一种复合防弹钢板及其制造方法与流程

本发明属于特种钢冶炼，具体涉及一种复合防弹钢板及其制造方法。

背景技术：

1、轻型装甲运输车、运钞车及防弹背心等对关键部位均提出了防弹要求，要求防弹材料在一定距离内能够承受不同条件下的弹丸冲击。

2、防弹材料主要有高强度防弹钢板、陶瓷复合材料或高分子纤维材料三类，其中防弹钢板是使用最为广泛的材料。国际上，生产防弹钢板的知名企业有瑞典的ssab公司、法国的industeel公司、德国的thyssenkrupp公司等，这些企业均形成了自己的防护钢板系列产品，可以满足不同防护要求产品的需求，其中以瑞典的ssab公司的产品知名度更高。ssab公司生产的ramor系列装甲钢包括了ramor300、ramor400、ramor450、ramor500、ramor550和ramor600，系列产品通过调整合金成分，实现了强度的提升，满足了不同装备的要求。

3、随着国内钢铁行业的飞速发展，国内部分钢板企业也已生产出系列防弹钢板产品，其生产主要思路也是通过调整合金含量，实现淬火后钢板强度的提升，从而提升材料抗弹性能。但对于常规钢铁材料，随着材料强度的提升，冲击韧性往往随之下降，而防弹钢板的生产需要兼顾这两种性能。

4、公开号cn107310218a公开了一种复合防弹钢板及其制造方法，产品厚度2-20mm，通过间隔焊接合金含量较高的硬钢层与合金含量较低的软钢层，实现材料强度与韧性的有效结合，提高了防弹性能。该方法适用于厚度较薄的复合防弹钢板，对于较厚的钢板，中间的软层钢会因合金含量较低而导致淬透性不够，从而形成冲击韧性较低的组织，达不到提高材料抗弹性能的目的。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种复合防弹钢板及其制造方法，其通过相互间隔设置硬钢层与软钢层(奥氏体低密度钢)，使其具有良好的防弹效果，钢板最大厚度达到60mm。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种复合防弹钢板，通过间隔真空复合焊接硬钢层与软钢层坯料，多块坯料复合焊接，最外层为硬钢层，中间层为软钢层，复合焊接的坯料通过高温轧制实现原子结合。

3、其中所述硬钢层的化学元素质量比为：c：0.32～0.42，si：0.20～0.50，mn+cr：

4、1.20～2.50，ni+mo：1.00-2.00，al：0.02～0.06，ti：0.01～0.03，b：0.0010-0.0030，p≤0.010，s≤0.003，其余为fe和不可避免的杂质。化学成分是这样确定的：

5、c：碳是保证钢板强度重要的元素，其固溶强化作用显著，适当的碳含量有助于提高钢的强度，从而提高钢板的抗弹性能，但是过高的含碳量则会降低钢板韧性，对材料的后续加工及使用不利。为保证材料的低温冲击韧性和可焊性，本发明控制碳含量为0.32～0.42％。

6、si：硅是钢中重要的脱氧元素，作为合金时通常以固溶强化形式提高钢的强度，适量的硅可以提高钢的弹性极限、屈服点以及抗拉强度。本发明si含量控制为0.20～0.50％。

7、mn+cr：锰是固溶强化元素，可以提高材料的淬透性，是提高钢板强度的重要元素，但锰含量添加过高容易产生偏析并会降低材料韧性，恶化性能。铬是提高钢淬透性的元素，可以提高钢的强度、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性能。另外，适当的铬含量能够抑制珠光体和多边形铁素体的形成，促进贝氏体或马氏体的转变。本发明这两种元素含量控制为1.20～2.50％。

8、ni+mo：镍在钢中能够增加钢的淬透性，随着钢中镍含量的增加，钢的强度不断上升，但塑韧性并不发生显著的下降，同时高ni的加入有利于提高材料的防弹性能和改善焊接接头性能。钼可提高材料淬透性，控制热处理冷却组织，细化晶粒，提高材料塑性和强度。本发明中这两种元素的含量控制在1.00-2.00％。

9、al：铝是强脱氧元素，适量的铝含量可有效减少钢中的夹杂物含量，而另一方面酸溶铝形成弥散细小的aln可以阻止奥氏体晶粒度的长大，本发明控制al含量控制在0.02～0.06％。

