CN107328303A

CN107328303A - 一种高强轻质复合装甲板及其制造方法

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Publication number: CN107328303A
Application number: CN201710761486.4A
Authority: CN
Inventors: 乐启炽; 廖启宇; 贾永辉; 宝磊; 王彤
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2017-11-07

Abstract

本发明属于装甲技术领域，具体涉及一种新型高强轻质复合装甲板的组合方式和制造方法。该复合装甲板由作为主体的镁合金板和作为辅助的钢板和/或热塑性树脂材料板叠加组合而成，按钢/镁合金、镁合金/钢、钢/镁合金/树脂材料、镁合金/树脂材料/钢或钢/镁合金/钢相间叠层复合。镁合金板采用电磁半连续化铸造、均匀化处理、表面车皮处理、挤压、时效热处理制备，复合装甲板的组装方式采用铆钉固定、粘接固定或螺钉固定。本发明可以减少传统装甲板的重量，有效抵抗弹体冲击，优化传统钢铁装甲，实现装甲车轻量化。当高速弹丸撞击这种装甲板时，因撞击产生的高温可以被镁合金板迅速的传导出去。同时，弹丸的能量很大程度上被镁合金板所吸收。

Description

一种高强轻质复合装甲板及其制造方法

技术领域

本发明属于装甲技术领域，具体涉及一种新型高强轻质复合装甲板的组合方式和制造方法。

背景技术

武器装备的灵动性很大程度上决定其在战场上的快速反应能力，防弹装甲板主要用于军用车辆装甲、武装直升机装甲和人体装甲等。传统装甲板以高强钢板为主，然而存在一个的问题是这种钢板装甲板单位面积重量大，使得装备笨重不灵活。因此，目前世界各国都投入大量的人力、物理用于研究轻质结构材料及与之配套的先进制造技术，以减轻装备质量，提高装甲车的机动行和灵活性，并且提高强度，提高武器装备以及人员战场生存和作战能力。镁合金具有密度低，低强度、比刚度、疲劳强度高，阻尼减震，电磁屏蔽性能优良等一系列优点，是实现装备轻量化的理想材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型高强轻质复合装甲板及其制造方法，以获得防弹性能好、重量较轻的双层或多层复合装甲板。

为实现上述实用目的，本发明的技术方案是：

一种高强轻质复合装甲板，该复合装甲板由作为主体的镁合金板和作为辅助的钢板和/或热塑性树脂材料板叠加组合而成。

所述的高强轻质复合装甲板，镁合金采用AZ80、ZK60或ZC65的改性合金，热塑性树脂材料板选用PE板，钢板选用传统装甲钢板。

所述的高强轻质复合装甲板，该复合装甲板按钢/镁合金、镁合金/钢、钢/镁合金/树脂材料、镁合金/树脂材料/钢或钢/镁合金/钢相间叠层复合。

所述的高强轻质复合装甲板，“钢/镁合金”组合中钢板/镁合金板的厚度比例为1/(6.7～7.5)，且总厚度为27～38mm；“镁合金/钢”组合中镁合金板/钢板的厚度比例为6.7/1，总厚度为34.5～38mm；“钢/镁合金/PE”组合中钢板/镁合金板/PE板的厚度比例为1/(4.4～6.7)/2.2，总厚度为34.5～47mm；“镁合金/PE/钢”组合中镁合金板/PE板/钢板的厚度比例为(6.7～7.5)/2.2/1，总厚度为44.5～47mm；“钢/镁合金/钢”组合中钢板/镁合金板/钢板的厚度比例为1/3.75/1，总厚度为46mm。

所述的高强轻质复合装甲板，AZ80镁合金中添加1.5～3.0wt％的稀土元素Ce和Nd混合，ZK60镁合金中添加1～2wt％的稀土元素Y，ZC65镁合金中添加0.4～1wt％的稀土元素Y。

