Броня. История и технология

21/11/2013 4:58pm

Автор: AdmiralHood

Категории: История

История разработок

Первое известное в истории предложение защитить корпус корабля металлическими щитами было сделано сэром Вильямом Конгривом (Sir William Congreve) в лондонской «Таймс» в номере от 20 февраля 1805 г. Похожее предложени было сделано в 1812 г. Джоном Стевенсом их Хобокена (Нью Джерси). В течение многих лет эти предложения оставались без внимания, но несмотря на это, Стевенс с сыновьями предпринял серию экспериментов, в которых он определил законы прохождения пушечных ядер через железные плиты и минимальную толщину железной плиты, необходимую для защиты от любого известного артиллерийского орудия.

В 1842 г. Роберт Стевенс (Robert L. Stevens), один из сыновей Джона Стевенса, представил результаты этих экспериментов и новый проект плавучей батареи комитету Конгресса. Эти эксперименты Стевенсов вызвали большой интерес в Америке и в Европе.

В 1814 г. француз генерал Паксен (Paixhan) также указал на необходимость бронирования кораблей, а в 1845 г. Дюпью де Лом (Dupuy de Lome) разработал проект бронированного фрегата для французского правительства. В результате этого в Хобокене весной 1854 г. была заложена плавучая батарея Стевенсов, через несколько месяцев – 4 батареи в Тулоне, а ещё через несколько месяцев – ещё три в Англии. Одна из французских плавучих батарей была названа «Конгрив». В течение следующего года произошло первое боевое столкновение, в котором участвовали бронированные корабли – обстрел Кинбурнских фортов во время Крымской войны тремя французскими батареями.

Железная броня

Единственным металлом, пригодным для практического применения и имеющиимся в достаточном количестве было в то время железо – кованое или чугун, и все эксперименты показывали, что кованое железо при одинаковом весе имело преимущество по сравнению чугуном. Кованое железо было использовано в первых бронированных кораблях, которые были защищены плитами толщиной 101-127 мм, прикреплёнными к деревянным балкам толщиной 90 см.

Наиболее масштабные эксперименты по улучшению прочности железной брони были проведены в Европе, где металлургическая промышленность была наиболее развита. Была протестирована многослойная железная защита с прокладкой из дерева и обнаружено, что в любом случае сплошные железные плиты давали лучшую защиту в расчёте на единицу веса.

Во время гражданской войны, большая часть американских кораблей имела многослойную защиту, что было вызвано скорее недостатком промышленных мощностей по производству толстых железных плит, чем преимуществами этого типа защиты.

Поскольку процесс пробоя брони снарядом довольно сложен, к броне предъявляются крайне противоречивые требования. С одной стороны, броня должна быть очень твёрдой, чтобы попадающий в неё снаряд разрушался при ударе. С другой стороны – достаточно вязкой, чтобы не растрескиваться от удара и эффективно поглощать энергию осколков, возникающих при разрушении снаряда. Очевидно, что оба эти требования противоречат друг другу. Большинство материалов высокой твёрдости обладают крайне низкой пластичностью.

С развитием технологии производства брони довольно быстро был найден способ удовлетворить этим противоречивым требованиям. Броню стали делать двуслойной – с твёрдой внешней поверхностью и пластичной подложкой, составлявшей основную массу брони. В такой броне твёрдые внешние слои разбивают снаряд, а вязкие внутренние не дают осколками пройти внутрь корабля.

Сначала предлагалось облицовывать железные плиты чугуном или закалённым железом, однако эти схемы продемонстрировали то же снижение надёжности, что и деревянно- железная защита и не превзошли по по прочности сплошные железные плиты. Однако в 1863 г. англичанин Котчетт (Cotchette) предложил приваривать 25-мм стальные плиты к 75-мм плитам кованого железа. Позднее, в 1867 г. Якоб Риз (Jacob Reese) из Питтсбурга, шт. Пенсильвания, запатеновал цементирующий компаунд, который, как он утверждал, был пригоден для цементирования и упрочнения броневых плит. Усилия по реализации этих предложений не имели успеха по многим причинам, в первую очередь из-зи недостаточного развития металлургии. Следует напомнить, что Бессемеровский процесс производства стали в конвертере был разработан между 1855 и 1860 г., а процесс Сименса-Мартена для производства стали в открытой печи появился во Франции и Англии несколькими годами позже. Каждый из этих процессов появился в США с запозданием в несколько лет после их внедрения в Европе.

