國外均質軋制裝甲鋼板的生產現狀及發展方向

侯登義

(山東鋼鐵集團有限公司,山東 濟南250101)

國外均質軋制裝甲鋼板的生產現狀及發展方向

侯登義

(山東鋼鐵集團有限公司,山東 濟南250101)

簡要介紹了裝甲防護的基本原理和國外傳統裝甲鋼的歷史沿革,描述了現代裝甲鋼板的技術特點,列舉了國外五個國家裝甲鋼板的系列品種、設計思路及主要技術指標,指出了國外裝甲板的發展方向是高硬度、輕量化、純凈化,并將在民用領域得到廣泛應用。

均質;裝甲鋼板;生產現狀

1 引言

裝甲的出現與發展經歷了非常悠久的歷程,自火藥發射的熱兵器出現后,對裝甲防護的要求越來越高。19世紀初,由于蒸汽機的應用和冶煉技術的發展,使得熟鐵被用來制造排水量較大戰艦的裝甲,到了19世紀末出現了正規的裝甲鋼,隨著火炮的線膛化和穿、破甲技術的發展,裝甲的厚度和質量都在急劇增加,隨即出現了“裝甲防護技術”。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用,到21世紀初期,反裝甲武器的破甲性能已超過1000 mm的均質裝甲鋼板,穿甲性能將接近900 mm均質裝甲鋼板。包括均質裝甲、間隙裝甲、復合裝甲、反應裝甲、動態裝甲的現代防護體系已經形成[1]。

裝甲防護系統中最簡單的結構單元為均質裝甲,均質裝甲是由單一的均質材料構成,如單純的非金屬或金屬材料。通常“均質”指具有同一成分、均勻的組織結構和均一的機械性能的裝甲鑄件或軋材。均質裝甲的均質性保證在裝甲板的縱橫截面上不出現反射應力波的第二介質。金屬材料的均質性需要由高水平的冶金工藝來保證,均質裝甲鋼的抗彈性能取決于鋼質純凈度、強度、韌性和厚度。

2 現代裝甲鋼的特點

在一百多年的裝甲鋼發展史中,對鋼的化學成分的探索與研究,已證實了單靠增減鋼中的某些合金元素或調整其含量,已很難使抗彈性能和工藝性能有較大幅度的提高。現代裝甲鋼是依靠現代冶金工藝來提高鋼的純凈度,以獲得優于傳統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%;有害雜質的降低或去除,使現代裝甲鋼的熱加工工藝性能大幅度改善,回火脆性、白點、淬火裂紋、切割裂紋、焊接裂紋等缺陷大幅度減輕或消除;傳統裝甲鋼的有害雜質含量高,在高速沖擊載荷下,容易產生脆性損傷,使抗彈性能限制在較低的水平,由于純凈度的提高,現代裝甲鋼具有了良好的強度與韌性的平衡,可以在高硬度下不出現脆性,相應地提高了抗彈性能。

2.2 高表面品質

國外標準中的表面品質分為尺寸公差與表面品質,對裝甲鋼來說,因避免影響臨界抗彈性能,一般不允許出現厚度負公差,在測量厚度時,在每塊鋼板的每個長邊上測量三點(兩端、中間各一點),在每端應測量兩點,共測十點,最后計算其平均值。關于表面品質,歐美等國家略有不同,如美國標準規定,裝甲鋼板的表面應無軋痕、折疊、裂紋、氧化皮、機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,打磨后鋼板的實際厚度不小于厚度公差規定值,允許存在深度不超過0.38 mm的麻點;而俄羅斯等歐洲標準允許表面長度不大于20 mm和名義厚度值在95%以內的結疤和氧化鐵皮等缺陷存在,亦可不予清理。

2.3 優異的機械性能

裝甲鋼是抗彈材料,硬度是其機械性能中的重要參數。由于布氏硬度的壓痕面積較大,可以減少材料不均質的影響,數據波動較小,同時對試樣表面光潔度的要求低,便于在線采用,所以在硬度檢驗中廣為使用。在測量時,應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值之差應控制在0.15 mm以內。裝甲鋼的硬度范圍并沒有統一的劃分,隨用途及生產國家的不同,劃分標準各異,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80年代前,世界各國對裝甲鋼的驗收標準中基本上都不要求做全面的機械性能測定,近年來均提高了性能檢驗標準,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目,一般規定對40～60 mm厚的中高硬度裝甲鋼板,在調質狀態下-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的一個定性指標,并不能反映與抗彈性能之間的定量關系,通過大量的實彈射擊試驗證明,降低靶板的溫度等同于提高了應變速率,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律,因此低溫沖擊試驗并不能代替抗彈試驗。

