侯登義

(山東鋼鐵集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南250101)

國外均質(zhì)軋制裝甲鋼板的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

侯登義

(山東鋼鐵集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南250101)

簡要介紹了裝甲防護(hù)的基本原理和國外傳統(tǒng)裝甲鋼的歷史沿革,描述了現(xiàn)代裝甲鋼板的技術(shù)特點(diǎn),列舉了國外五個(gè)國家裝甲鋼板的系列品種、設(shè)計(jì)思路及主要技術(shù)指標(biāo),指出了國外裝甲板的發(fā)展方向是高硬度、輕量化、純凈化,并將在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

均質(zhì);裝甲鋼板;生產(chǎn)現(xiàn)狀

1 引言

裝甲的出現(xiàn)與發(fā)展經(jīng)歷了非常悠久的歷程,自火藥發(fā)射的熱兵器出現(xiàn)后,對裝甲防護(hù)的要求越來越高。19世紀(jì)初,由于蒸汽機(jī)的應(yīng)用和冶煉技術(shù)的發(fā)展,使得熟鐵被用來制造排水量較大戰(zhàn)艦的裝甲,到了19世紀(jì)末出現(xiàn)了正規(guī)的裝甲鋼,隨著火炮的線膛化和穿、破甲技術(shù)的發(fā)展,裝甲的厚度和質(zhì)量都在急劇增加,隨即出現(xiàn)了“裝甲防護(hù)技術(shù)”。自1915年,厚度為5～10 mm的裝甲鋼在世界第一輛坦克上得到應(yīng)用,到21世紀(jì)初期,反裝甲武器的破甲性能已超過1000 mm的均質(zhì)裝甲鋼板,穿甲性能將接近900 mm均質(zhì)裝甲鋼板。包括均質(zhì)裝甲、間隙裝甲、復(fù)合裝甲、反應(yīng)裝甲、動(dòng)態(tài)裝甲的現(xiàn)代防護(hù)體系已經(jīng)形成[1]。

裝甲防護(hù)系統(tǒng)中最簡單的結(jié)構(gòu)單元為均質(zhì)裝甲,均質(zhì)裝甲是由單一的均質(zhì)材料構(gòu)成,如單純的非金屬或金屬材料。通常“均質(zhì)”指具有同一成分、均勻的組織結(jié)構(gòu)和均一的機(jī)械性能的裝甲鑄件或軋材。均質(zhì)裝甲的均質(zhì)性保證在裝甲板的縱橫截面上不出現(xiàn)反射應(yīng)力波的第二介質(zhì)。金屬材料的均質(zhì)性需要由高水平的冶金工藝來保證,均質(zhì)裝甲鋼的抗彈性能取決于鋼質(zhì)純凈度、強(qiáng)度、韌性和厚度。

2 現(xiàn)代裝甲鋼的特點(diǎn)

在一百多年的裝甲鋼發(fā)展史中,對鋼的化學(xué)成分的探索與研究,已證實(shí)了單靠增減鋼中的某些合金元素或調(diào)整其含量,已很難使抗彈性能和工藝性能有較大幅度的提高?，F(xiàn)代裝甲鋼是依靠現(xiàn)代冶金工藝來提高鋼的純凈度,以獲得優(yōu)于傳統(tǒng)裝甲鋼的抗彈性能和工藝性能[2]。

2.1 高純凈度

對裝甲鋼板,要求在高硬度下,仍具有良好的塑性和韌性,在相同硬度的情況下,鋼的純凈度提高后,延伸率和斷面收縮率將提高50%,低溫韌性可提高35%～75%;有害雜質(zhì)的降低或去除,使現(xiàn)代裝甲鋼的熱加工工藝性能大幅度改善,回火脆性、白點(diǎn)、淬火裂紋、切割裂紋、焊接裂紋等缺陷大幅度減輕或消除;傳統(tǒng)裝甲鋼的有害雜質(zhì)含量高,在高速?zèng)_擊載荷下,容易產(chǎn)生脆性損傷,使抗彈性能限制在較低的水平,由于純凈度的提高,現(xiàn)代裝甲鋼具有了良好的強(qiáng)度與韌性的平衡,可以在高硬度下不出現(xiàn)脆性,相應(yīng)地提高了抗彈性能。

2.2 高表面品質(zhì)

