KR20160130284A - 균형 잡힌 장갑 관통-파열 성능을 갖는 방어 용례용 7xxx계 합금 - Google Patents

Abstract

7xxx계 알루미늄 합금으로 제조된 장갑 요소를 제공하며, 알루미늄 합금은, 본질적으로,
- 8.4중량% ≤ Zn ≤ 10.5중량%;
- 1.3중량% ≤ Mg ≤ 2중량%;
- 1.2중량% ≤ Cu ≤ 2중량%;
- 총 분산질 형성 원소의 함량이 0.05중량%보다 높도록 하여 적어도 1종의 분산질 형성 원소;
- 잔부로서 실질적으로 알루미늄, 부수적 원소 및 불순물
로 이루어지며, 7xxx계 알루미늄 합금은 0.5 내지 3인치의 두께를 갖는 플레이트 형태이며,
7xxx계 알루미늄 합금은,
(i) 파편 모사 입자 V50 방탄 한계 속도가
V50(FSP 20mm) > 1633 T² - 1479 T + 1290
을 달성하고(여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s이다),
(ii) 장갑 관통 V50 방탄 한계 속도가
V50(0.30구경 AP M2) > -282 T² + 1850 T + 610
을 달서하도록(여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s이다) 과시효 처리 된다.

Description

균형 잡힌 장갑 관통-파열 성능을 갖는 방어 용례용 7xxx계 합금{A 7XXX ALLOY FOR DEFENCE APPLICATIONS WITH A BALANCED ARMOR PIERCING-FRAGMENTATION PERFORMANCE}

본 개시는 7xxx계 알루미늄 합금 등의 고강도 알루미늄 합금으로 이루어진 군용 차량용 장갑 요소에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 차량의 외면에 장착되는 제거 가능 패널인 장갑 외피 벽(armor hull wall) 및 애드온 아플리케(add-on applique)를 제조하는 데에 이용되는 장갑 요소에 관한 것이다.

일반적으로, 장갑 실드는 통상 강, 알루미늄, 티타늄 또는 그 합금으로 이루어진 금속 패널을 포함한다. 그러한 패널은 충돌 시에 관통탄의 운동 에너지를 흡수하는 우수한 능력을 갖는다. 하지만, 특히 강 합금으로 이루어지는 경우, 그러한 패널은 무겁고 차량에 의해 운반되는 중량과 관련지을 때에 에너지 흡수 측면에서 효과가 낮다. 따라서, 알루미늄 합금으로 이루어진 알루미늄 요소들이 그러한 용례에 바람직하다.

장갑 패널은 충돌 또는 충격에 노출되는 면과 후면 또는 출구면(exit face)을 갖는다. 금속 패널에 충돌 시에, 장갑 관통 탄체는 그 패널에서 완전히 멈춰질 수 있지만, 그 후면에서의 패널에 대한 손상은 패널에서부터 차량 내부를 향해 격렬하게 분출되는 파편의 형성을 초래할 수 있다.

달리 지시하지 않는다면, 합금의 화학적 성분과 관련한 모든 표시는 합금의 총 중량에 기초한 중량 백분율로서 나타낸다. 1.4Cu란 표현은 중량%의 구리 함량에 1.4를 곱한 것을 의미한다. 합금에 대한 명명은 당업자에게 알려진 알루미늄 협회(The Aluminium Association)의 규정에 따른다. 열처리(temper)의 정의는 유럽 표준 EN 515에 규정되어 있다.

달리 언급하지 않는다면, 정적 기계적 특성, 다시 말해 극한 인장 강도(UTS), 인장 항복 응력(TYS), 파단 연신율(A)은 유럽 표준 EN 10002-1에 따른 인장 시험에 의해 결정되며, 시편이 취해지는 위치와 그 방향은 유럽 표준 EN 485-1에 정의되어 있다. 달리 언급하지 않는다면, EN 12258-1에 따른 정의가 적용된다.

