DE2105851C2 - Panzerplatte aus einer Aluminiumlegierung - Google Patents

Panzerplatte aus einer Aluminiumlegierung

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DE2105851C2 DE2105851A DE2105851A DE2105851C2 DE 2105851 C2 DE2105851 C2 DE 2105851C2 DE 2105851 A DE2105851 A DE 2105851A DE 2105851 A DE2105851 A DE 2105851A DE 2105851 C2 DE2105851 C2 DE 2105851C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Panzerplatte aus einer Aluminiumlegierung mit Gehalten an Zink, Magnesium und Kupfer, deren Frontseite eine höhere Zugfestigkeit als ihre Rückseite aufweist.
Der Bedarf an Leichtbauwerkstoffen mit hoher Splitter- und Durchschlagfestigkeit ist in den letzten Jahren erheblich gestiegen, insbesondere für die Verwendung als Panzerplatten.
Bei Aluminiumwerkstoffen steht die Widerstandsfähigkeit gegenüber panzerdurchschlagenden Geschossen (AP) in direktem Zusammenhang mit der Zugfestigkeit und Härte des Werkstoffs. Nun nimmt aber mit steigender Festigkeit und Härte die Splitteranfälligkeit beim Aufprall von Geschossen wie Fragmentsimulatorgeschossen (FS) zu. Bei Aluminiumwerkstoffen mit einer Zugfestigkeit von über etwa 44832 bis 482,65 N/mm2 ist die Splitterneigung beim Auftreffen von FS-Projektilen so groß, daß diese Werkstoffe als Panzerplatten praktisch unbrauchbar sind. H. P. George u. a. beschreiben im US-Patent 30 42 555 Versuche zur Lösung dieses Problems durch Uberaltern der Rückseite von Platten aus den Legierungen 7075 und 7178. Diese, von der Amerikanischen Aluminum Association stammenden Bezeichnungen sind auf S. 10 der Beschreibung erläutert. Das beschriebene Verfahren ist aber sehr schwer zu kontrollieren, d. h. es ist schwierig, beständige Eigenschaften zu erzielen und wenn das Produkt auch verbesserte Splitterbeständigkeit fiufweist, so geht dieser Vorteil doch auf Kosten einer verminderten AP-Festigkeit.
Bei den Aluminiumwerkstoffen besitzt die Legierung des Typs AlZnMg (7039 AA-Bezeichnung) das am besten ausgeglichene Verhältnis von Durchschlags- und Splitterfestigkeit. Für viele Zwecke ist diese Legierung aber nicht ganz befriedigend wegen ihrer verhältnismäßig geringen ballistischen Beständigkeit gegenüber W, 55 panzerdurchschlagenden Geschossen, die auf die Platte unter Winkeln von mehr als 30° auftreffen, d. h. mit einer fci Geschoßbahn, die einen Winkel von mehr als 30* mit einer zur Oberfläche senkrechten Linie bildet. Bei Winkeln
■?:' von mehr als 30° besitzen Stahlpanzer großer Härte höhere ballistische Beständigkeit bei gleichem Gewicht.
U Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Panzerplatte, die eine verbesserte Durchschlagfestigkeit gegenüber
;-:,' panzerdurchschlageriden Projektilen aufweist, während die Stoßfestigkeit gegenüber anderen Geschossen wie
;·.;■ 60 Fragmentsimulatorprojektilen aufrechterhalten bleibt und in vielen Fällen sogar erhöht ist.
& Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Panzerplatte und das dort genannte
·■:■■ Herstellungsverfahren.
j!j Der Erfindung gemäß beträgt die Gesamtdicke der Platte 635 bis 152,4 mm.
b Viele wärmebehandelte Aluminiumlegierungen, wie 7075-T6, 7079-T6, 7178-T6, 2024-T3 und ähnliche, zeigen
λ 65 die für die Frontplatte gewünschten Eigenschaften im Rahmen der Erfindung.
jtf Legierungen mit höherer Festigkeit zeigen eine größere Bruchneigung, wenn sie von Projektilen höheren
$ Kalibers als 20-mm-Geschossen getroffen werden. Eigenschaften, die der Verwendung dieses Werkstoffes für
ii Bauteile Grenzen setzen, die vielfachen Stoßen ausgesetzt sind. Solche Legierungen mit hoher Festigkeit bieten
aber in der erfindungsgemäßen Panzerplatte vorzügliche Eigenschaften bei Einzeltreffern.