國外標(biāo)準(zhǔn)中的表面品質(zhì)分為尺寸公差與表面品質(zhì),對裝甲鋼來說,因避免影響臨界抗彈性能,一般不允許出現(xiàn)厚度負(fù)公差,在測量厚度時(shí),在每塊鋼板的每個(gè)長邊上測量三點(diǎn)(兩端、中間各一點(diǎn)),在每端應(yīng)測量兩點(diǎn),共測十點(diǎn),最后計(jì)算其平均值。關(guān)于表面品質(zhì),歐美等國家略有不同,如美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,裝甲鋼板的表面應(yīng)無軋痕、折疊、裂紋、氧化皮、機(jī)械擦傷和分層等缺陷,但允許采用打磨的方法清除表面輕微缺陷,打磨后鋼板的實(shí)際厚度不小于厚度公差規(guī)定值,允許存在深度不超過0.38 mm的麻點(diǎn);而俄羅斯等歐洲標(biāo)準(zhǔn)允許表面長度不大于20 mm和名義厚度值在95%以內(nèi)的結(jié)疤和氧化鐵皮等缺陷存在,亦可不予清理。

2.3 優(yōu)異的機(jī)械性能

裝甲鋼是抗彈材料,硬度是其機(jī)械性能中的重要參數(shù)。由于布氏硬度的壓痕面積較大,可以減少材料不均質(zhì)的影響,數(shù)據(jù)波動(dòng)較小,同時(shí)對試樣表面光潔度的要求低,便于在線采用,所以在硬度檢驗(yàn)中廣為使用。在測量時(shí),應(yīng)將表面的脫碳層打磨掉,同一塊鋼板或試樣的布氏壓痕直徑數(shù)值之差應(yīng)控制在0.15 mm以內(nèi)。裝甲鋼的硬度范圍并沒有統(tǒng)一的劃分,隨用途及生產(chǎn)國家的不同,劃分標(biāo)準(zhǔn)各異,通常分為三大類:高硬度裝甲鋼一般用于抗中、小口徑穿甲彈攻擊,布氏硬度值在450 HBW以上;中硬度裝甲鋼兼有抗中口徑穿甲彈和抗沖擊作用,布氏硬度在240～450 HBW之間;低硬度裝甲鋼能夠抗爆轟沖擊,布氏硬度值一般低于240 HBW。上世紀(jì)80年代前,世界各國對裝甲鋼的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中基本上都不要求做全面的機(jī)械性能測定,近年來均提高了性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),如在美國,除硬度必檢外,還將裝甲鋼的低溫韌性列為必檢項(xiàng)目,一般規(guī)定對40～60 mm厚的中高硬度裝甲鋼板,在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下-40℃橫向沖擊功大于30 J,但低溫沖擊值只能是反映鋼板品質(zhì)的一個(gè)定性指標(biāo),并不能反映與抗彈性能之間的定量關(guān)系,通過大量的實(shí)彈射擊試驗(yàn)證明,降低靶板的溫度等同于提高了應(yīng)變速率,即降低了抗彈極限值,但找不到溫度和抗彈極限之間的定量規(guī)律,因此低溫沖擊試驗(yàn)并不能代替抗彈試驗(yàn)。

2.4 抗槍彈損傷

裝甲鋼板抵抗各種打擊物體侵入的能力,稱為抗彈性能,打擊物體包括:槍彈、火炮發(fā)射的普通穿甲彈、長桿形穿甲彈、破甲彈、預(yù)制破片彈、自鍛破片彈以及地雷等。裝甲受到攻擊后其形狀、尺寸或結(jié)構(gòu)完整性出現(xiàn)任何變化的,都叫做損傷。一般用于評價(jià)裝甲板抗彈性能的最關(guān)鍵指標(biāo)為抗彈極限速度,是指裝甲在某個(gè)規(guī)定的厚度和傾角的條件下,隨著彈丸速度的增加,由部分擊穿向完全擊穿轉(zhuǎn)變的過程中,完全擊穿的幾率為某一特定值時(shí)的彈丸著靶速度,當(dāng)穿透幾率為50%時(shí),稱為V50抗彈極限速度。裝甲被穿透時(shí)可能出現(xiàn)5種基本形式的破壞,在每種穿透形式下,在裝甲的正面和背面都可能出現(xiàn)不同形式的損傷,歸納起來可能出現(xiàn)的損傷見表1[2]。在未穿透的情況下,正面各種損傷亦存在,背面損傷僅有凸起和在背凸處有未透裂紋。

表1 不同穿透形式下的裝甲損傷

裝甲損傷的結(jié)果評定不僅取決于損傷類型及其大小,而且要按照裝甲類型、材料、結(jié)構(gòu)、抗彈能力的技術(shù)要求以及試驗(yàn)彈種等因素綜合考慮。一般來說,塑性損傷屬于合格損傷范疇,脆性損傷是應(yīng)極力避免的。俄羅斯對不同厚度裝甲鋼在不同著靶速度下的不合格損傷有明確的規(guī)定,如對厚度規(guī)格在45～100 mm的軋制裝甲板,不允許在3倍彈徑范圍以外出現(xiàn)任何損傷;美國軍標(biāo)中對大于20 mm裝甲板規(guī)定,在采用M95AP穿甲彈垂直射擊時(shí),不能在2倍彈徑范圍以外出現(xiàn)崩落和裂紋。