실드 효과성을 특정하기 위해, 장갑 패널은 일반적으로 2종류의 시험을 거친다. 관통 탄체를 정지시키는 능력을 정량화하기 위한 제1 시험은 약어 "AP"(Armor Piercing)로 나타내며, 관통에 대한 저항을 특정 짖는다. 제2 시험은 파편을 생성하는 충돌에 견디는 능력을 정량화하기 위한 것이다. 이러한 형태의 제2 시험은 약어 "FSP(Fragment simulated projectile: 파편 모사 탄체)"로 나타낸다. 이들 시험 중에, 장갑 패널은 상이한 형상 및 사이즈(AP 시험을 위해서는 스핀들 형상, FSP 시험을 위해서는 보다 짧고 굵은(squat) 형상)를 갖는 탄체의 타겟이다. 각 시험에서, 테스트 패널의 두께와, 그 장갑 패널이 보호할 위협(threat)의 성질에 따라 탄체에 다양한 기하학적 형상이 이용된다. 예를 들어, 미국 군용 규격 MIL-DTL-46063H에 따르면, 7039 합금으로 이루어지고 1.5"보다 두꺼운 플레이트는 0.5" 구경의 AP M2 탄환을 이용한 AP 시험을 받아야 하고, 1.5"보다 얇은 플레이트는 0.3" 구경의 AP M2 탄환을 이용한 AP 시험을 받아야 한다. 하지만, 실제로, 0.3" 구경의 AP M2 탄환이 1.5"보다 약간 두꺼운 플레이트에 대한 AP 시험에도 여전히 이용되고 있다.

두 시험 모두에 대해, 탄환을 멈추고 그 운동 에너지를 흡수하는 능력은 속도 차원을 갖는 "V50 ballistic limit(방탄 한계 속도)"로 불리는 파라미터에 의해 정량화된다. 예를 들면, V50은 MIL-STD-662 (1997)에서 장갑 재료의 관통의 가능성이 50%인 속도로 정의되어 있다. 이는 부분 관통에 상응하는 최고 속도를 갖는 결과들과 완전 관통에 상응하는 최소 속도를 갖는 결과들을 동일한 수로 취하여 충돌 시의 탄체에 의해 얻어지는 속도의 평균을 계산함으로써 얻어진다. 완전 관통은 충돌하는 탄체 또는 임의의 파편(탄체 또는 테스트 시편의 파면)이 테스트 시편 뒤에 위치한 얇은 목격자 플레이트(witness perforate)를 뚫는 경우에 발생한다.

모든 장갑 재료에 대해, 장갑 관통 저항과 파편 모사 입자 저항은 서로 상반된 특성으로, 재료가 높은 AP 저항을 갖는 경우에 그 재료는 흔히 나쁜 FSP 저항을 갖는다. 반대로, 높은 FSP 저항을 갖는 재료는 흔히 보통의 AP 저항을 갖는다.

미국 특허 제8,206,517호에서는 1 내지 4인치의 두께를 갖고 본질적으로 7.0 내지 9.5중량%의 Zn, 1.3 내지 1.68중량%의 Mg, 1.2 내지 1.9중량% Cu, 0.4중량% 이하의 적어도 1종의 결정립 구조 원소(grain structure element)를 함유하고 잔부는 알루미늄, 부수적 원소 및 불순물로 이루어진 7xxx계 알루미늄 합금으로 이루어진 플레이트 형태의 장갑 요소를 개시한다. 그 7xxx계 알루미늄 합금은 항복 강도, FSP 성능, 및 폭렬 저항(spall resistance)에 관한 3가지 조건에 동시에 부합하도록 과시효 처리된다. 미국 특허 제8,206,517호에 따른 7xxx계 알루미늄 합금의 화학적 조성은 AA7085 합금의 조성과 많이 겹친다. 미국 군용 규격 MIL-DTL-32375 (MR)는 0.500 내지 3.000인치의 공칭 두께의 비용융 용접 용례를 위한 7085 로우트 알루미늄 합금(wrought aluminum alloy) 장갑 플레이트를 커버한다. 그 규격에 따르면, 7085 합금은 비용접 아플리케 장갑으로서만 이용해야 한다.

장갑 관통 저항(AP)과 파편 모사 입자(FSP) 저항이 동시에 높은 7xxx계 합금을 달성하기는 일반적으로 곤란하다. 게다가, 용접 후에 허용 가능한 거동 또한 갖고 있고, 이에 따라 용접 장갑 외피 벽을 제조하는 데에 이용할 수도 있는 7xxx계 합금을 달성하기는 더욱 곤란하다.

