О ПУТЯХ ПОВЫШЕНИЯ ПРОТИВОСНАРЯДНОЙ СТОЙКОСТИ

КАТАНОЙ СТАЛЬНОЙ БРОНИ ДЛЯ ТАНКОВ

Канд. техн. наук С. И. ВЫСОКОВСКИЙ, канд. техн. наук Η. Н. ГУГЛИН, канд. техн. наук Л. С. ЛЕВИН, М. И. МАРЕСЕВ, канд. техн. наук Б. К. ФИЛОРИКЬЯН

Вопросы оборонной техники. Серия ХХ. Выпуск 63. 1976 г .

На протяжении всей истории развития производства брони увеличение твердости рассматривалось как один из наиболее очевидных путей повышения ее противоснарядной стойкости. Многолетний опыт производства и испытания брони показал, что эффективность этого способа зависит от структуры стали, ее химического состава, вязкости, пластичности и других факторов.

Наиболее распространенный способ получения высокой твердости - это закалка стали и низкий отпуск: при этом, чем выше содержание углерода в стали, тем выше твердость.

В период Великой Отечественной войны низкоотпущенная сталь высокой твердости марки 8С с мартенситной структурой широко использовалась для танков Т-34. Наряду с достоинствами эта сталь имела и существенные недостатки, важнейшим из которых была повышенная склонность к хрупким разрушениям при снарядном обстреле после сварки вследствие сварочных напряжений.

Попытка усложнения состава низкоотпущенной брони не привела к существенно­му улучшению качества: отколы при испытании подкалиберными снарядами под больши­ми углами превышали допустимые пределы.

Образование трещин и отколов в низкоотпущенной стали объясняется высоким уровнем остаточных закалочных напряжений, возрастающих с увеличением толщины брони (при толщине 80 мм напряжения достигают 80 кгс/мм² [1]). Кроме того, мартенситная структура, как стало известно из исследований последних лет [2], отличается наличием в микрообъеме стали "пиковых" напряжений, значительно превосходящих среднее зональное напряжение. Это связано с неоднородностью структуры по границам и объему зерна, образованием упруго искаженных областей с малоподвижными дисло­кациями, которые являются концентраторами напряжений и очагами зарождения трещин. Все эти явления усиливаются с повышением содержания углерода в стали.

Более перспективен другой путь повышения твердости, основанный на дисперси­онном твердении стали при высоком отпуске. Сталь легируется никелем, медью и кар­бидообразующими элементами. При этом могут быть получены механические свойства, аналогичные свойствам низкоотпущенных сталей, но значительно более высокое сопро­тивление хрупкому разрушению в связи с полным устранением закалочных напряжений.

В настоящее время в отечественном танкостроении применяют высокоотпущенную броню средней твердости марок 42СМ (для броневых деталей толщиной до 85 мм ) и 52С (для деталей толщиной приблизительно до 100 мм ).

Фактические результаты испытаний обстрелом показывают, что противоснаряд- ная стойкость серийной брони колеблется б широких пределах. Причиной являются ко­лебания твердости, химического состава, плавочных характеристик, а также качества снарядов.

Максимум стойкости серийной брони средней твердости ( d_отп = 3,3- 3,6 мм ) со­ответствует твердости d_отп = 3,45- 3,5 мм по Бринеллю. Повышение твердости се­рийной брони до d_отп = 3,3 мм не приводит к увеличению ее противоснарядной стой­кости, так как при этом существенно снижается пластичность и вязкость стали. При испытании обстрелом при - 40° С броня с твердостью d_отп = 3,3 мм и выше имеет в отдельных случаях неудовлетворительную живучесть.

На основе проведенных работ по влиянию химического состава стали на склон­ность ее к хрупкому разрушению при обстреле выявлена важная закономерность, свя­зывающая живучесть брони при температуре -40°С с содержанием никеля. Для обеспечения удовлетворительной живучести при твердости d_отп = 3,05 мм необходимо не менее 4,0% никеля; для d_отп = 3,2 мм - 3% никеля, а для d_отп = 3,4 мм , что ха­рактерно для серийной брони, достаточно 2% никеля. Одной из причин пониженной жи­вучести серийной брони при -40°С, обработанной на твердость d_отп ≥ 3,3 мм , явля­ется, в первую очередь, недостаточное содержанке никеля. Понижение живучести свя­зано со строением излома. Для обеспечения удовлетворительной живучести достаточно иметь при -40°С в изломе ~ 50% площади с волокнистым строением, т. е. имеется возможность заменить обстрел для оценки живучести поломкой проб при -40°С [ 3].

