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Die Erfindung betrifft die Verwendung einer per se bekannten Stahllegierung als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung.
Eine ballistische Schutzwirkung von Gegenständen, insbesondere von solchen aus flächigem Material, ist im allgemeinen gekennzeichnet durch deren Sicherheit gegen einen Durchschlag von Projektilen und von Splittern bei energiereicher Waffeneinw ! rkung, wobei In steigendem Masse eine hohe Schutzwirkung und gleichzeitig ein verringertes Gewicht des Gegenstandes oder Teiles bei verbesserter Wirtschaftlichkeit der Bereitstellung gefordert sind.
Es soll eingangs die anerkannte Fachmeinung festgehalten werden, dass die üblichen mechanischen Messdaten aus einem Zug- und Kerbschlagversuch keine direkte Folgerung in Bezug auf die Eigenschaften eines Werkstoffes bei ballistischer Beanspruchung zulassen. Vielfach werden dennoch die Härte, die Schlagzähigkeit und die Festigkeit des Materials dafür herangezogen, um wenigstens einen Anhalt fur einen Eindringwiderstand eines Teiles zu erhalten. Letztendlich kennzeichnen jedoch die "gehaltenden Schüsse" eines Blechteiles dessen ballistische Schutzwirkung.
Wird nun näherungsweise angesetzt, dass sich die Festigkeit, Härte und Zähigkeit nicht mit der Geschwindigkeit der Beanspruchung ändern, so kann davon ausgegangen werden, dass der Werkstoff der Schutzteile höchste Härte und grösste Zähigkeit aufweisen muss, um einer Zerstörung bei ballistischer Beaufschlagung standzuhalten und eine brechende Wirkung auf Projektile auszuüben.
Nun sind für Stähle und Legierungen diese Eigenschaften im Hinblick auf deren gleichzeitige Maximierung entgegengerichtet, so dass neben einer allgemeinen Verbesserung derselben eine Ausgewogenheit von Zähigkeit und Festigkeit des Matenals, insbesondere nach einer thermischen Vergütung beanspruchungsgemäss gefordert ist.
Je nach gewünschtem Eigenschaftsprofil wurden für Erzeugnisse mit ballistischer Schutzwirkung Kohlenstoffstähle, niedrig und mittellegierte Stähle, hochlegierte Stähle und ausscheidungshärtbare Legierungen mit gegebenenfalls einem Eisenanteil von unter 55 Gew.-% vorgeschlagen und vielfach eine Verbundbauweise und/oder eine Hartschicht an der Aussenoberfläche des Schutzteiles als vorteilhaft erkannt.
Die EP 180805 A 1 offenbart beispielsweise einen Stahlhelm aus einem niedrig legierten Borstahl, wobei der Stahlhelm nach dem Vergüten sandgestrahlt wird.
Aus der EP 1052296 A2 ist ein Panzerblech mit Vergütungsgefüge bekannt, welches eine Streckgrenze von > 1100 N/mm2 sowie eine Härte von > 400 HB besitzt und bei einem Kohlen- stoffgeha ! t in Gew.-% von 0, 15 bis 0, 20 im wesentlichen 1 bis 2 Gew.-% Cr, 0, 2 bis 0, 70 Gew.-% Mo, 1, 0 bis 2, 50 Gew.-% Ni, 0, 05 bis 0, 25 Gew.-% V, Rest Eisen aufweist.
Ein Verfahren zur Herstellung von dicken Panzerblechen ist aus der EP 580062 A 1 bekannt geworden, bei welchem obige, im Kohlenstoff- und Nickelgehalt erhöhte Legierung in Brammenform vorerst auf eine Temperatur von über 1150 C erwärmt, verstärkt abkühlen gelassen und im Bereich von 1050 bis 900 C mit jeweils hohem Umformgrad auf die Enddicke gewalzt wird.
In der EP 731332 B 1 ist eine Stahlpanzerplatte mit verbesserter Eindringfestigkeit gegenüber Projektilen beschrieben, welche eine Vielzahl von Einschlussen, die im wesentlichen parallel zur Plattenoberfläche orientiert und in einem Viertel bis zu drei Viertel der Plattendicke konzentriert sind, aufweist.
Ein Panzerblech mit einem Grundwerkstoff aus zähem Stahl, auf welchem durch Plattieren wenigstens eine harte, dem Beschuss zugewendete Stahlauflage bestehend aus 0, 60 bis
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0 Gew.-%2, 0 Gew.-% Chrom, 0, 05 bis 1, 0 Gew. -% Molybdän, 0, 05 bis 0, 35 Gew.-% Vanadin, Rest Eisen und Stahlbegleiter aufgebracht ist, offenbart die EP 247020 B1. Zwischen dem Grundwerkstoff und der Auflage ist dabei eine Zwischenlage aus Reinnickel oder Reineisen mit einer Dicke zwischen 0, 1 und 15% der Gesamtblechdicke angeordnet, welche durch Walzplattieren mit dem Grundwerkstoff und der Auflage verbunden ist.
