Крупповская броня

Версия 08:43, 24 октября 2015

Предпосылки появления изобретения

Стальная отливка весом около 200 т перемещается двумя кранами для последующей ковки

В 80-х годах XIX в. в металлургии несмотря никель, начала использоваться для легирования небольших стальных отливок другая легирующих добавка - хром. Оказалось, что полученный сплав при соответствующей термообработке, приобретает значительную твердости. Однако сталелитейщики, несмотря на постоянные усилия, не смогли получить большие отливки из хромоникелевой стали и соответствующим образом обрабатывать их пока в 1893 на заводах Круппа не было решено эту проблему. Хром, использовался сначала в количествах до 1%, а затем и в количестве 1,5 ... 3% повышал глубину закаливания брони.

Особенности процесса получения Крупповской брони

Углерод является важнейшим укрепляющим элементом стали, из-за чего его содержание стараются сделать как можно выше. Однако повышенное содержание углерода усложняет производство, вызывает разрывы при ковке, сложнее становится создание волокнистой структуры, плита становится хрупкой, склонной к растрескиванию и откалывания при баллистических испытаниях. Добавление никеля увеличивает вязкость стали и позволяет при соответствующей обработке получать волокнистую структуру, а хром дополнительно повышает твердость, не увеличивая при этом хрупкости. Хром также делает сталь особенно чувствительной к термообработке, что облегчает финишную закалку.

Сначала для производства Крупповские брони использовался технологический процесс, принципиально аналогичный производства брони Харви, однако если в производстве последней использовалась никелевая сталь, то в процессе по Круппом была применена твердая хромистая сталь с содержанием хрома в 1%. Кроме того, если в гарвеивському процессе сталь навуглецьовувалась длительным (обычно в течение нескольких недель) нагреванием в присутствии древесного угля, Крупповские броня цементировалась путем обдува поверхности разогретой стали светильным газом, содержащим углерод в связанном виде. За счет этого было достигнуто значительного сокращения времени, затрачувався на химико-термическую обработку, и, соответственно, обеспечивалось существенное ускорение производства брони, составляло огромное преимущество этого способа.

Ковка плиты главного пояса под 10 000-тонным гидравлическим прессом

Примерно тогда же в Круппа была разработана технология углубления цементованного слоя с одной стороны плиты. Для этого плита покрывалась глиной, причем 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 нагретой, чем задняя сторона плиты, позволяет осуществлять так называемое нисходящее или декрементне закалки поверхности брызгами воды. Сталь, нагретая выше определенную (критическую) температуру, становится очень твердой после быстрого охлаждения водой, тогда как сталь, температура которой ниже указанную границу, практически не меняет своих свойств при закалке.

Сталь нагревается таким образом, чтобы уровень критической температуре не проникал глубже 30 ... 40% ее толщины. Когда это условие достигалась, плиту быстро вытаскивали из печи, устанавливали в камере закалки и подавали мощные струи воды сначала на нагретую поверхность, а затем, через определенный момент времени, на обе поверхности одновременно (двойное опрыскивание). Такое двустороннее орошение нужно было для предотвращения деформации плиты из-за неравномерного охлаждения.

Следует отметить, что метод укрепления, основанный на нисходящем нагревании не обязательно предполагает изменение содержания углерода в стали. Другими словами, в этом способе укрепления лицевая сторона становится сверхтвердых через высокую температуру в момент закаливания, а глубина упрочненного слоя может регулироваться изменением режима нагрева и может быть больше необходимости от глубины цементации.

Процесс укрепления лицевой поверхности был, как правило, процессом окончательной обработки плиты, который применялся после процесса термообработки. Он улучшал зернистость материала и создавал волокна, которые увеличивали прочность и пластичность стали.

Использование и усовершенствование брони

Три плиты уложены на дне печи для цементизации

Крупповская броня была быстро взята на вооружение ведущими морскими странами, являясь не только более дешевой и быстрее в производстве, но и более устойчивой примерно на 15% по сравнению с броней Харви: баллистические тесты показали, что 25,9 см Крупповской брони соответствует 30,4 см Гарвеевскои . В США Крупповская сталь (состав: 0,27% углерода, 3,75% никеля и 1,75% хрома) стала использоваться для бронирования кораблей с 1900 года. Тем не менее, к началу XX в. эта сталь морально устарела из-за появления сложно легированной цементируемой Крупповской брони.