所述的高强轻质复合装甲板的制造方法，镁合金板的制备方法包括：电磁半连续化铸造、均匀化处理、表面车皮处理、挤压、时效热处理，具体如下：

(1)电磁半连续化铸造

精炼温度为720～730℃，精炼时间为30～45min；在浇注的过程中，添加外部磁场，电磁频率为20～30Hz，电流为120～170A；

(2)均匀化处理

采用双级均匀化处理，第一级温度420～440℃，保温6～8h；第二级温度为520～540℃，保温15～18h；

(3)表面车皮处理

将均匀化处理后的圆锭车去表面的氧化皮；

(4)挤压

采用无死区宽展挤压，挤压模具进口为带角度楔形进口，在挤压的过程中进行三次变截面，采用多平台挤压；挤压时挤压温度为300～350℃，挤压速度为0.5～1.0mm/s；

(5)时效热处理

采用双级时效处理，第一级温度300～350℃，保温6～8h；第二级温度为180～210℃，保温18～20h。

所述的高强轻质复合装甲板的制造方法，该复合装甲板的组装方式采用铆钉固定、粘接固定或螺钉固定。

所述的高强轻质复合装甲板的制造方法，采用铆钉固定时，在镁合金板、钢板和/或热塑性树脂材料板的各个面涂上有机硅耐高温漆，将各个板叠放整齐后用铆钉连接，铆钉与板材之间的缝隙，采用按环氧树脂和脂肪胺固化剂1:1的重量比例配制的填充剂进行填充。

所述的高强轻质复合装甲板的制造方法，采用粘接固定时，粘接剂为聚氨脂粘结剂，并添加占粘接剂总量3wt％～5wt％的CN-7固化剂，将混合好的粘结剂涂在相邻板面之间逐一粘结，待其固化1～2个小时后，清除多余的粘结剂。

所述的高强轻质复合装甲板的制造方法，采用螺钉固定时，在镁合金板、钢板和/或热塑性树脂材料板的各个面涂上有机硅耐高温漆，将各个板叠放整齐后用螺钉连接，螺钉与板材之间的缝隙，采用按环氧树脂和脂肪胺固化剂1:1的重量比例配制的填充剂进行填充。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明将镁合金板与钢板和低密度的高韧性树脂材料按不同的厚度和顺序方式组合，不仅可以满足高的防弹性能要求和制造要求，同时可以实现装甲板的轻量化，有效解决装备笨重不灵活的问题。

2、采用本发明的制备工艺，制备出的性能优良的镁合金板，与钢板和PE板组合成一种新型高强轻质的装甲板，对比同种防弹标准的防弹钢板，可以减重7％～16％，满足防弹装甲板轻量化和高防弹性能的要求。

附图说明

图1为新型高强轻质装甲板的五种组合方式；其中，(a)钢/镁合金；(b)镁合金/钢；(c)钢/镁合金/树脂材料；(d)镁合金/树脂材料/钢；(e)钢/镁合金/钢(均为按从左至右的组合顺序)。

图2为无死区宽展挤压模具示意图。图中，各个标号的名称分别为：1挤压筒；2进口；3垫模；4出口；5挤压通道。

图3为挤压板表层的金相组织；其中，(a)边部位置(b)中部位置。

图4为双级时效热处理后表层的金相组织；其中，(a)边部位置(b)中部位置。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明选用镁合金板、钢板和热塑性树脂材料，共三种材料。该镁合金板可采用AZ80、ZK60或ZC65的改性合金。将这三种材料按不同厚度和不同位置顺序进行叠层复合，其中主体为镁合金板，另外两种为辅助板。

如图1所示，这种新型高强轻质装甲板的改进之处在于，按钢/镁合金、镁合金/钢、钢/镁合金/树脂材料、镁合金/树脂材料/钢和钢/镁合金/钢相间叠层复合。其中，前四种组合主要针对抵抗7.62mm穿甲弹而设计，最后一种组合针对抵抗12.7mm穿甲弹而设计。本发明钢板采用一种传统的装甲钢板，热塑性树脂材料采用PE板。图1(a)为“钢/镁合金”组合模型，其中钢板/镁合金板的厚度比例为1/(6.7～7.5)，总厚度为27～38mm；图1(b)为“镁合金/钢”组合模型，其中镁合金板/钢板的厚度比例为6.7/1，总厚度为34.5～38mm；图1(c)为“钢/镁合金/PE”组合模型，其中钢板/镁合金板/PE板的厚度比例为1/(4.4～6.7)/2.2，总厚度为34.5～47mm；图1(d)为“镁合金/PE/钢”组合模型，其中镁合金板/PE板/钢板的厚度比例为(6.7～7.5)/2.2/1，总厚度为44.5～47mm；图1(e)为“钢/镁合金/钢”组合模型，其中钢板/镁合金板/钢板的厚度比例为1/3.75/1，总厚度为46mm。这种装甲板相对传统高强防弹钢板，在同种防弹标准下，单位面积重量大大降低。