Таким образом, чтобы обеспечить высокую прочность (твердость) и удовлетворительную живучесть, необходимо создать новую броневую сталь повышенной легированности.

В 1969 г . коллективом авторов трех предприятий была предложена новая противоснарядная броня марки БТК-1 повышенной твердости (d_отп = 3,05- 3,25 мм ), со­держащая в своем составе 4,5% никеля и добавки меди, молибдена и ванадия.

После закалки и отпуска при 600°С сталь имеет прочность σ_b = 120-140 кгс/мм и ударную вязкость α_н = 6 кгс · м/см² и выше. Живучесть брони при снарядном об­стреле обеспечивается до -40°С. Твердость стали после длительных отпусков (до 40 ч) ниже d_отп = 3,25 мм не падает.

Броня БТК-1. толщиной 70- 85 мм имеет повышенную противоснарядную стой­кость против подкалиберных 100 и 115-мм снарядов под углами обстрела 68-70 (на 5-10% больше по сравнению с серийной броней). С увеличением толщины разни­ца между стойкостью брони БТК-1 и серийной броней средней твердости, как прави­ло, увеличивается.

За прошедшие 6 лет по стали БТК-1 был проведен комплекс научно-исследо­вательских и производственных работ, который дал возможность широко проверить эту сталь и приступить к внедрению ее в производство танков. Было изготовлено свыше 1000 т листа, испытано большое количество плит толщиной от 20 до 130 мм , штамgованых бортов, изготовлено семь корпусов танков, испытаны один макет и один корпус.

Результаты испытании штампованых бортов толщиной 80 мм из стали БТК-1 показали, что они равноценны по стойкости серийным бортам толщиной 85 мм ,

Благодаря более высокой твердости изменяется характер поражения стали БТК-1: уменьшается глубина вмятины и высота выпучины, а высота пробки остается такой же, как у серийной брони; это косвенно свидетельствует о том, что, несмотря на повыше­ние прочности стали БТК-1, ее динамическая пластичность не снижается [4]. Прогиб борта при. испытаниях уменьшается, что весьма важно для предупреждения заклинива­ния тяг управления танком.

Ведутся работы по созданию более дешевой брони, не содержащей меди. Коллек­тивом авторов разработана новая марка стали БТК-2 для изготовления катаной брони толщиной до 140 мм . Новая броня отличается от серийной 52С большим содержанием никеля и молибдена и добавкой ванадия; она имеет после закалки и отпуска при 600°С при прочности 125-135 кгс/мм² ударную вязкость выше 7 кгс · м/см² при комнатной температуре испытания и волокнистый излом.

Испытания обстрелом небольшого количества плит, изготовленных из стали БТК-2, выплавленной в электродуговой 15-тонной печи, показали, что уровень стойкости этой стали не ниже, чем у БТК-1.

По стали БТК-2 предстоит провести еще большой объем работ на металле промышленных плавок прежде, чем она будет использована при изготовлении корпусов танков.

Начаты работы по стали БТК-3 с содержанием углерода 0,32-0,38%, но эти опыты еще далеки от завершения.

Работы по созданию новых марок брони высокой твердости показывают, что это направление достаточно плодотворно.

Дальнейшее повышение противоснарядной стойкости высокопрочных сталей должно осуществляться за счет увеличения вязкости и пластичности, которые наряду с Прочностью определяют деформацию брони при снарядном обстреле и уровень ее противоснарядной стойкости. Одним из путей повышения вязкости и пластичности стали является применение новых металлургических процессов (таких как злектрошлаковый, вакуумнодуговой, электроннолучевой переплавы), методов внепечной обработки ме­талла синтетическим шлаком, вакуумированием, а также использование в качестве шихты первородного железа.

Работами предприятия п/я В-2652, проведенными на ряде марок стали в 1964- 1969 гг. совместно с заводом "Красный Октябрь", было установлено, что электршлаковый переплав (ЭШП) является одним из наиболее эффективных промышленных методов улучшения металлургического качества, повышения вязкости и живучести ка­таной брони. Стали, выплавленные методом ЭШП, отличаются высокой чистотой по неметаллическим включениям. Затвердевание металла в кристаллизаторе значительно улучшает качество металла по сравнению с охлаждением в изложницах. Поэтому лист, изготовленный методом ЭШП, отличается высокой изотропностью механических свойств и уровнем ударной вязкости в 1,5-2 раза более высоким, чем у мартеновской стали.