Die Rückseitenplatte hat vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 5 und 12% der Gesamtplattendicke. Es kann jede aushärtbare Aluminiumlegierung im Rahmen der im Anspruch 1 für die Rückseitenplatte angegebenen Zusammensetzung verwendet werden, wenn die Rückseitenplatte in der fertigen Verbundplatte die gewünschte Festigkeit aufweist (vorzugsweise 0,5 bis 1,5% Magnesium). Zur Erleichterung der Verbindung beider Platten durch Schweißen sollte das Verhältnis des Magnesiumgehaltes in der Rückseitenplatte zu dem in der Frontplatte unter 0,7 liegen.
Kupfer kann zwischen 0,10 und 0,20% zur Verbesserung der Spannungskorrosionsbeständigkeit in dem Wärmebehandlungszustand T6 vorliegen. Im allgemeinen liegt der Kupfergehalt in handelsüblichen Legierungen unter 02?k, wenn die Stücke geschweißt werden sollen, es können aber auch Legierungen mit 2 bis 3% Kupfer nach den üblichen Methoden geschweißt werden.
Alle hier beschriebenen Zusammensetzungen sind auf Gewichtsbasis angegeben, und alle Festigkeitseigenschaften sind in Längs/Querrichteng bestimmt Der Ausdruck »Längs/Quer«-Richtung bezieht sich auf die Richtung senkrecht zur Richtung der Metallbearbeitung oder Fließrichtung und in der weiteren Ausdehnung eines Querschnitts in einer Ebene senkrecht zur Metallfließrichtung.
Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäße Panzerplatte eine erheblich verbesserte Durchschlagsfestigkeit gegenüber panzerbrechenden Geschossen aufweist In den meisten geprüften Zusammensetzungen wurde eine leichtere Erhöhung der Splitterfestigkeit bei gleichem Gewicht verzeichnet Die Verbesserung der Splitterfestigkeit zeigt sidi besonders beim Vergleich mit Werkstoffen, die eine entsprechende Festigkeit gegen panzerbrechende Geschosse besitzen, wie homogene Stahlplatten von großer Härte und Platten aus hochfesten Aluminiumlegierungen.
Ein kritisches Merkmal der Erfindung ist die Beziehung z\vischep. der Dicke der Rückseiteftp'atte und der Gesamtdicke der Panzerplatte zwecks Errettung einer verbesserten Splitterfestigkeit und damit in Verbindung einer wesentlich verbesserten Durchschlagsfestigkeit Es wurde gefunden, daß eine Dicke der Rückseitenplatte von zwischen 4 und 12% der Gesmtdicke der Verbundplatte eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber AP-Geschossen gewährleistet Größere oder geringere Dicken geben im allgemeinen keine wesentlichen Verbesserungen gegenüber der Frontplatte allein. Eine maximale Festigkeit gegenüber AP-Geschossen kann erreicht werden, wenn die Dicke der Rückseitenplatte etwa 5 bis 6% beträgt, was besonders dann gilt, wenn die Projektile mit großer Neigung, d. h. mit Winkeln von etwa 45° auftreffen. Die Festigkeit gegenüber FS-Geschossen aber ist mehr oder weniger eine Funktion der Rückseitenplattendicke, und zwar bis zu einer Dicke von mehr als 20% der Gesamtplattendicke. Je größer die Dicke der Rückseitenplatte, desto größer die Widerstandsfähigkeit gegenüber FS-Geschossen. Eine Rückseitenplattendicke zwischen 4 und 20%, vorzugsweise zwischen etwa 5 und 12%, ergibt das am besten ausgeglichene Verhältnis zwischen AP- und FS-Durchschlagsfestigkeit
Die Zeichnung erläutert die Beziehungen der prozentualen Dicke der Rückseitenplatte (Abszisse Rückseitenplattendicke in % der Dicke der ganzen Panzerplatte), mit Bezug auf die Dicke der Gesamtplatte und die ballistischen Eigenschaften (Gütegrad, Ordinate) einer erfindungsgemäßen Panzerplatte mit einer Frontplatte und einer Rückseitenplatte, wobei die Sollzusammensetzung für die Frontplatte 6,6% Zink und 2,5% Magnesium und für die Rückseitenplatte 5,5% Zink und 0,75% Magneisum beträgt. Die Erfindung erlaubt eindeutig, die ballistischen Eigenschaften der Panzerplatte so zu planen, daß sie den Anforderungen eines breiten Anwendungsgebietes genügt
Die einzelnen Platten werden miteinander verbunden und bilden die fertige Panzerplatte durch eine innige Metall/Metall-Verbindung, die auf verschiedene Weise, wie be>-.pielsweise durch Walzen, Explosionsverbindung usw. hergestellt werden kann.