10、ti：钛是强脱氧元素，可以与钢水中的氮结合，达到固氮的作用，本发明ti含量控制在0.01～0.03％。

11、b：硼可以增加钢的淬透性的重要元素，可以节约其他贵重合金的加入量，本发明硼含量控制为0.0010～0.0030％。

12、p：磷为钢中的杂质元素，易形成晶间偏析，给高强钢板的韧性带来不利的影响，应尽量减少其含量。本发明控制p≤0.010％。

13、s：硫在钢中一般为有害元素，其在钢中容易以硫化物的夹杂物存在，降低钢的延展性和韧性，本发明中硫的含量控制在不大于0.003％。

14、所述的硬化层在热处理后抗拉强度达到1800mpa，延伸率≥10％，-40℃v型冲击值≥20j，硬度≥550hbw。

15、所述软钢层为奥氏体低密度钢，化学元素质量比为：c：0.80～1.50％，si：≤0.50％，mn：12.00～20.00％，p：≤0.015％，s：≤0.003％，al：6.00～12.00％，ni+cr+mo：

16、4.00～10.00％，nb：0.02～0.10％，ti：0.02～0.10％，其余为fe和不可避免的杂质元素。

17、软化层是以奥氏体为基体，辅以少量的析出碳化物，使软化层获得较高强度的同时具备了较高的冲击韧性和延伸率。所述的软化层在热处理后强度达到900mpa，延伸率≥30％，-40℃v型冲击值≥70j。

18、主要化学成分是这样确定的：

19、c：c可促进单相奥氏体的形成，同时c在基体中有固溶强化作用，从而提高钢的强度。本发明中c含量为0.80～1.50％。

20、si：si是铁素体固溶强化元素，不利于奥氏体的形成。本发明中的si含量不大于0.50％。

21、mn：mn可以扩大奥氏体区，且能够抑制奥氏体向马氏体转变。在奥氏体中，高mn含量可使钢保持较高的加工硬化率和塑性。本发明中的mn含量为12.00～20.00％。

22、al：al作为轻质化元素，加入3％即可将钢的密度降低至7.4g/cm3。al能够抑制奥氏体向马氏体转变，还有利于形变孪晶的形成。本发明中al含量为6.00～12.00％。

23、ni+cr+mo：ni为奥氏体形成元素，能够起到稳定奥氏体基体的作用；另外，ni与al结合形成金属间化合物可以提高材料强度；cr和mo均是碳化物形成元素，适当的添加该两种元素可以有效提升材料的强度。本发明中ni+cr+mo含量为4.00～10.00％。

24、nb：nb是碳氮化物的形成元素，可以有效提高未再结晶区温度，实现轧钢过程中奥氏体晶粒的扁平化。本发明中nb含量为0.02～0.10％。

25、ti：ti能够起到脱氧剂的作用，且是强碳化物形成元素，在钢材中起到细化强化、析出强化等作用。本发明中ti含量为0.02～0.10％。

26、本发明提供的一种复合防弹钢板采用硬钢层与软钢层间隔组坯、夹层设计，可以根据不同的钢板厚度及防弹要求采用不同的间隔组坯组数，如五组硬软钢坯间隔或七组硬软钢坯间隔，但组坯的最外层需为硬钢层。

27、如上所述的一种复合防弹钢板及其制造方法，包括以下步骤：

28、一、组坯

29、1)组坯成分要求。硬钢层的化学成分需要满足c：0.32～0.42，si：0.20～0.50，mn+cr：1.20～2.50，ni+mo：1.00-2.00，al：0.02～0.06，ti：0.01～0.03，b：0.0010-0.0030，p≤0.010，s≤0.003，其余为fe和不可避免的杂质。软钢层的化学成分需要满足c：0.80～1.50％，si：≤0.50％，mn：12.00～20.00％，p：≤0.015％，s：≤0.003％，al：6.00～12.00％，ni+cr+mo：4.00～10.00％，nb：0.02～0.10％，ti：0.02～0.10％，其余为fe和不可避免的杂质元素。

30、2)组坯尺寸要求。根据成品钢板厚度挑选厚度50～100mm、宽度1500～2500mm、长度2500～4500mm的坯料，该范围的坯料尺寸可以通过常规坯料轧制开坯后获得，其尺寸范围可以根据实际情况进行调整。用于生产同一块钢板的硬钢层和软钢层的宽度和长度需要一致，公差≤3mm，厚度可根据需求，不要求统一，单块软钢层与硬钢层坯料厚度的比值以0.5-1.0为宜。

31、3)组坯不平度要求。为减小后工序的表面铣磨量和保证复合坯料质量，要求硬钢层和软钢层的坯料不平度均≤2mm/m，坯料总体不平度≤3mm。

32、二、真空焊接

33、1)坯料表面铣磨：将用于复合的硬钢层和软钢层坯料分别经铣床进行表面铣磨处理，用于最外层的硬化层坯料只需要铣磨一面，中间层需要两面铣磨，坯料的铣磨深度根据板坯的表面质量和不平度情况，但铣磨后的坯料厚度与复合目标坯料厚度差≤3mm。

