Development of technology for the production of lightweight observation and protective container (LOOK) made of nanostructured ultra-strength steels

• Autorzy: Marcisz Jarosław , Garbarz Bogdan , Tomczak Tymoteusz , Janik Aleksandra , Zalecki Władysław , Burdek Marek , Adamczyk Mariusz , Starczewski Lech , Gmitrzuk Michał , Nyc Robert , Gołuński Marcin , Żółkiewski Krzysztof , Lubowiecki Paweł , Skurczyński Marcin

Identyfikatory

DOI

10.32730/imz.2657-747.21.2.2

Warianty tytułu

PL

Opracowanie technologii produkcji lekkiego kontenera obserwacyjno-obronnego (LOOK) ze stali nanostrukturalnych ultrawytrzymałych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article contains results of research and analyses concerning application of nanostructured bainitic steel in the form of plates for manufacturing of armour components. The presented results of examination of microstructure and properties include a wide range of laboratory experiments and industrial tests, which resulted in the achievement of the assumed functional properties. In the period of 2017-2021, a scientific and industrial consortium consisting of Łukasiewicz - Institute of Ferrous Metallurgy (leader); WITPiS, Tarnów Mechanical Works, Alchemia and Heatmasters Poland carried out a project funded by the POIR 04.01.04 programme aimed to develop the design and to manufacture an observation and protective container with a specified resistance to penetration by armour-piercing projectiles and with a lower mass of steel armouring in relation to that currently produced. The aim of the project was achieved by using armour plates made of nanostructured bainitic steel (nanobainitic), which are characterised by high resistance to high-energy impact concentrated in a small area. The technological tests carried out in the project mainly concerned the development of a new container and industrial technology of armour plates production and their application in the armour of this container. Based on the results of investigation of the semi-industrial scale material, the optimum chemical composition for industrial scale melting and casting was determined. An industrial technology for the production of plates of nano-structured bainitic steel was developed, which includes the following processes: smelting and casting, preliminary heat treatment and ingot hot processing, as well as hot rolling, final heat treatment, and surface treatment. A test batch of the material in the form of 1500×2470 mm armoured plates was fabricated under industrial conditions. The final result of the project is a container armoured with bainitic nanostructured steel plates with implementation documentation and a technology for producing armoured plates from this steel under the technical and technological conditions of domestic steel manufacturers.

PL

Artykuł zawiera wyniki badań i analiz dotyczące zastosowania stali nanostrukturalnej bainitycznej w postaci blach arkuszowych do wytwarzania elementów opancerzenia. Przedstawione wyniki badań mikrostruktury i właściwości obejmują szeroki zakres eksperymentów laboratoryjnych i badań przemysłowych, w wyniku których osiągnięto założone właściwości użytkowe. W latach 2017-2021 konsorcjum naukowo-przemysłowe w składzie: Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza (lider), Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej (WITPiS), Zakłady Mechaniczne Tarnów S.A. (ZMT), Alchemia S.A. i Heatmasters Poland sp. z o.o. zrealizowało projekt finansowany z programu POIR 04.01.04, którego celem było opracowanie konstrukcji i wykonanie kontenera obserwacyjno-obronnego o określonej odporności na przebicie pociskami przeciwpancernymi oraz o niższej masie opancerzenia stalowego w odniesieniu do obecnie wytwarzanego. Cel projektu osiągnięto przez zastosowanie blach pancernych ze stali nanostrukturalnej bainitycznej (nanobainitycznej-NBA), które charakteryzuje wysoka odporność na skoncentrowane na małym obszarze wysokoenergetyczne oddziaływania udarowe. Zrealizowane badania przemysłowe w projekcie dotyczyły w głównej mierze opracowania konstrukcji nowego kontenera oraz przemysłowej technologii wytwarzania blach pancernych i ich zastosowania w opancerzeniu tego kontenera. Na podstawie wyników badań materiału wytworzonego w skali półprzemysłowej ustalono optymalny skład chemiczny dla wytopów przemysłowych. Opracowano przemysłową technologię wytwarzania blach ze stali nanostrukturalnej bainitycznej, która obejmuje następujące procesy: wytapianie i odlewanie, wstępną obróbkę cieplną i przetwarzanie wlewków oraz walcowanie na gorąco blach i finalną obróbkę cieplną oraz obróbkę powierzchniową. Wykonano testową partię materiału w warunkach przemysłowych w postaci pancernych blach arkuszowych o wymiarach 1500×2470 mm. Finalnym rezultatem projektu jest kontener opancerzony za pomocą blach ze stali nanostrukturalnej bainitycznej z dokumentacją wdrożeniową oraz technologia wytwarzania blach pancernych z tej stali w warunkach techniczno-technologicznych krajowych wytwórców wyrobów stalowych.