上述新型高强轻型装甲板的制备工艺，按以下步骤进行：

(1)电磁半连续铸造。首先进行合金成分设计，在传统镁合金的基础上添加几种微量的稀土元素，如：La、Nd和Ce，AZ80镁合金中添加3wt％的稀土元素Ce和Nd混合，ZK60镁合金中添加1.5wt％Y，ZC65镁合金中添加0.5wt％Y。在熔炼炉中进行熔炼，采用结晶器电磁系统和冷却系统，控制冷却水流量，并开启电磁系统，直到浇注完成。

(2)均匀化处理。将熔炼好的镁合金铸锭锯切呈合适的长度，放入热处理炉中进行均匀化处理，采用双级均匀化制度。

(3)表面车皮处理。将均匀化处理后的圆锭车去表面的氧化皮。

(4)挤压。如图2所示，采用无死区宽展挤压，设计并制备出无死区挤压模具，该模具包括挤压筒1、进口2、垫模3和出口4，相对设置的挤压筒1和垫模3之间牢固连接，挤压筒1中开设相互连通的进口2和挤压通道5，垫模3中开设出口4，进口2为带角度的楔形进口，挤压通道5采用三次变截面结构(沿进口2至出口4方向，挤压通道5的截面尺寸为：前两次变小，第三次为带角度的楔形变大，所述截面为矩形)，出口4截面为矩形，进口2通过挤压通道5与出口4连通。由于铸锭的直径小于挤压模具出口的长度，会向宽度方向的两边拓展，形成板材。

(5)时效热处理。将挤压出的板材，放入热处理炉，进行时效处理，采用三级时效热处理制度。

(6)将所选用的钢板、PE板和制备好的镁合金板固定在一起。

以下对本发明的优选实施例进行说明，此处所描述的的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：采用6.5mm钢板/20mm的AZ80改性镁合金板的顺序叠加组合，这种合金装甲板厚度为26.5mm。

实施例2：采用4.5mm钢板/30mm的AZ80改性镁合金板的顺序叠加组合，这种合金装甲板厚度为34.5mm。

实施例3：采用4.5mm钢板/20mm的AZ80改性镁合金板/10mmPE板的顺序叠加组合，这种合金装甲板厚度为34.5mm。

实施例4：采用30mm的AZ80改性镁合金板/4.5mm钢板的顺序叠加组合，这种合金装甲板厚度为34.5mm。

上述实施例1～4所述的改性AZ80镁合金的制备工艺，包括一下步骤：

(1)电磁半连续铸造。首先进行合金成分设计，在传统AZ80镁合金的基础上添加三种微量的稀土元素。在AZ80镁合金中添加稀土元素，可以减少偏析现象，同时可以保护和净化熔体，细化晶粒，添加多种微量的稀土元素能大大降低合金的成本。在熔炼炉中进行熔炼，待到达精炼温度720～730℃后，开始精炼，通入N₂进行气体搅拌，同时添加镁合金熔炼用的RJ5熔剂，精炼30～45min后静置20～25min，到达浇注温度680～730℃后开始浇注，采用结晶器冷却系统，控制冷却水流量，并开启电磁系统，电磁频率为20～30Hz，电流为120～160A，控制浇注速度，直到浇注完成。

(2)均匀化处理。将熔炼好的镁合金铸锭锯切呈合适的长度，放入热处理炉中进行均匀化处理。均匀化过程为双级均匀化，第一级温度420～440℃，保温6～8h；第二级温度为520～540℃，保温15～18h。对比传统单级均匀化热处理，经过双级均匀化热处理，元素分布更加均匀，含稀土的化合物明显残留在晶界处，且室温变形抗力提高。

