Авторы:К.Д. Иванов, Д.Г. Купрюнин, Е.Н. Чистяков
Защита легкобронированной техники и бойца всегда нуждалась в усилении. Это особенно актуально сегодня, когда в многочисленных локальных конфликтах именно эти позиции воюющих сторон несут максимальные потери.
Не случайно практически во всех странах идет интенсивная разработка так называемой легкой брони, предназначенной для защиты, в первую очередь, от пуль стрелкового оружия и снарядов малокалиберных пушек [1 - 3]. Но, если 5-7 лет назад основной упор делался на комбинированные преграды с использованием керамики, то сегодня все активнее используются различные разнесенные преграды с использованием ультравысокопрочных сталей. Причин тому много, основные ; дороговизна керамики, ее низкая живучесть и плохая ремонтопригодность с одной стороны, и появление новых марок сталей с высокими прочностными и защитными характеристиками - с другой. Причем разработка таких сталей во многих странах продолжается.
Одно из возможных и очевидных решений для повышение баллистических характеристик броневых сталей ; это создание гетерогенных структур [1-5]. Над такими материалами сегодня работают разработчики многих стран, в том числе и России. Такие исследования ведет Фонд перспективных исследований (ФПИ), разрабатывающий гетерогенные структуры на базе новых технологий формирования цементованного слоя. ЗАО Форт Технология уже не первый год разрабатывает гетерогенную сталь для бронеэлементов бронежилетов, используя технологию сварки взрывом. По этой же технологии в начале 2000-х годов вел работы ФГУП ГосНИИмашиностроения[5].ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ запатентовали в 2013 году гетерогенную стальную противопульную броню, полученную склеиванием двух марок сталей с твердостью лицевого и тыльного слоев 62-67/46-51 [6].НИЦ Курчатовский институт и ЦНИИ КМ Прометей в рамках НИР Заслон исследовали возможные технологии получения противопульных гетерогенных стальных материалов, причем в качестве основных рассматривают пакетную прокатку, сварку взрывом и наплавку. В статье Перспективные стали для защиты специальной техники, опубликованной в журнале ВОТ, серия 16 за 2018 г.[1] приводятся последние их достижения, которые показывают, что образцы гетерогенного материала могут дать определенные преимущества перед гомогенными. (см.табл.1).
Табл.1. Сравнение обычных и гетерогенных противопульных сталей при обстреле бронебойно-зажигательной пулей Б-32 калибра 7,62 мм
Примечание: Данные по отечественным противопульным сталям не приводятся в силу закрытости этой информации, однако известно, что они находятся на уровне приведенных здесь зарубежных марок.
Вместе с тем, из таблицы хорошо видно, что при значительном усложнении и удорожании технологии получения гетерогенного материала, выигрыш в сравнении с гомогенным весьма невелик, особенно если сравнивать с зарубежными, в частности, шведскими сталями.
И все таки, можно ли ожидать от гетерогенных материалов каких-то перспектив в обозримом будущем и насколько продвинулись вперед разработчики сегодня в сравнении с прошлыми работами, которые проводились как в СССР, так и в передовых западных странах?
Напомним, что еще в 1933-1935 годах, практически одновременно с освоением производства цементованной брони, на Ждановском заводе им.Ильича были проведены опыты по созданию двухслойных слитков для изготовления гетерогенной противопульной брони, лицевой слой которой содержал 0,48-0,52%С, а тыльный ; 0,27-0,30%С. Исходные слитки-заготовки отливали методом одновременной заливки стали двух составов в изложницу с вертикальной разделительной перегородкой, расплавляющейся по мере заполнения изложницы металлом. Из-за технологических трудностей метод не нашел применения. Колебания температур, скорость заливки сильно влияли на свариваемость разделительной перегородки с жидким металлом и на перемешивание металла различных составов. Кроме того для этого процесса требовалось два плавильных агрегата, синхронизированных по времени окончания плавки.
Другой метод получения гетерогенного слитка, названный как метод литого плакирования, был разработан примерно в тот же период на Горьковском металлургическом заводе и заключался в следующем. В изложницу вставлялись тщательно очищенные (а иногда и хромированные) одна или несколько пластин из стали одного состава, а затем заливалась сталь другого состава. Преимущество этого способа в том, что здесь требовался только один плавильный агрегат. Но этот метод не обеспечивал надежного сваривания плакируемого и плакирующих слоев. Правда при последующей горячей прокатке удавалось достичь более или менее удовлетворительного соединения слоев, но все равно для промышленного производства гетерогенной брони он так и не был применен. Хотя для изготовления многослойного инструмента, производства отвалов плугов этот метод успешно применялся на Горьковском и на Таганрогском металлургических заводах.