Vorzugsweise werden die gebräuchlichen Walzmethoden angewandt, bei denen die Werks» ücke auf eine Temperatur von etwa 343 bis 482° C erwärmt und mehrmals durch Walzen geschickt werden, wobei die Dicke der Platten leicht reduziert und die Werkstücke miteinander verschmolzen werden, woran sich nocii ein Warmwalzen dtr Teile zur Bildung der gewünschten Verbundplatte anschließt. Die Verminderung der Dicke der Verbundplatte während des Warmwalzens sollte normalerweise mehr als 50%, vorzugsweise etwa 80%, betragen.
Bei Aluminiumlegierungen mit einem Gehalt von mehr als etwa 1,5% Magnesium ist nach den üblichen Walzverfahren nur schv» ir eine einwandfreie Verbindung zu erhalten. Es wurde gefunden, daß diese Verbindung besser hergestellt werden kann, wenn man die Legierungen vorher mit kleinen Mengen (d. h. V2 bis 2% der Gesamtdioke) Aluminium oder einer verhältnismäßig magnesiumfreien Aluminiumlegierung (d. h. mit nicht mehr als 0,1% Magnesium) überzieht und dann die überzogenen Werkteile mit den vorbehandelten Flächen aufeinanderwalzt Geeignete Legierungen zur Herstellung dieser Überzüge sind die genormten amerikanischen Legierungen 3003,1100,7072 und 1230.
Wegen der Tatsache, daß die beiden Platten zur Bildung der Panzerplatte verbunden werden, ist die Auswahl an Legierungen begrenzt weil beide Platten natürlich auf die gleiche Wärmebehandlung ansprechen müssen, damit die geforderten Festigkeitseigenschaften erhalten werden. Die oben genannten Legierungszusammensetzungen sind erfindungsgemäß in dieser Hinsicht besonders verträglich. M'.l ihnen können viele künstliche Aushärtungsbehandlungen durchgeführt werden. Zur Erzielung der gewünschten ballistischen Eigenschaften kann die lösungsgeglühte Panzerplatte zwischen 104 bis 1210C ausgelagert und etwa 24 bis 48 Stunden auf dieser Temperatur gehalten werden, Bedingungen, die im einzelnen von der Piattendicke und der Au'ihärtungstemperatur abhängen. Es können selbstverständlich auch andere Aushärtungsmethoden angewandt werden. Es wurde gefunden, daß durch Überaltern entweder durch Aushärtung in einem einzigen Schritt oder in mehrfachen Schritten, di<· Splitterfestigkeit der behandelten Fläche der Frontplatte verstärkt werden kann, besonders bei Geschoßbahnen mit einem größeren Winkel als 30° zu einer zur Oberfläche senkrechten Linie.
