RU2044098C1

RU2044098C1 - Aluminum based welded alloy for sandwich aluminum armour

Info

Publication number: RU2044098C1
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Каширин; Т.В. Сурикова; Л.Г. Березин
Original assignee: Каширин Вячеслав Федорович
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1995-09-20

Abstract

FIELD: aluminum based alloys for aluminum armour. SUBSTANCE: alloy has, in mass zinc 6.4-7.2; magnesium 2.6-3.2; manganese 0.07-0.14; chrome 0.15-0.25; titanium 0.03-0.10; zirconium 0.05-0.12; aluminum the rest. In the case, total amount of zinc and magnesium is 2.0-2.8. Alloy has following properties: sandwich plate limiting speed of certified affects (LSCA) 666-674 m/s, serial plate LSCA - 617-628 m/s; speed gain of LSCA 7.3-8.1 weight gain 8.6-8.9 EFFECT: alloy provides speed and weight gain. 2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно сплавов системы алюминий-цинк-магний, используемых для изготовления сварных высокопрочных конструкций, подвергаемых импульсным нагружениям высокой интенсивности (инкассаторские бронеавтомобили, бронированные сейфы и др. объекты гражданского и военного назначения). The invention relates to metallurgy of alloys, namely alloys of the aluminum-zinc-magnesium system used for the manufacture of welded high-strength structures subjected to high-intensity pulsed loading (collector armored vehicles, armored safes and other civilian and military objects).

Известны сплавы на основе алюминия, содержащие цинк, магний в качестве основных легирующих элементов, а также дополнительно переходные элементы марганец, цирконий, хром, титан. Known aluminum-based alloys containing zinc, magnesium as the main alloying elements, as well as additional transition elements manganese, zirconium, chromium, titanium.

Эти сплавы как высокопрочные и свариваемые успешно используются в изделиях бронетанковой техники (Елагин В.И. Захаров В.В. Дриц А.М. Структура и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg. М. Металлургия, 1982, с. 210). These alloys, both high-strength and welded, are successfully used in armored vehicles (Elagin V.I. Zakharov V.V. Drits A.M. Structure and properties of alloys of the Al-Zn-Mg system. M. Metallurgy, 1982, p. 210).

Наиболее близок к изобретению по химическому составу высокопрочный свариваемый алюминиевый сплав, содержащий, мас. Цинк 5,5 6,3 Магний 2,6 3,5 Марганец 0,2 0,45 Цирконий 0,1 0,3 Хром 0,2 0,4 Титан 0,1 0,3 Алюминий Остальное
Примеси: Железо 0,3 Кремний 0,2 Медь 0,2
Использование сплава 1901 в качестве гомогенной противопульной брони показало, что он обеспечивает высокую твердость (до 170НВ) и пластичность, необходимую для броневых материалов. Однако дальнейшее повышение твердости сплава 1901 за счет дополнительного легирования приводит к снижению противопульной стойкости вследствие снижения живучести (раскол, отколы с тыльной поверхности плиты) из-за понижения пластичности материала.Closest to the invention in chemical composition, high-strength weldable aluminum alloy containing, by weight. Zinc 5.5 6.3 Magnesium 2.6 3.5 Manganese 0.2 0.45 Zirconium 0.1 0.3 Chrome 0.2 0.4 Titanium 0.1 0.3 Aluminum Else
Impurities: Iron 0.3 Silicon 0.2 Copper 0.2
The use of 1901 alloy as a homogeneous bulletproof armor showed that it provides high hardness (up to 170NB) and the ductility necessary for armor materials. However, a further increase in hardness of the 1901 alloy due to additional alloying leads to a decrease in bulletproof resistance due to a decrease in survivability (split, spalling from the back surface of the plate) due to a decrease in the ductility of the material.

Слоистые алюминиевые плиты за счет своих конструктивных особенностей позволяют использовать в качестве лицевого слоя сплавы с более высокой твердостью, чем сплав 1901. Due to their design features, laminated aluminum plates allow using alloys with a higher hardness than the 1901 alloy as the face layer.

При использовании сплава 1901 в качестве лицевого слоя в слоистой броне противопульная стойкость снижается по сравнению с гомогенной (из сплава 1901) плитой, так как снижается средняя твердость плиты из-за наличия в ней мягких прослоек, но одновременно появляется избыток пластичности. When using alloy 1901 as the front layer in layered armor, bulletproof resistance is reduced in comparison with a homogeneous (from 1901 alloy) plate, since the average hardness of the plate is reduced due to the presence of soft layers in it, but at the same time an excess of plasticity appears.

