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PATENTANSPRÜCHE
1. Verwendung von martensitischen bis mindestens 500 mm Wanddicke durchvergütbaren Chromstahllegierungen mit einer Zusammensetzung von 0,01-0,25 Gew.% Kohlenstoff, 0,1-1,00 Gew.% Silizium, 0,10-1,00 Gew.% Mangan, 8,00-15,00 Gew.% Chrom, 2,00-6,00 Gew.% Nickel, 0,10-2,00 Gew.% Molybdän, unter 0,08 Gew.% Stickstoff, unter 0,010 Gew.% Phosphor, unter 0,005 Gew.% Schwefel,
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, zur Herstellung von Stahlerzeugnissen mit hoher ballistischer Schutzwirkung wobei der Deltaferritgehalt durch Einstellung des Verhältnisses zwischen den Chrom- und Nickeläquivalenten auf max.
5% begrenzt und deren Festigkeits-Zähigkeits-Verhältnis über die Höhe des Kohlenstoffgehaltes im Härtebereich von 300 bis 500 HB gesteuert wird und wobei die Stahlerzeugnisse einer Austenitisierungsbehandlung unterworfen werden.
2. Verwendung nach Anspruch 1, mit der Massgabe, dass sie 0,02-0,15 Gew.% Kohlenstoff, 0,1-0,8 Gew.% Silizium, 0,4-0,8 Gew.% Mangan, 9-13 Gew.% Chrom, 2,5-5,5 Gew.% Nickel, 0,4-0,6 Gew.% Molybdän, 0,008-0,027 Gew.% Stickstoff, unter 0,010 Gew.% Phosphor, unter 0,005 Gew.% Schwefel,
Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen aufweist.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Austenitisierungsbehandlung eine Anlassbehandlung bei 150-550"C vorgenommen wird.
4. Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlassbehandlung bei 400-450"C durchgeführt wird.
5. Verwendung nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur Herstellung von Panzerungen mit einer Wanddicke von 8 bis 500 mm, vorzugsweise von 20 bis 250 mm.
6. Verwendung nach den Ansprüchen 1 bis 5 zur Herstellung gegossener Erzeugnisse.
7. Verwendung nach den Ansprüchen 1, 5 oder 6, mit der Massgabe, dass sie mehr als 0,07 Gew.% Kohlenstoff aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von martensitischen Chromstahllegierungen zur Herstellung von Stahlerzeugnissen mit hoher ballistischer Schutzwirkung.
Zur Herstellung von Gegenständen, die gegen Beschuss durch KE und/oder HL-Geschosse ausreichende Widerstandsfähigkeit aufweisen müssen, werden üblicherweise niedriglegierte Vergütungsstähle verwendet, deren chemische Zusammensetzung in den folgenden Grenzen variieren: Kohlenstoffgehalte in den Grenzen zwischen 0,25 und 0,55 Gew.%, Siliziumgehaltzwischen 0,15 und 1,50 Gew.%, Mangangehalte zwischen 0,15 und 1,50 Gew.%, Chromgehalte zwischen 0 und 4,00 Gew.%, Nickelgehalte zwischen 0 und 4,00 Gew.%, Molybdängehalte zwischen 0,15 und 1,10 Gew.%, Stickstoffgehalte zwischen 0,005 und 0,023 Gew.%, Phosphorgehalte unter 0,010 Gew.%, Schwefelgehalte unter 0,005 Gew.%, Aluminiumgehalte zwischen 0,010 und 0,040 Gew.%, Vanadingehalte zwischen 0 und 0,40 Gew.%.
Diese Stähle werden im warmverformten Zustand, vorzugsweise als Panzerbleche, aber auch, mindestens teilweise, im gegossenen Zustand verwendet.
Es ist bekannt, dass insbesondere bei Panzerblechen hochharte Gegenstände mit höchstem ballistischen Schutz nur bis zu begrenzten Wanddicken hergestellt werden können.
Die Ursache liegt bei der Durchvergütbarkeit der Legierungen; bei den hohen Härtestufen können nur ausreichende Zähigkeitswerte gefunden werden, wenn das Sekundär- oder Warmbehandlungsgefüge 100%mg in die Martensit- oder untere Bainitstufe umwandelt. Dieser Nachteil kann durch Entwicklung ausscheidungshärtbarer oder lufthärtender Legierungen umgangen werden.