In Tabelle I sind verschiedene Beispiele gemäß der Erfindung aufgeführt Ein Vergleich der ballistischen
Eigenschaften der Beispiele mit der Legierung 7039-T64 findet sich in Tabelle II. Die für die Beispiele benutzten Proben v/urden in der Weise hergestellt, daß zunächst Frontplatte und Rückseitenplatte auf der einen Seite mit der Legierung 1230 in einer Dicke zwischen '/2 und 2% bezogen auf die Gesamtdicke überzogen wurden, worauf die Werkteile auf eine Walztemperatur zwischen 343 und 454°C erwärmt und dann durch Walzen verbunden wurden und zwar mit den mit Legierung 1230 überzogenen Flächen aufeinander liegend, was zu einer Reduzierung der Gesamtdicke zwischen 60 und 80% führte. Die Proben der Beispiele 1 bis 9 wurden lösungsgeglüht durch Erwärmen auf 454°C und Abschrecken in kaltem Wasser, woran sich eine Auslagerung anschloß; dies entspricht der der AA-Norm.
Die künstliche Aushärtung bestand in einer fünftägigen natürlichen Aushärtung, Erwärmung auf die Aushärtungstemperatur von 116°C mit einer Geschwindigkeit von 19,5°C/Std. und 48stündiger künstlicher Aushärtung bei dieser Temperatur. Die Probe für Beispiel 10 wurde zur Herstellung des Zustands T6 der üblichen Wärmebehandlung unterworfen. Die Zugfestigkeitseigenschaften (Längs/Querrichtung) der Werkteile der Proben sind in Tabelle I wiedergegeben.
Die so hergestellten Proben wurden dann ballistischen Prüfungen unterworfen, und zwar mit 0.30-kalibrigen AP-Geschossen bei einem Aufschlagswinkel von 0°, 0,50-kalibrigen AP-Geschossen bei 45° und 0°. 20-mm-AP-Geschossen bei 30° und 20-mm-FS-Projektilen. Wie die Tabelle Il zeigt, wurde bei den Tests die geringste Geschwindigkeit für vollständigen Geschoßdurchschlag und die höchste Geschwindigkeit für partiellen Geschoßdurchschlag bestimmt. Der ballistische Grenzwert ist das Mittel aus diesen beiden Geschwindigkeiten. Die ermittelten ballistischen Grenzwerte wurden mit den bekannten Grenzwerten für 7039-T64 verglichen und die Dicke dieser Legierung bestimmt, die notwendig ist, um den gleichen Schutz zu gewähren, d. h. die den gleichen ballistischen Grenzwert besitzt wie die Verbundplatte. Dann wurde mit Hilfe der in Tabelle Il aufgeführten Formel die Güteklasse der Verbundplatte bestimmt.
Wie die in Tabelle Il wiedergegebenen Gütegrade zeigen, lassen sich mit der Verbundplatte gemäß der Erfindung erhebliche Steigerungen der AP-Widerstandsfähigkeit erreichen.
Wichtiger noch ist, daß keine wesentliche Verminderung der FS-Widerstandsfähigkeit eintrat und in vielen Fällen, wie in den Beispielen 4 und 5, sogar ein Anstieg der FS-Festigkeit zu verzeichnen war. Wenn diese Verbesserung auch nicht folgerecht zu erreichen ist, so ist sie doch erheblich, verglichen mit anderen Werkstoffen, die die entsprechende AP-Festigkeit besitzen. Außerdem ist erfindungsgemäß eine Gewichtseinsparung bis zu 25% gegenüber 7039-T64 bei gleichwertigem Schutz möglich. Die AP-Festigkeit der erfindungsgemäßen Verbundplatte (auf gleicher Gewichtsbasis) ist der von Stahl mit einer Härte von 300 Brinell überlegen und der von Stahl mit einer Härte von 500 Brinell gleichwertig oder überlegen. Ferner ist die Splitterfestigkeit der Verbundplatte gemäß der Erfindung der von homogenen Stahlplatten großer Härte weit überlegen.
