DE69601138T2 - Stahlpanzerplatte und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents
Stahlpanzerplatte und Herstellungsverfahren dafürInfo
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Description
- Diese Erfindung betrifft eine Metallpanzerplatte verbesserter ballistischer Abwehrfähigkeit. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Stahlpanzerplatte sowie die hierbei erhaltene Stahlpanzerplatte mit einer harten Oberfläche mit vorgesehenen Einschlüssen in der Metallmatrix.
- Panzerplatten gelangten im Zivilleben und im Militärbereich zum Einsatz. In der Vergangenheit wurde eine Panzerplatte aus den verschiedensten Werkstoffen einschließlich Keramiken, Metallen, wie Stahl und Aluminium, sowie Kompositen aus Metallen und sonstigen Werkstoffen hergestellt. Aus dem Bedarf nach einem stärkeren ballistischen Schutz unter Verringerung des Gewichts einer Panzerplatte resultierten Verbesserungen bei Panzerplatten.
- In den 60er-Jahren wurden (durch Aufwalzen) plattierte Stähle oder Kompositstähle hergestellt und einem neuen Gebrauchszweck als ein geringeres Gewicht aufweisende, doppelharte Kompositstahlpanzerplatten zugeführt. Von den beiden verwendeten Stahlschichtkörpern wurde der eine wegen seiner Härte, der andere wegen seiner Zähigkeit gewählt. Das Konzept einer doppelharten Kompositpanzerplatte beinhaltet den Einsatz einer harten Frontseite, die das Projektil, z. B. die Prüfspitze eines eine Panzerplatte durchbohrenden Projektils, aufbricht. Die Frontseite soll - selbst wenn sie durch den ballistischen Schlag reißen kann - nicht platzen oder absplittern, da sie metallurgisch an eine zähere, rißbegrenzende Rückseite gebunden ist. Im allgemeinen wird eine solche Panzerplatte durch Auswahl von zwei Stahlzusammensetzungen, Verarbeiten einer jeder derselben zu einem Produkt in Plattenform und anschließendes Walzplattieren zur Bildung der doppelharten Kompositstahlpanzerplatte hergestellt (vgl. "Steels Double Up for Composites" in "The Iron Age", 16. November 1967, S. 70-72).
- Im allgemeinen reicht die Dicke einer solchen Kompositpanzerplatte von einem 0,040-Inch (1 mm)-Blech bis zu einer 3- Inch (76 mm)-Platte. Bekanntlich können die verschiedensten Stahlzusammensetzungen für die Kompositwerkstoffe verwendet werden. Solche Stähle können durch ihre nominale Zusammensetzung bezeichnet werden, z. B. als 3-Ni-Mo-Stahl, 5-Ni-Cr- Mo-Stahl, 12-Ni-5-Cr-3-Mo-Stahl, 10-Ni-Cr-Mo-Co-Stahl sowie eine von US Steel in den 60ern hergestellte, als HY-130T- Stahl bekannte Legierung (vgl. "Review of Recent Armor Plate Developments" von Rathbone in "Blast Furnace and Steel Plant", Juli 1968, S. 575-583). Dieses Dokument wird für die Ansprüche 1, 6 und 10 als nächstkommender Stand der Technik angesehen.
- Durch Routineschmelzverfahren erschmolzener AISI-4340-Stahl wird häufig für Panzerplattenanwendungen benutzt. AISI-4340- Stahl wird manchmal auch für Panzerungsanwendungen benutzt, wenn er durch Vakuumlichtbogenumschmelzen (VAR) oder Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren (ESR) hergestellt wurde. Untersuchungen an ESR 4340 unter Benutzung eines Abtastelektronenmikroskops (SEM) zeigten das Vorhandensein von Calciumaluminateinschlüssen, die vermutlich die Bruchzähigkeit senken (vgl. "Comparing a Split Heat of ESR/VAR 4340 Steel" von Hickey et al. in "Metal Progress", Oktober 1985, S. 69- 74).
