Алюминиевые броневые сплавы в экстремальных условиях использования

Опыт военных действий в последние десятилетия нашего времени, полученный в войне в Афганистане, двух войн в Чечне и последнего конфликта в Нагорном Карабахе, выявили целый ряд особенностей использования боевой техники.

Так афганская война показала практическую непригодность танков в условиях высокогорья при возрастании роли легкой бронетанковой техники — БМД, БМП и БТР. При этом выявилась необходимость серьезного пересмотра их боевой вооруженности, состоявшей, как правило, в курсовой, линейной, плоскостной направленности систем вооружения, что в условиях гористой местности потребовало решительного пересмотра основного вооружения в сторону увеличения зенитного угла возвышения основного оружия и увеличения его скорострельности. Это привело к возникновению нового типа легких машин: БМП-2, БМД-2, и т.п.

Чеченские войны выявили при боевых действиях в современных городах малую эффективность бронетанковой техники при возросшей эффективности разрозненной пехоты и, соответственно, средств индивидуальной защиты (СИЗ) каждого бойца.

Опыт боевых действий в Нагорном Карабахе продемонстрировал изменение характера современного боя и, в частности, резко возросшую поражаемость наземной боевой и транспортной техники с верхней полусферы за счет применения ударных беспилотников, оснащаемых управляемыми бомбами. Барражирующие боеприпасы и бомбы ударных беспилотников атакуют наземную транспортную и броневую технику в наиболее ослабленной зоне, зоне верхней полусферы, крыши, башен, командирских и десантных люков и т.п. Это требует достаточно серьезного пересмотра ТТХ проектируемых изделий с возможным усилением зенитной защиты, с введением фугасно-картечных типов боевых снарядов, и усилении систем ПВО в составе наземной боевой техники, что становится основным трендом современности.

К числу современных актуальных проблем, стоящих перед РФ, относится, наряду с активным ледокольным освоением Заполярья, также и его боевая защита. И здесь на первое место выдвигается алюминиевая броня, хорошо зарекомендовавшая себя по опыту вышеописанных боевых столкновений, вместе с тем включающая довольно обширный перечень всякого рода преимуществ и, прежде всего, хладностойкость (криогенность), о чем и пойдет речь в представляемой работе.

Параметры материаловедческой и технологической оценки алюминия и его сплавов

1. Сырьевая природная доступность;
2. Весовая эффективность;
3. Особенности, преимущества, достоинства разработки (композиционирования) сплавов на основе алюминия;
4. Производственная технологичность;
5. Структурная управляемость;
6. Свариваемость;
7. Порошковая технологичность;
8. Коррозионная стойкость;
9. Хладостойкость;
10. Антимагнитность;
11. Тепломаскируемость;
12. Глубоководность;
13. Радиопрозрачность.

1. Сырьевая природная доступность

По производству основного сырья — бокситов — Россия занимает седьмое место в мире. Наиболее качественные бокситы добываются на Северном Урале в Свердловской области — на Североуральском бокситовом рубеже (СУБР) и поставляются на Богословский и Уральский алюминиевые заводы. Бокситы залегают слоями на глубине до 1 км, что делает их добычу достаточно дорогостоящей в сравнении с затратами в ряде европейских стран, тем не менее объем производства Североуральских бокситов составлял в 2006 году более 3х млн. тонн, что, однако, не исключает закупку бокситов за рубежом: в Австралии, Бразилии, Китае, Гвинее и т.д. Вместе с тем продолжаются разработки новых месторождений бокситов, в частности: месторождение в республике Коми, запасов бокситов которого, по скромным расчетам, хватит нашей стране не менее, чем на 50 лет.

В целях упрощения изложения опустим технологические операции, скажем лишь, что их сущность состоит в переходе боксита и глинозем и его последующее электролизное превращение в алюминий. Понятно, что это требует соответствующей энергоемкости производства (см. табл. 1).

 

Для получения 1 тн алюминия необходимо:
Глинозёма	1925–1930 кг
Углерода (для анода)	500–600 кг
Криолита	50–70 кг
Электроэнергии	14500–17500 кВт•ч

Особенностью алюминиевых сплавов является возможность их вторичного использования. Так, в частности, алюминиевые бронекорпуса, признанные непригодными для ремонта БМД-1 и БМД-2 после боевого применения и складированные на танкоремонтном заводе в г. Каунасе в Литве, на основе разработанных нами схем утилизационной порезки были разделены тепловой резкой на составные части, пригодные для печного переплава, были перевезены в Россию и успешно использованы при производстве новых партий брони допускающих до 30-40% возвратных отходов.

