Российская алюминиевая танковая броня и зарубежные аналоги

Публикация приурочена к отмечаемому в мае 2022 года 80-летию АО «НИИ стали»

История применения и научная теория создания

Историю российской алюминиевой брони следует начать с авиационной алюминиевой брони, носящей современное обозначение — сплав В95, автором которой является, основоположник броневого материаловедения, Николай Митрофанович Скляров. Это имя для широкой публики больше связывается со стальной корпусной бронёй, известнейшего, в годы Великой Отечественной войны, штурмовика ИЛ-2 или в последующем ИЛ-10, получившего по своим броневым характеристикам название — «летающий танк». Сплав В95, будучи авиационной бронёй, характеризуется отсутствием требований по свариваемости и потому имеет высокие прочностные свойства и соответствующий уровень легирования. Он относится к системе Al-Zn-Mg с высоким содержанием Zn и Mg, содержит также медь и марганец и является прародителем целого последующего ряда сплавов В96 и, более технологичного, В-93.

Основным отличием танковой алюминиевой брони от авиационной является обязательная свариваемость.

История появления российской алюминиевой брони для сухопутной военной техники, очевидно, должна быть связана с использования отдельных деталей из алюминиевых сплавов в качестве броневых элементов, входящих в состав стального бронекорпуса  объекта бронетанковой техники и,  соответственно, выполняющих роль брони. История эта должна быть связана с работами и именем «НИИ стали» и её начало должно быть отнесено к началу 60-х годов прошедшего столетия. Это позволяет говорить об отмечаемом в наши дни, своеобразном 65-летии  зарождения российского алюминиевого броневого материаловедения. Здесь пионерами выступили ГСКБ №2 Челябинского Тракторного Завода и «НИИ стали», заложившие в конструкцию  бронирования первой советской (российской) боевой машины пехоты БМП-1 (главный конструктор Исаков П.П.) ряд деталей из алюминиевых сплавов, и, безусловно, как пионер, последовавшего цельнокорпусного алюминиевого бронекорпусного производства должен быть упомянут главный конструктор ВгТЗ Гавалов Игорь Валентинович, основной идеолог Боевой машины десанта — БМД, и всего обширного семейства алюминиевых бронемашин.

Таблица 1.
Химический состав алюминиевой брони стран НАТО и России

Страна	Марка (обознач.) сплава	Zn	Mg	Mn	Cr	Ti	Zr	Fe	Si	Cu
США	5083	0,25*	4,0…4,9	0,4…1,0	0,05…0,25	0,15	—	0,40	0,40	0,10
США	7039	3,5…5,0	2,0…3,8	0,1…0,7	0,05…0,25	0,10	0,20	0,40	0,30	0,10
Англия	E74S	3,8…4,8	2,0…3,0	0,2…0,4	0,20	—	0,20	0,40	0,35	0,10
Франция	A-Z5-g	4,0…5,0	1,0…1,4	0,05…0,5	0,10…0,35	0,08 … 0,20 Ti+Zr		0,40	0,35	0,20
Германия	21/62	5,5…6,5	1,5…2,0	0,1…0,5	0,10…0,50	0,10…0,20 Ti+Zr		0,50	0,50	0,10
Россия	1901	5,4-6,2	2,4-3,0	0,1-0,3	0,12-0,25	0,03-0,10	0,07-0,12	≤03	≤0,2	≤0,2
Россия	1903	4,7-5,3	2,1-2,6	0,05-0,15	9,12-0.25	0,03-0,10	0,07-0,12	≤035	≤0,25	≤0,2

Первые алюминиевые бронедетали — это детали, входящие во фронтальную проекцию БМП-1 (см. рис. 1) и формирующие её верхнелобовую, надмоторную часть — надмоторная панель  из сплава АЦМ   и передняя крыша корпуса из сплава Д20. Напомним, что конструкция БМП-1 характерна передним расположением двигателя.