- Übliches Wissen (vgl. die genannten Veröffentlichungen) geht davon aus, daß die ballistische Abwehrfähigkeit einer Metallpanzerplatte vermutlich durch einen Werkstoff mit einem geringen Anteil an Einschlüssen erhöht wird, da ein solcher Werkstoff zäher und biegsamer sein dürfte. In der Stahlpanzerplattenindustrie wurde seit langem Nachdruck darauf gelegt, einen reinen Stahl, d. h. einen solchen mit einem geringen Anteil an Einschlüssen, durch ESR oder VAR einschließlich einer Gewährleistung niedriger Schwefel- und/oder Sauerstoffgehalte, herzustellen. Dies läßt sich unter Hinweis auf zahlreiche Militärspezifikationen für Stahlpanzerplatten, z. B. die folgenden:
- Mil-A-12560D (MR) (1979)
- Mil-A-46173(MR) (1976)
- Mil-A-46100D(MR) (1988)
- Mil-A-45177B (MR) (1990)
- belegen. Sämtliche dieser Militärspezifikationen fordern einen maximalen Schwefelgehalt von 0,015% oder weniger ohne Mindesterfordernis für den Schwefel. Die Spezifikation Mil- A-46173 gibt auch ein Sauerstofferfordernis von maximal 25 Teilen pro Million (ppm) an.
- Die US-A-1 563 420 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Panzerplatte durch Aufkohlen einer Oberfläche der Platte in aufeinanderfolgenden Stufen, die sich mit einer mechanischen Bearbeitung der Platte abwechseln.
- Die US-A-4 645 720 betrifft eine Panzerplatte, umfassend einen zweilagigen, anschließend wärmebehandelten plattierten Verbundstahl mit einer oberen Schicht und einer Grundschicht.
- Wenn ein Projektil auf eine Panzerplatte auftrifft, beginnt das Projektil vorzugsweise auseinanderzubrechen oder sich zu deformieren, so daß seine Kraft vermindert wird. Bei ausreichend hoher Geschwindigkeit kann ein Projektil die Panzerplatte durchdringen, indem es einen Pfropfen aus der Rückseite der Platte austreibt. In Abhängigkeit von der Zähigkeit und Biegsamkeit des die Panzerplatte bildenden Werkstoffs kann die Panzerplatte in der Nachbarschaft des Lochs deformiert sein oder nicht. Weiterhin wird von der Panzerplatte erwartet, daß sie bestimmten ballistischen Abwehrerfordernissen, wie sie in einer Spezifikation bei bestimmter Werkstoffdicke definiert sind, genügt. Häufig kann eine Panzerplatte beim Testen durch Beschießen der Platte mit Projektilen ballistische Ergebnisse zeigen, die gerade noch oder nicht mehr durchgehen können.
- Was benötigt wird, ist eine verbesserte Stahlpanzerplatte stärkerer Stoppwirkung bei gegebenem Gewicht und gegebener Dicke. Was umgekehrt benötigt wird, ist eine verbesserte Stahlpanzerplatte zur Gewährleistung derselben ballistischen Abwehrfähigkeit bei geringerer Dicke zum Zwecke einer Gewichtseinsparung.
- Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Stahlpanzerplatte mit verbesserter Eindringfestigkeit gegenüber Projektilen. Bei dem Verfahren erhält man eine Panzerplatte aus einer Stahllegierung mit einem beabsichtigten Gehalt an Einschlüssen, wobei die Einschlüsse praktisch parallel zur Plattenoberfläche orientiert sind. Die Einschlüsse resultieren aus mindestens einem Element der Stahlzusammensetzung, ausgewählt aus der Gruppe Schwefel und Sauerstoff, so daß die Panzerplatte durch einen höheren V&sub5;&sub0;-Schutz bei gegebener Plattendicke charakterisiert ist.
- Gegenstand der Erfindung ist eine Stahlpanzerplatte entsprechend den Ansprüchen 1 und 10.
- Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Stahlpanzerplatte gemäß Anspruch 6.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Kompositpanzerplatte durch Verbinden der Panzerplatte mit einer zweiten Panzerplatte zur Bildung einer doppelharten Kompositpanzerplatte bereitgestellt. Die zweite Plattenschicht besitzt im Vergleich zu der ersten Panzerplatte eine geringere Härte und eine höhere Biegsamkeit.