본 발명의 제1 과제는 7xxx계 알루미늄 합금으로 제조된 장갑 요소로서, 그 알루미늄 합금은, 본질적으로,

- 8.4중량% ≤ Zn ≤ 10.5중량%;

- 1.3중량% ≤ Mg ≤ 2중량%;

- 1.2중량% ≤ Cu ≤ 2중량%;

- 총 분산질 형성 원소의 함량이 0.05중량%보다 높도록 하여 적어도 1종의 분산질 형성 원소;

- 잔부로서 실질적으로 알루미늄, 부수적 원소 및 불순물

로 이루어지며, 7xxx계 알루미늄 합금은 약 0.5 내지 약 3인치, 즉 12.7 내지 약 76.2mm의 두께를 갖는 플레이트 형태이며,

7xxx계 알루미늄 합금은,

(i) 파편 모사 입자 V50 방탄 한계 속도가

V50(FSP 20mm) > 1633 T² - 1479 T + 1290

를 달성하고(여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s이다)

(ii) 장갑 관통 V50 방탄 한계 속도가

V50(0.30구경 AP M2) > -282 T² + 1850 T + 610

를 달성하도록(여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s이다) 과시효 처리(over-age)된다.

아연, 마그네슘 및 구리는 본 발명에 따른 장갑 요소의 알루미늄 합금의 주요 합금 원소이다. 장갑용으로 50년 이상 전에 개발된 AA7039 알루미늄 합금과 비교해, 본 발명의 알루미늄 함금은 Zn 함량이 높고 Mg 함량이 낮다.

아연이 제1 주요 합금 원소이다. 본 발명의 프레임에 의해 정해지는 Mg 및 Cu 함량 범위와 조합하여, AP 및 FSP 탄도 시험에서 동시에, 즉 동일 주조 합금으로 이루어진 샘플에 대해 얻어지는 최고의 결과는 약 8.4중량% 이상 약 10.5중량% 이하의 Zn 함량에 의해 달성되었다. 바람직하게는, Zn 함량은 약 8.5중량% 내지 약 9.5중량%, 보다 바람직하게는 약 8.5중량% 내지 약 9.0중량%이다.

마그네슘은 아연 함량보다 상당히 낮은 함량을 갖는다. 유리하게는, Mg/Zn 비는 0.20 이하이며, 여기서, Mn과 Zn은 알루미늄 함금에서 마그네슘과 아연의 중량 백분율이다. 본 발명의 프레임에 의해 정해지는 Zn 및 Cu 함량 범위와 조합하여, AP 및 FSP 탄도 시험에서 동시에 얻어지는 최고의 결과는 약 1.3중량%보다 낮고 약 2중량%보다 높은 마그네슘 함량에 의해 달성되었다. 바람직하게는, 마그네슘 함량은 약 1.5중량% 내지 약 2중량%, 보다 바람직하게는 약 1.8중량% 내지 약 2.0중량%, 즉 약 1.75중량% 내지 약 2.04중량%이다.

AA7039와 달리, 구리는 또 다른 주요 합금 원소이다. 본 발명의 프레임에 의해 정해지는 Zn 및 Mg 함량 범위와 조합하여, AP 및 FSP 탄도 시험에서 동시에 얻어지는 최고의 결과는 약 1.2중량% 이상 약 2중량% 이하의 구리 함량에 의해 달성되었다. 바람직하게는, Cu 함량은 약 1.4중량% 내지 약 1.8중량%이다. 또한, 본 출원인은 구리와 마그네슘의 함량(중량%)이 대략 동일한 경우, 통상 0.9≤Cu/Mg≤1.1인 경우, 최고의 장갑 관통 저항(AP) 및 파편 모사 입자(FSP) 저항값이 동시에 얻어진다는 점도 주목하였다.

Zr, Sc, V, Hf, Ti, Cr 및 Mn 등의 분산질 형성 원소가 결정립 구조를 제어하기 위해 첨가된다. 분산질 형성 원소의 최적의 수준은 프로세싱에 좌우된다. 바람직하게는, 분산질 형성 원소는 본질적으로 지르코늄이다. 바람직하게는, Zr 함량은 약 0.15중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 0.08중량% 미만이다.