Названные детали установлены под углом 80–85° от вертикали под так называемыми “большими углами”. При этом  для изготовления надмоторной панели, впервые в практике бронекорпусного производства, были использованы технологические возможности формообразования алюминиевых сплавов и, в частности, прессуемость. Прессуемость, применительно к алюминиевым сплавам — это способность формообразования продавливанием через матрицу (фильеру) на мощных горизонтальных прессах. Надмоторная панель (из сплава АЦМ) выполнена ребристой, с продольным по панели и поперечным по отношению к оси машины внешним оребрением высотой 21,5 мм. Рёбра выполнены таким образом, что в горизонтальном положении машины и при углах спуска до 20° рёбра перекрывают плоские элементы панели и тем самым защищают их. Первоначально основное полотно ребристой панели было выполнено плоскопараллельным, однако затем, по результатам работ «НИИ стали» (с участием Вишневского В.З.)  часть металла из зареберной области была перенесена в предреберную и каждая из шести последовательных секций получила в сечении вид нарастающего клина с толщиной от 10 до15,5 мм. Заводская нормаль  № 340060 представлена на рис. 2.

Здесь представляется уместным обратить внимание на один любопытный материаловедческий аспект использования рассматриваемой ребристой панели из сплава АЦМ (среднелегированный термоупрочняемый сплав системы Al-Zn-Mg разработки ВИЛС под руководством Елагина В.И.). Это режим термической обработки панели. Впервые в броневом материаловедении, по результатам работ «НИИ стали», панели употребляются в естественно состаренном состоянии. Панели проходят закалку и достигают необходимого комплекса механических свойств, в естественных условиях, спустя 90 дней со дня закалки. Разработанная оригинальная технология обеспечила требующуюся противоснарядную стойкость и живучесть при обстреле 23-мм снарядами под конструктивным углом в 80°.

Кстати, дадим определение термину — живучесть, поскольку он входит в терминологию броневого материаловедения. Живучесть — способность брони противостоять обстрелу без хрупких разрушений типа расколов и отколов при непробитии брони  или, если следовать действующей нормативно — технической документации (НТД) — «Живучесть броневой преграды — свойство сохранять защитные функции при неоднократном воздействии на неё средств поражения, сопротивляться в заданных условиях испытаний образованию сквозных трещин, отколов, имеющих размеры превышающие допустимые в НТД, а также проломов и расколов».

Таблица 2.
Сравнительный анализ по основным легирующим элементам

Страна	Марка сплава	Zn	Midi Zn	Mg	Midi Mg	∑ Zn+Mg	Midi Zn+Mg	Zn/Mg	Mn	Midi Mn
США	7039	3,5-5,0	4,25	2,0-3,8	2,9	5,5-8,8	7,15	1.46	0,1-0,7	0,4
Англия	E74S	3,8-4,8	4,3	2,0-3,0	2,5	5,8-7,8	6,8	1,72	0,2-0,4	0,3
Франция	A-Z5-G	4,0-5,0	4,5	1,0-1,4	1,2	5,0-6,4	5,7	3,75	0,05-0,5	0,275
Германия	21/62	5,5-6,5	6,0	1,5-2,0	1,75	7,0-8,5	7,75	3,43	0,1-0,5	0,3
Россия	1901	5,4-6,2	5,8	2,4-3,0	2,7	7,8-9,2	8,5	2,15	0,1-0,3	0,2`
Россия	1903	4,7-5,3	5,0	2,1-2,6	2,35	6,8-7,9	7,25	2,13	0,05-0,1	0,1

Относительно детали «передняя крыша» из сплава Д20, являющегося термоупрочняемым, конструкционным, деформируемым сплавом системы Al-Cu-Mn (Cu 6-7%, Mn 0,4-0,8%) можно констатировать её изготовление и использование в достаточно традиционном виде — в состоянии Т1 после закалки и искусственного старения.

На основе начального этапа работ с алюминиевой бронёй, представленной конструкционными сплавами Д20 и АЦМ, а также, с учётом технической целесообразности использования алюминиевой брони для создания цельноалюминиевого бронекорпуса, были сформированы основные элементы (принципы) создания алюминиевой танковой брони, включающие следующие основные положения:

1.Максимальная бронестойкость (противопульная, противоснарядная, а, зачастую и та, и другая, одновременно) при минимальной массе, обуславливаемая при обстреле под малыми углами (вблизи «нормали») твёрдостью брони, а под большими углами, напротив — её пластичностью.

2.Обязательная живучесть брони.

3.Свариваемость брони.