- Die Figur veranschaulicht in photographischer Darstellung eine Ausführungsform der Rückseite der erfindungsgemäßen Kompositpanzerplatte im Vergleich zu einer bekannten Kompositpanzerplatte nach einem ballistischen Test.
- Breit gesagt, werden erfindungsgemäß eine Panzerplatte und ein Verfahren zur Herstellung einer Stahlpanzerplatte mit im Vergleich zu üblichen Platten derselben Dicke verbesserter ballistischer Abwehrfähigkeit bei höheren Geschwindigkeiten und mit im Vergleich zu üblichen Plattenwerkstoffen verbesserter ballistischer Abwehrfähigkeit bei gleicher Geschwindigkeit, jedoch geringerer Plattendicke geschaffen.
- Wir haben gefunden, daß nichtmetallische Einschlüsse oder Teilchen für eine Verbesserung der ballistischen Abwehrfähigkeit einer Panzerplatte von Wert sein könnten. Als Ergebnis des Walzverfahrens sind die Einschlüsse parallel zur Oberfläche der Panzerplatte orientiert und die Form der Einschlüsse im allgemeinen (eher) elliptisch als stabförmig.
- Dies steht im Gegensatz zu den üblichen Kenntnissen der Industrie, die fordern, daß die Metallpanzerplatte einen niedrigen Gehalt an Einschlüssen aufweist, damit die Zähigkeit und Biegsamkeit des Plattenwerkstoffs verbessert werden.
- Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, kann vermutlich ein Stahl mit höherem Gehalt an Einschlüssen (der manchmal als "schmutzigerer" Stahl bezeichnet wird) zu einer besseren ballistischen Abwehrfähigkeit beitragen, indem er die Projektilenergie durch Verteilung der Schlagkraft über eine breitere Fläche ableitet. Beim Auftreffen des Projektils folgen entweder die Schockwelle oder Risse in der Panzerplatte der Richtung der Einschlüsse parallel zur Plattenoberfläche, wodurch die Stoßenergie über eine breitere Fläche ausgebreitet wird. Die Einschlüsse liefern einen Weg, dem die Schockwelle bzw. die Risse folgen (müssen). Dies führt dazu, daß die Schlag- oder Stoßkraft über eine breitere Fläche verteilt wird. Dies läßt den Werkstoff die Energie wirksamer absorbieren, ohne daß die Panzerplatte vom Projektil durchdrungen wird.
- Die Lehren der vorliegenden Erfindung dürften sowohl bei einer doppelharten Stahlkompositpanzerplatte als auch einer homogenen Stahlpanzerplatte anwendbar sein. Unter einer homogenen Platte ist zu verstehen, daß die Panzerplatte nicht aus einem Komposit- oder Verbundgebilde aus zwei oder mehreren Platten, sondern (nur) aus einer einzigen Platte aus einer Schmelzezusammensetzung besteht. Es ist zu erwarten, daß bei einer homogen Panzerplatte dieselben Doppelhärtevorteile realisierbar sind, wenn der Einschlußgrad in etwa 1/4 bis 3/4 der Dicke oder vorzugsweise der Hälfte (der Dicke), gemessen von der Front- oder Auftreffseite der Platte, erhöht wird.
- Die erfindungsgemäße Panzerplatte kann nach üblichen Schmelzverfahren, z. B. durch Elektro-Schlacke-Umschmelzver fahren (ESR), Vakuumlichtbogenumschmelzen (VAR) und Argon- Sauerstoff-Entkohlung (AOD), hergestellt werden. Was jedoch wichtig ist, ist, daß in dem Stahl ausreichende Mengen an möglichen einschlußbildenden Elementen, insbesondere Schwefel und/oder Sauerstoff, enthalten sind. Um die gewünschten Ergebnisse zu erreichen, sind höhere Konzentrationen an Sulfid- und Oxideinschlüssen in dem verfestigten Stahl erforderlich. Der Schwefelgehalt kann von nur 0,015 bis zu 0,15, vorzugsweise von 0,020 bis 0,080 Gew.-%, reichen. Der Sauerstoffgehalt kann von 0,0025 bis 0,1000, vorzugsweise von 0,0050 bis 0,0500 Gew.-%, reichen.