Die Zwischenlage erleichtert nicht nur das Plattieren des Grundwerkstoffes sondern verhindert auch ein Abplatzen des Auflagewerkstoffes, der zwar auf eine Härte von 55 bis 60 HRC vergütbar ist, jedoch dadurch offenbar geringe Zähigkeit aufweist.
Neben obigen niedrig und mitteilegierten Vergütungsstählen wurden auch hochlegierte Chromstahllegierungen (CH 648354 A5) und ausscheidungs-bzw. martensitaushärtende Stähle (AT 336659 B, DE 19921961 C1, EP 1008659 A1) als Einzelteil oder in Verbundbauweise mit gegebenenfalls einer harten Aussenschicht für einen ballistischen Schutz vorgeschlagen. Derartige Stähle mit hohem Legierungsanteil bis 50 % sind zwar als Werkstoff für Komponenten mit hoch-
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wirksamem ballistischen Schutz vorteilhaft einsetzbar, haben jedoch andererseits den Nachteil hoher Kosten.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, einen Werkstoff anzugeben, aus welchem Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung bei geringem Gewicht, wirtschaftlich in einfacher Weise herstellbar sind. Diese Erzeugnisse oder Teile sollen eine hohe geschossoder flugteilbrechende Wirkung besitzen, aus einer Eisenbasislegierung bestehen, durch eine Wärmebehandlung bzw. thermische Vergütung einstellbare Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften haben, wobei beide Eigenschaftsmerkmale maximiert sind. Werkstofftechnisch soll eine Verbundfertigung bzw. eine Mehrschichtteilherstellung und eine Oberflächenhärtung möglich und eine Schweissbarkeit gegeben sein.
Dieses Ziel wird erreicht bei einer Verwendung einer Legierung enthaltend in Gew.-%
Kohlenstoff (C) 0, 3 bis 0, 6
Silizium (Si) 0, 08 bis 0, 59
Mangan (Mn) 0, 1 bis 0, 6
Chrom (Cr) 0, 9 bis 1, 5
Nickel (Ni) 2, 4 bis 5, 5
Eisen (Fe) sowie Begleitelemente und Verunreinigungen als Rest, mit der legierungstechnischen Massgabe, dass der Wert für den Gehalt an Phosphor (P) plus Schwefel (S) weniger als 0, 025 beträgt,
P+S < 0, 025 Gew.-% die Konzentration von Molybdän (Mo) unter 0, 34 und jene von Wolfram (W) unter 0, 29 liegen, wobei der Summenwert von Molybdän plus Wolfram gebrochen durch zwei 0, 38 nicht übersteigt.
Mo < 0, 28 Gew.-%
W < 0, 29 Gew.-%
Mo + < 0, 38 Gew.-% und die Summe der korngrenzenwirksamen Verunreinigungselemente Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Zinn (Sn), Zink (Sn) und Bor (B) kleiner ist als 0, 011 AS + Sb + Bi + Sn + Zn + B < 0, 011 Gew.-% als Werkstoff für eingangs genannte Erzeugnisse.
Die gemäss der Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass einerseits durch die Wahl der Legierungselemente und deren jeweilige Konzentration eine mittels einer thermischen Vergütung erstellte gewünscht hohe Materialfestigkeit erreichbar ist. Eine hohe Zähigkeit des Werkstoffes andererseits kann, wie gefunden wurde, dabei mittels dreier weiterer legie- rungstechnischer Massnahmen erzielt werden. Durch eine Begrenzung des Summengehaltes von Schwefel und Phosphor nach oben, welche Elemente bezüglich einer Einschlussbildung und Versprödung, verursacht durch Korngrenzenbelegungen, in Wechselwirkung stehen können, wird zumindest die Voraussetzung hoher Zähigkeit des Werkstoffes geschaffen.
Die Elemente Molybdän und Wolfram einzeln und in Kombination, welche an sich festigkeitssteigernd in Legierungen wirksam sein können, besitzen jedoch die Tendenz einer versprödenden Korngrenzenanreicherung im Material, so dass eine oben angeführte Limitierung des Gehaltes sich zähigkeitsfördernd auswirkt. Es wurde weiters gefunden, dass die Verunreinigungselemente As, Sb, Bi, Zn und B schon in geringen Konzentrationen einen Steilabfall der Materialzähigkeit verursachen, wenn es zu schlagartig wirksamen hohen mechanischen Belastungen des Werkstoffes, wie beispielsweise bei einem Beschuss eines daraus gefertigten Teiles kommt, woraus die erfindungsgemässe Festlegung des höchsten Summengehaltes resultiert.
