DE102005021982B4

DE102005021982B4 - Verfahren zur Herstellung eines Penetrators

Info

Publication number: DE102005021982B4
Application number: DE200510021982
Authority: DE
Inventors: Cornelis Taal; René OUDELHOVEN
Original assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Current assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: DE102005021982A1; EP1722187A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Penetrators aus einer Wolfram-Schwermetall-Legierung mit hohem Wolframanteil, wobei eine wolframhaltige Pulvermischung gepresst, gesintert und gegebenenfalls einer Wärmebehandlung unterzogen wird und der Penetratorrohling (1) anschließend kalt umgeformt und gegebenenfalls warm ausgelagert wird, wobei die oberflächennahe Randschicht (6) des Penetratorrohlings (1) nach der Kaltumformung mittels eines Induktionsglühverfahrens auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur der Wolfram-Schwermetall-Legierung erhitzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Penetrators aus einer Wolfram- Schwermetall-Legierung mit hohem Wolframanteil, wobei eine wolframhaltige Pulvermischung gepresst, gesintert und gegebenenfalls einer Wärmebehandlung unterzogen wird und der Penetratorrohling anschließend kalt umgeformt und gegebenenfalls warm ausgelagert wird.
Penetratoren aus einer Wolfram-Schwermetall-Legierung besitzen üblicherweise einen hohen Wolframanteil (90 bis ca. 97 Gew.-%), da diese Werkstoffe aufgrund ihrer hohen Massen gute Penetrationsleistungen bei senkrechtem Aufprall auf einfache gepanzerte Ziele besitzen. Allerdings führt der hohe Wolframanteil zu einer Versprödung des Werkstoffes, so dass es bei schräg angeordneten Zielen sowie bei Mehrplattenzielen häufig bereits vor Durchdringen des Zieles zu einem Auseinanderbrechen des Penetrators kommt. Die kinetische Energie der dabei entstehenden relativ kurzen Bruchstücke reicht aufgrund ihrer geringen Masse in der Regel nicht aus, um die verbleibende(n) Zielplatte(n) zu durchdringen.
Die Sprödigkeit bekannter WSM-Penetratoren nimmt häufig noch dadurch zu, dass bei der mechanischen Bearbeitung, beispielsweise durch Drehen oder Schleifen, Anrisse der oberflächennahen Wolframkörner auftreten, die im Belastungsfall dann durch Rissfortpflanzung zu einem frühzeitigen Versagen des Penetrators führen können.

Aus der DE 41 13 177 C2 ist es bekannt, zur Erhöhung der Zähigkeit von mechanisch bearbeiteten Penetratoren die äußeren Wolfram-Schichten des jeweiligen in seiner Geometrie endbearbeiteten Penetrators durch Ätzen zu entfernen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass durch ein derartiges Abätzen der äußeren Wolfram-Schichten die Kerbschlagzähigkeit des entsprechenden Penetrators wesentlich (d.h. bis zu 20 %) erhöht wird.

Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist allerdings, dass Säuren verwendet werden müssen, die anwendungs- und umweltunfreundlich sind. Außerdem ist die Herstellung derartiger Penetratoren relativ aufwendig, weil durch den Ätzvorgang die vorgegebenen Maße des Penetrators nicht beeinflusst werden dürfen.

Aus der DE 40 16 051 C2 ist ferner ein Penetrator bekannt, bei dem ein z.B. aus Wolfram-Schwermetall bestehender bruchempfindlicher Penetratorkern mittels einer duktilen Hülle geschützt wird. Hierzu wird die z.B. aus Stahl bestehende duktile Hülle nach Fertigung des Wolframkerns durch Drückwalzen formschlüssig auf den Penetratorkern aufgebracht. Auch dieses bekannte Verfahren ist relativ zeit- und kostenaufwendig.

Ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus gesinterten Refraktärmetall-Legierungen, wie Wolfram- und Molybdän-Legierungen, beschreibt die EP 0 340 264 B1 . Um eine verbesserte Stapelgefügestruktur zu erreichen, wird das zu mindestens 85 % umgeformte Sintergut vor der Rekristallisationsglühung während mindestens 20 Minuten bei einer Mindesttemperatur von 700°C und einer Höchsttemperatur bei der gerade noch keine Rekristallisation auftritt, einer Zwischenglühung unterzogen und anschließend in angewärmten Zustand um weitere 3 % bis 30 % verformt.