- Breit gesprochen kann eine geeignete Plattenzusammensetzung neben den erfindungsgemäß einzuhaltenden Mengen an Schwefel und/oder Sauerstoff 0,1-1 Gew.-% Kohlenstoff, 0-6 Gew.-% Nickel, 0-2 Gew.-% Molybdän, 0-3 Gew.-% Chrom, 0-2 Gew.-% Mangan, 0,1-1 Gew.-% Silicium und als Rest Eisen und beiläufige Verunreinigungen enthalten. Eine typische Plattenzusammensetzung kann neben den erfindungsgemäß einzuhaltenden Mengen an Schwefel und/oder Sauerstoff 0,2-0,8% Kohlenstoff, 2-4% Nickel, 0,1-0,6% Molybdän, 0,3-1, 2% Chrom, weniger als 1% Mangan und weniger als 0,5% Silicium sowie zum Rest Eisen und beiläufige Verunreinigungen enthalten.
- In jeglicher sonstiger Hinsicht kann es sich bei der Stahlzusammensetzung der Panzerplatte um eine in typischer Weise für Panzerplatten verwendete übliche Stahllegierung handeln. Solche Stähle können - wie üblich - spezielle Mengen an Nickel, Chrom, Molybdän, Kobalt und sonstigen Elementen enthalten. Vermutlich hängen die erfindungsgemäßen Lehren zur Gewährleistung eines höheren Einschlußgehalts für eine vorteilhafte ballistische Widerstandsfähigkeit nicht zwangsläufig von der Gesamtzusammensetzung des Stahls ab, so daß sie sich bei zahlreichen Stahlpanzerplattenlegierungen verwirklichen lassen.
- Zahlreiche Stufen im Rahmen des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Stahlpanzerplatte sind bereits bekannt. Das Verfahren umfaßt ein Erschmelzen einer geeigneten Stahlzusammensetzung, das Gießen zu Blöcken oder Brammen und ein Heißwalzen zur Dicke einer Zwischenbramme. Bei der Herstellung einer Kompositplatte wird jede Stahlzusammensetzung erschmolzen und zur Dicke einer Zwischenbramme heißgewalzt. Danach wird das Komposite durch Abschleifen und Reinigen der zusammengehörigen Oberflächen der beiden Brammen, peripheres Schweißen zur Bildung von Stürzen auf den vorderen und hinteren Brammen (möglich, jedoch nicht zwingend), Evakuieren und hermetisches Versiegeln der Brammen, anschließendes Walzenplattieren bis zu der gewünschten Plattendicke und schließlich Wärmebehandeln durch Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen in der erforderlichen Weise hergestellt. Was im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich ist, ist, daß die Stahlzusammensetzung ausreichende Mengen an Schwefel und/oder Sauerstoff garantiert, um für einen erforderlichen Gehalt an Einschlüssen zu sorgen, so daß die Einschlüsse nach dem Walzen auf Plattendicke praktisch parallel zur Plattenoberfläche liegen und im allgemeinen (eher) elliptisch als stabförmig sind.
- Das folgende Beispiel soll einem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen.
- Zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung wurden zwei doppelharte Stahlkompositpanzerplatten mit einer Stirnseite unterschiedlicher Zusammensetzungen hergestellt. Die Rückseite eines jeden Komposits besaß dieselbe nominale Zusammensetzung. Die folgende Tabelle I enthält Angaben über die tatsächlichen Zusammensetzungen (auf Eisenbasis) der für die Stirnseiten und die Rückseiten der Komposite verwendeten Platten. Tabelle I
- Sämtliche vier Schmelzchargen wurden in üblicher bekannter Weise durch Erschmelzen unter Verwendung eines elektrischen Lichtbogenofens und anschließendes Argon-Sauerstoff-Entkohlen, Gießen zu Blöcken, Warmbearbeiten und Bilden eines Komposits hergestellt. Unter Verwendung der Schmelzcharge 1C217 als Stirnseite und der Schmelzcharge 1C218 als Rückseite wurden verschiedene Testpanel einer doppelharten Stahlpanzerplatte mit der Bezeichnung Kompositplatte Nr. K2237S hergestellt. Unter Verwendung der Schmelzcharge Nr. 3B736 als Stirnseite und der Schmelzcharge Nr. 2B603 als Rückseite wurden mehrere Testpanel einer doppelharten Platte mit der Bezeichnung Kompositplatte Nr. K2235 hergestellt.