Целью изобретения является создание сплава на основе алюминия, содержащего цинк, магний, марганец, цирконий, хром и титан, который при его использовании в качестве лицевого слоя в слоистой броне позволил бы получить более высокую по сравнению с гомогенной броней противопульную стойкость. The aim of the invention is to create an alloy based on aluminum containing zinc, magnesium, manganese, zirconium, chromium and titanium, which, when used as a front layer in a layered armor, would provide a higher bullet resistance compared to homogeneous armor.

Это достигается за счет увеличения твердости лицевого слоя в слоистой броне путем создания сплава на основе алюминия, содержащего цинк, магний, марганец, цирконий, хром и титан, отличающегося тем, что в нем суммарное содержание цинка и магния равно 9,0-10,4 мас. при отношении содержания цинка к содержанию магния, равном 2,0-2,8, и суммарном содержании переходных элементов Mn, Cr, Ti, Zn, равном 0,3-0,61, содержит ингредиенты в соотношении, мас. цинк 6,4 7,2; магний 2,6 3,2; марганец 0,07 0,14; хром 0,15 0,25; цирконий 0,05 0,12; титан 0,03 0,10; алюминий остальное. This is achieved by increasing the hardness of the face layer in the layered armor by creating an aluminum-based alloy containing zinc, magnesium, manganese, zirconium, chromium and titanium, characterized in that the total content of zinc and magnesium is 9.0-10.4 wt. when the ratio of the zinc content to the magnesium content equal to 2.0-2.8, and the total content of transition elements Mn, Cr, Ti, Zn equal to 0.3-0.61, contains ingredients in the ratio, wt. zinc 6.4 7.2; magnesium 2.6 3.2; manganese 0.07 0.14; chrome 0.15 0.25; zirconium 0.05 0.12; titanium 0.03 0.10; aluminum rest.

На фиг. 1 представлены экспериментальные данные по влиянию отношения Zn/Mg на твердость сплава при суммарном содержании Σ Zn + Mg 9 и 10,5 мас. (кривая 1 и 2 соответственно) и сопротивление коррозионному растрескиванию (кривая 3), где τ_кр. время до разрушения образца; на фиг. 2 области существования сплавов 1901 и предлагаемого в координа- тах Σ Zn + Mg Zn/Mg на фиг. 3 схема образования трещин в слоистой плите при импульсном нагружении высокой интенсивности (боек, пуля); на фиг. 4 экспериментальные данные по влиянию суммарного содержания переходных элементов на прочность сплава Al Zn Mg с суммарным содержанием Zn + Mg 10,4%
Из кривых 1 и 2 видно, что максимальная твердость сплавов Al Zn Mg с суммарным содержанием Zn + Mg 9 10,4% соответствует значению отношения Zn/Mg 2,4.In FIG. Figure 1 presents experimental data on the effect of the Zn / Mg ratio on the alloy hardness at a total content of Σ Zn + Mg of 9 and 10.5 wt. (curve 1 and 2, respectively) and resistance to corrosion cracking (curve 3), where τ _cr . time to sample destruction; in FIG. 2 of the region of existence of alloys 1901 and proposed in the coordinates Σ Zn + Mg Zn / Mg in FIG. 3 diagram of the formation of cracks in a layered plate under pulsed loading of high intensity (firing pin, bullet); in FIG. 4 experimental data on the effect of the total content of transition elements on the strength of the Al Zn Mg alloy with a total content of Zn + Mg of 10.4%
It can be seen from curves 1 and 2 that the maximum hardness of Al Zn Mg alloys with a total Zn + Mg content of 9 10.4% corresponds to a Zn / Mg ratio of 2.4.

Интервал изменения отношения Zn/Mg в сплаве 1901 составляет 1,6 2,4. Этот интервал следует рассматривать как Zn/Mg 2,0± ±0,4. В соответствии с графиками фиг. 1 это соотношение не обеспечивает получение максимальных значений прочности сплава. The interval of change in the Zn / Mg ratio in the 1901 alloy is 1.6 2.4. This interval should be considered as Zn / Mg 2.0 ± ± 0.4. In accordance with the graphs of FIG. 1, this ratio does not provide maximum strength values of the alloy.