Die DE 15 58 787 B2 beschäftigt sich mit einem Verfahren zur Wärmebehandlung von Wolframlegierungen. Die Legierung wird mindestens 10 Minuten auf 1700 bis 1900°C erhitzt und dann mit einer konstanten Geschwindigkeit von 8°C/min auf 900°C abgekühlt. Das Verfahren wird hierbei unter Vakuum durchgeführt.

Mit der DE 15 58 821 B2 wird ein Verfahren zur Erhöhung der Duktilität von aus Wolfram oder Wolframlegierungen bestehendem Halbzeug offenbart. Das Halbzeug wird dabei vor der Formgebung zur teilweisen Rekristallisation bei 1200 bis 1600°C 30 bis 120 Minuten geglüht. Der Rekristallisationsgrad beträgt dabei 5 bis 60 %.

Aus der DD-PS 33 456 ist ein Verfahren zur Verhinderung der Korngrenzversprödung verformter Metalle bekannt, bei dem die Metallkristalle mit geeigneten kristallographischen Orientierungen durch Walzen, Ziehen, Fließdrücken oder dergleichen in kleinen Schritten verformt werden.

Mit der DE 39 32 383 A1 werden ein Geschosskörper bzw. ein Verfahren zu seiner Herstellung publiziert. Die Wärmebehandlung zur vorgebbaren und reproduzierbaren Erhöhung der Materialsprödigkeit bzw. Verminderung der Zähigkeit wird nur in dem begrenzten Spitzenbereich des Penetrators durch definiertes Eintauchen der Geschossspitze in ein hoch erhitztes schmelzflüssiges Salzbad durchgeführt.

Der DE 195 36 978 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung schweissplattierter Stahlrohre entnehmbar. Die Stahlröhre weist eine aufgetragene Legierung auf, die eine hitzebeständige und/oder korrosionsbeständige Komponente enthält. Danach wird die plattierte Stahlröhre kaltverformt oder warmverformt und anschließend einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur der Legierung ausgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber vergleichbaren bekannten Verfahren einfacheres Verfahren zur Herstellung eines Penetrators mit sprödem Penetratorkern und duktilem Mantel anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart der Patentanspruch 2.