Wie auch eingangs erwähnt, können sich die mit Werkstoffuntersuchungen ermittelten mechanischen Materialeigenschaften bei energiereicher Waffeneinwirkung wesentlich ändern, so dass streng genommen, nur durch einen Beschusstest ein Eindringwiderstand von Geschossen oder Splittern sowie ein Rissbildungsverhalten von Schutzteilen bewertet werden kann.
Erfindungsgemäss hat die in den Ansprüchen gekennzeichnete Legierung als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung nicht nur der diesbezüglich verbesserten Eigenschaften wegen, sondern auch aus wirtschaftlichen Gründen besondere Vorteile, weil der Anteil an Legierungselementen im Stahl unter 8, 8 Gew. -% liegt, eine verzugsarme thermische Vergütung durchführbar ist und eine ausreichende Schweissbarkeit des Materials für eine Komponentenfertigung, beispielsweise für eine Limousinenpanzerung, vorliegt.
Bei einer Weiterentwicklung der Legierung, wobei ein oder mehrere Element (e) derselben die
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Konzentration (en) in Gew.-% aufweist (aufweisen) :
C 0, 30 bis 0, 54, vorzugsweise 0, 41 bis 0, 49
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Mn 0, 18 bis 0, 49, vorzugsweise 0, 25 bis 0, 38
Cr 1, 15 bis 1, 4
Ni 2, 9 bis 4, 9, vorzugsweise 2, 56 bis 3, 9 zur Verwendung als Werkstoff für die vorgenannten Erzeugnisse konnen von diesen verbesserte Eigenschaften Im Beschusstest erreicht werden An dieser Stelle ist auch anzumerken, dass eine weitere Steigerung des Eigenschaftsnivaus durch ein Senken des Schwefelgehaltes auf unter 0, 005 Gew. -% erzielt wird.
Die erfindungsgemäss erreichten vorteilhaften Werkstoffeigenschaften sind zunehmend bei einem Beschuss markant ausgeprägt, wenn die Teile auf höhere Festigkeitswerte von über 1900 N/mm2 vergütet sind. Dies ist auch dadurch begründet, dass ein engerer Bereich der Konzentration eines jeweiligen Legierungselementes In Wechselwirkung mit den übrigen Bestandteilen der Legierung die Umwandlung und die Ausbildung des Gefüges des Werkstoffes bei der thermischen Vergütung günstig beeinflusst, wobei die Härteannahme und das Anlassverhalten verbessert werden und derart eine weitgehende Isotropie mit niedrigen Eigenspannungen entsteht.
Herstellungstechnische Massgaben den Werkstoff betreffend, nämlich dass die Legierung pfannenmetallurgisch und/oder vakuumbehandelt und/oder vakuumer- oder umgeschmolzen, gegebenenfalls unter Druck, elektroschlackeumgeschmolzen oder pulvermetallurgisch hergestellt ist, wirken sich einzeln und In Kombination verbessernd auf den ballistischen Schutz durch daraus gefertigte Teile aus, weil durch diese Massgaben die Isotropie des Materials, auch die Mikroseigerungen betreffend, gefördert wird. Derart kann auch bel einer Vergütung zu höheren Festigkeiten des Werkstoffes eine Steigerung der Materialzähigkeit in alle Richtungen erfolgen und der Widerstand gegen Durchschlag von Projektilen angehoben werden.
Wenn der Werkstoff mit der vergütungstechnischen Massgabe, dass dieser eine Festigkeit von grösser als 1800 N/mm2, vorzugsweise grösser als 2000 N/mm2, insbesondere über 2100, N/mm2 bei einer Zähigkeit bei Raumtemperatur von grösser SEB 150 J, vorzugsweise von grösser als 185 J, insbesondere über 245 J, gemessen nach (Stahl E ! sen Prüfbiatt) SEP 1314 besitzt, sind daraus Erzeugnisse bzw. Schutzkomponenten mit höchstem Durchschlagwiderstand erstellbar.
Anhand von Beispielen und mittels Fig. 1 soll die Erfindung näher erklärt werden, wobei Flg. 1 die Prozentzahl von gehaltenen Schüssen in Abhängigkeit von der Blechmaterialdicke zeigt.
Beispiel 1 :
Aus einem Brammenblock aus einem vakuumbehandelten Stahl mit einer Zusammensetzung
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gewalzt, welches Walzgut nach Anwendung unterschiedlicher Vergütetechnologien mechanisch erprobt wurde. Die Ergebnisse der Erprobungen sind in Tab. 1 zusammengestellt.