抗彈試驗(yàn)費(fèi)用昂貴,準(zhǔn)備工作量大,是必須采用的。對此項(xiàng)試驗(yàn),世界各國都有不同的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn),其中美國與俄羅斯的試驗(yàn)方法,代表了北約和前華約的兩大不同的體系。

3 國外現(xiàn)代裝甲鋼板的系列品種

自從1888年英國Messis Vickers公司生產(chǎn)出全鋼裝甲板以來,裝甲鋼已成為主戰(zhàn)坦克上用量最大的金屬材料,約占整車質(zhì)量的40%～50%。隨著裝甲鋼在戰(zhàn)場上的廣泛應(yīng)用和材料工藝技術(shù)的發(fā)展,其化學(xué)成分、制造工藝及機(jī)械性能已是眾所周知,毫無秘密可言。

3.1 美國

美國裝甲鋼由一系列標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的裝甲鋼板組成,已普遍為西方各國接受并采用,其標(biāo)準(zhǔn)號(hào)前均冠以MIL-A。中硬度和高硬度裝甲鋼多為CrNiMo系和Cr MnNiMo系,根據(jù)用途、性能及生產(chǎn)工藝的不同,對雜質(zhì)元素含量有不同的要求,大致分為四個(gè)等級(jí),見表2。

美國裝甲鋼都有-40℃低溫沖擊要求,其硬度不僅劃分為中、高硬度范圍,而且在同硬度范圍內(nèi)還隨著鋼板厚度的不同而變化,即隨著厚度的增加而降低。美國裝甲鋼都必須進(jìn)行抗彈性能檢驗(yàn),不同厚度采用不同口徑的穿甲彈進(jìn)行檢驗(yàn),如高硬度軋制裝甲鋼采用7.62 mm、12.7 mm、14.5 mm的槍彈進(jìn)行抗彈性能檢驗(yàn),其V50可達(dá)到1000 m/s。

3.2 德國

德國裝甲鋼以XH129系列為主(見表3),用于中硬度、高硬度軋制裝甲鋼板,并具有不同厚度規(guī)格,該系列裝甲鋼純凈度高,具有良好的綜合機(jī)械性能和較好的工藝性能,合金元素普遍采用CrNiMo復(fù)合,P、S雜質(zhì)元素含量均在0.010%以下,在機(jī)械性能中,-40℃沖擊韌性有較高要求,并作為驗(yàn)收依據(jù)。

表2 美國軋制裝甲鋼的雜質(zhì)含量要求

表3 德國裝甲鋼系列

3.3 法國

法國現(xiàn)代裝甲鋼是MARS系列裝甲鋼,其中包括中硬度、高硬度和雙硬度裝甲鋼,厚度規(guī)格為2～500 mm,軋制均質(zhì)裝甲鋼(包括中、高硬度)均為Cr NiMo系列,而雙硬度裝甲鋼的面板為中碳Cr Ni-Mo V系二次硬化鋼,背板為中碳Cr Ni Mo系鋼。MARS系列裝甲鋼中雜質(zhì)元素是世界各國裝甲鋼中含量最低的,機(jī)械性能也最苛刻,與美、德國相比,在同樣強(qiáng)度的情況下,沖擊韌性均高于美、德,而且均要求檢驗(yàn)縱橫向低溫沖擊韌性,并且沖擊值相同。法國MARS系列裝甲鋼具有良好的抗彈性能,如MARS240高硬度鋼,在射擊傾角為30°時(shí),可耐受20 mm穿甲彈在920 m/s的彈速下的損傷。

3.4 瑞典

瑞典生產(chǎn)的現(xiàn)代裝甲鋼為ARMOX系列,共有六個(gè)牌號(hào),其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是合金元素低成本,大多鋼種含硼,純凈度高,機(jī)械性能優(yōu)異,同板差極小,抗彈性能良好。以高硬度軋制裝甲鋼板ARMOX 500S為例,不僅具有較高的抗穿甲性能,還具有良好的抗爆轟沖擊性能,其在不同傾角下抗7.60 mm穿燃彈時(shí),具有明顯的強(qiáng)度效應(yīng),用全鎢模擬穿甲彈,以38 mm口徑火炮發(fā)射,射距18 m,測得其防護(hù)系數(shù)為1.36,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。同時(shí)采用“T型試樣爆炸試驗(yàn)方法”來檢驗(yàn)該鋼的抗沖擊性能,結(jié)果表明,ARMOX 500S鋼具有良好的抗崩落、裂紋等脆性損傷性能。

表4 ARMOX 500S抗穿甲防護(hù)系數(shù)