Aus der DE-AS 2453 109 ist z.B. eine ausscheidungshärtende Stahllegierung für gegen Handfeuerwaffen beschusssichere Gegenstände bekannt mit folgender Zusammensetzung: 0,01-0,15 Gew.% Kohlenstoff, 0,10 bis 2,00 Gew.% Mangan, 0,10 bis 2,00 Gew.% Silizium, 12,00 bis 21,00 Gew.% Chrom, 2,00 bis 15,00 Gew.% Nickel, 0,10 bis 5,50 Gew.% Kupfer, 0 bis 2,00 Gew.% Aluminium, 0 bis 3,50 Gew.% Molybdän, 0 bis 0,80 Gew.% Niob/Tantal, 0 bis 0,25 Gew.% Stickstoff, Rest Eisen. Diese Stähle werden nach einer Lösungsglühbehandlung bei ca. 1030 bis 1050 C einem Ausscheidungsglühen bei 610 bis 630"C unterzogen.
Dadurch werden die Stähle auf eine Festigkeit von ca. 100 bis 125 kp/mm2 gebracht, womit die Beschusssicherheit gegenüber Faustfeuerwaffen und bei entsprechender Blechstärke auch gegenüber Flintenlaufgeschossen gegeben ist.
Als Nachteil dieser Legierungsart sind aber die hohen Kosten sowie die durch das Kupfer erschwerte Verarbeitbarkeit zu erwähnen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die genannten Nachteile zu eliminieren und eine Legierung vorzuschlagen, die eine besondere ballistische Schutzwirkung gegen energiereiche Waffeneinwirkung gewährleistet.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die Verwendung von vorwiegend martensitischen Chromstahllegierungen gemäss der Lehre des Anspruches 1 gelöst.
Lufthärtende martensitische Chromstähle vom Typ G-X5 CrNi 13 4 sind bisher vorwiegend im Festigkeitsbereich 700 bis 800 N/mm2, so z.B. für Laufräder im Wasserturbinensektor verwendet worden. Schon im Anfangsstadium der Entwicklung wurde diese Stahlsorte jedoch für höchstbeanspruchte gegossene Kompressorenräder oder für gegossene hochharte Labyrinthringe bis zu Festigkeitsstufen von 1000 N/mm2 mit gutem Erfolg eingesetzt. Trotz der hohen Festigkeit weisen diese Stähle auch bei Wanddicken über 100 mm noch Werte für die Kerbschlagarbeit über 100 J auf.
Eine weitere Festigkeitssteigerung bei dieser Stahllegierung G-X5 CrNi 134 mit der nominellen Zusammensetzung (DIN-Werkstoff-Nr. 1.4313) C - 0,07 Si - 1,0 Mn - 1,0 Cr 12,0-13,5 Mo - 0,70 Ni 3,5-5,0 ist über eine nochmalige Senkung der Anlasstemperatur nicht mehr möglich, da einerseits die Einlasswirkung bei 350"C gering ist und andererseits der Entspannungseffekt nicht mehr ausreichend wäre. Es ist deshalb erforderlich, den Kohlenstoffgehalt anzuheben, wobei sich geringe Anpassungen
bei einigen Legierungselementen vorteilhaft auswirken können.
Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass die Überlegenheit der niedriggekohlten martensitischen Chromstähle hinsichtlich der Relation Festigkeit-Zähigkeit im Vergleich zu konventionellen Panzerstählen auch bei erhöhten Kohlenstoffgehalten erhalten bleibt. Dies geht deutlich aus der in der Figur dargestellten Graphik hervor.
Diese Graphik zeigt die Abhängigkeit der Kerbschlagarbeit ISO-V von der Brinellhärte für einen typischen NiCrMo Vergütungsstahlguss, wie er für ballistische Schutzfunktionen verwendet wird. Zusätzlich sind die Werte für den martensitischen Chromstahlguss eingetragen und für die Kohlenstoffstufe 0,03% mit 1 und für 0,13% mit 2 bezeichnet. Es ist deutlich erkennbar, dass der Vorteil dieser Stahllegierung auch bei 0,13% Kohlenstoff erhalten bleibt. Diese Resultate sind repräsentativ für Plattendicken von 20 bis 80 mm.