Литое железо никогда не применялось на флоте, однако использовалось для бронирования наземных укреплений, где вес не имел такого большого значения. Наиболее известный пример литой железной брони – башни Грусона, которые строились больших железных отливок и широко использовались для защиты европейских границ. Первая башня Грусона была опробована в 1868 г. прусским правительством.

Стальная броня

К 1876 г. мощность артиллерии увеличилась настолько, что для защиты от самых мощных орудий требовалась 560-мм броня. Но в этом году в Специи были проведены испытания, которые совершили переворот в производстве брони и позволили значительно уменьшить её толщину. На этих испытаниях 560-мм плита из мягкой стали, произведённая известной французской фирмой Шнейдер и Ко. значительно превзошла все остальные испытанные образцы. Было известно, что сталь содержала 0.45% углерода и была получена из заготовки высотой около 2 м путём расковки её до нужной толщины. Процесс производства стали держался в секрете.

Эти стальные пластины, демонстрируя превосходную баллистическую прочность, были сложны в обработке, и эта трудность привела к дальнейшим разработкам, направленным на то, чтобы совместить жёсткость стальной пластины и вязкость железной подложки. Сталь, которая использовалась в этих плитах была произведена в открытых печах Сименса-Марена.

Компаундная броня

Стремление получить броню с твёрдой поверхностью и вязкой подложкой и при этом хорошо поддающуюся обработке привело к появлению компаундной брони. Первую эффективную технологию её производства предложил Уилсон Кэммел (Wilson Cammel): на поверхность горячей плиты из кованого железа выливалась стальная лицевая сторона, полученная в открытой печи. Известна также компаундная плита Эллиса-Брауна (Ellis-Brown), в которой стальная лицевая плита припаивалась к железной подложке бессемеровской сталью. В обоих этих процессах, разработанных в Англии, плиты прокатывались после спайки.

В последующие 10 лет процесс производства брони не претерпел никаких изменений, за исключением небольших улучшений технологии производства, но весь этот период был ознаменован острым соревнованием и противостоянием между цельностальной и компаундной бронёй. Цельностальная броня представляла собой обыкновенную сталь с содержанием углерода 0.4-0.5%, тогда как стальная поверхность компаундной брони имела 0.5-0.6% углерода. Эти два типа брони, чья сравнительная прочность во многом зависела от качества изготовления, были приблизительно на 25% прочнее брони из кованого железа, т.е. 10-дюймовая цельностальная или компаундная плита выдерживала те же ударные нагрузки, что и 12.5-дюймовая плита из кованого железа.

Броня из никелевой стали

Следующим шагом стало легирование стали никелем.

Никель имеет свойство сильно повышать вязкость стали. При одинаковых ударных нагрузках броневые плиты из никелевой стали не растрескиваются и не отслаиваются осколками, как это бывает с чисто углеродистой сталью. Кроме того, никель облегчает термообработку – при закалке никелевая сталь меньше коробится.

В 1889 г. Шнейдер первым ввёл примесь никеля в цельностальную броню, после чего компаундная броня стала постепенно выходить из употребления. Количество никеля в первых образцах менялось от 2 до 5%, но к конце концов установилось на уровне 4%. В это же время Шнейдер успешно применил закалку стали водой и маслом. После ковки молотом и нормализации, плита разогревалась жо температуры закалки после чего её лицевая часть погружалась на небольшую глубину в масло. После закалки следовал низкотемпературный отпуск.

Эти нововведения привели к улучшению прочности брони ещё на 5%. Теперь 10-дюймовая броня из никелевой стали была эквивалентна примерно 13-дюймовой плите из железа.