В 1960 году этот метод был вновь опробован НИИ стали для получения гетерогенной брони. Совместно с Горьковским металлургическим заводом были изготовлены опытные образцы двухслойной брони толщиной 8-14 мм. В качестве лицевого слоя использовались стали марок 60ХНМ, 60Х2М и У8, в качестве тыла ; броневая сталь высокой твердости. Относительная толщина лицевого слоя варьировалась от 10 до 30% (с шагом 10%), т.е. впервые была предпринята попытка систематической оценки влияния этого параметра на противопульную стойкость. Твердость лицевого/тыльного слоев составляла 62-64/45-48HRC. Образцы были испытаны бронебойными пулями калибра 7,62 мм (более 200 выстрелов) и 12,7 мм (около 100 выстрелов). Испытания показали, во-первых, монотонное увеличение противопульной стойкости с ростом относительной толщины лицевого слоя, и, во-вторых, возможность получения существенного прироста уровня стойкости при обстреле по нормали бронебойными пулями калибра7,62 мм. Двухслойная броня толщиной10 ммобеспечивала защиту от этой пули в упор. [7]. Таким образом, уже в 1960-х годах была показана принципиальная возможность снижения толщины стальной противопульной брони. Однако этими же работами было показано, что живучесть такой брони низкая и, кроме того, при увеличении углов обстрела до 20-30° ее преимущества перед гомогенной броней теряются. В результате поиска оптимального состава гетерогенной брони, удовлетворяющей в том числе и требованиям по живучести, ее защищающая толщина возросла до 13 мм. [7].
В 1948-1950-х годах на заводе Красное Сормово был опробован другой метод получения гетерогенной заготовки - метод послойной заливки сталей разного состава в горизонтально расположенную форму. Прокатка заготовок и испытания полученных плит тоже дало положительные результаты, но технологические трудности обеспечения качества сцепления слоев остановили продолжение работ по данному направлению.
Дальнейшее развитие этот метод получил в работах института электросварки им. Е.О.Патона. Метод получил название ЭШО (электрошлаковый обогрев) и заключался в электрошлаковом обогреве последовательно заливаемых слоев различного состава. В горизонтально расположенную песчаную форму сначала засыпался флюс, который расплавлялся с помощью графитовых электродов. Затем электроды отводились в сторону, заливался первый слой стали заданного состава и электроды возвращались на место, поддерживая необходимую температуру шлака, что позволяло сохранять на поверхности закристаллизованного металла жидкую прослойку, необходимую для сварки с последующим слоем стали другого состава. Недостатком этого метода вновь является необходимость наличия двух или более плавильных агрегатов.
В 1969 году тоже институтом Патона был предложен метод послойной электрошлаковой плавки составных электродов. По сути это был обычный ЭШП, только расходуемый электрод состоял из нескольких разных по составу сталей. Метод позволял получить высокое качество металла в заготовке, хорошее сцепление слоев с наличием зоны плавного перехода по химическому составу, но не давал возможности обеспечить одинаковую по длине и ширине слитка толщину слоев, что в конечном итоге не гарантировало требуемой баллистической стойкости, что и было подтверждено испытаниями образцов гетерогенных 3-хслойных плит толщиной 16 мм, лицевой и тыльный слой которых состояли из броневой стали высокой твердости, а средний слой из высокопрочной стали ШХ15 или 30Х3Г2С
В 1970 году НИИ стали предложил и реализовал метод, который, по сути, совмещал ЭШП с ЭШО.
Этим способом были созданы гетерогенные слитки состоящие из 3-х слоев (см.табл.2).
Табл.2. Характеристика гетерогенной структуры, полученной методом ЭШП+ЭШО
Гетерогенные слитки вначале отковывали на толщину до 30 мм, затем часть из них было прострогана на толщину 18 мм и испытана обстрелом бронебойной пулей калибра 12,7 мм. Образцы не пробивались при скорости 800 м/с (с 75 м). Для сравнения лучшие зарубежные гомогенные стали обеспечивают такую стойкость в толщинах 20-25 мм.