4.Коррозионная стойкость как общая, так и особо важная, устойчивость к коррозионному разрушению в напряженном, нагруженном состоянии в составе сварного бронекорпуса.

Определяющим фактом истории применения алюминиевых сплавов в российских изделиях бронетанковой техники, фактом подлинного рождения отечественной алюминиевой брони для бронетанковой техники, должна быть названа разработка специальной, высокопрочной, свариваемой алюминиевой брони системы Al–Zn–Mg, первоначально противопульной — сплав АБТ-101 (сплав 1901), а затем и противоснарядной — сплав АБТ-102 (сплав 1903).

Металловедческие основы создания алюминиевой брони для бронетанковой техники  на базе сплавов системы  Al –Zn — Mg

Уже в ранних публикациях НИИ стали показана исторически прослеживаемая тенденция применения в качестве брони сухопутных военно-транспортных машин сплавов алюминия с возрастающей прочностью.

Эта тенденция сохранилась и в последующие годы. При этом совершенствование алюминиевой брони шло не только за счет повышения прочности, но и за счет применения сложных гетерогенных слойных структур (ПАС) (см. рис. 3).

Имея в виду эту тенденцию, обусловленную наличием прямой зависимости противопульной стойкости (при обстреле наиболее поражающим средством — бронебойной пулей в предельно жестких условиях — «по нормали»), внимание материаловедов-броневиков, как зарубежных, так и отечественных, было сконцентрировано на сплавах системы Al-Zn-Mg, как наиболее перспективных для получения высокопрочных сплавов алюминия.

Система Al-Zn-Mg стала объектом исследования, начиная со второй четверти прошедшего столетия. Из отечественных металловедов в её исследование особо заметный вклад внесли В.И. Михеева, И.Н. Фридляндер, В.И. Добаткин, В.И. Елагин и, разумеется, Н.М. Скляров — создатель сплава В95. Как было сказано выше, принципиальным отличием авиационной брони от брони для бронетанковой техники является отсутствие для первой требований  по свариваемости, обязательных для «бронетанковой» брони.

Работы по созданию отечественной «бронетанковой» брони на основе системы Al-Zn-Mg были начаты в «НИИ стали» группой исследователей во главе с Б.Д. Чухиным в начале 60-х годов.

В состав названной группы, после работы с алюминиевыми бронедеталями для БМП-1, вошёл (в 1967 году) автор настоящей работы, возглавивший в 1973 году специально созданную, первую в СССР, лабораторию алюминиевой танковой брони.

Система легирования Al — Zn — Mg

Рассмотрение истории становления и развития, как теории, так и практики алюминиевых сплавов тройной системы легирования Al-Zn-Mg, простирающихся от теоретического металловедения до промышленных сплавов, следует начать, очевидно, со сплавов системы Al-Zn. Сплавы Al-Zn были одними из первых сплавов на основе алюминия и их разработка и  применение относятся к началу прошлого столетия. Затем в их состав была введена медь, по образному определению Л.Ф. Мондольфо — «добавка века», обратившая сплавы Al-Zn в  тройные сплавы Al-Zn-Cu.

На смену им достаточно скоро пришли тройные сплавы Al-Zn-Mg, известные под названием ZM. Твёрдые растворы магния и цинка в алюминии,  являющиеся, по сути, твёрдыми растворами соединения Mg Zn  в алюминии, способны упрочняться при термической обработке (закалке) и обладают высоким  сопротивлением разрыву при значительном удлинении. Основу металловедения сплавов ZM заложили Зандер и Мейснер в 1926 г. и развил П.Э. Сальдау. Однако, уже тогда, у истоков разработки, была отмечена низкая устойчивость сплавов системы Al-Zn-Mg (ZN) к коррозии под напряжением и были сформулированы три основных, доминирующих направления совершенствования сплавов этой системы, это:

1. Введение различных улучшающих и модифицирующих добавок металлов и переходных элементов;
2. Изменение суммарного содержания и соотношения основных легирующих компонентов Zn и Mg;
3. Варьирование режимов термической обработки.

Именно эти три направления и предопределили на весь последующий период, включая и наше время, развитие, как теории, так и практики создания сплавов системы Al-Zn-Mg, в том числе и работ «НИИ стали».