К этому времени производством брони занялась американская компания Бетлехем Айрон под руководством Джона Фритца, а вскоре после этого – компания Карнеги Стил по патентам Шнейдера. Первые поставки стали для старых броненосцев Техас, Мэн, Орегон и других кораблей этого периода состояли из термообработанной никелевой стали с 0.2% углерода, 0.75% марганца, 0.025% фосфора и серы и 3.25% никеля.

Гарвеевская броня

В 1890 г. произошло следующее значительное улучшение качества брони в связи с введением гарвеевского процесса, впервые применённого на военно-морской верфи в Вашингтоне для обработки 10.5-дюймовых стальных плит.

Известно, что твёрдость железоуглеродистых сплавов возрастает с увеличением содержания углерода. Так, чугун гораздо твёрже стали, которая в свою очередь гораздо твёрже чистого железа. Значит для получения твёрдой лицевой поверхность брони достаточно повысить содержание углерода в её поверхностном слое.

Процесс, изобретённый американцем Г. Гарвеем, состоял в следующем. Стальная плита, находящаяся в тесном контакте с каким-либо углеродосодержащим веществом (например, древесным углём) нагревалась до температуры, близкой к температуре плавления, и поддерживалась в таком состоянии две-три недели. В результате содержание углерода в поверхностном слое повышалось до 1.0–1.1%, а на глубине 25 мм оставалось на уровне, характерном для обычной стали.

Затем плита подвергалась закалке по всей толщине сначала в масле, а затем в воде, в результате чего цементированная поверхность становилась сверхтвёрдой.

Этот процесс получил название цементации (науглероживания).

В 1887 г. Трессидер запатентовал в Англии метод улучшения закалки нагретой поверхности плиты путём подачи на неё под большим давлением мелких водяных брызг. Этот способ оказался лучше, чем погружение в жидкость, потому что обеспечивал надёжный доступ холодной воды к поверхности металла, тогда как при погружении между жидкостью и металлом возникала прослойка пара, которая ухудшала теплообмен. Сталь с упрочненной поверхностью, легированная никелем, цементированная по Гарвею, отпущенная в масле и закалённая водяными брызгами получила название гарвеевской брони.

Химический анализ типичной гарвеевской брони этого периода показывает, что содержание углерода составляет около 0.2%, марганца – около 0.6%, никеля – от 3.25 до 3.5%.

Вскоре после внедрения гарвеевского процесса было обнаружено, что баллистическую прочность брони можно улучшить путём повторной ковки после цементирования. Ковка, уменьшавшая толщину плиты на 10–15%, проводилась при низкой температуре. Первоначально она применялась для того, чтобы более точно выдерживать толщину плиты, улучшить отделку поверхности и структуру металла после тепловой обработки. Этот способ был запатентован Кори из компании «Карнеги Стил» под названием «двойная ковка».

Гарвеевская броня мгновенно доказала своё превосходство перед другими типами брони. Улучшение составило 15–20%, то есть 13 дюймов гарвеевской брони примерно соответствовали 15,5 дюймам брони из никелевой стали.

Крупповская броня

В 80-х годах 19 в. в металлургии стала применяться для легирования небольших стальных отливок другая легирующая добавка – хром. Оказалось, что полученный сплав при соответствующей термообработке, получает значительню твёрдость. Однако сталелитейшики, несмотря на постоянные усилия, не смогли получить большие слитки хромоникелевой стали и соответствующим образом обрабатывать их, пока в 1893 г. германский промышленник Крупп не решил эту проблему.

Крупп также внедрил процесс цементирования в производство брони, но вместо твёрдых углеводородов, применяемых в гарвеевском процессе, он использовал газообразные углеводороды – светильный газ пропускали над горячей поверхностью плиты. Такую газовую цементацию часто использовали, однако она постепенно вытеснялась применением твёрдых углеводородов. Газовая цементация применялась в Бетлехеме в 1898 г. однако после этого она не использовалась в Америке для производства брони.