Der Erfindung liegt im wesentlichen der Gedanke zugrunde, die oberflächennahe Randschicht des Penetratorrohlings nach der Kaltumformung auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur der Wolframlegierung zu erhitzen, so dass diese Schicht rekristallisiert, zu einer Verfeinerung der Binderkörner führt und sich dadurch eine Erhöhung der Zähigkeit des Penetrators in seinem Randbereich ergibt. Die Rekristallisation der oberflächennahen Randschicht des Penetratorrohlings erfolgt mittels des Induktionsglühverfahrens.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Penetrator mit einem relativ spröden Kern hoher Dichte und einem duktilen und kraftschlüssig mit dem Penetratorkern verbundenen äußeren Mantel (Randbereich) erzeugt, wobei der äußere Mantel ein Brechen bei schrägem Zielaufprall verhindert. In Abhängigkeit der endballistischen Anforderungen sowie der Konstruktionsmerkmale sollte die Tiefe der zähen Randschicht zwischen 10 % und 20 % des Penetratorrohlings betragen. Die Herstellung einer separaten Hülle und ein aufwendiges Befestigen einer derartigen Hülle an dem Penetratorkern, wie im Falle der vorstehend erwähnten DE 40 16 051 C2 , kann entfallen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden anhand von vier Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen:
1 die Seitenansicht eines in einer Induktions-Glühanlage befindlichen Penetratorrohlings und
2 eine vergrößerte Ansicht des in 1 mit II bezeichneten Bereiches des Penetratorrohlings im Schnitt nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3a, b eine Vergrößerung des mit III bezeichneten Bereiches aus 2.
In 1 ist mit 1 ein aus einer Wolfram-Schwermetall (WSM-) Legierung bestehender Penetratorrohling bezeichnet, der einen Wolframanteil, von 95 Gew.-% besitzt. Außerdem weist die WSM-Legierung Nickel und Cobalt im Gewichtsverhältnis 9:1 auf. Der Penetratorrohling 1 ist innerhalb einer Spule 2 angeordnet, die in einen hohlzylinderförmigen Stützkörper 3 aus einem elektrisch isolierenden Material eingebettet ist. Die Spule 2 ist mit einem Frequenzgenerator 4 über eine elektrische Leitung 5 verbunden. Die Spule wird z. B. mit 100 Hz und einer elektrischen Leistung von z. B. 10 kW betrieben. Gleichzeitig wird sie mit einer Geschwindigkeit v, z. G. 10 mm/sec, am Penetratorrohling 1 entlang geführt.
Bei Aktivierung des Frequenzgenerators 4 erzeugt die Spule 2 ein starkes elektromagnetisches Wechselfeld, welches in der Randschicht 6 des Penetratorrohlings 1 (2) einen elektrischen Strom induziert, so dass sich die Randschicht 6 derart stark erwärmt, dass die Rekristallisationstemperatur, z. B. 800°C, der WSM-Legierung in diesem Bereich erreicht wird.
Die 3a, b zeigen das Gefüge des Randbereiches des Penetratorrohlings vor und nach der Durchführung der induktiven Glühung, d.h., 3a zeigt das Gefüge der 2-phasigen W-Legierung vor der induktiven Glühung. Neben der reinen W-Phase (10) gibt es eine monokristalline W-Ni-Co-Binderphase (II). Durch die induktive Glühbehandlung rekristallisiert diese monokristalline W-Ni-CO-Binderphase und es entsteht eine Kornverfeinerung (Bild 3b).
Dieses führt zu einer Zunahme der Zähigkeit der WSM-Legierung in der Randschicht 6, so dass sich ein Penetratorrohling 1 mit einem unveränderten, relativ spröden Penetratorkern 7 und einer duktilen Randschicht 6 ergibt. Letztere verhindert beim Auftreffen des endbearbeiteten Penetrators auf ein Schräg- und/oder Aktivziel ein Brechen des Penetrators.
Da mit zunehmender Frequenz die Tiefe 8 der erwärmten Randschicht 6 infolge des Skin-Effektes geringer wird, kann durch Wahl der Frequenz unter Berücksichtigung der Leistung und der Vorschubgeschwindigkeit v der Rekristallisationsbereich sehr genau eingestellt werden.

1: Penetratorrohling
2: Hochfrequenzspule
3: Stützkörper
4: Hochfrequenzgenerator
5: elektrische Leitung
6: Randschicht
7: Penetratorkern
8: Tiefe (Randschicht)
9: Penetratorrohling Durchmesser
10: W-Körner
11: W-Ni-Co-haltige Binderphase

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Penetrators aus einer Wolfram-Schwermetall-Legierung mit hohem Wolframanteil, wobei eine wolframhaltige Pulvermischung gepresst, gesintert und gegebenenfalls einer Wärmebehandlung unterzogen wird und der Penetratorrohling (1) anschließend kalt umgeformt und gegebenenfalls warm ausgelagert wird, wobei die oberflächennahe Randschicht (6) des Penetratorrohlings (1) nach der Kaltumformung mittels eines Induktionsglühverfahrens auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur der Wolfram-Schwermetall-Legierung erhitzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einer Wolfram-Schwermetall-Legierung bestehender Penetratorrohling (1) innerhalb einer Spule (2) angeordnet ist, die in einen hohlzylinderförmigen Stützkörper (3) aus einem elektrisch isolierenden Material eingebettet ist, wobei die Spule (2) mit einem Frequenzgenerator (4) über eine elektrische Leitung (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2) mit 100 Hz und einer elektrischen Leistung von 10 kW betrieben und gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/sec. am Penetratorrohling (1) entlang geführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Penetrator (1) einen Wolframanteil von 95 Gew.-% sowie Nickel und Cobalt im Gewichtsverhältnis 9:1 besitzt.