DE10220476B4

DE10220476B4 - Stahl und daraus hergestelltes Bauelement für den ballistischen Schutz von Lebewesen, Vorrichtungen oder Bauwerken und Bauelement

Info

Publication number: DE10220476B4
Application number: DE2002120476
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Ing. Kuntze; Thomas Dr.-Ing. Heller
Original assignee: ThyssenKrupp Stahl AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-05-08
Also published as: DE10220476B9; DE10220476A1

Abstract

Verwendung eines Stahls, der aus (in Gew.-%)
– C: 0,12 < 0,20%,
Mn: 0,8–2,5%,
Al: 0,01–0,05%,
Si: ≤ 1,0%,
sowie zusätzlich wahlweise
Cr: < 1,0%,
N: < 0,009%,
Ti : 0,015–0,18%,
B: 0,0020–0,0040%,
und als Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, mit
– einer Härte < 400 HB,
– einer Zugfestigkeit > 800 N/mm² und
– einem zu mehr als 95% aus Martensit bestehenden Gefüge
– als Material für den ballistischen Schutz von Lebewesen, Vorrichtungen oder Bauwerken.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stahl und ein daraus hergestelltes Bauelement für den ballistischen Schutz von Lebewesen, Vorrichtungen oder Bauwerken. Für derartige Zwecke werden üblicherweise hochharte Vergütungsstähle mit 400 HB bis 650 HB oder Materialien mit noch höherer Härte, wie beispielsweise Maraging-Stähle oder Keramiken eingesetzt.

Hintergrund der Verwendung hochharter Materialien ist die Erfahrung, dass eine hohe Härte des verwendeten Materials eine hohe ballistische Schutzwirkung sicherstellt. So wurde in verschiedenen Untersuchungen gezeigt, dass bei aus hochharten, eine weit oberhalb von 400 HB liegende Härte aufweisende Materialien hergestellten Bauelementen die Eindringtiefen von mit hoher kinetischer Energie auftreffenden Geschossen deutlich gegenüber der Eindringtiefen vermindert sind, die bei aus Werkstoffen mit einer unter 400 HB liegenden Härte erzeugten Bauteilen ermittelt worden sind (Yoshizawa H., Ohte S., Kashima Y., Shiba N., Shida S. "Impact strength of steel plates struck by projectiles (Effect of mechanical properties on critical fracture energy)", Bulletin of JSME, Vol. 27 No 226, pp. 639–644, Apr. 1984.

Der besondere Vorteil des Einsatzes von hochfesten, besonders harten Stählen ist dabei darin gesehen worden, dass es sich als kostengünstiges Material für die Absicherung von Schutzstrukturen eignet. Indem die Wände des dazu jeweils verwendeten Bauteils als Verbundwerkstoff mit einem Stahl/Glasfaserverstärkter Kunststoff/Stahl-Lagenaufbau hergestellt werden, kann dabei einerseits die Schutzwirkung gesteigert werden; andererseits kann durch die GFK-Einlage das gefürchtete Ausbrechen harter Bleche auf der gegenüber der Aufprallfläche liegenden Rückseite der jeweiligen Bauteilwand verhindert werden.

Die an sich gute Eignung von hochfesten, hochharten Stählen der voranstehend erläuterten Art als Material für ballistischen Schutz bringt jedoch neben dem Problem des Ausbrechens und Aufreißens des Stahlmaterials bei mit hohen kinetischen Energien auftreffenden Geschossen das Problem mit sich, dass jeweils relativ große Materialdicken von 30 mm und mehr erforderlich sind, um die gewünschte Schutzwirkung sicher zu erreichen.

Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, ein Stahlmaterial anzugeben, das auch bei geringeren Materialdicken schon eine hohe Schutzwirkung gegen das Durchschlagen von Projektilen aufweist. Ebenso soll ein Bauteil geschaffen werden, das unter Beschuss einen gegenüber den bekannten Bauteilen dieser Art weiter erhöhten Schutz bietet.