Примерно в это же время Крупп разработал процесс углубления цементированного слоя на одной стороне стальной плиты. Для этого плита обволакивалась глиной, причём цементированная сторона оставалась открытой, а затем открытая сторона подвергалась сильному и быстрому нагреву. Так как температура падает от поверхности в глубину плиты, поверхность оказывается более горячей, чем задняя сторона плиты, что позволяет осуществлять «ниспадающую закалку» брызгами воды. Сталь, нагретая выше определённой температуры, становится очень твёрдой при быстром охлаждении водой, тогда как сталь, температура которой ниже указанного предела, практически не меняет своих свойств при закалке. Для удобства назовём эту температуру критической. Если поверхность плиты нагрета выше этой критической температуры, тогда внутри плиты существует уровень, где металл имеет критическую темепратуру, причём этот уровень постепенно сдвигается вглубь плиты и в конце концов достигнет её задней поверхности, если нагрев будет достаточно продолжительным.

Однако сталь нагревается таким образом, чтобы уровень критической температуры не опускался глубже 30-40% её толщины. Когда такой нагрев достигался, плиту быстро вытаскивали из печи, устанавливали в камере закалки и подавали мощные струи воды сначала на нагретую поверхность, а затем, секундой позже, на обе поверхности одновременно. Такое двустороннее орошение было необходимо, чтобы пердотвратить деформацию плиты из-за неравномерного охлаждения.

Этот процесс, названный «ниспадающим упрочнением поверхности» позволял получить очень прочную лицевую сторону плиты, составлявшую 30-40% её толщины, в то время как остальные 60-70% объёма плиты оставались в первоначальном вязком состоянии. Следует отметить, что этот метод уплочнения основан на ниспадающем нагреве и не обязательно предполагает изменение содержания углерода в стали. Другими словами, в этом способе упрочнения лицевая сторона становится сверхтвёрдой из-за более высокой температуры в момент закалки, а глубина упрочнённого слоя может регулироваться изменением режима нагрева и может быть больше, если необходимо, чем глубина цементации.

Процесс упрочнения лицевой поверхности был, конечно, процессом окончательной обработки плиты, который применялся после процесса термообработки. Последний улучшал зернистость материала и создавал волокна, которые увеличивали прочность и пластичность стали.

Успех крупповского процесса был моментальным, вскоре все производители брони внедрили его. На всех плитах толще 127 мм крупповская броня была примерно на 15% эффективнее, чем её предшественница, гарвеевская броня. 11.9 дюймов крупповской стали были примерно эквивалентны 13 дюймам гарвеевской стали. В Америке крупповская сталь стала применяться для бронирования кораблей с 1900 г. Большая часть брони, изготовленная в последующие 25 лет была крупповской цементированной бронёй.

В течение последующих 15 лет были внедрены некоторые улучшения в технологию производства, и сейчас крупповская броня примерно на 10% прочнее, чем её первые образцы.

Производство крупповской цементированной брони

Углерод является важнейшим упрочняющим элементом, его содержание стараются сделать как можно более высоким. Однако повышенное содержание углерода усложняет производство, вызывает разрывы при ковке, более сложным становится создание волокнистой структуры, плита становится хрупкой, более подверженной растрескиванию и откалыванию при баллистических испытаниях. Добавление никеля увеличивает вязкость стали и позволяет при соответствующей обработке получать волокнистую стуктуру, а хром ещё более увеличивает твёрдость, создаваемую углеродом, не увеличивая при этом хрупкость. Хром также делает сталь особенно чувствительной к термообработке, что облегчает финишную закалку.

Типичных химический состав совеременной крупповской цементированной брони следующий:
Углерод – 0.35%
Никель – 3.90%
Хром – 2.00%
Марганец – 0.35%
Кремний – 0.07%
Фосфор – 0.025%
Сера – 0.020%

В этой связи интересно заметить, что когда крупповская цементированнная броня впервые появилась в Америке, плиты имели около 0.27% углерода, 3.75% никеля и 1.75% хрома.

Современный процесс производства вкратце таков:

1. Смесь железа и железной руды или железа и железного лома расплавляется в открытой печи и разливается в железную или песчаную форму.