В течение 1971-1975 годов НИИ стали активно исследовал эту технологию применительно к тонколистовой противопульной и толстолистовой противоснарядной гетерогенной броне. За этот период было изготовлено и испытано более сотни листов тонкой брони толщиной 14-22 мм и более сорока листов толстой брони толщиной 80 мм. Причем, что очень важно, листы изготавливались размером 1600х6000мм, т.е. в реальных габаритах, из них делались реальные бронедетали, имитирующие борт танка. Одновременно решался вопрос сварки, отрабатывались режимы сварки, корректировались составы слоев гетерогенной брони, т.е. по сути шла отработка серийной технологии применения гетерогенного материала в защите танков и ЛБМ.
Тонколистовая гетерогенная броня изготавливалась в двух и трехслойном вариантах. Двухслойная имела в лицевом слое 0,4%С, в тыльном ; 0,3%С. В толщине 18,9мм она обеспечивала защиту от пуль калибра 12,7 мм с пкп= 6°.
По толстому листу с лицевым слоем средней твердости и тыльным слоем повышенной твердости был получен выигрыш по 100 мм и 115-мм подкалиберному снаряду от 11 до 16%.
Рис.1. Распределение твердости по толщине гетерогенного двухслойного листа толщиной 80 мм.(лицо ; слева, тыл ; справа)
При этом как тонколистовая, так и толстолистовая гетерогенная броня показала удовлетворительную живучесть и свариваемость.
В 1975 году эти работы неожиданно были свернуты и гетерогенная сталь, полученная по технологии ЭШП+ЭШО так и не пошла в серию.
Пакетная прокатка тоже входила в поле внимания многих разработчиков [8]. В 1970 году НИИ стали совместно с ЦНИИЧерМет провели ряд работ по оценке этой технологии на предмет возможности получения прочной межслойной связи в гетерогенном листе. Для этого использовали две разных марки стали, в.т.ч. 50ХН3МА с содержанием С=0,5%.
4-хслойный пакет подвергали пакетной прокатке с 30-кратным обжатием до толщины 12 мм. Карточки испытали пулей калибра 12,7 мм с целью определить пкп. Однако получить его не удалось, т.к. образцы показали неудовлетворительную живучесть, трескались, расслаивались с образованием отколов при первом же попадании. В связи с этим было сделано заключение, что гетерогенные стали, полученные по данной технологии, могут иметь весьма ограниченное применение.
Этот вывод был подтвержден в 1973 году, когда НИИ стали попробовали адаптировать авиационную гетерогенную броню на основе сплавов КВК применительно к защите ЛБМ. Давая преимущества по противопульной стойкости, она показала низкую живучесть.
Кстати, хотя многие зарубежные марки гетерогенной брони и получены по данной технологии, но сведений по их использованию в защите серийных ЛБМ нет. Там в составе сложных преград используются обычные гомогенные стали.
О проблемах с применением технологии сварки взрывом для получения гетерогенных сталей НИИ стали обращал внимание еще в 1970 году, когда были проведены работы по оценке духслойных образцов толщиной 16-20 мм пулевым и снарядным обстрелом. Все образцы имели расслоения в области сварки и отколы в местах поражений, хотя по уровню стойкости для первого попадания многие образцы показывали весьма высокие значения. Фактически тот же вывод сделали и разработчики ФГУП ГосНИИмашиностроения [5], пытаясь создать сваркой взрывом гетерогенную противопульную сталь на основе стали марки Ц-85. Получив определенный выигрыш по стойкости, они существенно проиграли по живучести образцов, которые раскалывались после 2-го выстрела.
Заключение.
Значит ли это, что гетерогенные стальные материалы не имеют перспектив?
Конечно нет. Физика взаимодействия ударника с преградой требует ее гетерогенности. Более того, разработки НИИ стали в области слойной как стальной, так и алюминиевой брони [3, 4, 7] убедительно показывают, что у гетерогенных материалов есть перспектива. Это подтверждается работами и других организаций. Другое дело, что исследования в этой области должны вестись не наскоками, а систематически, с учетом изучения многих факторов. Сегодня же, к сожалению, российская материаловедческая наука в этой области топчется на месте.
Литература.
3.. Арцруни А.А., Купрюнин Д.Г. Алюминиевая броня для военной техники. Теория, технология, практика. ; М., Радиософт, 2017.
Статья опубликована в научно-техническом журнале "Вопросы оборонной техники", серия 16, выпуск 11-12, 2018 год, стр. 95-100
Оставить заявку
Отправляя форму Вы соглашаетесь на обработку персональных данных