다른 분산질 형성 원소가 단독으로 또는 기타 분산질 형성 원소와 함께 첨가될 수도 있다. 예를 들면, 스칸듐이 분산질 형성 원소로서 첨가될 수 있다. 그 함량은 바람직하게는 약 0.3중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 0.18중량% 미만이다. 지르코늄과 조합한 경우, Sc와 Zr의 합은 바람직하게는 0.17중량% 미만이다. 크롬, 하프늄, 또는 바나듐이 약 0.3중량% 미만, 바람직하게는 약 0.15중량% 미만으로 첨가될 수 있다. 망간은 단독으로 또는 기타 분산질 형성 원소 중 1종과 함께 첨가될 수 있다. Mn 첨가를 위한 바람직한 최대량은 약 0.30중량%이다.

잔부는 실질적으로 알루미늄, 부수적 원소 및 불순물이다. "실질적으로"란 표현은 소량의 기타 원소가 의도적으로 첨가될 수 있음을 의미한다는 것을 이해할 것이다. "부수적 원소 및 불순물"은 합금에 의도적으로 첨가하진 않았지만, 제조 공정 또는 개별 합금 원소 내의 천연 불순물로 인해 합금 내에 불가피하게 발생하는 원소 및 불순물 개재물을 의미한다는 것을 이해할 것이다. Fe 함량은 바람직하게는 약 0.3중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 0.1중량% 미만이다. Si 함량은 바람직하게는 약 0.2중량% 미만, 보다 바람직하게는 약 0.1중량% 미만이다. 기타 불순물 원소는 바람직하게는 100중량%로서 간주한 합금의 총 중량에 기초하여 각각이 약 0.05중량% 이하, 총 불순물 함량이 약 0.15중량%이하로 되게 존재한다.

본 발명에 따른 합금 제품은 통상의 용융 공정에 의해 제조되고 잉곳 형태로 주조될 수 있다. 붕화 티타늄 또는 탄화 티타늄 등의 결정립 미세화제(grain refiner)가 이용될 수도 있다. 스캘핑(scalping) 및 460℃ 내지 520℃에서 5 내지 60시간 동안 균질화 후에, 잉곳은 또한 열간 가공, 통상의 복수의 단계에 걸쳐 열간 압연하여, 0.5 내지 3인치의 목표 게이지 근처의 두께를 갖는 플레이트를 얻는다. 이어서, 그 제품은 460 내지 480℃에서 1 내지 5시간 용체화 열처리되고 95℃ 미만의 온도로 급랭(quenching)된다. 그 제품은 또한 예를 들면, 2% 정도, 통상은 1 내지 3%로 연신시킴으로써 추가 처리하고, 이어서 아래와 같은 조합된 목표 방탄 특성을 얻도록 시효 처리된다.

V50(FSP 20mm) > 1633 T² - 1479 T + 1290 (I)

V50(0.30구경 AP M2) > -282 T² + 1850 T + 610 (II)

여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s이다.

사용한 단위를 국제단위계(International Unit System)로 한다면, 부합해야할 부등식들은 아래와 같을 것이다.

V50(FSP 20mm) > 0.7715 T² - 17.75 T + 393 (I')

V50(0.30구경 AP M2) > -0.1331 T² + 22.22 T + 186 (II')

여기서, T는 플레이트 두께(단위: mm)로 23mm와 41mm 사이에 포함되며, V50의 단위는 m/s이다.

본 발명에 따르면, 장갑 요소의 7xxx계 합금 플레이트는 약 0.5 내지 약 3인치, 즉 약 12.7 내지 약 76.2mm의 두께를 갖는다. 하지만, 충족해야할 AP 및 FSP 방탄 특성 부등식은 보다 좁은 두께 범위(0.9" 내지 1.5")와 관련이 있는데, 이는 미국 군용 표준(예를 들면, MIL-DTL-46063H 및 MIL-DTL-32375 참조)에 의해 최소 FSP 20mm 및 0.3구경 AP M2 V50 값이 그러한 두께에 대해 요구되기 때문이다. 이러한 이유로, 7xxx계 알루미늄 합금이 0.9" 내지 1.5"의 두께를 갖는 플레이트 형태일 때에 단지 측정될 수 있는 특정 방탄 특성과 함께 기재한 "7xxx계 알루미늄 합금은…달성하도록 과시효 처리되는"라는 문장은, 그 범위 내의 두께를 갖는 플레이트 형태의 7xxx계 합금에 대해 정해지는 시간-온도 과시효 스케줄이 0.9"보다 얇거나 1.5"보다 두꺼운 본 발명의 범위 내의 두께를 갖는 플레이트 형태의 7xxx계 합금에도 적용될 수 있음을 의미한다는 것을 이해할 것이다.