В предлагаемом сплаве отношение Zn/Mg выбрано равным 2,0 2,8, т.е. Zn/Mg 2,4±0,4, что обеспечивает повышение по сравнению со сплавом 1901 минимальных значений твердости сплава на 5-6 ед. НВ. In the proposed alloy, the Zn / Mg ratio was chosen equal to 2.0 2.8, i.e. Zn / Mg 2.4 ± 0.4, which provides an increase in comparison with the alloy 1901 minimum values of the hardness of the alloy by 5-6 units. HB.

Повышение отношения Zn/Mg в предлагаемом сплаве позволяет повысить и коррозионную стойкость при воздействии напряжений (см. фиг. 1, кривая 3). The increase in the ratio Zn / Mg in the proposed alloy allows to increase the corrosion resistance when exposed to stresses (see Fig. 1, curve 3).

Прочностные свойства сплавов системы Al Zn Mg определяются главным образом суммарным содержанием основных легирующих элементов цинка и магния. Наряду с повышением твердости за счет изменения отношения Zn/Mg в предлагаемом сплаве увеличено суммарное содержание Zn + Mg с 8,1 9,8% для сплава 1901 до 9,0 10,4 мас. что дает повышение твердости сплава на 12 15 ед. НВ. The strength properties of alloys of the Al Zn Mg system are determined mainly by the total content of the main alloying elements of zinc and magnesium. Along with an increase in hardness due to a change in the Zn / Mg ratio in the proposed alloy, the total Zn + Mg content was increased from 8.1 9.8% for the 1901 alloy to 9.0 10.4 wt. which gives an increase in alloy hardness by 12 to 15 units. HB.

Основное назначение переходных металлов (ПМ) Mn, Cr, Ti, Zr в сплавах системы Al Zn Mg является повышение их коррозионной стойкости и свариваемость. The main purpose of transition metals (PM) Mn, Cr, Ti, Zr in alloys of the Al Zn Mg system is to increase their corrosion resistance and weldability.

Растворимость ПМ в твердом алюминии мала, а их повышенное содержание может привести к появлению включений первичных интерметаллидов, которые отрицательно влияют как на механические, так и коррозионные свойства. Так, первичные интерметаллы в слитках сплавов Al Zn Mg наблюдали при содержании Ti 0,15% Zr= 0,2% поэтому в сплаве содержание ПМ не рекомендуктся более 0,2- 0,25% каждого в отдельности (Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. М. Металлургия, 1975, с. 147 159). The solubility of PM in solid aluminum is small, and their increased content can lead to the appearance of inclusions of primary intermetallic compounds, which adversely affect both mechanical and corrosive properties. Thus, primary intermetals in ingots of Al Zn Mg alloys were observed at a Ti content of 0.15% Zr = 0.2%; therefore, the PM content in the alloy is not recommended more than 0.2 - 0.25% of each separately (V. Elagin. Doping deformable aluminum alloys by transition metals. M. Metallurgy, 1975, p. 147 159).

ПМ оказывает влияние на механические (прочностные) свойства сплавов. При комплексном легировании (одновременное введение нескольких элементов) переходными металлами на прочностные свойства сплава влияет суммарное содержание ПМ. PM affects the mechanical (strength) properties of alloys. In complex alloying (simultaneous introduction of several elements) with transition metals, the total PM content affects the strength properties of the alloy.

Из приведенных на фиг. 4 данных видно, что оптимальное суммарное содержание ПМ составляет 0,45±0,15% что и выбрано для заявляемого сплава. From those shown in FIG. 4 data shows that the optimal total content of PM is 0.45 ± 0.15% which is selected for the inventive alloy.

Выбор оптимального содержания ПМ позволил увеличить твердость предлагаемого сплава на 3 4 ед. НВ по сравнению со сплавом 1901, где содержание ПМ составляет 1,0±0,4%
Таким образом, выбор оптимального соотношения содержания Zn/Mg в сплаве, повышение содержания основных легирующих элементов, оптимизация суммарного содержания ПМ позволило обеспечить твердость предлагаемого сплава на 20 25 ед. НВ выше по сравнению со сплавом 1901.The choice of the optimal content of PM allowed to increase the hardness of the proposed alloy by 3 to 4 units. HB compared with alloy 1901, where the PM content is 1.0 ± 0.4%
Thus, the choice of the optimal ratio of the Zn / Mg content in the alloy, the increase in the content of the main alloying elements, the optimization of the total PM content made it possible to ensure the hardness of the proposed alloy by 20 25 units. HB is higher in comparison with alloy 1901.