Es ist bekannt, dass die Daten des Zug- und Kerbschlagversuches keine direkte Folgerung in bezug auf die ballistischen Eigenschaften zulassen. Überraschenderweise hat sich nun herausgestellt, dass das ballistische Verhalten dieser Stahllegierung bei beiden Kohlenstoffstufen demjenigen des konventionellen Panzerwerkstoffes überlegen ist.
Diese Ergebnisse werden erzielt, wenn der Deltaferritgehalt, durch Kontrolle des Verhältnisses zwischen den Chromund Nickeläquivalenten, unter 5%, vorzugsweise unter 1% gehalten wird, und wenn der Gehalt an Spurenelementen und an Stickstoff vorzugsweise möglichst niedrig ist (z.B. Phosphor- 0,01% und Schwefelgehalt unter 0,005%, Stickstoff unter 150 ppm).
Es ist auch bekannt, dass im modernen Panzerschutzje nach beabsichtigtem ballistischen Widerstand Stähle unterschiedlicher Härte eingesetzt werden. Beim erfindungsgemässen Werkstoff wird dies leicht durch eine gezielte Variation des Kohlenstoffgehaltes und leichte Anpassung sowohl der chemischen Zusammensetzung als auch der Anlasstemperatur erreicht. Dabei ist festzuhalten, dass diese Variation dank der hohen Durchvergütbarkeit ohne Einschränkung bis zu Wanddicken von 100 mm erfolgen kann.
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PATENT CLAIMS
1. Use of martensitic up to at least 500 mm wall thickness through temperable chrome steel alloys with a composition of 0.01-0.25% by weight carbon, 0.1-1.00% by weight silicon, 0.10-1.00% by weight Manganese, 8.00-15.00% by weight chromium, 2.00-6.00% by weight nickel, 0.10-2.00% by weight molybdenum, below 0.08% by weight nitrogen, below 0.010% by weight % Phosphorus, below 0.005% by weight sulfur,
Remainder iron and melting-related impurities, for the production of steel products with a high ballistic protective effect. The delta ferrite content by adjusting the ratio between the chromium and nickel equivalents to max.
5% and their strength-toughness ratio is controlled via the amount of carbon content in the hardness range from 300 to 500 HB and the steel products are subjected to an austenitizing treatment.
2. Use according to claim 1, with the proviso that it contains 0.02-0.15% by weight of carbon, 0.1-0.8% by weight of silicon, 0.4-0.8% by weight of manganese, 9 -13% by weight chromium, 2.5-5.5% by weight nickel, 0.4-0.6% by weight molybdenum, 0.008-0.027% by weight nitrogen, below 0.010% by weight phosphorus, below 0.005% by weight % Sulfur,
Remainder iron with impurities due to melting.
3. Use according to claim 1 or 2, characterized in that a tempering treatment is carried out at 150-550 "C after the austenitization treatment.
4. Use according to claim 3, characterized in that the tempering treatment is carried out at 400-450 "C.
5. Use according to claims 1 to 4 for the production of armor with a wall thickness of 8 to 500 mm, preferably from 20 to 250 mm.
6. Use according to claims 1 to 5 for the production of cast products.
7. Use according to claims 1, 5 or 6, with the proviso that it has more than 0.07% by weight of carbon.
The present invention relates to the use of martensitic chromium steel alloys for the production of steel products with a high ballistic protective effect.
Low-alloy tempering steels whose chemical composition varies within the following limits are usually used for the production of objects which must have sufficient resistance to fire from KE and / or HL projectiles, the chemical composition of which varies between: 0.25 and 0.55% by weight. %, Silicon content between 0.15 and 1.50% by weight, manganese contents between 0.15 and 1.50% by weight, chromium contents between 0 and 4.00% by weight, nickel contents between 0 and 4.00% by weight, molybdenum contents between 0.15 and 1.10% by weight, nitrogen contents between 0.005 and 0.023% by weight, phosphorus contents below 0.010% by weight, sulfur contents below 0.005% by weight, aluminum contents between 0.010 and 0.040% by weight, vanadium contents between 0 and 0, 40% by weight.