По инициативе ИЭС им. Б. Е. Патона была проведена работа по изготовлению серийной брони марки 42СМ методом ЭШП. Листы из такого металла отличались высоким уровнем механических свойств и повышенной противоснарядной стойкостью. Бор­та из стали 42СМ ЭШП твердостью d_отп = 3,35- 3,5 мм были установлены на танк. Т-64А (в опытном порядке); прирост противоснарядной стойкости составил 4,7-9,0% по ν_пкп·

Попытки повысить твердость стали 42СМ ЭШП до d_отп < 3,35 мм не увенча­лись успехом, так как при пониженной температуре отпуска, близкой к интервалу от­пускной хрупкости, живучесть брони при -30-40°С была неудовлетворительной. Это свидетельствует о том, что за счет одного ЭШП нельзя поднять твердость брони без ухудшения ее живучести, следует также изменить состав стали. При ЭШП повышение противоснарядной стойкости броневой стали достигается за счет увеличения ее вязко­сти и пластичности.

Практика исследований, а также опыт изготовления противопульной брони 2ПСПНР* подтверждают эффективное влияние на качество стали обработки ее синтетическими шлаками.

* Броня, изготовленная по совмещенному процессу выплавки, внепечного раскисления и непрерывной разливки.

Положительно сказывается и изготовление стали из первородной шихты. По первому методу на Челябинском металлургическом заводе проведены две 100-тонные плавки стали 42СМ в кислородном конверторе с обработкой жидкого металла синте­тическим шлаком и продувкой аргоном. Ограниченный объем испытаний обстрелом по­казал, что по ряду позиций противоснарядная стойкость такой брони существенно пре­вышает фактический уровень стойкости серийной броневой стали при удовлетворитель­ной живучести. Повышение стойкости имело место несмотря на то, что вязкость кон­верторной стали, изготовленной указанным методом, незначительно превышает вязкость серийной мартеновской стали и уступает вязкости стали ЭШП.

С целью проверки качества броневой стали, изготовленной из первородной ших­ты, на Ново-Тульском металлургическом заводе проведено десять трехтонных плавок разных марок стали. Было установлено, что применение первородной шихты несколько снижает количество серы и фосфора; концентрация некоторых примесей цветных метал­лов уменьшается в 1,5-3 раза, а количество неметаллических включений в 2,5-3 ра­за. Порог хладноломкости стали 42СМ снизился на ~ 20°С.

Таким образом, и этот метод выплавки может быть использован как средство улучшения броневой стали. Однако эффективность его уступает ЭШП. Вопрос об исполь­зовании этого метода для изготовления брони может быть поставлен после ввода на­меченных мощностей по изготовлению первородной шихты.

Дальнейшие работы по повышению снарядной стойкости броневой стали были на­правлены на проведение комплексных работ по изготовлению новых высокопрочных ста­лей с использованием ЭШП. В настоящее время изготовлены листы из двух 60-тонных плавок стали ВТК-2 с последующим ЭШП на заводе "Днепроспецсталь". Из этих листов изготовлены плиты и будут отштампованы борта для последующего испытания обстрелом. Намечена также комплексная работа по сравнительной оценке противоснарядной стойкости и технико-экономической эффективности применения новых марок ста­ли БТК-1 и БТК-2, изготовленных в кислородно-конверторных печах с обработкой синтетическим шлаком и ЭШП.

Повышение физико-механических и броневых свойств возможно также за счет изменения структуры стали. Большие резервы имеет сталь, обработанная на сверх мелкое зерно. Известно, что закалка тонких образцов из углеродистой стали с уско­ренным нагревом и охлаждением давала возможность увеличить прочность в 1,5-2 ра­за и существенно понизить порог хладноломкости [6], Естественно, что на броневых  листах такого эффекта достигнуть нельзя. Однако получить зерно с баллами 11-12 на броневой стали с добавками ванадия, применяя высокие скорости нагрева (30-40°С/мин) и охлаждения (~10°С/с) - задача вполне реальная. В этом направлении работы начаты. Для успешного их развития потребуется провести большой комплекс работ, в том числе, создать специальное оборудование для ускоренного нагрева.

Близкими к этому направлению являются работы по применению термомехани — ческой обработки (TMO) при изготовлении броневого листа. Перспективность приме­нения ТMO высокоотпускаемых сталей основывается не только на создании фрагмен­тированной структуры, но и на подавлении одного из видов хрупкости стали, так на­зываемой "бейнитной хрупкости", поскольку деформация стали при TMO перед закал­кой тормозит образование бейнита. В целях реализации этого направления изготовле­ны листы толщиной от 20 до 70 мм с термомеханической обработкой на Коммунарском металлургическом заводе.