Из представленных на фиг. 2 областей существования сплава 1901 и предлагаемого видно, что при одинаковой сумме цинка и магния в обоих сплавах (фиг. 2 интервал а) предлагаемый сплав имеет повышенную твердость из-за более благоприятного отношения Zn/Mg. From those shown in FIG. 2 areas of the existence of alloy 1901 and the proposed one shows that with the same amount of zinc and magnesium in both alloys (Fig. 2 interval a), the proposed alloy has increased hardness due to a more favorable Zn / Mg ratio.

С другой стороны, при одинаковых соотношениях Zn/Mg (фиг. 2, интервал В) у обоих сплавов, предлагаемый сплав имеет более высокую твердость за счет повышенного по сравнению со сплавом 1901 содержания ΣZn + Mg. On the other hand, with the same Zn / Mg ratios (Fig. 2, interval B) for both alloys, the proposed alloy has a higher hardness due to the increased ΣZn + Mg content compared with the 1901 alloy.

Таким образом, из анализа областей существования сплавов (фиг. 2) видно, что предлагаемый сплав имеет более высокую твердость во всей своей области существования и отличается от известного в каждой точке области существования, либо суммарным содержанием основных легирующих элементов, либо их соотношением. Thus, from the analysis of the areas of existence of the alloys (Fig. 2), it can be seen that the proposed alloy has a higher hardness in its entire area of existence and differs from the region of existence known at each point in either the total content of the main alloying elements or their ratio.

Для экспериментальной оценки уровня прочностных и броневых свойств предлагаемого сплава были изготовлены и испытаны слоистые плиты толщиной 27,5 мм с использованием предлагаемого сплава и гомогенные плиты из сплава 1901 такой же толщины. For experimental assessment of the strength and armor properties of the proposed alloy, laminated plates 27.5 mm thick were manufactured and tested using the proposed alloy and homogeneous plates made from 1901 alloy of the same thickness.

Испытания противопульной стойкости проводились пулей калибра 7,62 мм под углом α 0^о ( α угол между нормалью к испытуемой карте и траекторией полета пули). Противопульная стойкость определялась величиной предельной скорости кондиционных поражений ( V_пкп).Tests of bulletproof resistance were carried out by a bullet of 7.62 mm caliber at an angle α 0 ^о (α is the angle between the normal to the test card and the bullet’s flight path). Bulletproof resistance was determined by the value of the marginal speed of conditioned lesions (V _PCP ).

Из представленных в табл. 1 результатов видно, что максимальный уровень пулестойкости в опытных плитах получен при суммарном содержании Zn + Mg 10,4% т. е. при максимальном (предельном) содержании легирующих элементов. Дальнейшее повышение суммарного содержания цинка и магния (верхний запредельный уровень) повышает прочностные (твердость) свойства сплава. Однако вследствие снижения пластических свойств сплава с ростом уровня легирования повышается склонность к трещинообразованию (фиг. 3) и, как следствие, снижается уровень пулестойкости (табл. 1, плавка 3-229). Of the presented in table. The results of Table 1 show that the maximum level of bullet resistance in the test plates was obtained with a total content of Zn + Mg of 10.4%, i.e., with a maximum (maximum) content of alloying elements. A further increase in the total content of zinc and magnesium (upper transcendental level) increases the strength (hardness) properties of the alloy. However, due to the decrease in the plastic properties of the alloy with increasing doping level, the tendency to crack formation increases (Fig. 3) and, as a result, the level of bullet resistance decreases (Table 1, smelting 3-229).

Прочностные свойства и противопульная стойкость на другом запредельном уровне (ниже нижнего) легирования ниже свойств нижнего предельного уровня легирования. Это является следствием снижения прочностных свойств сплава как за счет снижения Σ Zn + Mg, так и суммы ПМ, при некотором "излишке" пластических свойств. Сам же нижний уровень содержания легирующих элементов определяется только технологическими соображениями, и чем он ближе к среднему содеpжанию этих элементов в сплаве, тем будет выше гарантированный уровень прочностных и броневых свойств. Strength properties and bulletproof resistance at another transcendental level (below the lower) alloying are lower than the properties of the lower limit level of alloying. This is a consequence of a decrease in the strength properties of the alloy due to both a decrease in Σ Zn + Mg and the amount of PM, with some “excess” of plastic properties. The very lowest level of the content of alloying elements is determined only by technological considerations, and the closer it is to the average content of these elements in the alloy, the higher the guaranteed level of strength and armor properties.

