一种复合防弹钢板及其制造方法与流程

本发明涉及一种钢板及其制造方法，尤其涉及一种复合钢板及其制造方法。

背景技术：

轻型装甲运输车、运钞车及防弹车、防弹背心等对关键部位均提出了防弹要求，要求在一定距离内钢板承受手枪、冲锋枪的弹丸冲击时不开裂或不贯穿。目前的防弹材料包括单纯的高强度防弹钢板、陶瓷复合材料或高分子纤维材料。其中防弹钢板依靠高的弹性变形吸收弹丸的冲击功，在韧性不足时(特别是超高强度钢板)极易碎裂而失去防弹功能；陶瓷材料具有极高的硬度，但韧性很差，在与弹丸接触时碎裂为更小的碎片从而吸收冲击能，通常需要与高分子纤维材料一起使用，后者韧性好，承受弹丸冲击时发生弹性变形而吸收冲击载荷，多用于防弹背心的制作。

理论上，单纯使用足够厚的钢板能够满足不同条件下的防弹要求，但过厚的钢板增加了重量，牺牲了机动性，同时增加能耗。目前，防弹钢板朝着更高强度、更薄厚度方向发展。

公开号为cn1814845a，公开日为2008年1月2日，名称为“一种1000mpa级高强度热轧防弹钢板及其制造方法”的中国专利文献公开了一种1000mpa级高强度热轧防弹钢板，其成分是(重量百分比)：c0.17～0.21％、si1.5～2.2％、mn1.5～2.0％、p≤0.035％、s≤0.010％、al0.015～0.060％、n≤0.0060％、nb0.010～0.050％、可加入ti0.010～0.060％、ca≤0.0050％，其余是fe和不可避免的杂质。从该公开文献可以看出，其屈服强度仅为1000mpa，难以满足当前市场的防弹要求。

公开号为cn102181795a，公开日为2011年9月14日，名称为“一种超高强度防弹钢板及其制造工艺”的中国专利文献公开了一种超高强度防弹钢板及其制造成形工艺,其化学成分按重量百分比计为：c0.30～0.5、si0.40～0.60、 mn1.50～1.80、p≤0.025、s≤0.01、cr+ni+mo≤2.5、nb+v+ti+b≤0.20,其余是fe。这个技术方案所涉及的防弹钢板具有约2000mpa的抗拉强度，虽然其并没有提及任何韧性指标，但是由于其硬度值甚至超过了600hb，因此过高的硬度使得钢板的韧性降低，在承受弹丸冲击时极易碎裂。

因此，需要提供一种在确保防弹钢板的强度的前提下，降低钢板的厚度，并改善钢板的韧性的防弹钢板产品。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种复合防弹钢板，其通过相互间隔设置的硬钢层和软钢层，使得其具有优秀的防弹效果。

为了实现上述目的，本发明提出了一种复合防弹钢板，包括：相互间隔设置的硬钢层和软钢层，其中复合防弹钢板的面层为硬钢层，所述硬钢层与软钢层之间通过轧制复合实现原子结合；其中，所述软钢层的化学元素质量百分比为：

c：0.001-0.01％,0＜si≤0.005％,mn：0.05-0.15％,0＜al≤0.005％,ti：0.01-0.10％，余量为fe和其他不可避免的杂质。

在本发明所述的复合防弹钢板的所述软钢层中，不可避免的杂质主要是p、s、n元素，其中可以控制p≤0.01％，s≤0.006％，n≤0.005％。

本发明所述的复合防弹钢板通过设置间隔设置的硬钢层和软钢层，使得硬钢层在承受弹丸冲击时开裂为小的碎片，消耗冲击功，同时软钢层改变子弹行进方向，增加子弹前进阻力，从而实现了优秀的防弹效果。

本发明所述的软钢层中的各化学元素的设计原理为：

c通过固溶强化会使屈服强度升高，延伸率降低。根据实际的炼钢工艺，应尽可能降低其含量，因此，本发明所述软钢层的c含量控制在0.001-0.01％之间。

si为脱氧元素，也是固溶强化元素，使屈服强度升高，延伸率降低，所以要尽量降低si的添加量。因此，本发明所述软钢层的si含量不超过0.005％。

mn也是钢中常见的强化元素，通过固溶强化提高屈服强度，使延伸率降低。因此，本发明所述软钢层的mn含量控制在0.05-0.15％之间。

al是脱氧必需的元素，但也会提高钢的强度。因此，本发明所述软钢层中 al含量控制在0.005％以下。

ti用来固定c、n原子以降低其对位错运动的阻碍作用。ti在钢中可依次形成tin→ti4c2s2→tis和tic，消除钢中自由的c、n原子，从而降低屈服强度。同时tic、tin等颗粒的粗化使其失去了晶界钉扎效应，增大了晶粒尺寸，降低了晶界强化效果。但较多的ti会降低防弹钢板的延伸率。因此，本发明所述软钢层ti含量控制在:0.01-0.10％。