34、2)真空焊接：将表面铣磨后的坯料四周进行真空状态下焊接。

35、三、复合轧制

36、1)坯料加热：将焊接复合坯料进入均热炉加热，采用分段加热工艺：装钢炉温≤600℃，装炉后进行焖钢3～4h，目的是通过一定时间的低温加热及保温，减缓复合坯料焊接处的应力，减小开裂倾向；焖钢后以≤100℃/h的加热速率进行加热，加热至850±10℃时保温2～3h，此处保温的目的是保证复合坯中的硬化层完全奥氏体化，减缓因持续快速加热导致复合坯料中硬化层组织转化不完全而形成的组织应力；后再以≤100℃/h的加热速率进行加热，加热至高温段1230±10℃，高温段的保温时间≥复合坯厚度×0.6min/mm，保证较长时间的高温保温时间有助于复合坯料软钢层中碳化物的奥氏体化以及复合坯料边部焊接区域的质量提升。

37、2)轧制：轧钢过程无展宽道次，全纵向轧钢。为保证符合质量，采用高温开轧工艺，开轧温度≥1000℃，轧钢前两道次采用小压下量工艺，单道次压下量≤20mm，后常规道次压下量20～50mm，不控温轧制，总道次8-15。钢板轧制后经热矫直机矫直处理。高温不控轧工艺有助于复合坯料真空区域金属原子的扩散，达到焊接的目的；轧钢前两道次采用小压下量工艺，单道次压下量≤20mm，其主要目的是保证复合坯料焊接区域避免因大变形导致的开裂的现象发生。

38、四、钢板热处理。

39、1)淬火：将轧制钢板利用连续炉进行加热，加热温度920±10℃，保温时间(15～20)min+1.5min/mm×钢板厚度，出炉后水冷至室温。

40、2)回火：淬火钢板利用连续炉进行加热，加热温度180～220℃，保温时间(30～40)min+3.0min/mm×钢板厚度，出炉后空冷至室温。

41、本发明通过交叉复合焊接多层硬钢层坯料与软钢层坯料，并将复合坯料进行轧制和热处理，最终实现了使材料具有高硬度与高韧性，达到良好的防弹效果，钢板最大厚度达到60mm。软钢层采用的奥氏体低密度钢板坯料，此类坯料在轧制并热处理后强度达到900mpa，延伸率≥30％，-40℃v型冲击值≥70j。且由于其密度低于常规材料至少10％的特点，有助于复合钢板的总体减重。硬化层为高强钢坯料，此类坯料在轧制并热处理后抗拉强度达到1800mpa，延伸率≥10％，-40℃v型冲击值≥20j，硬度≥550hbw。

42、与现有技术相比，本发明的优点在于：

43、(1)本发明提供了一种复合防弹钢板及其制造方法，复合防弹钢板通过硬钢层和软钢层的间隔组坯轧制而成，其中硬钢层具有较高的淬透深度和淬硬性，有助于提高钢板的抗弹性能，而软钢层采用的奥氏体低密度钢板坯料，在保证材料冲击韧性的同时具有较好的强度，另外由于其密度低于常规材料至少10％的特点，有助于复合钢板的总体减重。

44、(2)本发明的一种复合防弹钢板及其制造方法中，采用硬钢层与软钢层间隔组坯、夹层设计，可以根据不同的钢板厚度及防弹要求采用不同的间隔组坯组数，如五组硬软钢坯间隔或七组硬软钢坯间隔，但组坯的最外层需为硬钢层。硬钢层和软钢层的坯料厚度可以根据需求进行调节，但单块软钢层与硬钢层坯料厚度的比值以0.5-1.0为宜。

45、(3)本发明的一种复合防弹钢板制造方法中，轧钢过程采用双机架轧钢，设定开轧温度≥1000℃，且不控温轧制，其目的是高温轧制有助于复合坯料真空区域金属原子的扩散，达到焊接的目的；轧钢前两道次采用小压下量工艺，单道次压下量≤20mm，其主要目的是保证复合坯料焊接区域避免因大变形导致的开裂的现象发生。

46、(4)本发明的一种复合防弹钢板制造方法中，钢板成品状态为“淬火+回火”，设定淬火加热温度920±10℃，保温时间(15～20)min+1.5min/mm×钢板厚度，合理的加热温度和时间在避免复合防弹钢板中硬钢层晶粒度过分长大的同时有助于复合防弹钢板中软钢层碳化物的溶解，水冷淬火后有助于其韧性的提高。回火工艺为：加热温度180～220℃，保温时间(30～40)min+3.0min/mm×钢板厚度，合理的回火工艺使淬火钢板在减小组织转变应力的同时保持了良好的强韧性。