어떠한 시효 처리를 수행하더라도, 공지의 합금에서는 그와 같이 성능에 있어서의 유리한 균형이 존재하지 않는데, 즉 시효 처리가 부등식 (II)을 충족하는 높은 V50(0.3구경 AP M2) 값을 얻기에 적합하다면, FSP 특성은 나빠져 V50(FSP 20mm)이 부등식 (I)에 부합하지 못한다. 마찬가지로, 시효 처리가 부등식 (I)을 충족하는 높은 V50(FSP 20mm) 값을 얻기에 적합하다면, AP 특성은 나빠져 V50(0.3구경 AP M2)이 부등식 (II)에 부합하지 못한다.

바람직하게는, 균질화 처리는 약 493 내지 507℃에서 약 20시간 이루어지며, 잉곳은 또한 440℃ 근처의 온도에서의 첫 번째 통과로 열간 압연되며, 이 압연된 제품은 이어서 470 내지 475℃에서 약 2 내지 4시간 동안 용체화 열처리되며, 이어서 냉수에 담그거나 냉수를 분무함으로써 급랭(quenching), 즉 고속 냉각(fast cooling)되며, 이어서 적어도 두 단계로 과시효 처리된다. 전형적인 2단 과시효 처리는 약 110℃ 내지 130℃에서 약 4 내지 8시간 행하는 것과, 약 140℃ 내지 160℃에서 약 12 내지 20시간 행하는 것을 포함한다. 바람직한 2단 과시효 처리는 약 115 내지 125℃에서 약 5 내지 7시간 행하는 것과, 약 145℃ 내지 155℃에서 약 14 내지 18시간 행하는 것을 포함한다.

다른 실시예에서, 시효 처리의 150℃에서의 총 등가 시간은 25시간을 초과하지 않으며, 바라직하게는 그 등가 시간은 약 5시간 내지 약 25시간, 보다 바람직하게는 약 10시간 내지 약 20시간이다. 150℃에서의 등가 시간 t(eq)는 아래의 식에 의해 결정된다.

여기서, T는 시간 t(시간)에 의해 전개되는 처리의 순간 온도(단위는 켈빈), 그리고 T_ref는 150℃에서 선택된 기준 온도(423K)이다. t(eq)는 단위가 시간으로 표현된다. 15683K의 상수값은 Mg에 대한 확산 활성화 에너지 Q = 130400J/mol로부터 유도된다. t(eq)를 제공하는 식은 가열과 냉각 단계를 고려한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 합금의 화학적 조성은 다음과 같다.

8.5중량% ≤ Zn ≤ 9.5중량%;

1.5중량% ≤ Mg ≤ 2중량%;

1.4중량% ≤ Cu ≤ 1.8중량%;

Fe < 0.1중량%;

Si < 0.1중량%;

0.05중량% ≤ Zr ≤ 0.15중량%; 잔부로서 알루미늄, 부수적 원소 및 불순물.

몇몇 실시예에서, 상기한 화학적 조성 및 제조 공정은 보다 양호한 V50 방탄 결과를 달성할 수 있다. 예를 들면, FSP 방탄 한계 속도는,

V50(FSP 20mm) > 1633 T² - 1479 T + 1320 (I-a), 또는 심지어

V50(FSP 20mm) > 1633 T² - 1479 T + 1350 (I-b)

이면서, AP 방탄 한계 속도는 여전히 부등식(II)을 만족하도록 된다.

예를 들면, FSP 방탄 한계 속도는,

V50(0.30구경 AP M2) > -282 T² + 1850 T + 700 (II-a), 또는 심지어

V50(0.30구경 AP M2) > -282 T² + 1850 T + 790 (II-b)

이면서, FSP 방탄 한계 속도는 여전히 부등식(I)을 만족하도록 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 7xxx계 알루미늄 합금의 화학적 조성은 다음과 같다.