进一步地，所述的复合防弹钢板的所述软钢层的基体组织为等轴状铁素体。

更进一步地，所述的复合防弹钢板的所述等轴状铁素体的晶粒尺寸为40-120μm。

在本技术方案中，由于采用极低的c-si-mn成分设计并通过ti固定c、n间隙原子，消除了c、n原子的固溶强化作用，并利用粗化的tin、tic颗粒获得较大的晶粒尺寸，从而使得所述的复合防弹钢板的所述软钢层的基体组织即使在淬火状态下仍为等轴状铁素体，所述等轴状铁素体的晶体尺寸40-120μm，即使在淬火条件下所述软钢层的硬度值不超过90hv。从而使得软钢层具有良好的塑性。

在本技术方案中，所述的复合防弹钢板的所述软钢层的屈服强度为80-180mpa，硬度不超过90hv，延伸率大于40％。

进一步地，在本发明所述的复合防弹钢板中，所述硬钢层的化学元素质量百分比为：

c：0.40-0.50％,si：0.1-0.3％，mn：1.0-1.5％,al：0.01-0.05％,cr：0.1-0.3％，ni：0.1-0.3％，ti：0.01-0.03％，b：0.001-0.003％，mo：0.05-0.5％，余量为fe和其他不可避免的杂质。

在本发明所述的复合防弹钢板的所述硬钢层中，不可避免的杂质主要是p、s、n元素，其中可以控制p≤0.015％，s≤0.005％，n≤0.005％。

上述方案中，所述的复合防弹钢板的所述硬钢层中的各化学元素的设计原理为：

c是钢中最廉价的强化元素，但过高的c使得高温的防弹钢板的钢坯易在冷却过程中开裂，不利于防弹钢板的钢坯的保存，增加了生产难度。因此，本发明所述硬钢层的c含量限定为0.40-0.50％。

si含量控制在0.1-0.3％，si在钢中具有较高的固溶度，能够增加钢中铁素体体积分数，细化晶粒，因而有利于提高韧性，但含量过高将导致焊接性能下降.

mn具有较强的固溶强化作用，同时显著降低钢的相变温度，细化钢的显微组织，是重要的强韧化元素，但是mn含量过多使淬透性增大，从而导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，所以将其含量控制在1.0-1.5％。

al在炼钢过程中作为脱氧剂添加，同时微量的al同时有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。但过高的al将使钢中铁素体脆性增加而导致钢韧性的降低，所以控制其含量0.01-0.05％。

cr具有固溶强化效果，但是cr是贵重合金元素。因此，本发明所述硬钢层的cr含量限定为0.1-0.3％。

ni不仅可以提高钢板强度还可以改善钢板韧性，但是ni是贵重合金元素。因此，本发明所述硬钢层的ni限定含量为0.1-0.3％。

添加0.01-0.03％ti主要是抑制板坯再热过程中的奥氏体晶粒长大，同时在再结晶控轧过程中抑制铁素体晶粒长大，提高钢的韧性。

b具有良好的淬透性，从而提高钢板硬度，然而b含量过高对焊接不利。因此，本发明所述硬钢层的b含量限定为0.001-0.003％

mo具有良好的淬透性，可以提高钢板硬度，但mo为贵重合金元素。因此，本发明所述硬钢层的mo限定含量为0.05-0.5％。

进一步地，所述的复合防弹钢板的所述硬钢层的基体组织为马氏体。

进一步地，所述的复合防弹钢板的所述硬钢层的屈服强度大于2000mpa，硬度大于600hbw。

在本技术方案中，所述复合防弹钢板的所述硬钢层采用较高的c含量并添加了提高淬透性的mo、b元素，在热处理后可以使得基体组织为高强度的马氏体，屈服强度大于2000mpa，硬度大于600hbw。

