3.1 美国

美国装甲钢由一系列标准所规定的装甲钢板组成,已普遍为西方各国接受并采用,其标准号前均冠以MIL-A。中硬度和高硬度装甲钢多为CrNiMo系和Cr MnNiMo系,根据用途、性能及生产工艺的不同,对杂质元素含量有不同的要求,大致分为四个等级,见表2。

美国装甲钢都有-40℃低温冲击要求,其硬度不仅划分为中、高硬度范围,而且在同硬度范围内还随着钢板厚度的不同而变化,即随着厚度的增加而降低。美国装甲钢都必须进行抗弹性能检验,不同厚度采用不同口径的穿甲弹进行检验,如高硬度轧制装甲钢采用7.62 mm、12.7 mm、14.5 mm的枪弹进行抗弹性能检验,其V50可达到1000 m/s。

3.2 德国

德国装甲钢以XH129系列为主(见表3),用于中硬度、高硬度轧制装甲钢板,并具有不同厚度规格,该系列装甲钢纯净度高,具有良好的综合机械性能和较好的工艺性能,合金元素普遍采用CrNiMo复合,P、S杂质元素含量均在0.010%以下,在机械性能中,-40℃冲击韧性有较高要求,并作为验收依据。

表2 美国轧制装甲钢的杂质含量要求

表3 德国装甲钢系列

3.3 法国

法国现代装甲钢是MARS系列装甲钢,其中包括中硬度、高硬度和双硬度装甲钢,厚度规格为2～500 mm,轧制均质装甲钢(包括中、高硬度)均为Cr NiMo系列,而双硬度装甲钢的面板为中碳Cr Ni-Mo V系二次硬化钢,背板为中碳Cr Ni Mo系钢。MARS系列装甲钢中杂质元素是世界各国装甲钢中含量最低的,机械性能也最苛刻,与美、德国相比,在同样强度的情况下,冲击韧性均高于美、德,而且均要求检验纵横向低温冲击韧性,并且冲击值相同。法国MARS系列装甲钢具有良好的抗弹性能,如MARS240高硬度钢,在射击倾角为30°时,可耐受20 mm穿甲弹在920 m/s的弹速下的损伤。

3.4 瑞典

瑞典生产的现代装甲钢为ARMOX系列,共有六个牌号,其设计特点是合金元素低成本,大多钢种含硼,纯净度高,机械性能优异,同板差极小,抗弹性能良好。以高硬度轧制装甲钢板ARMOX 500S为例,不仅具有较高的抗穿甲性能,还具有良好的抗爆轰冲击性能,其在不同倾角下抗7.60 mm穿燃弹时,具有明显的强度效应,用全钨模拟穿甲弹,以38 mm口径火炮发射,射距18 m,测得其防护系数为1.36,试验数据见表4。同时采用“T型试样爆炸试验方法”来检验该钢的抗冲击性能,结果表明,ARMOX 500S钢具有良好的抗崩落、裂纹等脆性损伤性能。

表4 ARMOX 500S抗穿甲防护系数

3.5 俄罗斯

俄罗斯承接自前苏联的装甲钢体系,杂质含量偏高,性能差异较大,共分为Cr Ni、Si Mn、Si Mn Mo、Cr Mo、Cr Mo V、Cr NiMo、SiNiMo、Cr NiMo Ti、Si MnCr Ti等9个系列70多个牌号,一般对低温冲击韧性不作要求,从综合机械性能来看,劣于欧美现代装甲钢,在相同的硬度、厚度及试验条件下,与瑞典、德国装甲钢的机械性能进行了对比,见表5。由对比数据可见,俄罗斯Si Mn Mo系钢板的强度略高于瑞典的ARMOX 500S和德国的XH129,但塑性和韧性明显低于后者。

表5 俄罗斯、瑞典、德国装甲钢机械性能对比

俄罗斯装甲钢与西方现代装甲钢相比,由于其纯净度及综合机械性能略逊一筹,故其抗弹性能亦落后于西方,尤其是高硬度装甲钢。采用模拟试验方法测定了SiMnMo高硬度钢的防护系数为1.25左右,该值低于ARMOX 500S抗穿甲钢的防护系数。

4 现代装甲钢板的发展趋势

传统装甲钢主要靠含碳量来控制钢的硬度以达到抵御各种穿甲弹攻击的功能,随着反装甲武器打击能力的增强,要求装甲不仅具有高硬度,还要有较好的韧性。为了得到高度均质的装甲,要求钢板必须有较好的淬透性,为此,不得不向钢中加入合金元素,以便得到全马氏体组织,经过科研人员的深入细致研究,已经发现只有回火马氏体组织在高应变速率下才具有最高的断裂应力[3]。所以传统厚均质装甲钢中的合金元素总量非常高,尤其是大量Ni的使用,虽然能有效改善淬透性,但容易形成合金偏析,恶化了钢的冷、热加工工艺性能,长期以来,传统装甲钢的均质性与工艺性能之间始终存在着“鱼与熊掌不可兼得”的矛盾状态。为了克服或弥补以上不足,现代装甲钢板未来将在发展薄板化方向上着重突破,薄板化是改善装甲板的工艺性能的有效途径,装甲钢(特别是高硬度装甲钢板)在加工过程中的三大工艺难点是矫直、切削加工和焊接,显而易见,装甲钢在薄板化之后,下料精度大大提高,便于采用精密机床冲剪和火焰切割,薄装甲钢易于淬透,故合金元素总量低,碳当量也低,有利于改善焊接、热处理等热加工工艺性能。同时,薄装甲钢板与厚板相比有益于改善装甲的经济性。

随着装甲钢硬度的提高,其抗射流及穿甲弹的能力明显提高,可以使其抗长杆形重金属穿甲弹的防护系数提高到1.30以上,从而大幅度提高了装甲的抗弹性能,近年来,随着装甲钢的薄板化及钢质纯净度的提高,现代装甲钢板在高硬度的情况下兼有良好的韧性,所以采用更高硬度的装甲钢也是未来提高抗弹性能的趋势。

5 结语

从材料科学的角度来看,装甲钢为具有某些特殊技术要求的优质结构钢,国外装甲板一直向高硬度、轻量化、纯净化方向发展。“抗弹性能”的表征是装甲钢依靠自身所具有的高硬度抵抗中、小口径穿甲武器和弹片的攻击;依靠自身所具有的韧性,在大口径穿、破甲武器,以及爆轰波的冲击下,不产生背部崩落或脆性破裂。随着装甲防护技术的发展,装甲板材料在民用领域的应用也将日趋广泛。

[1] 张卫东.装甲材料的发展历程[J].国外坦克,2006(10): 22-23.

[2] 张自强.装甲防护技术基础[M].北京:兵器工业出版社,2000:292.

[3]D.M.Norris etc.Long-Rod Projectiles Against Oblique Target Analysis&Design Recommendations[J].Lawrence Livermore Laboratory,1976:22-25.

Production Status and Development Trend of Homogeneous Rolling Armor Plate Overseas

HOU Dengyi
(Shandong Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,Shandong,China)

Briefly introduces the basic principle of protection and the history of traditional armor steel abroad;describes the technnology features of modern armor plate;lists different armor plate series,designing idea and major technology indexesof five countries,suggests that the development trend of armor plate is high hardness,lightweight,high purity,and wide civil application.

homogeneity,armor plate,production status

TG142.7

A

1001-5108(2017)01-0001-04

侯登义,高级工程师,现从事中厚钢板生产工艺技术研究与品种开发。