In Bezug auf den Stahl wird diese Aufgabe durch die Verwendung eines Stahls, der aus (in Gew.-%) C: 0,12 < 0,20%, Mn: 0,8–2,5%, insbesondere 1,2–2,5%, Al : 0,01–0,05%, Si: ≤ 1,0%, sowie zusätzlich wahlweise Cr: < 1,0%, N: < 0,009%, Ti: 0,015–0,18%, B: 0,0020–0,0040%, und als Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und der eine Härte < 400 HB, eine Zugfestigkeit > 800 N/mm² und ein zu mehr als 95% aus Martensit bestehende füge aufweist, als Material für den ballistischen Schutz von Lebewesen, Vorrichtungen oder Bauwerken gelöst.

In Bezug auf das Bauteil besteht die erfindungsgemäße Lösung der oben genannten Aufgabe in einem Bauelement zum ballistischen Schutz von Lebewesen, Vorrichtungen oder Bauwerken, wie Teile der Außenhaut von Kraftfahrzeugen oder Gebäuden, das im Bereich mindestens einer seiner direktem Beschuss ausgesetzten Wände mindestens eine Lage aufweist, die entsprechend der erfindungsgemäßen Verwendung aus einem martensitischen Mehrphasenstahl hergestellt ist, der aus (in Gew.-%) C: 0,12 < 0,20%, Mn: 0,80–2,5%, insbesondere 1,2–2,5%, Al: 0,01 – 0,05%, Si: ≤ 1,0 sowie zusätzlich wahlweise Cr: < 1,0%, N: < 0,009%, Ti: 0,015–0,18%, B: 0,0020–0,0040%, und als Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und eine Härte < 400 HB, eine Zugfestigkeit > 800 N/mm² sowie ein zu mehr als 95% aus Martensit bestehendes Gefüge aufweist.

Erfindungsgemäß wird ein in seiner Grundzusammensetzung bekannter Mehrphasenstahl ( DE 197 19 546 C2 ) als ballistischer Schutz verwendet, dessen Gefüge zum weitaus überwiegenden Teil aus Martensit besteht. Der bekannte Stahl lässt sich bei geeigneter, aus der DE 197 19 546 C2 an sich ebenfalls bekannter Herstellungsweise im warmgewalzten Zustand gut zu Bauteilen kaltverformen. So lassen sich aus aus dem bekannten Stahl erzeugtem, bis zu 5 mm dickem Warmband beispielsweise Seitenaufprallträger und Stoßfänger ohne zwischengeschaltetes Kaltwalzen direkt kaltformen, die im Automobilbau eingesetzt werden.

Der erfindungsgemäß verwendete Stahl weist ein geringes Kohlenstoffäquivalent und eine Härte auf, die unter 400 HB liegt. Die Härte des erfindungsgemäß verwendeten Stahls liegt somit deutlich unter der Härte, die im Stand der Technik als Voraussetzung für eine gute Eignung als Schutz gegen Beschuss angesehen worden ist. Überraschend hat sich jedoch gezeigt, dass der bekannte Stahl bei Beschuss und damit einhergehenden, lokal sehr beschränkt auftretenden Umformgeschwindigkeiten von bis zu 10⁵ m pro Sekunde Dehnungen von mehr als 30% aufnimmt, ohne dass es zur Entstehung von Rissen kommt. Diese bisher von der Fachwelt nicht erkannte Eigenschaft in Kombination mit seiner bekanntermaßen guten, sich jedoch auf größere Flächenerstreckungen beziehenden guten Kaltverformbarkeit führen dazu, dass der bekannte martensitische Mehrphasenstahl den im Stand der Technik für die Herstellung von ballistischen Schutzstrukturen empfohlenen, sehr viel härteren Stählen überlegen ist.

Dabei tritt die gute Schutzwirkung erfindungsgemäß verwendeter Stähle schon bei Materialdicken ein, die sehr viel geringer sind als die Dicken der im Stand der Technik als ballistischer Schutz verwendeten Stähle. Indem zudem eine Rissfreiheit des Stahles auch bei extremen, lokal eng begrenzt auftretenden Verformungsbelastungen gewährleistet ist, besteht das bei harten Materialien gefürchtete Problem des Wegplatzens von Werkstoffstücken auf der der Auftreffstelle gegenüberliegenden Seite des Bauteils nicht.

Eine Steigerung der Festigkeit des verwendeten Stahls lässt sich dadurch erreichen, dass sein Gehalt an Silizium 0,5–1,0 Gew.-% beträgt. Steht dagegen die äußere Erscheinung des aus dem Stahl erzeugten Bauelements im Vordergrund, so kann die Oberflächenbeschaffenheit eines aus dem Stahl erzeugten Blechs durch die Begrenzung des Si-Gehaltes auf maximal 0,05 Gew.-% Si verbessert werden.