Die Zusammensetzungen der in der Beschreibung aufgeführten, genormten amerikanischen Legierungen der Aluminum Association werden in Tabelle III angegeben:
Die Angaben T6 iisw. bezeichnen wärmebehandelte Aluminiumlegierungen und zwar lösungsgeglühte und ausgelagerte Legierungen. Die Bezeichnung T64 bezeichnet eine lösungsgeglühte ausgelagerte Legierung, die zusätzlich künstlich gealtert ist.
in der grafischen Darstellung Siriii auf der Ofümäic die Güteklassen der Tabelle ii eingetragen, die mit den römischen Zahlen II - V bezeichnet sind, und zwar entspricht die oberste Kurve der Kolonne II in Tabelle Il und die unterste, flache Kurve der Kolonne V der Tabelle 11. Die beiden dazwischen liegenden Kurven entsprechen den Kolonnen III und IV. Die Abszisse bezeichnet die Dicke der Rückseitenplatte in Prozenten, bezogen auf die Gesamtdicke der Platte.
Tabelle I
Beispiel Frontplatte
Zusammensetzung 		Zn,
Mg,
Aluminium		 Rückseitenplatte
Zusammensetzung 		Zn,
Mg,
Aluminium		 Frontpiatte
Zugfestigkeit
N/mm2 		Rückseitenplatte
Zugfestigkeit
N/mm2
1 6,6%
23%
Rest		 Zn,
Mg,
Aluminium		 5,5%
1,0%
Rest		 Zn,
Mg,
Aluminium		 607,23 39338
2 6,6%
23%
Rest		 Zn,
Mg,
Aluminium		 53%
1,0%
Rest		 Zn,
Mg,
Aluminium		 5933O 39338
3 6,6%
23%
Rest		 Zn,
Mg,
Aluminium		 53%
0,75%
Rest		 Zn,
Mg,
Aluminium		 572,90 372,78
4 6,6%
23%
Rest		 Zn,
Mg,
Aluminium		 53%
0,75%
Rest		 Zn,
Mg,
Aluminium		 572^0 372,78
5 6.6%
23%
Rest		 53%
0,75%
Rest		 566,03 372,78
Tabelie I (Fortsetzung)
Beispiel
Frontplatte Zusammensetzung
6.6% Zn,
2.5% Mg,
Rest Aluminium
6,6% Zn,
2.5% Mg,
Rest Aluminium
4,5% Zn,
4.2% Mg,
Rest Aluminium
Rückseitcnplattc Zusammensetzung
5.5% Zn,
0,75% Mg,
Rest Aluminium
5.5% Zn,
0,75% Mg.
Rest Aluminium
5,0% Zn.
0.5% Mg.
Rest Aluminium
Frontplatte Rückseitenplatte
Zugfestigkeit Zugfestigkeit
N/mm2 N/mm2
566,03
559,17
551,32
372,78
372,78
400,24
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
^ίέίΜ .'.
Tabelle II Ballistische Eigenschaften
Probe Nn
Panzerplatte
Dicke, mm
RUckseitenplatte
Dicke, Vo
der Gesamtdicke
Gütegrad*) Call. AP/10° 11
Gütegrad*) CaI. 50 AP/45"
III
Gütegrad*) CaI. 50 AP/0°
IV
Gütegrad') 20 mm AP/30"
Güiegrad*) 20 nm FS
ί 25,4
2 25,4
3 31,75
4 31,75
5 31,75
6 76,2
7 76,2
3 25,4
4,5
12,9
4,0
7,9
163
4,7
9,7
11,0
121 126
120 119
122 —
120 124
114
102
104
119
112
110
110 115
,, <-j.|)tC|jra(j _ Gewicht der Legierung 7039-T64 das (pro Flächeneinheit) zum Schutz erforderlich ist x · ., Gewicht der Verbundplatte, das (pro Flächeneinheit) den gleichen Schutz bietet
Tabelle III Zusammensetzung der in der Beschreibung genannten Aluminiumlegierungeri nach AA-Norm
Legier. AA-No.
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr Ni
Zn
Ti
andere Stoffe Al
einzeln gesamt min.