Размеры отливок зависят от размера плиты, которую необходимо получить. Например отлика для бортовой плиты трёхорудийной башни имеет размеры 106 × 381 × 635 см и весит около 200 т, а отливка для основного пояса размером 66 × 335 × 508 см – около 90 т.

2. Ещё горячую отливку извлекают из формы, очищается и подготавливается для ковки (рис. 1).

3. Отливка вновь нагревается и расковывается под грдравлическим прессом до толщины 15% от желаемой толщины плиты. Примеси, выделяющиеся в центре верхней стороны отливки удаляется срезанием.

4. Поковка отжигается чтобы создать частично волокнистую микроструктуру, предотвратить растрескивание при охлаждении и снять напряжения, возникшие при ковке (рис. 2).

5. Заготовка подвергается суперцементизации (рис. 3). Время, необходимое для этого, зависит от размера заготовки. Для больших заготовок оно составляет 10–14 дней.

6. Повторный нагрев, ковка почти до необходимой толщины и отжиг.

7. Термическая обработка для улучшения волокнистой структуры материала (рис. 5).

8. Черновая механическая обработка.

9. Плиту нагревают и придают ей нужную форму.

10. Лицевая сторона плиты нагревается до температуры выше критической, в зависимости от необходимой глубины закалённого слоя, и закаляется в струях масла или воды.

11. При небольшом нагреве выправляется кривизна плиты.

12. Плита обрабатывается до окончательных размеров.

Нецементированнная броня

При обсуждении декрементной закалки крупповской цементированной стали мы отметили, что плита может быть закалена без предварительной цементизации. Необходимо отметить, что цементированная лицевая сторона более подвержена разрывам и растрескиванию при ковке и нарушению формы, чем остальная масса плиты, что делает изготовление тонких плит более сложным, чем толстых. Эти обстоятельства подтолкнули компанию «Бетлехем Стил» к производству крупповской брони без цементации. Позднее компания «Мидвейл Стил» использовала эту же технологию. Эта броня обычно называется крупповской нецементированной (KNC). Её структура существенно отличается от структуры крупповской цементированной брони (KC). Напримет, отсутствует суперцементрованный слой, а закалка сама по себе обычно твёрже и глубже. Есть также различия в химическом составе, содержание углерода и хрома обычно выше, а никеля – такое же или ниже, чем у цементированной брони. По баллистической прочности нецементированнная броня эквивалентна цементированной, однако к сожалению имеет тенденцию к растрескиванию, как под действием снаряда, так и от внутреннего напряжения. Из-за этого производство нецементированной брони через несколько лет прекратилось. Типичная нецементированная броня содержит 0.5% углерода, 3.5% никеля и 2.3–2.5% хрома.

Краткое резюме по истории развития брони

Из предшествующего обзора видно, что каждое изменение технологии добавляло что-то особенное, и современная броня несёт на себе существенные черты всех своих предшественниц. Первоначально на флоте использовалось кованое жедезо, которое затем развилось в компаундную железо-стальную броню. Цельностальная броня вытеснила компаундную, а затем была улучшена легированием никелем. Затем произошёл возврат к принципу упрочнённой лицевой поверхности, но уже для однородной брони путем внедрения Гарвеевского процесса. Наконец произошло добавление хрома и развитие технологии декрементной закалки для цементированной и нецементированной брони.

Производство эффективной брони требует не только высокого развития металлургии, но и дорогостоящих инструментов и приборов. Некоторые улучшения брони были вызваны изобретениями и открытиями в металлургии и сталелитейном деле. Различные этапы развития брони дают прекрасную иллюстрацию эволюции использования железа и стали. Очень часто запросы военных инженеров вызывали развитие целых отраслей металлургии, которые затем находили применение в гражданской промышленности, но ещё чаще развитие металлургии и химии открывало новые перспективы в развитии военной техники.


Презентация

Контакты

 

 

Контакты

[email protected]

[email protected]

 г. Днепр

тел. +38 (056) 794-36-74

факс. +38 (056) 794-36-75

моб. +38 (050) 320 69 72

ISSN 20760507

Руководитель проекта - Гринев Владимир Анатольевич

Партнеры