Из представленных в табл. 1 экспериментальных данных видно, что при равном суммарном содержании Zn + Mg (плавки 3-238 и 3-234) предлагаемый сплав имеет более высокую твердость и противопульную стойкость вследствие более благоприятного соотношения Zn/Mg и суммарного содержания ПМ. Of the presented in table. 1 of the experimental data shows that with an equal total content of Zn + Mg (melts 3-238 and 3-234), the proposed alloy has a higher hardness and bulletproof resistance due to a more favorable ratio of Zn / Mg and the total content of PM.

Преимущество слоистых перед гомогенными определялось в виде выигрыша в скорости ( ΔV_пкп)
ΔV_пкп=

· 100 где V_пкп ^сл, V_пкп ^гом предельная скорость кондиционных поражений соответственно слоистой и гомогенной плиты равной толщины.The advantage of layered over homogeneous was determined in the form of a gain in speed (ΔV _pcp )
ΔV _pcp =

× 100 where V _panel ^cl, V _panel ^gom speed limit of conditional lesions respectively layered and homogenous plate of equal thickness.

Весовой выигрыш слоистой брони с использованием предлагаемого сплава определяется как разница равностойких толщин гомогенной (В^гом) и слоистой (В^сл) брони, отнесенной к толщине равностойкой гомогенной брони из сплава 1901, т.е.The weight gain of the layered armor using the proposed alloy is defined as the difference between the equidistant thicknesses of the homogeneous (V ^gom ) and the layered (B ^sl ) armor referred to the thickness of the equally stable homogeneous armor of alloy 1901, i.e.

ΔB

100
Из приведенных в табл. 2 данных видно, что использование предлагаемого сплава в качестве лицевого слоя в слоистой броне позволит повысить пулестойкость плит на 7-8% при равной толщине плиты или при равной бронестойкости обеспечить снижение веса (весовой выигрыш) бронеконструкции на 8,6 8,9% по сравнению с гомогенной плитой из сплава 1901 при сохранении высокого уровня живучести.ΔB

one hundred
From the above table. 2 data shows that the use of the proposed alloy as the front layer in the layered armor will increase the bullet resistance of the plates by 7-8% with an equal thickness of the plate or with equal armor resistance to reduce the weight (weight gain) of the armored structure by 8.6 8.9% compared with a homogeneous plate made of alloy 1901 while maintaining a high level of survivability.

Такие важные для броневого материала характеристики, как свариваемость и коррозия под напряжением оценивалась на специальных сварных пробах, изготовленных из слоистого проката, включающего в себя предлагаемый сплав (пл. 3-234). Such important characteristics for the armored material as weldability and stress corrosion were evaluated on special welded samples made of laminated steel, which includes the proposed alloy (pl. 3-234).

Анализ результатов и сравнение их с аналогичными результатами испытаний гомогенного проката из сплава 1901 показали, что предлагаемый сплав не уступает по указанным характеристикам сплаву 1901. Analysis of the results and their comparison with similar results of testing homogeneous rolled products from alloy 1901 showed that the proposed alloy is not inferior to the specified characteristics of the alloy 1901.

Использование предлагаемого сплава в лицевом слое слоистых плит обеспечивает по сравнению с гомогенным материалом повышение на 7 8% броневых свойств за счет более высокой (на 20 25 ед. НВ) твердости лицевого слоя; снижение общего веса изделий за счет использования слоистых материалов, обеспечивающих требуемый уровень броневых свойств в меньших толщинах. The use of the proposed alloy in the front layer of laminated plates provides, compared with a homogeneous material, an increase of 7 8% in armor properties due to the higher hardness (by 20 25 units HB) of the front layer; reduction in the total weight of products through the use of layered materials that provide the required level of armor properties in smaller thicknesses.

Claims

WELDED ALLOY ON THE BASIS OF ALUMINUM FOR A LAYERED ALUMINUM BORON, containing zinc, magnesium, manganese, chromium, titanium, zirconium, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.

Zinc 6.4 7.2
Magnesium 2.6 3.2
Manganese 0.07 0.14
Chrome 0.15 0.25
Titanium 0.03 0.10
Zirconium 0.05 0.12
Aluminum Else
and the total content of zinc and magnesium is 9.0 to 10.4 wt. and the ratio of zinc to magnesium is 2.0 to 2.8.