Известно, что различные слои брони при взаимодействии со снарядом испыты­вают различные напряжения как по знаку, так и по величине. Это обстоятельство и является основанием для создания гетерогенной брони.

Попытки применить гетерогенную броню различной конструкции для корпусов танков предпринимались неоднократно [7]. До освоения ЭШП и электрошлакового обо­грева (ЭШО), позволяющих получить горизонтальный слиток разного химического со­става по толщине, нельзя было широко варьировать схемы гетерогенной брони. Большие трудности возникали при сварке отдельных слоев в одно целое, не расслаивающе­еся при снарядном обстреле. Эта задача теперь успешно решается.

Первые испытания брони с так называемой "слабой гетерогенностью", т. е. с не очень резкой разницей в твердости отдельных слоев, показали обнадеживающие результаты. При этом "слабая гетерогенность" осуществлялась за счет применения двух марок стали: серийной стали 42CM с твердостью d_отп = 3,4- 3,5 мм и новой стали БТК-2 с твердостью d_отп = 3,15- 3,25 мм .

Металлурги и металловеды располагают в настоящее время средствами, при комп­лексном использовании которых можно существенно повысить качество стали. Это по­зволяет с большим оптимизмом рассматривать дальнейшие пути развития стальной бро­ни, чем это имело место двадцать пять или десять лет тому назад.

Большой интерес представляют зарубежные исследования по повышению свойств листовой стали [8]. Уровень прочности стали повышают за счет усложненного легиро­вания, применения TMO скоростного нагрева и охлаждения. Таким образом, и за ру­бежом ведутся работы в аналогичных направлениях по улучшению качества толстоли­стовой броневой стали.

Разработка указанных направлений связана с удорожанием стали и с необходи­мостью совершенствования технологии закалки за счет применения новых средств ускоренного нагрева, специальных штампов для закалки, новых режимов резания и инструмента для обработки высокопрочных сталей, что необходимо для совершенствова­ния броневого производства.

Основными путями развития работ по созданию брони с высокой противоснарядной стойкостью являются:

• создание высокоотпускаемых высокопрочных сталей;
• применение более совершенных методов выплавки, раскисления и разливки, обеспечивающих чистоту стали по неметаллическим включениям и газам (в том числе по водороду), а также благоприятную макроструктуру без зональной ликвации и высо­кую изотропность свойств;
• применение интенсивных методов термической и термомеханической обработок, резко измельчающих структуру и субструктуру стали;
• отработка схем гетерогенности и технологии изготовления гетерогенной бро­ни;
• создание специального оборудования для скоростного нагрева и охлаждения при закалке, закалки высокопрочной стали под прессом и в штампах;
• разработка режимов резания, оборудования и инструмента для механической обработки высокопрочных сталей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Hемчинский Л. Л. Металловедение (сборник статей). Судпромгиз, I960, № 4, с. 27.
2. Вылежнев В. Ц, Саррак В. И., Энтин Р. И. Проблемы метал­лов (сборник статей). № 1, 1972, с. 190.
3. Отчет, инв. № 006591.
4. Зоров Ю. А. Труды филиала ВНИИ-100, № 1, 1958, с. 31.
5. Филорикьян Б. К. и др. "Вестник бронетанковой техники", 1969, № 3, с. 33-37.
6. Дакворс В. Е. и др. Высокопрочная сталь. "Металлургия", 1965, с. 37.
7. Неверова-Скобелева Н. П., Левин Л. С. Гетерогенная про- тивоснарядная броня. Реферативный обзор № 642. ННИИинформашш, 1963.
8. Rathborne А. М. Review of recent armor plate developments. "Blast furnace and steel plant'', 1968, v. 56, №7, pp. 575-583 .

Материалы по теме брони:



Бронирование современных отечественных танков



О НЕКОТОРЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ТРЕХСЛОЙНЫХ ПРЕГРАД ПРИ ОБСТРЕЛЕ СПЛОШНЫМИ ОПЕРЕННЫМИ БРОНЕБОЙНО-ПОДКАЛИБЕРНЫМИ СНАРЯДАМИ



Защищенность танков второго послевоенного поколения Т-64 (Т-64А), «Чифтейн Мк5Р» и М60

Динамическая защита (CCCР, РФ)



Универсальная динамическая защита "Нож" (ХСЧКВ)
ДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА КАК ОНА РАБОТАЕТ И КАК ЕЕ ПОРАЗИТЬ