Крупповская цементированная броня

Состав и свойства

Цементированная броня Круппа (англ. Krupp cemented armour, KCA) - вариант дальнейшего развития Крупповской брони. Процесс ее изготовления мало чем отличался, внесены лишь существенные изменения в состав сплава:

• 0,35% углерода,
• 3,9% никеля,
• 2,0% хрома,
• 0,35% марганца,
• 0,07% кремния,
• 0,025% фосфора,
• 0,020 % серы.

KCA имела характеристики предварительной брони, но отличалась большей эластичностью тыльной части листа, что снижало растрескивание брони при попадании в нее снаряда.

В последующие 15 лет была в некоторые улучшения в технологию производства, и следующие варианты Крупповские брони примерно на 10% превосходили по прочности первые ее образцы.

Производство Крупповские цементируемой брони

Плита бортовой брони после окончательной закалки струями воды

Процесс производства следующий:

• Смесь железа и железной руды или железа и железного лома расплавляется в открытой печи и разливается в железную или песчаную форму. Размеры отливка зависят от размера плиты, которую нужно получить. Например отливка для бортовой плиты трёхпушечной башни имеет размеры 106 × 381 × 635 см и массу около 200 т, а отливка для основного пояса размером 66 × 335 × 508 см - около 90 т.
• Еще горячую отливку извлекают из формы, очищают и подготавливают для ковки.
• Отливка вновь нагревается и расковывается под гидравлическим прессом до толщины на 15% большей от нужной толщины плиты. Примеси, выделились в центре верхней стороны отливки удаляются срезанием.
• Поковка обжигается чтобы создать частично волокнистую микроструктуру, избежать растрескивания при охлаждении и снять напряжения, возникшие при ковке.
• Заготовка подвергается суперцементации. Время, необходимое для этого, зависит от размера заготовки. Для больших заготовок процесс длится 10-14 суток.
• Повторный нагрев, ковка почти до необходимой толщины и отжиг.
• Термическая обработка для улучшения волокнистой структуры материала.
• Черновая механическая обработка.
• Плиту нагревают и придают ей нужную форму.
• Лицевая сторона плиты нагревается до температуры более высокой критической, в зависимости от необходимой глубины закаленного слоя, и закаляется в струях масла или воды.
• При небольшом нагреве проводится правка кривизны плиты.
• Плита обрабатывается до окончательных размеров.

Нецементированая Крупповская броня

Срез 254-мм (10-дюймовой) брони

Как уже отмечалось, бронированная плита может закаляться без предварительной цементации. Следует отметить, что цементированная лицевая сторона в большей степени склонна к разрывам и растрескиванию при ковке и нарушении формы, чем остальная масса плиты, что делает изготовление тонких плит сложнее, чем толстых. Эти обстоятельства подтолкнули «Бетлехем Стил» (англ. Bethlehem Steel Company) к производству Крупповской брони без цементации. Позже компания «Мидвейл Стил» (англ. Midvale Steel Company) использовала эту же технологию. Такая броня обычно называется Крупповской нецементируемой (англ. Krupp non-cemented, KNC). Структура брони существенно отличается от структуры Крупповской цементируемой брони (KCA). Например, отсутствующим является суперцементированый слой, а закалка сама по себе обычно дает более высокую твердость и глубину.

Есть также различия в химическом составе, содержание углерода и хрома является обычно выше, а никеля - такой же или ниже, чем в цементируемой брони. По баллистической прочности нецементированая броня эквивалентна цементируемой, однако она имеет склонность к растрескиванию, как под действием снаряда, так и от внутренних механических напряжений. В связи с этим производство нецементированой брони через несколько лет прекратилось. Типичная нецементированая броня содержит 0,5% углерода, 3,5% никеля и 2,3 - 2,5% хрома.

См. также

• Корабельная броня
• Корабельная артиллерия
• Судостроительная сталь

Примечания

Литература и источники информации

• 1. Naval Ordnance and Gunnery. – United States Naval Academy, 1937.
• 2. Эверс Г. Военное кораблестроение. – М.–Л., 1935.
• Brown, David K. Warrior to Dreadnought, warship development 1860–1905. — Caxton Publishing Group, 2003. — ISBN 1-84067-529-2
• Gene Slover's US Navy Pages — Naval Ordnance and Gunnery ARMOR-CHAPTER-XII-A

Галерея изображений

• 

  Результаты тестов бронепробития

• 

  Результаты тестов бронепробития

• 

  Тесты пробития брони 75-мм снарядом

• 

  Баллистические испытания 3-дюймовой брони

• 

  Баллистические испытания 9-дюймовой брони

• 

  Баллистические испытания 11,8-дюймовой брони