Технология использования вторичного сырья особо наглядна при производстве алюминиевых банок для пива и прохладительных напитков: в Европе перерабатывается ~90%, в России до 80% вторсырья.

2. Весовая эффективность

Работоспособность любой конструкции вне зависимости от функционального назначения, наряду с прочностью, определяется также и ее жесткостью. Жесткость — это способность конструкции сопротивляться действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями. Особенно большое значение жесткость имеет для машин облегченного класса, со строго регламентируемыми характеристиками массы, к которому относятся машины, рассматриваемые в настоящей работе.

Устойчивость, жесткость на изгиб, как известно из курса сопротивления материалов, определяется зависимостью

P = c E b³ / l²,

где: c — коэффициент, определяемый способом приложения нагрузки; Е — модуль упругости; b — толщина листа (плиты); l — расстояние между местами заделки листов (плит).

Модуль упругости — величина, характеризующая упругие свойства материалов при малых деформациях. Зачастую, именуется также модулем продольной или нормальной упругости, модулем Юнга или модулем упругости первого рода. Определяется экспериментально как отношение нормального напряжения s к относительному удлинению e = Dl / l, где Dl — абсолютное удлинение, а l — первоначальная длина.

E = s/ e = s/ Dl / l;

Размерность модуля упругости

dim E = L^–1 M T^–2, [E] = 1 Па.

Аналогичны размерности единиц давления и напряжения.

Представленная зависимость, определяющая жесткость, с исключением постоянных для каждого конкретного расчета, c и l , может быть упрощена до вида:

P = E b³ .

Таким образом, жесткость на изгиб (устойчивость) является произведением модуля упругости материала на куб его толщины.

Прежде чем обратиться к сравнительной оценке служебных свойств алюминиевой брони с другими броневыми материалами, рассмотрим общую эффективность использования алюминиевых сплавов в качестве бронекорпусного материала.

Объектом сопоставления примем алюминиевый сплав средней прочности, сталь и титан. Итак, имеем сопоставительный ряд: Алюминий, Сталь, Титан.

Основные сопоставляемые характеристики представлены в табл. 2 и на рис. 1.

Металл (сплав)	Плотность r, г/см3	Модуль упругости Е, МПа•10-4	Предел прочности sв, МПа	Удельная упругость Е/r×10-3	Удельная прочность sв /r	1/r	Толщина относит. Вотн.	Еотн.	Жёсткость Р = Е•В3
Алюминий	2,8	7,4	480	264	179	0,357	2,79	1,0	21,7
Титан	4,5	11,5	900	25,6	200	0,222	1,73	1,64	8,49
Сталь	7,8	21,0	1600	26,9	205	0,128	1,0	3,0	3,0

Сопоставляются плотность металлов (объемная масса), их прочность (предел прочности на разрыв), характеристика упругости (модуль упругости) и жесткость при равной массе. По показателям упругости и прочности сталь, в рассматриваемом ряду, является безусловным лидером. Однако, соотнесение представленных характеристик с плотностью каждого из рассматриваемых материалов и приведение их к виду Е/r×10^–3 и s_в /r, к так называемым удельной упругости и удельной прочности, приводит рассматриваемые материалы к практически равным показателям. При этом, если рассматривать возможные толщины материалов при условии равной массы, то совершенно очевидно следует использовать величину, обратную плотности или 1/r.

Мы видим, что в этом случае алюминий будет в 2,8 раза толще стали и в 1,6 раза толще титана. Титан, в свою очередь, только в 1,73 раза толще стали. Таким образом, наибольшая абсолютная толщина отмечается у алюминия. Жесткость, как это мы рассмотрели выше, является произведением модуля упругости материала на куб его толщины. Жесткость алюминия, даже с учетом в три раза меньшего, чем у стали, модуля упругости, оказывается почти в восемь раз больше жесткости стали и почти в три раза больше жесткости титана. Именно это обстоятельство и предопределило использование алюминиевой брони для изготовления бронекорпусов машин ЛКМ, так как в стальном варианте бронекорпус из-за недостаточной жесткости нуждается в использовании специального каркаса, а в алюминиевом исполнении — не нуждается.

Это, в случае использования алюминия в качестве брони, позволяет характеризовать алюминиевый корпус как «несущий», не требующий специального увеличения жесткости за счет применения каркаса. При этом, только за счет отказа от каркаса, переход от стального бронирования к алюминиевому способен обеспечить экономию массы бронекорпуса до 20%.