1100 1,0Si + Fe 0,05-0,20 0,05 U-1.8 0,10 0,10 0.15 0,05 0,15 99,00
12*30 0,7 Si + Fe 0,10 0,05 . . . ... ... 0,10 0,05 99,30
2024 0,50 0,50 3.8-4,9 030-0,9 0,10 0,25 0,05 0,15 Rest
3003 0,6 0,7 0,05-0,20 1,0-1,5 2,1 - 2,9 0,58-0,35 0,10 0,20 0,05 0,15 Rest
7072 0,7 Si + Fe 0,10 0,10 2,9-3,7 0,10-0.25 0,8-1,3 0,10 0,05 0,15 Rest
7075 0,40 0,50 1,2-2,0 030 2,4-3,1 0,18-035 5.1-6,1 0,20 0,05 0,15 Rest
7079 0,30 0,40 0,40-0,8 0.10-0,30 3,8-4,8 0,05 0.15 Rest
7178 0,40 0,50 1,6-2,4 030 6,3-7,3 0,05 0,15 Rest
KitTzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Panzerplatte aus einer Aluminiumlegierung mit Gehalten an Zink, Magnesium und Kupfer, deren Frontseite eine höhere Zugfestigkeit als ihre Rückseite aufweist, dadurchgekennzeichnet.daßsie aus zwei miteinander verbundenen Platten besteht, mit einer Frontplatte aus einer hochfesten Aluminiumlegierung mit 4 bis 7% Zink, 1,5 bis 5% Magnesium, bis zu 3% Kupfer und Aluminium als Rest mit vernachlässigbaren Verunreinigungen und einer Zugfestigkeit von 448 bis 621 N/mm2 und einer Rückseitenplatte aus 4 bis 6% Zink, 0,5 bis 3,5% Magnesium, bis zu 3% Kupfer und Aluminium als Rest mit vernachlässigbaren Verunreinigungen und einer Zugfestigkeit von 310 bis 483 N/mm2, wobei die Rückseitenplatte einp um ίο mindestens 13,7 N/mm2 niedrigere Zugfestigkeit als die Frontplatte aufweist, ihre Dicke 4 bis 20% der Gesamtdicke der Verbundplatte beträgt und die Verbundplatte lösungsgeglüht und ausgelagert ist.
2. Panzerplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Magnesiumgehaltes in der Rückseitenplatte zu dem in der Frontplatte kleiner ist als 0,7.
3. Panzerplatte nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung der Rückseitenplatte 0,5 bis 1,5% Magnesium enthält.
4. Panzerplatte nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupfergehalt der Frontplatte und der Rückseitenplatte geringer als 0,2% is L
5. Panzerplatte nach Anspruch ! bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Rückseitenplatte zwischen 5 und 12% der Gesamtdicke der Verbundplatte beträgt
6. Panzerplatte nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfestigkeit der Rückseitenplatte
um mindestens 48,26 N/mm2 niedriger liegt als die Zugfestigkeit der Frontplatte.
7. Verfahren zur Herstellung einer Panzerplatte nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontplatte und die Rückseitenplatte auf Temperaturen von 343" bis 482° C erwärmt und zusammen mehrmals durch Walzen geschickt werden, wobei die Gesamtdicke um mehr als 50% vermindert wird und die
25 beiden Platten durch Verschmelzen miteinander verbunden werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontplatte und die Rückseitenplatte vorher mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit nicht mehr als Q.'.% Magnesium in einer Dicke von Vz bis 2% der Gesamtdicke der Panzerplatte überzogen werden und die beiden Platten so miteinander verbunden werden, daß die überzogenen Flächen aufeinander liegen.
9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die fertige Panzerplatte nach dem Lösungsglühen mehrere Tage auf natürliche Weise ausgelagert und darm 24 bis 48 Stunden bei einer Temperatur von 104 bis 121°C ausgelagert wird.
DE2105851A 1970-01-26 1971-01-26 Panzerplatte aus einer Aluminiumlegierung Expired DE2105851C2 (de)

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