8.5중량% ≤ Zn ≤ 9.0중량%;

1.8중량% ≤ Mg ≤ 2중량%;

1.4중량% ≤ Cu ≤ 1.8중량%;

Fe < 0.1중량%;

Si < 0.1중량%;

0.05중량% ≤ Zn ≤ 0.15중량%; 잔부로서 알루미늄, 부수적 원소 및 불순물이며,

7xxx계 알루미늄 합금은 0.5 내지 3인치의 두께를 갖는 플레이트 형태이며,

7xxx계 알루미늄 합금은,

(i) 파편 모사 입자 V50 방탄 한계 속도가

V50(FSP 20mm) > 1633 T² - 1479 T + 1350 (I-b)

를 달성하고(여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s이다)

(ii) 장갑 관통 V50 방탄 한계 속도가

V50(0.30구경 AP M2) > -282 T² + 1850 T + 790 (II)

를 달성하도록(여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s이다) 과시효 처리된다.

게다가, 본 발명에 따른 장갑 플레이트는 장갑 외피를 제조하도록 용접될 수 있다. 지상 전투 차량 용접 규범(Ground Combat Vehicle Welding Code) 19207-12472301의 §5.9에 따르면, 인장 시험 시편은, 0.5" 플레이트들을 그 가장자리끼리 마주하게 배치하고 이들을 MIG 용접 기법으로 용접함으로써 얻어지는 맞대기 용접부의 용접 후 강도를 측정하도록 가공된다. 이러한 식으로 얻어지는 맞대기 용접부는 41ksi보다 높은 극한 인장 강도를 가지며, 이는 용접 전의 인장 강도의 적어도 45%에 상응한다. 본 발명자들은 충전제 와이어의 적절한 선택에 의해 맞대기 용접부가 44ksi보다 높은, 심지어는 47ksi보다 높은 인장 강도를 가질 수 있다는 점을 주목하였다. 후자의 경우, 용접 후 극한 인장 강도는 용접 전의 인장 강도의 적어도 50%에 상응한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 장갑 플레이트에 의해 동시에 얻어질 수 있는 FSP 방탄 성능 및 0.3구경 AP M2 방탄 성능을 각각 나타내는 그래프이다.
도 1a 및 도 1b에서 "최소"로 표기한 검은 라인은 각각 이하를 의미한다.
V50(FSP 20mm) > 1633 T² - 1479 T + 1290, 및
V50(0.30구경 AP M2) > -282 T² + 1850 T + 610
여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s이다.

실시예

실시예 1: AP 및 FSP 특성

중량 백분율로 나타낸 이하의 화학적 조성을 갖는 합금으로 합금 플레이트 제품을 제조하였다.

[표 1]

합금 A 및 B는 본 발명에 따른 화학적 조성을 갖는다. 합금 C의 아연 함량은 본 발명의 최소 함량보다 낮다. 합금 C의 Mg/Zn비는 대략 0.25, 즉 0.20보다 높다. 합금 D는 AA7039계 알루미늄 합금에 속한다.

플레이트 제품은 이하의 공정을 이용하여 제조하였다.

- 표 1에 나타낸 조성을 갖는 합금의 잉곳을 주조;

- 잉곳을 균질화 처리;

- 균질화 처리된 잉곳을 중간 게이지에 도달하도록 열간 가공;

- 플레이트를 용체화 열처리 ;

- 급랭;

- 최종 게이지에 도달하도록 플레이트를 냉간 가공;

- 연신된 플레이트를 표 2에 나타낸 바와 같이 인공 시효.

플레이트 제품들은 0.9"에서부터 1.6"까지 변화하는 상이한 두께를 가졌고, 그 방탄 특성에 대해 시험되었다. 미국 군용 표준 MIL-STD-662F (1997)에 따라 두 가지 방탄 테스트, 즉 0.3인치 (7.62mm) 탄체를 이용한 장갑 관통 시험과, 20mm 파편 모사 탄체를 이용한 FSP 시험을 수행하였다. 표 2에 기재한 그 결과가 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다.

AA7039계 플레이트 제품, 특히 가장 얇은 플레이트(D-3, D-4 및 D-5)는 아주 양호한 FSP 방탄 특성을 갖는 반면 AP 방탄 특성은 나쁘다. 보다 두꺼운 플레이트 D-1 및 D-2는 AP 및 FSP 방탄 특성 모두 나쁘다.

C 합금 플레이트 제품에 대한 결과는 FSP 성능이 높은 경우에 AP 성능이 나쁘고(C-1), AP 성능이 높은 경우에 FSP 성능이 나쁘다(C-2 및 C-3)는 것을 보여준다.