- Die ballistische Beständigkeit der Testpanel aus den Schmelzchargen K2235 und K2237S wurde getestet. Die Testergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle II. Beide dargestellten Testpanel besaßen eine durchschnittliche Dicke von 0,273 Inch und wurden mit einem Projektil aus einer 5,56-mm-M193-Kugel bei einer Neigung von 0º getestet. Tabelle II
- "Hoch partial" bedeutet die höchste Geschwindigkeit (feet pro s) eines Projektils, das das Testpanel nicht durchdrang.
- "Niedrig vollständig" bedeutet die geringste Geschwindigkeit (fps) eines Projektils, welches das Testpanel durchdrang.
- Die "V&sub5;&sub0;"-ballistische Schutzgrenze ist definiert als die Projektilgeschwindigkeit (fps), für die die Durchdringungswahrscheinlichkeit 50% beträgt.
- Die erfindungsgemäße doppelharte Panzerplatte besitzt eindeutig eine verbesserte ballistische Abwehrfähigkeit. Die erfindungsgemäße doppelharte Panzerplatte übertrifft eine anwendbare Ballistikspezifikation um entweder eine größere Spanne oder entspricht der Spezifikation mit komfortablem Spielraum im Vergleich zu einem Standardmaterial, das entweder mit geringerem Spielraum durchgeht oder den Spezifikationserfordernissen nicht genügt.
- Wie die Daten von Tabelle II belegen, zeigte die erfindungsgemäße Stahlpanzerplatte bessere Ergebnisse bei dem V50- Test, welche die Ergebnisse der üblichen Platte um 150 feet pro s (46 km/s) überstiegen. Die erfindungsgemäße Platte zeigte auch bei den Hoch partial- und Niedrig-vollständig- Messungen um 120 fps (37 km/s) bzw. 172 fps (53 km/s) bessere Ergebnisse.
- Die Figur ist eine photograpische Darstellung der Rückseite der Testpanel K2237S und K2235-1 gemäß Tabelle II. Das Konzept, für eine Auftrefffläche zu sorgen, die für eine Ausbreitung der Projektilkraft über eine breitere Fläche über Einschlüsse und eine leichtere Rißfortpflanzung wurde belegt. Die getesteten Testpanel zeigten eine hervorragende Ballistik für die erfindungsgemäße Stahlkompositpanzerplatte (K2237S-4) und ausgeprägte Beulen auf der weicheren Rückseite im Vergleich zu den Beulen der üblichen doppelharten Panzerplatte. Die deutlicher ausgeprägten Beulen zeigen eindeutig, daß die Projektilkraft über die Auftrefffläche breiter verteilt war.
- Entsprechend der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wurden ein Verfahren zur Herstellung einer Stahlpanzerplatte verbesserter Eindringfestigkeit gegenüber Projektilen und eine verbesserte Stahlpanzerplatte geschaffen. Die neue Idee der Ausnutzung von Einschlüssen auf der Basis einer Erhöhung der Menge an Schwefel und/oder Sauerstoff im Stahl hat sich bestätigt.
- Obwohl an einer Stahlkompositpanzerplatte belegt, ist die vorliegende Erfindung auch auf eine homogene Panzerplatte, bei der der Einschlußgrad auf einer Oberfläche (der Auftrefffläche) der Platte, vorzugsweise innerhalb von etwa 3/4 bis 1/4 der Plattendicke nächst der einen Oberfläche, erhöht ist, anwendbar.