Chrom kann mit bis zu 1,0 Gew.-% in erfindungsgemäß verwendetem Stahl vorhanden sein, um die Gefügestruktur auch bei hohen Dicken zu verbessern. Besonders günstig ist es dabei, wenn dazu der Stahl 0,3–0,6 Gew.-% Cr enthält.

Der Stickstoffgehalt sollte auf weniger als 0,009 %, bevorzugt weniger als 0,005 Gew.-% N beschränkt sein, um eine sichere Abbindung des Stickstoffs zu erreichen.

Enthalten erfindungsgemäß verwendete Stähle Titan in Gehalten von 0,015–0,025 Gew.-%, so wird der Stickstoff sicher zu TiN abgebunden. Bei den über 0,025 Gew.-% hinausgehenden Gehalten von bis zu 0,18% weist der erfindungsgemäße Stahl eine verbesserte Feinkörnigkeit und Umformbarkeit auf. Zudem wird durch derart hohe Ti-Gehalte die Zugfestigkeit weiter erhöht und die Schweißbarkeit aufgrund des niedrigen Kohlenstoff-Äquivalentes verbessert.

Eine weitere Verbesserung der Verformbarkeit des Stahls wird bei einer kombinierten Zugabe von Bor in Gehalten 0,0020–0,0040 Gew.-% erreicht. Bei mit Titan kombinierter Zugabe von Bor wird dieses Element vor einer Bindung an Stickstoff geschützt, so dass es seine günstige Wirkung in Bezug auf die Steigerung der Festigkeit und der Durchhärtbarkeit voll entfalten kann.

Erfindungsgemäßer Stahl lässt sich nicht nur in Alleinstellung als Material für die Herstellung von als Schutz gegen einen ballistischen Angriff bestimmten Elementen nutzen, sondern kann selbstverständlich ebenso vorteilhaft mit anderen Materialien kombiniert werden. So kann es günstig sein, die mit dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl hergestellte Wand mehrlagig auszubilden, wobei die eine oder mehrere Lagen durch den martinsitischen Mehrphasenstahl und mindestens eine andere Lage aus einem anderen, härteren Material gebildet ist.

Bei diesem härteren Material kann es sich um einen im Stand der Technik schon für diesen Zweck eingesetzten Vergütungsstahl oder um einen Maraging-Stahl handeln. Diese Materialien weisen typischerweise Härten von 400 HB bis 650 HB auf, besitzen jedoch im Gegensatz zum erfindungsgemäß verwendeten Stahl ein deutlich schlechteres Umformverhalten bei auf kleine Auftreffflächen beschränkten, extrem hohen Belastungen, wie sie durch den Aufprall eines Projektils ausgelöst werden.

