CN105088090A - 一种抗拉强度2000MPa级的防弹钢板及其制造方法 - Google Patents

一种抗拉强度2000MPa级的防弹钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗拉强度2000MPa级且布氏硬度600级的防弹钢板，其化学元素质量百分配比为：C：0.35～0.45％；Si：0.80～1.60％；Mn：0.3～1.0％；Al：0.02～0.06％；Ni：0.3～1.2％；Cr：0.30～1.00％；Mo：0.20～0.80％；Cu：0.20～0.60％；Ti：0.01～0.05％；B：0.001～0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。相应地，本发明还提供了上述防弹钢板的制造方法。本发明所述的防弹钢板的抗拉强度可以达到2000MPa级，同时布氏硬度可以达到600级。

Description

一种抗拉强度2000MPa级的防弹钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢材料及其制造方法，尤其涉及一种防弹钢板及其制造方法。
背景技术
随着国内外反恐形势严峻，对于具有防弹性能的装甲车辆的需求逐年增加。另外，对于更高防弹级别要求的装甲钢板需求也随之增加。除此之外，在日常生活中，有些钢板还需要被制造成具有防弹、防射击功能的防弹门，防弹头盔，防弹衣，防弹盾牌，或者用于制成银行柜台，机要保险柜，防暴车，防弹运钞车，潜艇，登陆艇，缉私艇，直升机等装置的防弹部件。
公开号为CN101270439A，公开日为2008年9月24日，名称为“一种高强度热轧防弹钢板及其制造方法”的中国专利文献公开了高强度热轧防弹钢板及制造方法。该高强度热轧防弹钢板的制造方法包括步骤如下：钢坯经1150-1250℃加热后轧制，轧制变形量大于80％，终轧温度830-900℃，终轧后钢板以20℃/S以上冷却速度冷到460-560℃卷取，再空冷至室温。通过该制造方法来获得的防弹钢板的成分为：C：0.15-0.22％，Si：0.2-0.6％，Mn：1.6-2.2％；P≤0.035％，S≤0.01％，Al：0.020-0.06％，N≤0.006％，Ti：0.025-0.15％，Cu＜0.3％，Nb≤0.055％和/或V≤0.15％或Cr＜0.3％，Mo＜0.3％，Ni＜0.2％，Ca＜0.0050％，B＜0.0025％中一种或几种，其余为Fe和不可避免的杂质。该防弹钢板的板厚不大于3mm，并且抗拉强度相对不高。
公开号为CN102181795A，公开日为2011年9月14日，名称为“一种超高强度防弹钢板及其制造工艺”的中国专利文献公开了一种超高强度防弹钢板及其制造成形工艺。该超高强度防弹钢板中的各化学元素(wt.％)为：C：0.30-0.5，Si：0.40-0.60，Mn：1.50-1.80，P≤0.025，S≤0.01，Cr+Ni+Mo≤2.5，Nb+V+Ti+B≤0.20，其余是Fe。该超高强度防弹钢板采用了低合金成分设计，经1180～1250℃加热，1000～1150℃开轧，850～900℃终轧，900～950℃热处理，并采用了通水冷却的热冲压成型工艺，水流入模子中的压力7～8bar，出口压力5.5～7bar，水流速度1.5～3m/s，获得了满足各项性能要求且板型平整度好、表面无氧化皮、厚度在2.2mm的B级超高强度轻量化防弹钢板和3.7mm的C级超高强度轻量化防弹钢板。该专利文献所公开的防弹钢板中不含有Cu元素，并且该防弹钢板的厚度在3mm以下。
公开号为CN103993235A，公开日为2014年8月20日，名称为“一种高强度热轧防弹钢板的制造方法”的中国专利文献公开了一种生产高强度热轧防弹钢板的制造方法。该高强度热轧防弹钢板的制造方法包括如下步骤：1)按成分冶炼浇铸得到成分合格的连铸坯,将连铸坯送入加热炉进行加热；2)将连加热后的铸坯进行热轧；3)将热轧后的连铸坯进行冷却；4)将冷却后的连铸坯进行卷取得到热轧板；5)将热轧板进行热处理得到防弹钢板。通过该制造方法获得的防弹钢板中的各化学元素为：C：0.08-0.12％，Si：0.7-1.3％，Mn：1.30-1.8％，Al：0.01-0.06％，P≤0.02％，S≤0.004％，N≤0.004％，O≤0.015％，Gr：0.3～1.0％，Ti+Nb≤0.2％，B：0.0015-0.0025％，其余为Fe和不可避免的杂质。由该专利文献所记载的防弹钢板的厚度不超过3mm，同时该防弹钢板经过淬火+回火处理后的布氏硬度仅达到500级左右。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗拉强度2000MPa级且布氏硬度600级的防弹钢板具有较高的抗拉强度和布氏硬度。另外，该防弹钢板还具备良好的耐大气腐蚀性能。