在一种实施方式下，所述复合防弹钢板具有这与面层的两层硬钢层以及设置于两层硬钢层之间的一层软钢层。也就是说，在该实施方式中，复合防弹钢板具有三层。

进一步地，所述的复合防弹钢板的所述软钢层至少有两层。也就是说，在该实施方式中，复合防弹钢板具有五层。

在本技术方案中，所述的复合防弹钢板的组坯夹层设计，可以根据不同的防弹要求确定具体的层数。

进一步地，本发明所述的复合防弹钢板的厚度为2-20mm，较之于现有的防弹钢板，同样规格条件下本发明所述的复合防弹钢板具有更好的防弹性能。

本发明的另一目的还在于提供一种可以制造上述复合防弹钢板的制造方法，采用该方法可以生产出性能优良的复合防弹钢板。

为了达到上述发明目的，本发明还提出了一种复合防弹钢板的制造方法，其包括步骤：

(1)将硬钢层坯料和软钢层坯料组坯；

(2)真空焊接；

(3)复合轧制；

(4)轧后空冷或水冷；

(5)卷取；

(6)开卷、矫直和切板；

(7)进行淬火和回火热处理。

本技术方案中，由于硬钢层坯料和软钢层坯料的结合面上的氧化层与油污，因此硬钢层坯料和软钢层坯料在组坯前最好进行表面清理工作。表面清理方法可以采用钢丝刷或砂带进行，也可以采用直接酸洗的方法，也可以是本领域内技术人员能够想到的方式进行表面清理的。

本技术方案中硬钢层坯料和软钢层坯料组坯层数可以根据具体需要确定。

由于复合防弹钢板在加热过程中会产生氧化，因此，在本技术方案中，硬钢层坯料和软钢层坯料周边进行层间焊接时，直接在真空室的真空状态下进行焊接，而不是现有技术中经常采用的抽真空焊接，这种方式降低了生产难度，有效防止了氧化。

进一步地，在所述步骤(1)中，软钢层坯料与硬钢层坯料的单层厚度比为0.5-0.8，软钢层坯料总厚度与硬钢层坯料总厚度的比为0.15-0.40。

在本技术方案中，软钢层坯料与硬钢层坯料之间的厚度比的设计使得所述复合钢板具有充分的消能作用并使侵入的弹丸改变前进方向，从而提高防弹效果。

进一步地，在所述复合防弹钢板的制造方法的步骤(3)中，在1100～1200℃ 范围内加热，保温2-3h，然后复合轧制，控制终轧温度为850～900℃。

更进一步地，所述的复合防弹钢板的制造方法在所述步骤(4)中，轧后空冷或水冷至650-750℃。

在本技术方案中，轧后根据成品厚度采取水冷或是空冷，一般较薄的钢板可以采取空冷。

进一步地，所述的复合防弹钢板的制造方法在所述步骤(7)中的淬火步骤中，淬火温度为硬钢层的ac3温度以上至少50℃，保温时间至少为3mm/min×复合钢板的厚度，厚度单位为mm，然后以≥50℃/s的速度冷却至室温。

将淬火温度温度控制为硬钢层的ac3温度以上至少50℃，保温时间至少为3mm/min×复合钢板的厚度，厚度单位为mm，然后以≥50℃/s的速度冷却至室温是因为：温度在ac3以上时，钢基体中组织开始奥氏体化，超过ac3的温度越高，奥氏体化的驱动力越高，则奥氏体化的速度越快，保温时间越短，但淬火加热温度过高增加能耗，提高生产成本。所以限定淬火温度在ac3温度以上50℃，保温时间为钢板厚度的3倍。

更进一步地，所述的复合防弹钢板的制造方法在所述步骤(7)中的回火步骤中，回火温度为150-230℃，保温时间15-60min。

本发明所述的复合防弹钢板在150-230℃区间进行回火处理，目的在于减缓、消除淬火应力，改善所述复合防弹钢板的韧性。

本发明所述的复合防弹钢板具有如下有益效果：

(1)本发明所述的复合型防弹钢板采用软、硬钢层交叉设计，具有多层结构，其中外层的硬钢层在承受弹丸冲击性变形、开裂甚至脱离，其变形功、裂纹形成及扩展功、与内层软钢层脱离的层间结合能及碎片脱离动能等充分吸收、消耗了子弹部分动能，使弹丸失去前进能力；而内侧的软钢层塑性好，具有优良的变形能力，从而使得弹丸改变前进方向，增加弹丸的穿透厚度，进一步减轻弹丸的破坏。

(2)本发明所述的复合钢板由于是轧制复合钢板，因此层间金属在高温下实现了原子结合，其层间结合强度高，不易分层。

(3)在本发明的优选方案中，要求单层软钢层坯料与单层硬钢层坯料的单层厚度比0.5-0.8，软硬钢的总厚度比在0.15-0.40，从而使得软钢层具有一定的厚度以保证弹丸侵入时使弹丸改变方向，降低弹丸的破坏能力和危险程度， 提高了复合钢板的防弹能力。其中外层硬钢层的厚度既可对称设计，保持上下层硬钢层厚度一致，也可以采用非对称设计，即上下层硬钢层厚度不等，以进一步提高防弹效果。