Durch eine Kombination der harten Materialien mit dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl wird somit das hohe Umformvermögen des erfindungsgemäß weichen martensitischen Mehrphasenstahls mit der hohen Härte eines weniger gut verformbaren Materials in optimaler Weise verbunden. Eine weitere Steigerung der Festigkeit und des Energieaufnahmevermögens kann zudem dadurch erreicht werden, dass der erfindungsgemäß verwendete Stahl zusammen mit einem Faserverbundwerkstoff, wie Kevlar oder Aramid, eingesetzt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Zum Nachweis ihrer Eignung zur Herstellung von Bauteilen für den ballistischen Schutz sind zwei gemäß der Erfindung zusammengesetzte Stähle A,B und ein Vergleichsstahl V erschmolzen und zu Brammen vergossen worden. Die Zusammensetzung der Stähle A,B,V ist in Tabelle 1 angegeben.
Die Stähle A,B sind anschließend in der aus der DE 197 19 546 C2 an sich bekannten Weise zu einem Warmband verarbeitet worden. Dabei sind die Brammen auf eine 1000°C bis 1350°C betragende Temperatur erwärmt, bei Temperaturen von 950°C bis 1150°C vorgewalzt, bei oberhalb der Ar₃-liegenden Temperatur zu jeweils einem Warmband fertig warmgewalzt worden.
Nach dem Verlassen der Warmwalzstaffel ist das jeweilige Warmband dann mit einer 15 K/s bis 70 K/s betragenden Abkühlgeschwindigkeit auf eine höchstens 100°C betragende Haspeltemperatur abgekühlt worden. Im Ergebnis wurden so Warmbänder erzeugt, die jeweils ein zu mehr als 95% aus Martensit bestehendes Gefüge besaßen.
Die so beschaffenen Warmbänder sind gebeizt und zu Blechproben konfektioniert worden.
Die aus dem Vergleichsstahl V erzeugte Probe ist zunächst in der derselben Weise warmgewalzt worden, wie die Blechproben aus den Stählen A,B. Zusätzlich ist er dann einer konventionellen Vergütungsbehandlung unterzogen worden, im Zuge derer der Stahl in Öl oder Wasser gehärtet und nachfolgend angelassen wurde.
Mit den aus den erfindungsgemäß verwendeten Stählen A,B und dem Vergleichsstahl V erzeugten Blechproben sind Beschussversuche durchgeführt worden. Die jeweilige Dicke WB_D und die Härte H der aus den Stählen A,B bzw. V erzeugten Blechproben sowie Ergebnisse der Beschussversuche und die dabei eingehaltenen Bedingungen sind in Tabelle 2 angegeben.
Es zeigte sich, dass die aus den erfindungsgemäß verwendeten Stählen A,B erzeugten, eine deutlich weniger als 400 HB betragende Härte aufweisenden Blechproben bei geringerer Wandstärke und im übrigen gleichen Bedingungen der aus dem Vergleichsstahl V erzeugten Probe ebenbürtig waren, obwohl die zum Vergleich erzeugte Blechprobe eine größere Dicke und eine weit höhere Härte besitzt. Dies macht klar, dass sich erfindungsgemäß verwendete Stähle bei unverändert hoher Schutzwirkung in besonderer Weise zur Herstellung auch komplexer geformter Bauteile durch Kaltumformung eignen, die sich aus dem Vergleichsstahl auf diesem Wege nicht fertigen lassen.

Claims

Verwendung eines Stahls, der aus (in Gew.-%) – C: 0,12 < 0,20%, Mn: 0,8–2,5%, Al: 0,01–0,05%, Si: ≤ 1,0%, sowie zusätzlich wahlweise Cr: < 1,0%, N: < 0,009%, Ti : 0,015–0,18%, B: 0,0020–0,0040%, und als Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, mit – einer Härte < 400 HB, – einer Zugfestigkeit > 800 N/mm² und – einem zu mehr als 95% aus Martensit bestehenden Gefüge – als Material für den ballistischen Schutz von Lebewesen, Vorrichtungen oder Bauwerken.
Bauelement zum ballistischen Schutz von Lebewesen, Vorrichtungen oder Bauwerken, das im Bereich mindestens einer seiner direktem Beschuss ausgesetzten Wände mindestens eine Lage aufweist, die aus einem martensitischen Mehrphasenstahl hergestellt ist, der aus (in Gew.-%) – C: 0, 12 < 0,20%, Mn: 0,8–2,5%, Al: 0,01–0,05%, Si: ≤ 1,0%, sowie zusätzlich wahlweise Cr: < 1,0%, N: < 0,009%, Ti: 0,015–0,18%, B: 0,0020–0,0040%, und als Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und – eine Härte < 400 HB, – eine Zugfestigkeit > 800 N/mm² sowie – ein zu mehr als 95% aus Martensit bestehendes Gefüge aufweist.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl 0,5–1,0 Gew.-% Si enthält.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl 50,05 Gew.-% Si enthält.
Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl 0,3–0,6 Gew.-% Cr enthält.
Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl < 0,005 Gew.-% N enthält.
Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl mindesten 1,2 Gew.-% Mn enthält.
Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl 0,5–1,0 Gew.-% Si enthält.
Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ≤ 0,05 Gew.-% Si enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl 0,3–0,6 Gew.-% Cr enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl < 0,005 Gew.-% N enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand eine zusätzliche Lage aufweist, die aus einem hochfesten Vergütungsstahl hergestellt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand eine zusätzliche Lage aufweist, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.
Bauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Faserverbundwerkstoff um Kevlar oder Aramid handelt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand eine zusätzliche Lage aufweist, die aus einem Maraging-Stahl hergestellt ist.