为了实现上述目的，本发明提出了一种抗拉强度2000MPa级且布氏硬度600级的防弹钢板，其化学元素质量百分配比为：
C：0.35～0.45％；
Si：0.80～1.60％；
Mn：0.3～1.0％；
Al：0.02～0.06％；
Ni：0.3～1.2％；
Cr：0.30～1.00％；
Mo：0.20～0.80％；
Cu：0.20～0.60％；
Ti：0.01～0.05％；
B：0.001～0.003％；
余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述的抗拉强度2000MPa级且布氏硬度600级的防弹钢板中的各化学元素的设计原理为：
碳：C在钢中起到固溶强化的作用，它对提升钢的强度的贡献最大，并且C也是成本最低的强化元素。为了达到一定的硬度级别，钢中需要含有较高含量的C。然而，C含量太高的话，对钢板的焊接性能和韧性均不利。考虑到钢板的强韧性匹配性，本发明所述的防弹钢板中的C含量应控制为0.35-0.45％。
硅：Si是脱氧元素。另外，Si还能够溶于铁素体，从而起到固溶强化的作用，进而显著地提高钢板的强度和硬度。Si所起到的固溶强化的作用仅次于碳、氮、磷，而超过其他合金元素。为了充分利用Si的固溶强化作用，通常Si的含量不低于0.6％。对于本发明所述的防弹钢板来说，Si含量需要控制在0.8～1.60％的范围之间，以起到固溶强化的作用。
锰：Mn可以降低临界冷却速度，大大提高淬透性。同时，Mn对钢板具有固溶强化作用。若Mn含量太高，会使得马氏体的转变温度下降太多，导致室温残余奥氏体增加，由此不利于钢板的强度增加。另外，在铸坯中心偏析部位生成粗大的MnS，也会使得板厚中心的韧性降低。基于本发明的技术方案，该防弹钢板中的Mn含量需要设定为0.30～1.00％。
铝:Al也是作为脱氧元素。Al可以与氮形成细小难溶的AlN颗粒，细化钢板的显微组织。另外，Al元素还能抑制BN的生成，令B以固溶状态存在，从而保证钢板的淬透性。当Al元素含量过高时，就会在钢中生成粗大的氧化铝夹杂物。鉴于此，本发明所述的防弹钢板中的Al含量应当为0.02～0.06％。
镍：Ni在钢中只溶于基体相铁素体和奥氏体，且不形成碳化物。Ni的奥氏体稳定化作用非常强，还是保证钢板高韧性的主要元素。综合考虑Ni元素在本发明的防弹钢板中所起作用及合金元素添加成本因素，Ni的含量应当被设定在0.3～1.2％范围之间。
铬：Cr不仅是缩小奥氏体相区的元素，也可溶于铁素体。Cr可以提高奥氏体的稳定性，使得C曲线右移，由此降低临界冷却速度，以提高钢的淬透性。在本发明所述的防弹钢板中，Cr含量应当控制为0.30～1.00％。
钼:Mo在钢中存在于固溶体相中，故而，添加钼元素使钢板具有固溶强化的作用，从而起到提高钢的硬度和强度的作用。本发明的防弹钢板中的Mo元素含量设定为0.20～0.80％。
铜：Cu在钢中主要以固溶态形式存在，起到固溶强化的作用。与此同时，在本发明的防弹钢板中加入0.20～0.60％的Cu，也可以显著地提高钢板的抗大气腐蚀能力。
钛：Ti会与钢中的C、N形成碳化钛、氮化钛或碳氮化钛，在钢坯加热轧制阶段，可以起到细化奥氏体晶粒的作用，从而提高钢板的强度和韧性。然而，过多的Ti会形成较多粗大的氮化钛，对钢板的强度和韧性均会产生不利影响。为此，本发明所述的防弹钢板中Ti的含量需要控制为0.01～0.05％。
硼：较少量地添加B就能够显著地增加钢的淬透性，比较容易地获得马氏体组织。对于本发明的防弹钢板来说，B元素不宜添加得过多，其原因在于：B与晶界之间具有较强的结合力，容易偏聚到晶界处，从而影响钢板的性能。为此，对于本发明的防弹钢板而言，加入0.001～0.003％的B既能够提升钢板的淬透性，又能够获得相应的马氏体微观组织。