Цинк и магний — главные легирующие элементы их сумма и отношение, при высоких значениях, обеспечивают высокую твёрдость и прочность, но при этом отмечается низкая пластичность и рост склонности к разрушению от коррозии под напряжением.

На сегодняшний день, обозревая гамму сплавов, разработанных в этой системе можно обозначить следующие границы их состава: Zn 2 — 8%; Mg 0,5 — 4%; Сu 0 — 3%; Mn 0 — 1,5%; Ag 0 — 1%; Fe 0,1 — 0,8%; Ti 0 — 0,5%; Cr 0 — 0,5%; Si 0,05 — 0,3 %; Zr 0 — 0, 25%; Ве 0 — 0,05%; В 0 — 0,05%.

Как видим, помимо основных легирующих элементов, число дополнительных элементов достигает десяти, а варианты их содержания колеблются от нуля  до нескольких процентов. В рассматриваемой системе, как это следует из её обозначения, Zn и Mg являются основными легирующими элементами и от их суммы и их соотношения зависят основные характеристики сплава. Так, принято считать, что при сумме Zn + Mg + Cu = 5-6% достигается наилучшая технологичность и отсутствует склонность к коррозии под напряжением, при сумме 6-8% названные характеристики могут быть названы удовлетворительными, а при сумме более 8% рассматриваемые характеристики определяются как неудовлетворительные.

Рассматривая отношение Zn к Mg, следует отметить, что оно управляет составом цинкосодержащих фаз упрочнителей. При их соотношении более  2-х образуется фаза MgZn₂ (h), при меньшем их соотношении — фаза Mg₃Zn₃Al₂ (Т). Фаза MgZn₂ является классической гексагональной «фазой Лавеса» c параметрами
а = 5,16 – 5,22Å, с = 8,49–8,56Å  (плотноупакованная фаза с формулой АВ).
В системе Al–Zn-Mg в работе Кюстера и Вольфа, опубликованной  ещё в 1936 году, установлено два псевдобинарных сечения с эвтектическим характером превращения при температурах 489°С и 475°С  Ж=a_Al + Т и
Ж = a_Al + MgZn₂ cоответственно. В последнем случае трёхфазное превращение совпадает с четырёхфазным превращением Ж + Т =
= a_Al + MgZn₂. При составе жидкой фазы 11,3 % Mg  и 60,4% Zn,
т. е. при Zn/Mg = 5,3, наличествует механизм взаимного перехода фаз h и Т.

Псевдобинарные (квазибинарные) разрезы в тройных системах легирования указывают те области составов, в которых из пересыщенного твёрдого раствора должны выделяться химические соединения и, если эти соединения являются «фазами — упрочнителями» (что мы видим применительно к фазе MgZn₂), то поиск высокопрочных стареющих сплавов следует вести именно на каноде подобного разреза. Характеристики этого разреза наиболее детально разработаны в уже упоминавшейся работе Л.Ф. Мондольфо (см. рис. 4–6).

Как видим фаза Т (Mg₃Zn₃Al₂) находится в стабильном равновесии с алюминиевым a-раствором и при старении выделяется фаза,  переходящая затем в фазу h (MgZn₂). Существование фазы характеризуется соотношением Zn/Mg в интервале 2,0–2,15. Именно эта пропорция была принята разработчиками «НИИ стали» за основу создания российской алюминиевой брони,  получившей наименование АБТ (Алюминиевая Броня Танковая), как увидим далее — обеих марок как АБТ-101, так и АБТ-102.

Теоретические посылки к разработке алюминиевой брони могут быть представлены следующими тезисами:

1. Создание сплава предельно высокой прочности (твёрдости), исходя из прямой зависимости «твёрдость — противопульная стойкость» при обстреле «в нормаль».
2. Обеспечение необходимой живучести (вязкости разрушения), исключающей некондиционное разрушение брони (отколы при непробитии брони, расколы и т.п.).
3. При разработке противоснарядной брони, работающей «под углами» основной задачей является поиск и нахождение компромиссов между первым и вторым тезисами.
4. Общим требованием к алюминиевой танковой броне является свариваемость и коррозионная стойкость, особенно коррозионная стойкость под напряжением, под нагрузкой, естественной для работы реального бронекорпуса (сборочно-сварочные напряжения, сварочные напряжения, функциональные, ходовые напряжения, сезонно-климатические напряжения).