3. Особенности, преимущества, достоинства разработки (композиционирования) сплавов на основе алюминия

В настоящее время насчитывается свыше 300 марок алюминия и его сплавов, сгруппированных в 8 групп: от алюминия разной чистоты, двойных сплавов (Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Fe), тройных сплавов (Al-Mn-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg) до сложнолегированных сплавов. При этом отмечается высокая эффективность разработки сплавов на основе алюминия, составляющая от 15 до 20 крат прироста свойств по отношению к основному матричному материалу (алюминию), в то время как для сплавов железа (сталей) она не превышает 10 крат, а для сплавов титана ограничена величиной всего в 8 крат.

4. Производственная технологичность

Основной особенностью алюминиевой брони, как впрочем и алюминия как такового, является его широкая база формообразования, включающая: прокат, ковку, штамповку, раскатку и главное такую беспрецедентную технологию как горячее прессование — продавливание через формообразующую фильеру, что открывает уникальную возможность получения сложных конструктивных элементов бронекорпуса и выступает альтернативой конструктивно ослабляющей сварки, обеспечивая монолитное исполнение таких сложных и протяженных конструкций как: «верхнелобовая ребристая панель БМП1 и БМП2», «борт-подкрылок» машин БМД1, «ниша пулеметного гнезда», «защитная шахта приборов» и т.п. Разумеется, это предполагает наличие мощного прессового оборудования мощностью до 20 тыс. тн.

5. Структурная управляемость

Другим фактором является достаточно хорошо отработанная теория шиферности (строение излома алюминиевой брони, наблюдаемое при ее динамическом разрушении) и подвергающаяся контролю по пятибалльной шкале шиферности, что обеспечивает удовлетворительную живучесть брони и управление ею при перестаривании брони, что активно используется при разработке режимов термообработки.

Авторами был разработан и внедрен специальный образец, проба «на излом», представленный на рис. 2.

Проба после разлома (на любом копре) представляет картину сечения H ´ d, где d — полная толщина плиты. Заготовки с размерами
L = 5d; Н =1,5d отбираются в двух направлениях вдоль и поперек проката и, соответственно, представляют обратные «живые сечения» катаного материала, продольная проба — поперечное, поперечная соответственно — продольное. На образце делается надрез глубиной 0,5d. Последняя проба признана более характерной и принята за основу анализа. Надрез делается в плоскости, перпендикулярной поверхности исследуемой плиты и по глубине составляет половину толщины плиты.

На основе результатов проведенных работ предложена и введена в практику пятибальная шкала шиферности, основанная на градации площади, занятой шиферностью. Шкала представлена на рис. 3. Первый, второй и третий баллы хорошие и удовлетворительные виды шиферности, четвертый и пятый не желательные.

Внедрение пробы на излом и шкалы шиферности подтвердило связь строения излома с живучестью брони при обстреле и позволило прогнозировать кондицию брони по этому параметру без обстрела и тем самым заметно ускорить и удешевить ее производство.

Понятно, что контроль излома, будучи элементом качественного контроля свойств, является всего лишь способом предвосхищения броневых характеристик, но не управления ими. Однако, использование вышеописанного приема перевода материала от состояния зонного и зонно-фазового старения в состояние фазово-коагуляционного старения, путем специального режима перестаривания, дает возможность обращать шиферный материал в нешиферный, что ведет к росту броневых свойств материала.

6. Свариваемость

Свариваемость алюминиевой брони относится к хорошо отработанным технологическим операциям и базируется на использовании классических приемов ручной, полуавтоматической, автоматической, аргонодуговой сварки. В качестве электродной и присадочной проволоки применяются проволоки из сплавов АМг6 и АМг61 Æ2¸3 мм (для автоматической сварки) и Æ1,5¸2 мм (для полуавтоматической).

В качестве электродов при ручной сварке применяются вольфрамовые прутки Æ2–6 мм в зависимости от толщины свариваемого металла.

Материал сварного шва характеризуется ослабленной бронестойкостью, в сравнении с основной броней. При этом основной особенностью принятой технологии является принцип — «слабость шва — это сила принятой технологии». Равнопрочность шва и брони является порочным, крайне напрягающим принципом, способным привести к разрушению машин, работающих в знакопеременных нагрузках.

Ослабленный шов является классическим компенсатором сварочно-сборочных напряжений, возникающих при сборке конструкций в сборочных стендах. Одним из удачных решений принятой технологии является сочетание второй ступени старения корпусов, благоприятно воздействубщее на строение излома брони, со снятием сварочных напряжений, получившее обозначение режима индексом «Т2».

При этом слабость шва требует специального подхода к его размещению при сварке и тщательной разработки конструкции каждого сварного соединения, что обеспечивается выпуском специального пакета НТД на конструкцию всех используемых швов брони с их предварительным обстрелом на принятых моделях. Описанная технология прошла широкую апробацию в реальных условиях эксплуатации, исчисляемых почти 50-летним опытом боевой эксплуатации.

(Продолжение следует…)