进一步地，本发明所述的防弹钢板的微观组织为回火马氏体+极少量残余奥氏体。回火马氏体是由过饱和度稍低的马氏体和极细小的ε-碳化物组成的。
更进一步地，在本发明所述的防弹钢板中，上述残余奥氏体的组织比例低于1％。
进一步地，在本发明所述的防弹钢板中，不可避免的杂质中的P≤0.010％，S≤0.005％。对于本技术方案来说，不可避免的杂质主要是S和P。
进一步地，本发明所述的防弹钢板的厚度为6-22mm。
本发明的另一目的在于提供一种防弹钢板的制造方法。通过该制造方法所获得的防弹钢板具有较高的抗拉强度和较大的布氏硬度，其抗拉强度可以达到2000MPa级，并且其布氏硬度可以达到600级。此外，由该制造方法获得的防弹钢板还具备优良的耐大气腐蚀性能。
为了达到上述发明目的，本发明所公开的防弹钢板的制造方法，其依次包括步骤：(1)冶炼和浇铸；(2)加热；(3)轧制；(4)冷却；(5)淬火；(6)低温回火。
进一步地，在上述防弹钢板的制造方法的步骤(2)中，加热温度为1130-1250℃，加热时间为120-180min。
更进一步地，在上述防弹钢板的制造方法的步骤(3)中，控制终轧温度为950-1050℃，以降低轧制阶段的变形抗力。
进一步地，在上述防弹钢板的制造方法的步骤(4)中，冷却方式为空冷。
进一步地，在上述防弹钢板的制造方法的步骤(5)中，淬火温度为880-930℃，保温时间为板厚×(2～3)min/mm，以确保钢板进入奥氏体化区域内。
更进一步地，在上述防弹钢板的制造方法的步骤(6)中，回火温度为180-220℃，保温时间为板厚×(3～5)min/mm，以达到消除应力作用的目的。
通过合金元素的合理设计添加，本发明所述的防弹钢板的抗拉强度高，可以达到2000MPa级。同时，该防弹钢板的布氏硬度大，可以达到600级。
另外，本发明所述的防弹钢板具有优良的抗大气腐蚀能力。
此外，较之于现有技术中厚度不超过3mm的防弹钢板，本发明所述的防弹钢板的厚度可以达到6-22mm，由此，该钢板的防弹、防击穿的能力更好。
本发明的防弹钢板的防弹性能可以满足欧盟标准EN.1063中FB5级的标准要求。
通过本发明所述的防弹钢板的制造方法可以获得抗拉强度高且布氏硬度大的防弹钢板。
附图说明
图1显示了实施例4中的防弹钢板在光学显微镜下500倍的金相组织。
图2显示了实施例4中的防弹钢板在扫描电子显微镜下5000倍的金相组织。
具体实施方式
下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的防弹钢板及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-6
表1列出了实施例1-6的防弹钢板中的各化学元素的质量百分配比。
表1.(wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质元素)
序号 C Si Mn Al Ni Cr Mo Cu Ti B 板厚(mm)
1 0.36 1.55 0.41 0.034 0.40 0.39 0.30 0.40 0.023 0.0015 6
2 0.38 0.95 0.64 0.047 0.55 0.94 0.55 0.26 0.034 0.0022 8
3 0.40 1.36 0.80 0.038 0.46 0.46 0.28 0.55 0.034 0.0026 10
4 0.42 1.45 0.95 0.042 0.33 0.76 0.34 0.48 0.015 0.0016 15
5 0.42 0.85 0.50 0.045 0.97 0.95 0.67 0.39 0.045 0.0019 18
6 0.44 1.50 0.65 0.040 1.17 0.70 0.75 0.25 0.028 0.0020 22
上述实施例1-6中的防弹钢板依次通过下述步骤制得：
(1)冶炼和浇铸；
(2)加热：加热温度为1130-1250℃，加热时间为120-180min；
(3)轧制：控制终轧温度为950-1050℃；
(4)冷却：冷却方式为空冷；
(5)淬火：淬火温度为880-930℃，保温时间为板厚×(2～3)min/mm；
(6)低温回火：回火温度为180-220℃，保温时间为板厚×(3～5)min/mm。
表2列出了实施例1-6中的防弹钢板的制造方法的具体工艺参数。
表2.