Характеризуя роль содержания возможных, кроме основных легирующих (Zn и Mg), добавок легирующих элементов, можно констатировать:

1.Cu — положительно воздействует на прочность сплава и до 2.5% содержания аналогична Zn, однако отрицательно влияет на свариваемость, что хорошо иллюстрируется данными Л.Ф. Мондольфо (см. рис. 7), на которых в виде ромбов представлены области химсоставов сплавов 1901 и 1903.

2. Mn — оказывает сильный деформационно-упрочняющий эффект.
3. Cr и Zr — повышают коррозионную стойкость под напряжением.
4. Ti и B — служат модификаторами структуры.
5. Fe и Si — при больших содержаниях и при неправильно подобранных соотношениях приводят к уменьшению прочности и пластичности.
6. Ag — положительно влияет на все основные свойства сплавов, но дорог

Вторая ступень старения — теория перестаривания

В отношении режимов термообработки, имея в виду наличие переменной растворимости фаз упрочнителей, все сплавы системы Al-Zn-Mg воспринимают закалку и последующее естественное или искусственное старение. И если, применительно к режимам закалки все исследователи достаточно единодушны в их регламентации в температурном интервале 450-500°С, а длительность резонно связывают с толщиной закаливаемых деталей (20мм — 60 минут ), то упрочняющее искусственное старение варьируется в значительном температурно-временном диапазоне, начиная от 70°С и 8–10 часов и оканчивая температурой 120°C и длительностью 24 часа. Таким образом, типовой режим термической обработки может быть обозначен по российским стандартам индексом Т1 (закалка и искусственное старение ). В части природы процессов упрочняющего старения можно отметить, что они описываются классическими схемами образования зон Гинье–Престона (ГП) или этапом «зонного» старения по классификации И.Н. Фридляндера.

Однако, впервые в стране, в НИИ стали был разработан и успешно применён специфический подход к формированию свойств сплава, состоящий в специальном, ступенчатом старении, способным быть названным скорее «перестариванием», предполагающим перевод процесса «зонного» старения в «фазово-коагуляционное» через прохождение максимума прочности, что связано с потерей прочности на 3-5% при росте пластичности на 25-30% (см. рис. 8).

Это позволило управлять величиной работы разрушения металла и соответственно обеспечить потребную, высокую его бронестойкость и живучесть, в свою очередь, обеспечиваемую контролем за процессом формирования строения излома и разлома брони и исключения, так называемой, шиферности излома, характеризующейся наименьшей работой разрушения брони и соответственно низкой бронестойкостью.

В результате разработан нижеследующий состав сплава: Цинк 5,4— 6,2; Магний 2,51-3,0; Марганец 0,1-0,3; Хром 0,12-0,25; Титан 0,03-0,1; Цирконий 0,07-0,12; Медь-0,2; Железо-0,3; Кремний-0,2; Алюминий — остальное. Сплав получил обозначение АБТ-101 (сплав 1901).

Он позволил обеспечить следующие, механические свойства сплава:

s_В = 560–510 МПа; s_0,2 = 490–450 МПа;

d = 7–10%; А_к = 0,7–1 кгм/см²,

НВ=137–163, относящие разработанный сплав к высокопрочным алюминиевым сплавам. Одновременно был отмечен рост бронестойкости сплава 1901 по сравнению со всеми ранее использовавшимися отечественными алюминиевыми сплавами и сталью 2П.

Зафиксировано превосходство при обстреле по нормали и под большими углами проката сплава 1901 над прокатом сплава Д20 и АМг6, а также прокатом бронестали 2П.