Claims (10)
1. Stahlpanzerplatte mit verbesserter Eindringfestigkeit
gegenüber Projektilen mit:
einer Vielzahl von Einschlüssen, die im wesentlichen
parallel zur Plattenoberfläche orientiert und in einem
Viertel bis zu drei Viertel der Plattendicke
konzentriert sind, wodurch sich ein Mechanismus zur
Verteilung der Kraft des Stoßes über eine weite Fläche
ergibt,
wobei die Einschlüsse von mindestens einem Element der
Stahlzusammensetzung in Gewichtsprozentanteilen,
ausgewählt aus der Gruppe Schwefel und Sauerstoff mit
Schwefel im Bereich von 0,015 Gew.-% bis 0,150 Gew.-% und
Sauerstoff im Bereich von 0,0025 Gew.-% bis 0,1000
Gew.-%, herrühren, und
ein höherer V&sub5;&sub0;-Schutz bei einer gegebenen Plattendicke
geliefert wird.
2. Panzerplatte nach Anspruch 1, wobei die
Plattenzusammensetzung des weiteren 0,1-1% Kohlenstoff, 0-6%
Nickel, 0-2% Molybdän, 0-3% Chrom, 0-2% Mangan, 0,1-1%
Silicium und zum Rest Eisen und restliche
Verunreinigungen umfaßt.
3. Panzerplatte mit einer ersten Panzerplattenschicht nach
einem der vorhergehenden Ansprüche und einer zweiten
Panzerplattenschicht, die zusammen eine Panzerplatte
mit Zweifachhärte bilden, wobei die zweite Schicht eine
geringere Härte als die erste Schicht aufweist.
4. Verbundpanzerplatte mit Zweifachhärte nach Anspruch 3,
wobei die erste Schicht beim Einsatz die Vorderseite
und die zweite Schicht die Rückseite bildet.
5. Panzerplatte nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei
der Schwefelgehalt im Bereich von 0,02% bis 0,8% und
der Sauerstoffgehalt in einem Bereich von 0,005% bis
0,05% liegen kann.
6. Verfahren zur Herstellung einer Stahlpanzerplatte mit
verbesserter Eindringfestigkeit gegenüber Projektilen
durch:
Schmelzen einer Stahllegierung, die in Gew.-% 0,2-0,8
Kohlenstoff, 2-4 Nickel, 0,1-0,6 Molybdän, 0,3-1, 2
Chrom, weniger als 1 Mangan, weniger als 0,5 Silicium,
zum Rest Eisen und restliche Verunreinigungen umfaßt,
Herstellen einer Panzerplatte aus dem Stahl mit im
wesentlichen parallel zur Plattenoberfläche orientierten
Einschlüssen, wobei die Einschlüsse von mindestens
einem Element der Stahlzusammensetzung (in Gew.-%),
ausgewählt aus der Gruppe Schwefel und Sauerstoff mit
Schwefel im Bereich von 0,015 Gew.-% bis 0,150 Gew.-%
und Sauerstoff im Bereich von 0,0025 Gew.-% bis 0,1000
Gew.-%, herrühren und die Stahlplatte einen höheren
V&sub5;&sub0;-Schutz bei einer gegebenen Plattendicke aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei dieses Verfahren die
Stufe Verbinden der Panzerplatte mit einer zweiten
Panzerplatte zur Ausbildung einer Panzerplatte in Form
einer Verbundplatte mit Zweifachhärte, bei der die
zweite Plattenschicht eine geringere Härte aufweist,
einschließt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, das die Konzentration der
Einschlüsse in etwa der Hälfte der Plattendicke umfaßt,
wodurch ein Mechanismus zur Verteilung der Kraft des
Stoßes über eine breitere Fläche geliefert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der
Schwefelgehalt im Bereich von 0,02% bis 0,8% und der
Sauerstoffgehalt im Bereich von 0,005% bis 0,05% liegen
können.
10. Panzerplatte, die nach einem Verfahren gemäß einem der
Ansprüche 6 bis 9 hergestellt wurde.
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