注：在步骤(5)中的保温时间为板厚×(2～3)min/mm，在步骤(6)中的保温时间为板厚×(3～5)min/mm。
对实施例1-6的防弹钢板取样后，对样品按照欧盟标准EN.1063中FB5级要求对钢板进行射击测试，测试条件和测试结果均列于表3中。
表3列出了实施例1-6的防弹钢板经射击测试后的结果。
表3.
序号 射击距离/m 射击速度/m/s 结果
1 10 982/984/981 未击穿
2 10 983/984/981 未击穿
3 10 983/982/981 未击穿
4 10 985/983/984 未击穿
5 10 980/982/981 未击穿
6 10 983/985/984 未击穿
从表3可以看出，实施例1-6的防弹钢板在射击测试中均未被击穿，在上述实施例中的防弹钢板均符合欧盟标准EN.1063中FB5级的要求。
对实施例1-6的防弹钢板取样后，对样品进行抗拉强度和布氏硬度的测试，测试结果均列于表4中。
表4列出了实施例1-6的防弹钢板的抗拉强度和布氏硬度。
表4.
序号 布氏硬度(MPa) 抗拉强度(MPa)
1 590 2030
2 587 2020
3 594 2120
4 600 2140
5 592 2038
6 598 2136
从表4可以看出，实施例1-6的防弹钢板的布氏硬度均达到了600级，且抗拉强度均在2000MPa以上。
图1和图2分别显示了实施例4在光学显微镜下500倍和在扫描电子显微镜下5000倍的金相组织，从图1和图2可以看出其微观组织主要是回火马氏体，残余奥氏体的含量非常低。
由此可知，本发明的技术方案通过合金元素设计+合理制造工艺，获得了抗拉强度和布氏硬度超高的防弹钢板。
需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种抗拉强度2000MPa级且布氏硬度600级的防弹钢板，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：
C：0.35～0.45％；Si：0.80～1.60％；Mn：0.3～1.0％；Al：0.02～0.06％；Ni：0.3～1.2％；Cr：0.30～1.00％；Mo：0.20～0.80％；Cu：0.20～0.60％；Ti：0.01～0.05％；B：0.001～0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的防弹钢板，其特征在于，其微观组织为回火马氏体+极少量残余奥氏体。
3.如权利要求2所述的防弹钢板，其特征在于，所述残余奥氏体的组织比例低于1％。
4.如权利要求1所述的防弹钢板，其特征在于，所述不可避免的杂质中的P≤0.010％，S≤0.005％。
5.如权利要求1所述的防弹钢板，其特征在于，其厚度为6-22mm。
6.如权利要求1所述的防弹钢板，其特征在于，微观组织为回火马氏体+极少量残余奥氏体，其中残余奥氏体的组织比例低于1％；所述防弹钢板的厚度为6-22mm。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的防弹钢板的制造方法，其依次包括步骤：(1)冶炼和浇铸；(2)加热；(3)轧制；(4)冷却；(5)淬火；(6)低温回火。
8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，加热温度为1130-1250℃，加热时间为120-180min。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，控制终轧温度为950-1050℃。
10.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，冷却方式为空冷。
11.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，淬火温度为880-930℃，保温时间为板厚×(2～3)min/mm。
12.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，回火温度为180-220℃，保温时间为板厚×(3～5)min/mm。
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