(3)表面车皮处理。将均匀化处理后的镁合金圆锭车去表面的氧化皮。

(4)挤压。采用无死区宽展挤压，图2为挤压模具，铸锭直径为280mm，挤压出口4的矩形截面尺寸为300×30mm和300×20mm，铸锭的直径要小于挤压出口4的长度，在挤压过程中，会向长度方向上形成宽展。此外，挤压模具进口2为带角度楔形进口，可以减少挤压死区。并且，采用多平台挤压，在挤压的过程中进行三次变截面，得到性能更优的挤压板材。具体过程为，将镁合金锭坯和模具分别加热到350℃和380℃，保温30分钟，使用4000t挤压机进行热挤压变形，挤压速度为1m/s。

(5)时效热处理。对挤出的镁合金板材采用双级时效处理。第一级温度300～350℃，保温6～8h；第二级温度为180～210℃，保温18～20h。采用双级时效热处理，可以减少挤压组织和性能的不均匀性。图3为挤压板的边部和中部的表层的金相组织，其中图(a)为边部位置，图(b)为中部位置，很明显可以看出边部与中部组织存在不均匀性，边部的晶粒比中部的细小。图4为经过双级时效热处理后挤压板的边部和中部表层位置的金相组织，其中图(a)为边部位置，图(b)为中部位置，可以看出经过热处理，挤压组织的不均匀性得到很大的改善。表1为热处理前后的力学性能对比，可以看出挤压板材的中部的抗拉强度和伸长率要高于边部的，而经过双级时效热处理后不均匀性基本消除。

表1挤压态和热处理态的力学性能

上述实施例1～4所述装甲板的固定方式本发明共提供三种方式：

(1)铆钉固定

在钻床上将组合装甲板在四个角的位置钻四个孔后，在镁合金板、钢板和/或热塑性树脂材料板的各个面涂上有机硅耐高温漆。将组合装甲板叠放整齐后，使用半圆头或平锥头铆钉，并将铆钉的长钉放在底座上，平头在下，长钉朝上，将装甲板套在长钉上。按1:1的重量比例将环氧树脂和脂肪胺固化剂进行混合，然后在长钉与板之间的间隙内用填充环氧树脂-脂肪胺混合物，待混合物完全固化后，去除多余的填充物。在长钉上安装短帽，用铆钉模具对准短帽，用锤子敲打模具，将短帽压平。

(2)粘接

使用聚氨脂粘结剂，并添加占聚氨脂粘接剂总量3wt％～5wt％的CN-7固化剂，将混合好的粘结剂涂在板面上逐一粘结，待其固化1～2个小时后，清除板上多余的粘结剂。

(3)螺钉固定

选择304外六角螺钉，进行装甲板组装。在钻床上将组合装甲板在四个角的位置钻四个孔，孔的直径大于螺杆直径2mm，在镁合金板、钢板和/或热塑性树脂材料板的各个面涂上有机硅耐高温漆。将组合装甲板叠放整齐后，将螺钉的放在底座上，平头在下，长钉朝上，将装甲板套在长钉上。按1:1的重量比例将环氧树脂和脂肪胺固化剂进行混合，然后在螺钉与板之间的间隙内用填充环氧树脂-脂肪胺混合物，待混合物完全固化后，去除多余的填充物，在螺钉上安装垫圈和螺帽。

记实施例1中的装甲板组合为组合A，记实施例2中的装甲板组合为组合B，记实施例3中装甲板组合为组合C，记实施例4中装甲板组合为组合D。通过表2的数据展示，充分说明经本发明制备的防弹装甲板具备低密度和高效防弹的效果。在北约2级标准下，钢板最低厚度为12.2mm。本发明的装甲板最低厚度为24.5mm，对比钢铁装甲板来说，厚度增加一倍，但单位面积重量可减少16％。