These steels are used in the hot-formed state, preferably as armor plates, but also, at least partially, in the cast state.
It is known that, particularly in the case of armored sheet metal, extremely hard objects with the highest ballistic protection can only be produced up to limited wall thicknesses.
The reason lies in the fact that the alloys can be tempered; With the high hardness levels, sufficient toughness values can only be found if the secondary or heat treatment structure converts 100% mg into the martensite or lower bainite level. This disadvantage can be avoided by developing precipitation-hardenable or air-hardening alloys.
From DE-AS 2453 109 e.g. a precipitation-hardening steel alloy for objects protected against handguns with the following composition: 0.01-0.15% by weight carbon, 0.10 to 2.00% by weight manganese, 0.10 to 2.00% by weight silicon, 12 , 00 to 21.00% by weight of chromium, 2.00 to 15.00% by weight of nickel, 0.10 to 5.50% by weight of copper, 0 to 2.00% by weight of aluminum, 0 to 3.50 % By weight molybdenum, 0 to 0.80% by weight niobium / tantalum, 0 to 0.25% by weight nitrogen, balance iron. After a solution heat treatment at approx. 1030 to 1050 C, these steels are subjected to a precipitation annealing at 610 to 630 "C.
As a result, the steels are brought to a strength of approx. 100 to 125 kp / mm2, which means that they are bulletproof against handguns and, with the appropriate sheet thickness, also against shotgun barrels.
A disadvantage of this type of alloy, however, is the high cost and the difficulty in processing the copper.
It is an object of the invention to eliminate the disadvantages mentioned and to propose an alloy which ensures a special ballistic protective action against high-energy weapon action.
According to the invention, this object is achieved by using predominantly martensitic chromium steel alloys in accordance with the teaching of claim 1.
Air-hardening martensitic chrome steels of the type G-X5 CrNi 13 4 have so far mainly been in the strength range 700 to 800 N / mm2, e.g. for impellers in the water turbine sector. From the early stages of development, however, this steel grade was used with great success for highly stressed cast compressor wheels or for cast high-hard labyrinth rings up to strength levels of 1000 N / mm2. Despite their high strength, these steels still have notch impact energy values of over 100 J even with wall thicknesses over 100 mm.
Another increase in strength for this steel alloy G-X5 CrNi 134 with the nominal composition (DIN material no. 1.4313) C - 0.07 Si - 1.0 Mn - 1.0 Cr 12.0-13.5 Mo - 0 , 70 Ni 3.5-5.0 is no longer possible by lowering the tempering temperature again, because on the one hand the inlet effect is low at 350 "C and on the other hand the relaxation effect would no longer be sufficient. It is therefore necessary to increase the carbon content, whereby themselves little adjustments
can be beneficial for some alloying elements.
Surprisingly, it has now been shown that the superiority of the low-carbon martensitic chrome steels in relation to strength-toughness compared to conventional armored steels is retained even with increased carbon contents. This is clear from the graphic shown in the figure.
This graph shows the dependency of the impact energy ISO-V on the Brinell hardness for a typical NiCrMo tempered steel castings, as used for ballistic protection functions. In addition, the values for the martensitic chrome steel casting are entered and for the carbon level 0.03% with 1 and for 0.13% with 2. It can be clearly seen that the advantage of this steel alloy is retained even with 0.13% carbon. These results are representative of plate thicknesses from 20 to 80 mm.
It is known that the data from the tensile and notch impact test do not allow any direct inference with regard to the ballistic properties. Surprisingly, it has now been found that the ballistic behavior of this steel alloy at both carbon levels is superior to that of the conventional armor material.
These results are achieved if the delta ferrite content is kept below 5%, preferably below 1%, by checking the ratio between the chromium and nickel equivalents, and if the content of trace elements and nitrogen is preferably as low as possible (eg phosphorus-0.01% and sulfur content below 0.005%, nitrogen below 150 ppm).
It is also known that modern armor protection uses steels of different hardness depending on the intended ballistic resistance. In the material according to the invention, this is easily achieved by specifically varying the carbon content and slightly adapting both the chemical composition and the tempering temperature. It should be noted that thanks to the high through-hardenability, this variation can be carried out without restrictions up to wall thicknesses of 100 mm.