플레이트 제품 A-1, A-2, A-3, B-1 및 B-2는 AP 및 FSP 성능 모두가 높다. 샘플 A-4는 A-1과 동일한 두께를 갖는다. 그 샘플은 A-1보다 더 많이 과시효 처리되었다. A-4의 AP 방탄 성능은 A-1보다 약간 낮다. A-4의 FSP 방탄 성능은 A-1보다 현저히 낮다.

[표 2]

실시예 2: 용접 후 강도

합금 A로 이루어진 0.5인치 두께의 플레이트 제품들의 쌍을 L 방향을 따라 맞대기 용접하였다. 합금 A로 이루어진 0.5인치 두께의 플레이트 제품들의 다른 쌍을 LT 방향을 따라 맞대기 용접하였다. 이들은 지상 전투 차량 용접 규범 19207에 따라 MIG 용접 기법, 펄스형 용접 전류, 및 AA5356 또는 AA4043의 1.2mm 또는 1.6mm 직경의 충전제 와이어를 이용하여 용접하였다. 인장 시험 시편은 맞대기 용접부의 용접 후 강도를 측정하도록 가공하였다. 인장 시험 결과가 표 3에 나타내어져 있으며, 어느 경우든, 용접 후 극한 인장 강도는 적어도 40.8 ksi (281 MPa)에 상응, 다시 말해, 용접 전의 극한 인장 강도(607 MPa; 88 ksi)의 45%보다 높았다.

충전제 와이어의 적절한 선택에 의해 맞대기 용접부가 용접 전의 인장 강도의 적어도 50%에 상응하는 극한 인장 강도를 갖는다는 점은 주목할 수 있다. 또한, 맞대기 용접부는 44ksi(304MPa)보다 높은, 심지어는 47ksi(324MPa)보다 높은 인장 강도를 갖는다는 점도 주목할 수 있다.

[표 3]

Claims (17)