3.5 俄羅斯

俄羅斯承接自前蘇聯(lián)的裝甲鋼體系,雜質(zhì)含量偏高,性能差異較大,共分為Cr Ni、Si Mn、Si Mn Mo、Cr Mo、Cr Mo V、Cr NiMo、SiNiMo、Cr NiMo Ti、Si MnCr Ti等9個(gè)系列70多個(gè)牌號(hào),一般對低溫沖擊韌性不作要求,從綜合機(jī)械性能來看,劣于歐美現(xiàn)代裝甲鋼,在相同的硬度、厚度及試驗(yàn)條件下,與瑞典、德國裝甲鋼的機(jī)械性能進(jìn)行了對比,見表5。由對比數(shù)據(jù)可見,俄羅斯Si Mn Mo系鋼板的強(qiáng)度略高于瑞典的ARMOX 500S和德國的XH129,但塑性和韌性明顯低于后者。

表5 俄羅斯、瑞典、德國裝甲鋼機(jī)械性能對比

俄羅斯裝甲鋼與西方現(xiàn)代裝甲鋼相比,由于其純凈度及綜合機(jī)械性能略遜一籌,故其抗彈性能亦落后于西方,尤其是高硬度裝甲鋼。采用模擬試驗(yàn)方法測定了SiMnMo高硬度鋼的防護(hù)系數(shù)為1.25左右,該值低于ARMOX 500S抗穿甲鋼的防護(hù)系數(shù)。

4 現(xiàn)代裝甲鋼板的發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)裝甲鋼主要靠含碳量來控制鋼的硬度以達(dá)到抵御各種穿甲彈攻擊的功能,隨著反裝甲武器打擊能力的增強(qiáng),要求裝甲不僅具有高硬度,還要有較好的韌性。為了得到高度均質(zhì)的裝甲,要求鋼板必須有較好的淬透性,為此,不得不向鋼中加入合金元素,以便得到全馬氏體組織,經(jīng)過科研人員的深入細(xì)致研究,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)只有回火馬氏體組織在高應(yīng)變速率下才具有最高的斷裂應(yīng)力[3]。所以傳統(tǒng)厚均質(zhì)裝甲鋼中的合金元素總量非常高,尤其是大量Ni的使用,雖然能有效改善淬透性,但容易形成合金偏析,惡化了鋼的冷、熱加工工藝性能,長期以來,傳統(tǒng)裝甲鋼的均質(zhì)性與工藝性能之間始終存在著“魚與熊掌不可兼得”的矛盾狀態(tài)。為了克服或彌補(bǔ)以上不足,現(xiàn)代裝甲鋼板未來將在發(fā)展薄板化方向上著重突破,薄板化是改善裝甲板的工藝性能的有效途徑,裝甲鋼(特別是高硬度裝甲鋼板)在加工過程中的三大工藝難點(diǎn)是矯直、切削加工和焊接,顯而易見,裝甲鋼在薄板化之后,下料精度大大提高,便于采用精密機(jī)床沖剪和火焰切割,薄裝甲鋼易于淬透,故合金元素總量低,碳當(dāng)量也低,有利于改善焊接、熱處理等熱加工工藝性能。同時(shí),薄裝甲鋼板與厚板相比有益于改善裝甲的經(jīng)濟(jì)性。

隨著裝甲鋼硬度的提高,其抗射流及穿甲彈的能力明顯提高,可以使其抗長桿形重金屬穿甲彈的防護(hù)系數(shù)提高到1.30以上,從而大幅度提高了裝甲的抗彈性能,近年來,隨著裝甲鋼的薄板化及鋼質(zhì)純凈度的提高,現(xiàn)代裝甲鋼板在高硬度的情況下兼有良好的韌性,所以采用更高硬度的裝甲鋼也是未來提高抗彈性能的趨勢。

5 結(jié)語

從材料科學(xué)的角度來看,裝甲鋼為具有某些特殊技術(shù)要求的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼,國外裝甲板一直向高硬度、輕量化、純凈化方向發(fā)展?！翱箯椥阅堋钡谋碚魇茄b甲鋼依靠自身所具有的高硬度抵抗中、小口徑穿甲武器和彈片的攻擊;依靠自身所具有的韌性,在大口徑穿、破甲武器,以及爆轟波的沖擊下,不產(chǎn)生背部崩落或脆性破裂。隨著裝甲防護(hù)技術(shù)的發(fā)展,裝甲板材料在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也將日趨廣泛。

[1] 張衛(wèi)東.裝甲材料的發(fā)展歷程[J].國外坦克,2006(10): 22-23.

[2] 張自強(qiáng).裝甲防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:兵器工業(yè)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

侯登義,高級(jí)工程師,現(xiàn)從事中厚鋼板生產(chǎn)工藝技術(shù)研究與品種開發(fā)。