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、火炮發射的普通穿甲彈、長桿形穿甲彈、破甲彈、預制破片彈、自鍛破片彈以及地雷等。裝甲受到攻擊后其形狀、尺寸或結構完整性出現任何變化的,都叫做損傷。一般用于評價裝甲板抗彈性能的最關鍵指標為抗彈極限速度,是指裝甲在某個規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變的過程中,完全擊穿的幾率為某一特定值時的彈丸著靶速度,當穿透幾率為50%時,稱為V50抗彈極限速度。裝甲被穿透時可能出現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不同形式的損傷,歸納起來可能出現的損傷見表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、結構、抗彈能力的技術要求以及試驗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定,如對厚度規格在45～100 mm的軋制裝甲板,不允許在3倍彈徑范圍以外出現任何損傷;美國軍標中對大于20 mm裝甲板規定,在采用M95AP穿甲彈垂直射擊時,不能在2倍彈徑范圍以外出現崩落和裂紋。

抗彈試驗費用昂貴,準備工作量大,是必須采用的。對此項試驗,世界各國都有不同的試驗方法和標準,其中美國與俄羅斯的試驗方法,代表了北約和前華約的兩大不同的體系。

3 國外現代裝甲鋼板的系列品種

自從1888年英國Messis Vickers公司生產出全鋼裝甲板以來,裝甲鋼已成為主戰坦克上用量最大的金屬材料,約占整車質量的40%～50%。隨著裝甲鋼在戰場上的廣泛應用和材料工藝技術的發展,其化學成分、制造工藝及機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準所規定的裝甲鋼板組成,已普遍為西方各國接受并采用,其標準號前均冠以MIL-A。中硬度和高硬度裝甲鋼多為CrNiMo系和Cr MnNiMo系,根據用途、性能及生產工藝的不同,對雜質元素含量有不同的要求,大致分為四個等級,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行抗彈性能檢驗,不同厚度采用不同口徑的穿甲彈進行檢驗,如高硬度軋制裝甲鋼采用7.62 mm、12.7 mm、14.5 mm的槍彈進行抗彈性能檢驗,其V50可達到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,并具有不同厚度規格,該系列裝甲鋼純凈度高,具有良好的綜合機械性能和較好的工藝性能,合金元素普遍采用CrNiMo復合,P、S雜質元素含量均在0.010%以下,在機械性能中,-40℃沖擊韌性有較高要求,并作為驗收依據。

表2 美國軋制裝甲鋼的雜質含量要求

表3 德國裝甲鋼系列

3.3 法國

法國現代裝甲鋼是MARS系列裝甲鋼,其中包括中硬度、高硬度和雙硬度裝甲鋼,厚度規格為2～500 mm,軋制均質裝甲鋼(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系列裝甲鋼中雜質元素是世界各國裝甲鋼中含量最低的,機械性能也最苛刻,與美、德國相比,在同樣強度的情況下,沖擊韌性均高于美、德,而且均要求檢驗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,可耐受20 mm穿甲彈在920 m/s的彈速下的損傷。

3.4 瑞典

瑞典生產的現代裝甲鋼為ARMOX系列,共有六個牌號,其設計特點是合金元素低成本,大多鋼種含硼,純凈度高,機械性能優異,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,具有明顯的強度效應,用全鎢模擬穿甲彈,以38 mm口徑火炮發射,射距18 m,測得其防護系數為1.36,試驗數據見表4。同時采用“T型試樣爆炸試驗方法”來檢驗該鋼的抗沖擊性能,結果表明,ARMOX 500S鋼具有良好的抗崩落、裂紋等脆性損傷性能。

表4 ARMOX 500S抗穿甲防護系數

3.5 俄羅斯

俄羅斯承接自前蘇聯的裝甲鋼體系,雜質含量偏高,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個系列70多個牌號,一般對低溫沖擊韌性不作要求,從綜合機械性能來看,劣于歐美現代裝甲鋼,在相同的硬度、厚度及試驗條件下,與瑞典、德國裝甲鋼的機械性能進行了對比,見表5。由對比數據可見,俄羅斯Si Mn Mo系鋼板的強度略高于瑞典的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、德國裝甲鋼機械性能對比

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

4 現代裝甲鋼板的發展趨勢

傳統裝甲鋼主要靠含碳量來控制鋼的硬度以達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,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,經過科研人員的深入細致研究,已經發現只有回火馬氏體組織在高應變速率下才具有最高的斷裂應力[3]。所以傳統厚均質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,傳統裝甲鋼的均質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。為了克服或彌補以上不足,現代裝甲鋼板未來將在發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,碳當量也低,有利于改善焊接、熱處理等熱加工工藝性能。同時,薄裝甲鋼板與厚板相比有益于改善裝甲的經濟性。

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系數提高到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純凈度的提高,現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 結語

從材料科學的角度來看,裝甲鋼為具有某些特殊技術要求的優質結構鋼,國外裝甲板一直向高硬度、輕量化、純凈化方向發展。“抗彈性能”的表征是裝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,不產生背部崩落或脆性破裂。隨著裝甲防護技術的發展,裝甲板材料在民用領域的應用也將日趨廣泛。

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

[2] 張自強.裝甲防護技術基礎[M].北京:兵器工業出版社,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,高級工程師,現從事中厚鋼板生產工藝技術研究與品種開發。