(4)本发明涉及的中间层软钢采用极低的c-si-mn成分设计，同时控制al含量在较低的水平，并辅以适当的ti元素，使得中间软层钢板即使在淬火条件下硬度值也不超过90hv。

(5)本发明所述的复合型防弹钢板的软硬钢板层数灵活可调，可以根据不同的防弹要求确定具体的层数，可以为3层或5层甚至更多，同时总体厚度可调，从而满足不同条件下的防弹需求。

(6)本发明涉及的复合型防弹钢板采用软硬层交叉设计，从而使得防弹钢板的塑性得以改善，具有更好的冷弯加工性能，增加了防弹钢板的应用范围。

本发明所述的复合防弹钢板的制造方法具有如下有益效果：

(1)本发明所述的制造方法在复合钢板的组坯步骤采用了真空焊接封边技术，避免了常规焊接后的抽真空过程，具有更好的密封效果。

(2)本发明所述的制造方法在组坯步骤后，与普通钢坯一样采用了常规的热轧工艺，从而提高了其适用性，降低了生产难度及生产成本。

附图说明

图1为实施例a2的复合防弹钢板的结构示意图。

图2为本发明所述的复合防弹钢板的所述软钢层的cct曲线(连续冷却转变曲线)。

图3为实施例a1的软钢层的金相组织照片。

图4为实施例a1的硬钢层的金相组织照片。

图5为实施例a2的软钢层的金相组织照片。

图6为实施例a2的硬钢层的金相组织照片。

具体实施方式

下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的复合防弹钢板及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例a1-a6

表1列出了复合防弹钢板实施例a1-a6中的化学元素的质量百分比。

表1.(wt％，余量为fe和除了p、s、n以外的其他杂质)

图1示意性地显示了本发明实施例a2的结构，从图中可以看出，在该实施例中，复合防弹钢板具有五层结构，其中2、4两层为软钢层，1、3、5三层为硬钢层，且硬钢层与软钢层相互间隔设置。

上述实施例中的复合防弹钢板采用以下步骤制得：

(1)按表1所列的成分制得硬钢层坯料和软钢层坯料

(2)将硬钢层坯料和软钢层坯料组坯；

(3)在真空室内真空焊接；

(4)复合轧制：在1100～1200℃范围内加热，保温2-3h，然后复合轧制，控制终轧温度为850～900℃；

(5)轧后空冷或水冷至650-750℃；

(6)卷取，卷取温度为650-750℃；

(7)开卷、矫直和切板；

(8)进行淬火和回火热处理；淬火温度为硬钢层的ac3温度以上至少50℃，保温时间至少为3mm/min×复合钢板的厚度，厚度单位为mm，然后以≥50℃/s的速度冷却至室温，回火温度为150-230℃，保温时间15-60min。

表2列出了复合防弹钢板实施例a1-a6中组坯的硬钢层坯料和软钢层坯料的厚度和夹层设计。

表2

从表2中可以看出，实施例a1-a6的软钢层坯料与硬钢层坯料的单层厚度比控制在了0.5-0.8，软钢层坯料与硬钢层坯料的总厚度比为0.15-0.40。所述的复合防弹钢板的组坯夹层设计灵活可调，可以根据不同的防弹要求确定具体的层数，可以为3层或是3层以上的更多层数，这样的设计使得所述复合钢板具有充分的消能作用并使侵入的弹丸改变前进方向，从而提高防弹效果。

表3列出了实施例a1-a6制造方法的工艺参数。

表3

对复合防弹钢板实施例a1-a6的硬钢层和软钢层进行了力学性能测定，并将其结果列于表4。

表4

从表4中可以看出，实施例a1-a6的所述硬钢层的屈服强度均≥2000mpa，硬钢层的硬度都超过了600hbw，而实施例a1-a6的所述软钢层的屈服强度均不超过180mpa，延伸率均在40％以上，硬度值均不超过90hv，因此具有良好的塑性。

图2为本发明所述的复合防弹钢板的所述软钢层的cct曲线，通过该曲线可以得知软钢层在淬火状态下可获得等轴状铁素体。

图3显示了实施例a1的软钢层的基体组织，由图3可看出软钢层的基体组织为等轴状铁素体。

图4显示了实施例a1的硬钢层的基体组织，由图4可看出硬钢层基体组织主要为马氏体。

图5显示了实施例a2的软钢层的基体组织，由图5可看出软钢层基体组织为等轴状铁素体。

图6显示了实施例a2的硬钢层的基体组织，由图6可看出硬钢层的基体组织主要为马氏体。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。