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<tb>
<tb> Probe <SEP> Nr. <SEP> Härtetemp. <SEP> Anlassen <SEP> Anzahl <SEP> Rm <SEP> Rpo.
<SEP> z <SEP> A <SEP> Kerbsch <SEP> ! <SEP> ag <SEP> Härte <SEP>
<tb> C <SEP> CN/mm <SEP> N/mm <SEP> % <SEP> JMW <SEP> HRC <SEP>
<tb> A <SEP> 840 <SEP> 120 <SEP> 1 <SEP> 2229 <SEP> 1207 <SEP> 6, <SEP> 1 <SEP> 225 <SEP> 245 <SEP> 226 <SEP> 232 <SEP> 55, <SEP> 5 <SEP>
<tb> B <SEP> 870 <SEP> 120 <SEP> 1 <SEP> 2227 <SEP> 1133 <SEP> 8, <SEP> 6 <SEP> 220 <SEP> 245 <SEP> 216 <SEP> 227 <SEP> 56
<tb> C <SEP> 840 <SEP> 120 <SEP> 1 <SEP> 2282 <SEP> 1306 <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP> 95 <SEP> 233 <SEP> 173 <SEP> 167 <SEP> 57
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Tab. 1
Beim Beschusstest wurde gefunden, dass das Blech mit der Probenbezeichnung A ein Schusshaltevermögen von 95 aufwies, hingegen ein gleich dickes vergütetes Blech aus Kohlenstoffstahl nur 56 von 100 Schussbeaufschlagungen standhielt.
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:
0, 004 (As+Sb+Bi+Sn+Zn+B), der anschliessend elektroschlackeumgeschmolzen wurde, mit einer Dicke von 7, 5 mm gefertigt und auf eine Härte von 57 HRC vergütet worden war, erbrachte bei einer Härtetemperatur von 8800C und Luftabkühlung nach einem Anlassen bei 200 C eine Streckgrenze des Materiales von Rm= 2265 N/mm2 bei einer Kerbschlagarbeit von im Mittel 202 J. Beim Beschusstest Im Vergleich mit vergütetem Kohlenstoffstahl bei sonst gleichen Bedingungen wurde eine um 68, 7% höhere Anzahl von gehaltenen Schüssen registriert.
In einer der weiteren Erprobungen erfolgte ein Vergleich von erfindungsgemässen Blechen und solchen aus jeweils auf höchste Werte vergütetem Kohlenstoffstahl und martensitaushärtendem Stahl mittels Beschusstestes. In Fig. 1 ist der Prozentsatz an gehaltenen Schüssen in Abhängigkeit von der Bleckdicke dargestellt. Ab einer Blechdicke von 5 mm bis zu einer solchen von 10 mm sind anteilsmässig die von martensitaushärtbarem Stahl und die vom erfindungsgemässem Stahl gehaltenen Schüsse im wesentlichen gleich mit geringen Vorteilen des erfindungsgemässen Werkstoffes im Bereich über einer Blechdicke von 6 mm.
Als kennzeichnend stellt sich also dar, dass die Verwendung eines erfindungsgemässen Werkstoffes einerseits gegenüber einem solchen aus Kohlenstoffstahl bei gleichen Erzeugnisformen und Beanspruchungskriterien eine deutlich höhere ballistische Schutzwirkung besitzt und andererseits gegenüber einem martensitaushärtbaren Stahl einen wesentlich geringeren Anteil an Legierungselementen aufweist und dadurch in der Erstellung wirtschaftliche Vorteile hat.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verwendung einer per se bekannten Legierung enthaltend in Gew.-% Kohlenstoff (C) 0, 3 bis 0, 6
Silizium (Si) 0, 08 bis 0, 59
Mangan (Mn) 0, 1 bis 0, 6
Chrom (Cr) 0, 9 bis 1, 5
Nickel (Ni) 2, 4 bis 5, 5
Eisen (Fe) sowie Begleitelemente und Verunreinigungen als Rest, mit der legierungstech- nischen Massgabe, dass der Wert für den Gehalt an Phosphor (P) plus Schwefel (S) weni- ger als 0, 025 beträgt
P+S < 0, 025 Gew.-% die Konzentration von Molybdän (Mo) unter 0, 34 und jene von Wolfram (W) unter 0, 29 lie- gen, wobei der Summenwert von Molybdän plus Wolfram gebrochen durch zwei 0, 38 nicht übersteigt
Mo < 0, 28 Gew.-%
W < 0, 29 Gew.-%
Mo + VV < 0, 38 Gew.-%
2 und die Summe der korngenzenwirksamen Verunreinigungselemente Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Zinn (Sn), Zink (Zn) und Bor (B)
kleiner ist als 0, 011 As + Sb + Bi + Sn +Zn+ B < 0, 011 Gew.-% als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung.