高強(qiáng)度熱軋防彈鋼板B900FD的研究與開發(fā)

李志剛，馬鳴圖，黃鎮(zhèn)如

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

高強(qiáng)度熱軋防彈鋼板B900FD的研究與開發(fā)

李志剛1，馬鳴圖1，黃鎮(zhèn)如2

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

本文研究和開發(fā)了高強(qiáng)度熱軋防彈鋼板B900FD，設(shè)計(jì)了合金的化學(xué)成分，探討了不同卷取溫度對防彈鋼組織、力學(xué)性能的影響；對防彈鋼板進(jìn)行了槍擊試驗(yàn)，同時(shí)對槍擊后著彈點(diǎn)的變形特性和組織進(jìn)行了分析；進(jìn)行了加工工藝試驗(yàn)和焊接試驗(yàn)。結(jié)果表明，高強(qiáng)度熱軋防彈鋼板B900FD具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配性能，槍擊性能可以滿足防彈板的要求，其加工性能、可焊接性可以適應(yīng)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。本鋼板的綜合性能指標(biāo)達(dá)到了《專用運(yùn)鈔車防護(hù)技術(shù)條件》（GA164—2005）的要求。

防彈鋼板；高強(qiáng)度鋼；熱軋鋼板

1 前言

防彈運(yùn)鈔車應(yīng)具有良好的防彈功能，在遇劫匪搶劫時(shí)保證保安押運(yùn)人員和現(xiàn)金運(yùn)輸?shù)陌踩?；車輛的重要部位，如電池、發(fā)動機(jī)、水箱、油箱等具有防彈功能后，在遇槍擊時(shí)，也能保證運(yùn)鈔車輛安全行駛的功能。防彈鋼板不僅用于運(yùn)鈔車的防護(hù)，還應(yīng)用于防暴車，以及公安特種車輛的防護(hù)中。統(tǒng)計(jì)表明，目前我國防彈車產(chǎn)量已超過15萬輛[1～3]，而這類特種車輛所用的防彈板是重要的關(guān)鍵材料之一。

目前防彈鋼板按其生產(chǎn)工藝可分兩大類：一類為熱軋鋼板，以瑞典Swedish Steel AB（SSAB）公司的Domax Protect（Defend）250和300為代表，這類鋼板除具有良好的防彈功能外，其加工性能、可焊性及冷彎性能良好，其抗拉強(qiáng)度大于900 MPa，一般小于1 000 MPa；另一類為熱處理鋼板，以瑞典SSAB公司的Domax500為代表，這類鋼板系熱軋后通過熱處理淬火而滿足強(qiáng)度要求的，其強(qiáng)度高，通常大于1 500 MPa，但加工性能、可焊性及冷彎性能遠(yuǎn)不如熱軋類鋼板[4]。

我國試制的防彈鋼板多為淬火硬化鋼，板形和加工性能不如熱軋類鋼板，而熱軋類防彈鋼板完全被瑞典SSAB公司壟斷，因此研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的熱軋類防彈鋼板尤其重要。

運(yùn)鈔車防彈鋼板要滿足《專用運(yùn)鈔車防護(hù)技術(shù)條件》（GA 164—2005）中A級防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)一般采用含高鉻鎳的調(diào)質(zhì)熱處理鋼板，但其存在強(qiáng)度高、成形性能和焊接性能差，價(jià)格貴等缺點(diǎn)。熱軋防彈鋼板具有性能均勻穩(wěn)定、板形好、良好的冷加工性和焊接性能，生產(chǎn)成本低，以及易于生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但是熱軋防彈鋼板在國內(nèi)生產(chǎn)比較困難，目前主要依賴國外進(jìn)口，鋼板的價(jià)格高且厚度較厚，同時(shí)在焊接時(shí)對焊條也有特殊要求。本文的高強(qiáng)度熱軋防彈鋼板B900FD正是為了解決防彈鋼板存在的以上問題和不足而研究開發(fā)，是基于微合金復(fù)相鋼具有的優(yōu)良強(qiáng)韌性匹配，采用控軋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在熱軋態(tài)下供貨使用，具有優(yōu)異的加工性能、可焊性，同時(shí)價(jià)格低廉，可替代進(jìn)口防彈鋼板。

2 化學(xué)成分及設(shè)計(jì)原則

雖然相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼具有優(yōu)良的變形能力，但由于屈強(qiáng)比相對較低，防子彈的侵切能力也相對較低，且軋制工藝復(fù)雜，成本較高。而貝氏體鋼或復(fù)相鋼采用固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等復(fù)合強(qiáng)化手段，可以達(dá)到所需的強(qiáng)度水平，熱軋條件也比較容易達(dá)到。因此熱軋防彈鋼板B900FD的化學(xué)成分設(shè)計(jì)原則上采用貝氏體鋼或復(fù)相鋼。

碳含量太高將降低防彈鋼的塑性并惡化焊接性能，因此應(yīng)控制在不大于0.20%的范圍；Si、Mn是固溶強(qiáng)化元素，Si含量太高易惡化鋼板的表面質(zhì)量，應(yīng)控制在0.80%以下，Mn對塑性的影響不明顯，因此可控制在2.0%以內(nèi)。這樣可將鋼板強(qiáng)化到700 MPa，但與900 MPa還有很大差距，必須加入微合金元素，用析出強(qiáng)化和細(xì)化晶粒等方法進(jìn)一步提高鋼板的強(qiáng)度。Ti既是析出強(qiáng)化又是晶粒細(xì)化元素，還能改變硫化物的形態(tài)，提高鋼板的韌性，加入0.15%以下；V是析出強(qiáng)化元素，在低溫下析出后可以有效提高鐵素體基體的強(qiáng)度；Nb是控制軋制的有效強(qiáng)化元素。同時(shí)加入少量的Cr和Cu以增加鋼板的耐腐蝕性，加入微量的B可進(jìn)一步提高鋼板的強(qiáng)度[5，6]。為了提高鋼板的卷取溫度添加了Mo和Ni等元素。熱軋防彈鋼板B900FD的化學(xué)成分見表1。

表1 熱軋防彈鋼板B900FD的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of hot rolling bulletproof steel B900FD

3 金相組織

熱軋防彈鋼板B900FD的金相組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，見圖1。鋼板頭部由于軋輥溫度較低，貝氏體組織增多，珠光體量減少；鋼板尾部因軋輥溫度升高，珠光體組織增多。

圖1 熱軋防彈鋼板B900FD的金相組織Fig.1 The microstructure of the hot rolling bulletproof steel B900FD

4 力學(xué)性能

4.1 彎曲試驗(yàn)

熱軋防彈鋼板不同位置的彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表2。頭部出現(xiàn)裂紋，可能是由于頭部貝氏體組織較多，鋼板韌性下降的原因所致。

表2 鋼板不同位置的彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Bend experiment in different position of steel

4.2 沖擊試驗(yàn)

沖擊試樣為V型缺口，試驗(yàn)結(jié)果見表3，相應(yīng)的載荷、位移曲線見圖2。其屈服載荷為2.86 kN，最大載荷為7.61 kN，說明開發(fā)的防彈鋼具有良好的抗沖擊載荷變形能力，進(jìn)而保證較大的沖擊韌性（Ak值）。

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Impact test results

圖2 沖擊試驗(yàn)的載荷、位移曲線Fig.2 Load vs displacement curve of impact experiment

4.3 拉伸試驗(yàn)

鋼板不同位置的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4，中部比頭部、尾部具有更好的強(qiáng)韌性匹配。

表4 鋼板不同位置的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Strength results in different position of steel

5 軋制工藝

5.1 終軋溫度對防彈鋼性能的影響

終軋溫度與強(qiáng)度的關(guān)系見圖3，隨終軋溫度的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均下降。終軋溫度與延伸率的關(guān)系見圖4，隨終軋溫度的升高，延伸率升高。

圖3 終軋溫度與強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 The relationship of final rolling temperature and strength

圖4 終軋溫度與延伸率的關(guān)系Fig.4 The relationship of final rolling temperature and elongation

5.2 卷取溫度對防彈鋼性能的影響

卷取溫度與強(qiáng)度的關(guān)系見圖5，隨卷取溫度的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均下降。基于以上的結(jié)果并考慮防彈板合理的強(qiáng)韌性匹配，確定熱軋防彈鋼板B900FD的終軋溫度和卷取溫度見表5。

圖5 卷取溫度與強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 The relationship of coiling temperature and strength

表5 熱軋防彈鋼板B900FD的終軋溫度和卷取溫度Table 5 Final rolling temperature and coiling temperature of hot rolling bulletproof steel B900FD

6 槍擊試驗(yàn)

6.1 槍擊試驗(yàn)結(jié)果

槍擊試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)《專用運(yùn)鈔車防護(hù)技術(shù)條件》（GA 164—2005）的要求進(jìn)行，采用微型沖鋒槍，彈型為DAP51 B型7.62鋼芯彈，彈頭質(zhì)量為5.45～5.6 g，彈速為485～515 m/s，射擊距離分別為5 m、10 m、15 m，每個(gè)鋼板有三個(gè)著彈點(diǎn)，呈三角形，距離約為50 mm。不同射擊距離的槍擊試驗(yàn)結(jié)果見表6，距離10 m射擊后的鋼板照片見圖6。槍擊試驗(yàn)結(jié)果表明，熱軋防彈鋼板B900FD滿足槍擊試驗(yàn)的要求。

表6 不同射擊距離的槍擊試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Target test results of different target distance

圖6 距離10 m射擊后的鋼板照片F(xiàn)ig.6 Steel picture after target test in distance of 10 m

6.2 防彈鋼板經(jīng)槍擊后著彈點(diǎn)的變形特性分析

防彈鋼板經(jīng)槍擊后著彈點(diǎn)發(fā)生隆起（見圖7），隆起邊緣與基板一段為變形過渡區(qū)，隆起壁為變形區(qū)，隆起頂部分為頂變形區(qū)（其大小與子彈鋼芯直徑相當(dāng)）。圖8是著彈點(diǎn)截面硬度隨距離的測量結(jié)果，著彈點(diǎn)產(chǎn)生大的塑性變形引起強(qiáng)烈的加工硬化，硬度隨之升高。變形過渡區(qū)主要以彎曲變形為主，變形區(qū)以拉伸變形為主，隆起頂?shù)耐鈱訛槔熳冃?，而?nèi)層為壓縮變形。

圖7 著彈點(diǎn)隆起截面和硬度測定點(diǎn)照片F(xiàn)ig.7 Section of bullet wound and hardness test points

圖8 著彈點(diǎn)變形后的硬度分布曲線Fig.8 Hardness distribution of bullet wound after deformation

圖9是100倍防彈鋼板的中心疏松線照片，中心疏松層位于防彈板截面的中心位置。圖10為25倍下的著彈點(diǎn)頂部照片，可以看出：中心疏松線依然存在，而隆起頂部外側(cè)受拉伸變形減薄。變形晶粒明顯的方向性250倍照片見圖11；內(nèi)側(cè)50倍晶粒輕微細(xì)化照片見圖12，其厚度變形很小。從圖13隆起頂部的250倍照片可以看出：中心疏松線內(nèi)側(cè)組織細(xì)密，而外側(cè)要疏松一些，也進(jìn)一步證明了隆起頂部內(nèi)側(cè)受壓，外側(cè)以拉伸變形為主。圖10同時(shí)還表明著彈點(diǎn)最薄處不在隆起頂部，而在頂部與側(cè)壁過渡處，該區(qū)域也是最危險(xiǎn)的地方，當(dāng)子彈打擊防彈鋼板時(shí)，裂紋首先在該處產(chǎn)生并進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)其強(qiáng)度不足時(shí)，導(dǎo)致防彈鋼板被穿透。

圖9 板材中心疏松線照片F(xiàn)ig.9 The loose wire in the plate

圖10 著彈點(diǎn)頂部照片F(xiàn)ig.10 At the top of bullet wound

圖12 隆起內(nèi)側(cè)的晶粒細(xì)化照片F(xiàn)ig.12 Grain refinement inside the upheaval

從以上分析可以得知，當(dāng)防彈板承受子彈的沖擊時(shí)，其變形極不均勻，且十分復(fù)雜，著彈點(diǎn)發(fā)生隆起變形，最薄弱處在隆起頂部與隆起側(cè)壁的過渡區(qū)。如果防彈板的屈服強(qiáng)度過低，則很快在該處產(chǎn)生塑性變形，并使該處厚度減薄，從而形成危險(xiǎn)的減薄區(qū)，使防彈板的抗彈能力下降；而當(dāng)屈服強(qiáng)度在一個(gè)合理范圍時(shí)，則可以降低該區(qū)域的塑性變形，充分發(fā)揮隆起側(cè)壁的拉伸變形和過渡區(qū)的彎曲變形吸能作用，提高防彈鋼板的抗子彈侵切能力。防彈鋼板具有的這種合理的屈服強(qiáng)度，即為防彈鋼板具備的基本防子彈侵切能力。因此，防彈鋼板要有優(yōu)良的防彈性能必須具有一定的抗拉強(qiáng)度和合適的屈服強(qiáng)度，并有足夠的延性和韌性。

7 結(jié)語

圖11 隆起外側(cè)變形晶粒照片F(xiàn)ig.11 Grain outside the upheaval

圖13 隆起的頂部變形照片F(xiàn)ig.13 Deformation at the top of the upheaval

采用微合金化復(fù)相鋼開發(fā)的熱軋防彈鋼板B900FD，具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配，提高了加工性能、可焊接性，降低了成本，與國外同類產(chǎn)品比較具有板厚更薄、價(jià)格低的優(yōu)勢。鋼板的相關(guān)性能指標(biāo)達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)《專用運(yùn)鈔車防護(hù)技術(shù)條件》（GA 164—2005）的要求，并通過了公安部安全與警用電子產(chǎn)品質(zhì)量檢查中心的鑒定，目前已批量生產(chǎn)。

[1]張德鵬，杜 建.防彈運(yùn)鈔車玻璃和鋼板防彈性能的試驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，18（4）：25-27.

[2]魏國旗.重型運(yùn)鈔車車身防彈鋼板的配置[J].專用汽車，2004（1）：17-19.

[3]尚普咨詢.2010—2013年中國防彈運(yùn)鈔車市場調(diào)研報(bào)告[R].四川教育出版社，2010.

[4]馬鳴圖，黎 明，黃鎮(zhèn)如.金屬防彈材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2005，19：8-10.

[5]顏 蘇.可提高抗彈性能的電渣重熔鋼[J].兵器材料科學(xué)與工程，1984（3）：23-26.

[6]候增壽，盧光熙.金屬學(xué)原理[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1990.

The research and exploitation of the high strength hot rolling bulletproof steel

Li Zhigang1，Ma Mingtu1，Huang Zhenru2
（1.China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd.，Chongqing 400039，China；2.Baoshan Iron&Steel Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

This paper researched and exploited high strength hot rolling bulletproof steel B900FD.The chemical composition of B900FD was designed.The effects of different coiling temperatures on microstructure and mechanical property of bulletproof steel are discussed.The shooting test was carried out.The deformation characteristics and microstructure of the tested samples were analyzed.Cold forming and welding test were also progressed.The results show that B900FD has excellent strength and ductility compatibility.Shooting resistance property can satisfy the requirement of bulletproof steel.The machining and welding property can suit existing production process and reduce the cost.The comprehensive properties of developed B900FD steel achieve the standard of Protection specification for cash carrying vehicles(GA 164—2005).

bulletproof steel；high strength；hot rolling steel

TG142

A

1009-1742（2014）01-0093-06

2013-10-12

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011BAG03B06）

李志剛，1964年出生，男，重慶市人，教授級高級工程師，主要研究方向?yàn)槠囕p量化材料工藝研究；E-mail：lzgccari@126.com