Słowa kluczowe

EN

nanostructured bainitic steel; production technology; plates; microstructure; mechanical properties; ballistic protection; observation container; protective container

PL

stal bainityczna nanostrukturalna; technologia wytwarzania; blacha; mikrostruktura; właściwości mechaniczne; ochrona balistyczna; kontener obserwacyjno-obronny

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukaszewicz - Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica
• Czasopismo: Journal of Metallic Materials
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 73, no. 2
• Strony: 13--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Marcisz Jarosław

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza

• https://orcid.org/0000-0002-0001-2197

autor

Garbarz Bogdan

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza

• https://orcid.org/0000-0002-8090-2738

autor

Tomczak Tymoteusz

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza

• https://orcid.org/0000-0001-8339-7792

autor

Janik Aleksandra

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza

• https://orcid.org/0000-0002-6601-3205

autor

Zalecki Władysław

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza

• https://orcid.org/0000-0003-4551-1886

autor

Burdek Marek

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza

• https://orcid.org/0000-0002-2556-6460

autor

Adamczyk Mariusz

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza

• https://orcid.org/0000-0002-9120-5487

autor

Starczewski Lech

• Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej

• https://orcid.org/0000-0003-3492-2444

autor

Gmitrzuk Michał

• Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej

• https://orcid.org/0000-0002-7490-1093

autor

Nyc Robert

• Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej

autor

Gołuński Marcin

• Zakłady Mechaniczne „Tarnów” S.A.

autor

Żółkiewski Krzysztof

• ALCHEMIA S.A.

autor

Lubowiecki Paweł

• ALCHEMIA S.A.

autor

Skurczyński Marcin

• Heatmasters Poland Sp. z o.o.

Bibliografia

• [1] H.K.D.H. Bhadeshia, D.V. Edmonds. The bainite transformation in a silicon steel. Metallurgical Transactions A, 1979, 10A, pp. 895-907.
• [2] H.K.D.H. Bhadeshia. Thermodynamic analysis of isothermal transformation diagrams. Metal Science, 1982, 16 (3), pp. 159-165.
• [3] H.K.D.H. Bhadeshia, D.V. Edmonds. Bainite in silicon steels: new composition; property approach Part 1. Metal Science, 1983, 17 (9), pp. 411-419.
• [4] H.K.D.H. Bhadeshia, J.W. Christian. Bainite in steels. Metallurgical Transactions A, 1990, 21 (3), pp. 767-797.
• [5] H.K.D.H. Bhadeshia. Bulk nanocrystalline steel. Ironmaking & Steelmaking, 2005, 32 (5), pp. 405-410.
• [6] H.K.D.H. Bhadeshia, P. Brown, C. Garcia-Mateo. Bainite steel and methods of manufacture therof. Patent GB2462197, 2010.
• [7] L. Wenyan, Q. Jingxin, S. Hersheng. Fatigue crack growth behaviour of a Si-Mn steel with carbide-free lathy bainite. Journal of Materials Science, 1997, 32, pp. 427-430.
• [8] F.G. Caballero, H.K.D.H. Bhadeshia, K.J.A. Mawella, D.G. Jones, P. Brown. Very strong low temperature bainite. Materials Science and Technology, 2002, 18, pp. 279-284.
• [9] C. Garcia-Mateo, F.G. Caballero and H. K. D. H. Bhadeshia. Development of hard bainite. ISIJ International, 2003, 43 (8), pp. 1238-1243.
• [10] M.N. Yoozbashi, S. Yazdani. Mechanical properties of nanostructured, low temperature bainitic steel designed using a thermodynamic model. Materials Science and Engineering A, 2010, 527, pp. 3200-3205.
• [11] B. Garbarz, B. Niżnik-Harańczyk. Modification of microstructure to increase impact toughness of nanostructured bainite-austenite steel. Materials Science and Technology, 2015, 31 (7), pp. 773-780.
• [12] B. Garbarz, W. Burian. Microstructure and properties of nanoduplex bainite-austenite steel for ultra-high-strength plates. Steel Research int., 2014, 85 (12), pp. 1620-1628.
• [13] B. Garbarz, W. Zalecki. Kinetyka izotermicznych przemian fazowych poniżej temperatury Ms w ultra wysokowytrzymałych stalach konstrukcyjnych. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, 2017, 69 (1), pp. 2-9.
• [14] J. Saragosa. Design and characterization of a carbide-free nanoscale bainite alloy, Praca magisterska, McMaster University, 2015.
• [15] B. Garbarz, J. Marcisz, W. Burian. Technological peculiarities of manufacturing nanobainitic steel plates. In: METEC, Düsseldorf, Germany, 15-19 czerwca 2015, pp. 1-9.
• [16] B. Garbarz, et al. Technologia wytwarzania supertwardych materiałów nanostrukturalnych ze stopów żelaza oraz ich zastosowanie w pancerzach pasywnych i pasywno-reaktywnych, 2009-2013, [unpublished].
• [17] IMŻ patent based on patent application No. 394037 (UP RP) of 25.02.2011: Bainitic and austenitic steel and the method of producing panels from this steel; IMŻ patent application No. P. 396431 (UP RP) of 26.09.2011: Heat treatment methods for bainitic and austenitic steel; IMŻ patent application No. P.407091 (UP RP) of 6.02.2014: Sposób obróbki cieplnej wyrobów z ultrawytrzymałej stali średniostopowej.
• [18] J. Marcisz, et al. Opracowanie nowoczesnej konstrukcji modułu pancerza odpornego na udarowe oddziaływanie strumienia kumulacyjnego i pocisków, 2012-2015. [unpublished].
• [19] S. Pashangeh, H.R.K. Zarchi, S.S.G. Banadkouki, M.C. Somani. Detection and Estimation of Retained Austenite in a High Strength Si-Bearing Bainite-Martensite-Retained Austenite Micro-Composite Steel after Quenching and Bainitic Holding (Q&B). Metals 2019, 9, pp. 492.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).