1. 7xxx계 알루미늄 합금으로 제조된 장갑 요소로서:
   상기 알루미늄 합금은, 본질적으로,
   - 8.4중량% ≤ Zn ≤ 10.5중량%;
   - 1.3중량% ≤ Mg ≤ 2중량%;
   - 1.2중량% ≤ Cu ≤ 2중량%;
   - 총 분산질 형성 원소의 함량이 0.05중량%보다 높도록 하여 적어도 1종의 분산질 형성 원소;
   - 잔부로서 실질적으로 알루미늄, 부수적 원소 및 불순물
   로 이루어지며, 상기 7xxx계 알루미늄 합금은 약 0.5 내지 약 3인치의 두께를 갖는 플레이트 형태이며,
   상기 7xxx계 알루미늄 합금은,
   (i) 파편 모사 입자 V50 방탄 한계 속도가
   V50(FSP 20mm) > 1633 T² - 1479 T + 1290
   를 달성하고(여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s이다)
   (ii) 장갑 관통 V50 방탄 한계 속도가
   V50(0.30구경 AP M2) > -282 T² + 1850 T +610
   를 달성하도록(여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s이다)
   시효 처리되는 것인 장갑 요소.
2. 제1항에 있어서, Mg/Zn ≤ 0.20인 것인 장갑 요소.
3. 제1항에 있어서, 0.9 ≤ Cu/Mg ≤ 1.1인 것인 장갑 요소.
4. 제1항에 있어서, 상기 분산질 형성 원소는 본질적으로 지르코늄이고, 그 함량은 0.05중량% 내지 0.15중량%인 것인 장갑 요소.
5. 제1항에 있어서, Fe < 0.1중량% 및 Si < 0.1중량%인 것인 장갑 요소.
6. 제1항에 있어서, 플레이트 형태의 상기 7xxx계 알루미늄 합금은,
   a) 상기 합금을 잉곳 형태로 주조하는 단계;
   b) 상기 잉곳을 균질화하는 단계;
   c) 상기 잉곳을 열간 가공하여 플레이트를 얻는 단계;
   d) 용체화 열처리하는 단계;
   e) 급랭(quenching)하는 단계;
   f) 선택적으로 약 1% 내지 약 3%의 소성 변형을 갖도록 연신시키는 단계; 및
   g) 적어도 두 단계로 시효 처리하는 단계
   에 따라 제조되며, 상기 시효 처리의 두 단계는, 약 110℃ 내지 130℃에서 약 4 내지 8시간 행하는 것과 약 140℃ 내지 160℃에서 약 12 내지 20시간 행하는 것을 포함하는 것인 장갑 요소.
7. 제1항에 있어서, 플레이트 형태의 상기 7xxx계 알루미늄 합금은,
   a) 상기 합금을 잉곳 형태로 주조하는 단계;
   b) 상기 잉곳을 균질화하는 단계;
   c) 상기 잉곳을 열간 가공하여 플레이트를 얻는 단계;
   d) 용체화 열처리하는 단계;
   e) 급랭하는 단계;
   f) 선택적으로 약 1% 내지 약 3%의 소성 변형을 갖도록 연신시키는 단계; 및
   g) 시효 처리하는 단계
   에 따라 제조되며, 상기 시효 처리의 150℃에서의 총 등가 시간이 25시간을 초과하지 않는 것인 장갑 요소.
8. 제1항에 있어서, 상기 7xxx계 알루미늄 합금은, 본질적으로,
   - 8.5중량% ≤ Zn ≤ 9.5중량%;
   - 1.5중량% ≤ Mg ≤ 2중량%;
   - 1.4중량% ≤ Cu ≤ 1.8중량%;
   Fe < 0.1중량%;
   Si < 0.1중량%;
   0.05중량% ≤ Zr ≤ 0.15중량%;
   잔부로서 알루미늄, 부수적 원소 및 불순물
   로 이루어지는 것인 장갑 요소.
9. 제8항에 있어서, 1.8중량% ≤ Mg ≤ 2중량%인 것인 장갑 요소.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, FSP V50 방탄 한계 속도는,
    V50(FSP 20mm) > 1633 T² - 1479 T + 1320 (I-a)
    이도록 되며, 여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s인 것인 장갑 요소.
11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, FSP V50 방탄 한계 속도는,
    V50(FSP 20mm) > 1633 T² - 1479 T + 1350 (I-b)
    이도록 되며, 여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s인 것인 장갑 요소.
12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, AP V50 방탄 한계 속도는,
    V50(0.30구경 AP M2) > -282 T² + 1850 T + 700 (II-a)
    이도록 되며, 여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s인 것인 장갑 요소.
13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, AP V50 방탄 한계 속도는,
    V50(0.30구경 AP M2) > -282 T² + 1850 T + 790 (II)
    이도록 되며, 여기서, T는 플레이트 두께(단위: 인치)이고, V50의 단위는 ft/s인 것인 장갑 요소.
14. 제1항에 있어서, 상기 플레이트는 용융 용접되며, 그 용접 후의 극한 인장 강도는 용접 전의 극한 인장 강도의 45%보다, 바람직하게는 50%보다 큰 것인 장갑 요소.
15. 제1항에 있어서, 상기 플레이트는 용융 용접되며, 그 용접 후 인장 강도는 44ksi보다, 바람직하게는 47ksi보다 큰 것인 장갑 요소.
16. 제1항에 따른 장갑 요소를 제조하는 방법으로서:
    a) 상기 합금을 잉곳 형태로 주조하는 단계;
    b) 상기 잉곳을 균질화하는 단계;
    c) 상기 잉곳을 열간 가공하여 플레이트를 얻는 단계;
    d) 용체화 열처리하는 단계;
    e) 급랭하는 단계;
    f) 선택적으로 약 1% 내지 약 3%의 소성 변형을 갖도록 연신시키는 단계; 및
    g) 적어도 두 단계로 시효 처리하는 단계
    를 포함하며, 상기 시효 처리의 두 단계는, 약 110℃내지 130℃에서 약 4 내지 8시간 행하는 것과 약 140℃ 내지 160℃에서 약 12 내지 20시간 행하는 것을 포함하는 것인 장갑 요소의 제조 방법.
17. 제1항에 따른 장갑 요소를 제조하는 방법으로서:
    a) 상기 합금을 잉곳 형태로 주조하는 단계;
    b) 상기 잉곳을 균질화하는 단계;
    c) 상기 잉곳을 열간 가공하여 플레이트를 얻는 단계;
    d) 용체화 열처리하는 단계;
    e) 급랭하는 단계;
    f) 선택적으로 약 1% 내지 약 3%의 소성 변형을 갖도록 연신시키는 단계; 및
    G) 시효 처리하는 단계
    를 포함하며, 상기 시효 처리의 150℃에서의 총 등가 시간이 25시간을 초과하지 않는 것인 장갑 요소의 제조 방법.

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