表2本发明中镁合金装甲板的防弹效果和减重效果对比

注：

(1)北约2级标准为子弹口径为7.62mm的穿甲弹，射击距离为30m，标准速度为695±20m/s，钢板建议的最小厚度为12.2mm。

(2)本发明所选用的高强防弹钢板在北约2级的标准下，防弹最小厚度为12.2mm。

实施例结果表明，当高速弹丸撞击这种装甲板时，因撞击产生的高温可以被镁合金板迅速的传导出去。同时，弹丸的能量很大程度上被镁合金板所吸收。采用镁合金板作为主体，钢板和PE板作为辅助，可以减少传统装甲板的重量，有效抵抗弹体冲击，优化传统钢铁装甲，实现装甲车轻量化。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，缩作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高强轻质复合装甲板，其特征在于，该复合装甲板由作为主体的镁合金板和作为辅助的钢板和/或热塑性树脂材料板叠加组合而成。

2.根据权利要求1所述的高强轻质复合装甲板，其特征在于，镁合金采用AZ80、ZK60或ZC65的改性合金，热塑性树脂材料板选用PE板，钢板选用传统装甲钢板。

3.根据权利要求1所述的高强轻质复合装甲板，其特征在于，该复合装甲板按钢/镁合金、镁合金/钢、钢/镁合金/树脂材料、镁合金/树脂材料/钢或钢/镁合金/钢相间叠层复合。

4.根据权利要求3所述的高强轻质复合装甲板，其特征在于，“钢/镁合金”组合中钢板/镁合金板的厚度比例为1/(6.7～7.5)，且总厚度为27～38mm；“镁合金/钢”组合中镁合金板/钢板的厚度比例为6.7/1，总厚度为34.5～38mm；“钢/镁合金/PE”组合中钢板/镁合金板/PE板的厚度比例为1/(4.4～6.7)/2.2，总厚度为34.5～47mm；“镁合金/PE/钢”组合中镁合金板/PE板/钢板的厚度比例为(6.7～7.5)/2.2/1，总厚度为44.5～47mm；“钢/镁合金/钢”组合中钢板/镁合金板/钢板的厚度比例为1/3.75/1，总厚度为46mm。

5.根据权利要求2所述的高强轻质复合装甲板，其特征在于，AZ80镁合金中添加1.5～3.0wt％的稀土元素Ce和Nd混合，ZK60镁合金中添加1～2wt％的稀土元素Y，ZC65镁合金中添加0.4～1wt％的稀土元素Y。

6.一种权利要求1至5之一所述的高强轻质复合装甲板的制造方法，其特征在于，镁合金板的制备方法包括：电磁半连续化铸造、均匀化处理、表面车皮处理、挤压、时效热处理，具体如下：

(1)电磁半连续化铸造

(2)均匀化处理

(3)表面车皮处理

将均匀化处理后的圆锭车去表面的氧化皮；

(4)挤压

(5)时效热处理

7.根据权利要求6所述的高强轻质复合装甲板的制造方法，其特征在于，该复合装甲板的组装方式采用铆钉固定、粘接固定或螺钉固定。

8.根据权利要求7所述的高强轻质复合装甲板的制造方法，其特征在于，采用铆钉固定时，在镁合金板、钢板和/或热塑性树脂材料板的各个面涂上有机硅耐高温漆，将各个板叠放整齐后用铆钉连接，铆钉与板材之间的缝隙，采用按环氧树脂和脂肪胺固化剂1:1的重量比例配制的填充剂进行填充。

9.根据权利要求7所述的高强轻质复合装甲板的制造方法，其特征在于，采用粘接固定时，粘接剂为聚氨脂粘结剂，并添加占粘接剂总量3wt％～5wt％的CN-7固化剂，将混合好的粘结剂涂在相邻板面之间逐一粘结，待其固化1～2个小时后，清除多余的粘结剂。

10.根据权利要求7所述的高强轻质复合装甲板的制造方法，其特征在于，采用螺钉固定时，在镁合金板、钢板和/或热塑性树脂材料板的各个面涂上有机硅耐高温漆，将各个板叠放整齐后用螺钉连接，螺钉与板材之间的缝隙，采用按环氧树脂和脂肪胺固化剂1:1的重量比例配制的填充剂进行填充。