Таблица 3.
Механические свойства зарубежной и российской алюминиевой брони для бронетанковой техники

Марка сплава	Система легирования	Вид термообработки	Толщина листа, мм	Предел прочности	Предел текучести	Относит. удлилнение	Примение
5083	Al-Zn+Mn	H131 нагартовка	6-78	310	255	≥9	Для противоминной защиты
5059	Al-Zn+Mn	Н136	6-78	365	270	≥8
5456	Al-Zn-Mn	H151	6-78	340	306	≥6
6061	Al-Zn-Si	T6 Закалка + искуств. старение	6-76	380	248	≥10	Не свариваемый для накладной брони
7039	Al-Zn-Mg			422	359	9	Корпусная броня, кроме морского применения
7017	Al-Zn-Mg		12-102	415	345	≥8	Общего назначения, свариваемый
7020	Al-Zn-Mg		12-102	630	530	≥8	Для навесных деталей, не сваривается
7085	Al-Zn-Mg-Cu	T711	12-50	537	503	≥12
1901	Al-Zn-Mg	Закалка, 1-я и 2-я ступени старения		480	440	≥8	Противопульная броня
1903	Al-Zn-Mg			460	430	≥10	Противоснарядная броня

Российская алюминиевая танковая броня на фоне зарубежных аналогов

Характеризуя свойства российской алюминиевой танковой брони и сопоставляя её с зарубежными аналогами, можно отметить следующее.

Российские алюминиевые броневые алюминиевые сплавы АБТ-101 и АБТ-102, получившие обозначение соответственно 1901 и 1903, характерны заметно более высоким содержанием Zn и Mg (от 6,8 до 9,2%) в сравнении с зарубежными сплавами (от 5,0 до 8,8%). Кроме того, российские сплавы характеризуются  единообразным, практически канодальным, близким к псевдобинарному, расположением в тройной диаграмме Al–Zn–Mg и соответствующим отношением содержания цинка к содержанию магния — 2,13-2,15. Зарубежные сплавы имеют подобное соотношение либо 1,5 — 1,7, либо 3,5 — 3,7 , что говорит о заметном различии между школами броневого материаловедения России и Запада и, в частности, о различии  в металловедческом подходе к принципам структурного формирования сплавов рассматриваемой системы легирования. В таблицах 1–3 представлены сравнительные данные по хим. составу и механическим свойствам алюминиевой брони западных стран и России.

Надо заметить, что  различные  подходы к выбору и проектированию броневых алюминиевых сплавов  проявляются не только в металловедческом подходе в разработке сплавов, но и в жесткой привязке зарубежных сплавов к их назначению, чего нет в России. Именно это является одной из причин, что за рубежом, в частности в США, сегодня официально приняты на вооружение и используются не 2-3 алюминиевых броневых сплава, как в России, а десятки и у каждого строго определено назначение и область применения.

В табл. 3 приведены некоторые из них, которые наиболее часто применяются в бронезащите военной техники США в сравнении со сплавами России.

Здесь можно видеть, что это, как правило, термоупрочняемые сплавы системы Al-Zn-Mg. Исключение составляют, уже упоминавшиеся, сплавы системы 5ХХХ.

Кроме того, российская броня весьма регламентирована по марганцу и, в случае АБТ-101, содержит его в два раза меньше западной брони, а в случае сплава АБТ-102, практически не содержит его вовсе. Это, а также специфический режим термической обработки, основанный на познании природы шиферности, очевидно и предопределило высокий уровень броневых свойств российской брони, заметно превосходящий уровень западной алюминиевой танковой брони и, в частности американской, известной под маркой — 7039, английской — 7017 (Е74S), французской — 7020 (AZ5G).

По публикации известного британского эксперта в области бронетанкового вооружения Р.М. Огоркевича можно говорить о существенных недостатках западной алюминиевой танковой брони, представленной вышеназванными сплавами, недостатках, основанных на нерешённости на Западе проблемы шиферности брони, приводящей к растрескиванию и расслаиванию бронекорпусов, изготовленных из этой брони в результате коррозии под напряжением. В итоге, на новейших американских разработках и, в частности, на плавающем десантном БТР AAV7А1, США пришлось вернуться к сплаву 5083, заметно уступающему по характеристикам бронестойкости (проигрыш в массе — до 20%) сплавам системы Al-Zn-Mg.

Завершая настоящую публикацию, можно констатировать, что разработки российского (советского) алюминиевого броневого материаловедения, основанные на научно обоснованном и металловедчески оправданном выборе составов сплавов и кардинальном решении проблемы шиферности брони, находятся на передовых позициях в мировой практике и во многом остаются непревзойдёнными по настоящее время.

А.А. Арцруни, АО «НИИ стали», г. Москва, Россия. Е-mail: mail@niistali.ru