DE102005021982B4 - Process for the preparation of a penetrator - Google Patents

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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.method for producing a penetrator made of a tungsten-heavy metal alloy high tungsten content, wherein a tungsten-containing powder mixture pressed, sintered and optionally subjected to a heat treatment and the Penetratorrohling (1) then cold formed and optionally is outsourced warm, wherein the near - surface boundary layer (6) of the Penetrator blanks (1) after cold forming by induction annealing to a temperature above the recrystallization temperature of Tungsten heavy metal alloy is heated.

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Figure 00000001

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.The The invention relates to a method for producing a penetrator made of a tungsten heavy metal alloy high tungsten content, wherein a tungsten-containing powder mixture pressed, sintered and optionally subjected to a heat treatment and the Penetratorrohling then cold formed and optionally is outsourced warm.

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.penetrators Of a tungsten heavy metal alloy usually have a high proportion of tungsten (90 to about 97 wt .-%), as these materials due to their high masses good penetration performance at vertical Impact on simple armored targets. However, the leads high tungsten content leads to embrittlement of the material, so that it at an angle arranged targets as well as multi-disk targets often already before penetration of the target to a breakup of the penetrator comes. The kinetic energy of the resulting relatively short fragments Due to their low mass is usually not enough to penetrate the remaining target plate (s).

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.The brittleness Well-known WSM penetrators often increase in that in mechanical processing, for example by turning or Loops, cracks of near-surface tungsten grains occur, then in the load case by crack propagation to an early Failure of the penetrator lead can.

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.From the DE 41 13 177 C2 For improving the toughness of mechanically processed penetrators, it is known to remove the outer tungsten layers of the respective penetrator finished in its geometry by etching. It has been found that such an etch of the outer tungsten layers substantially (ie, up to 20%) increases the impact value of the corresponding penetrator.

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.adversely however, in this known method, acids are used Need to become, which are application and environmentally unfriendly. Besides, the production is Such penetrators relatively expensive, because by the etching process the given dimensions of the penetrator may not be influenced.

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.From the DE 40 16 051 C2 Furthermore, a penetrator is known in which a fracture-sensitive penetrator core consisting, for example, of tungsten heavy metal is protected by means of a ductile sheath. For this purpose, the ductile casing, which consists for example of steel, is applied to the penetrator core in a form-fitting manner after the tungsten core has been produced by pressure-rolling. This known method is relatively time consuming and expensive.

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.A process for producing semifinished products from sintered refractory metal alloys, such as tungsten and molybdenum alloys, describes the EP 0 340 264 B1 , In order to achieve an improved stacked structure, the at least 85% formed stock is subjected to intermediate annealing prior to recrystallization annealing for at least 20 minutes at a minimum temperature of 700 ° C and a maximum temperature at which no recrystallization is present, and then further annealed in the warmed condition 3% to 30% deformed.

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.The DE 15 58 787 B2 deals with a process for the heat treatment of tungsten alloys. The alloy is heated at 1700 to 1900 ° C for at least 10 minutes and then cooled to 900 ° C at a constant rate of 8 ° C / min. The process is carried out under vacuum.

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 %.With the DE 15 58 821 B2 discloses a method for increasing the ductility of semifinished products consisting of tungsten or tungsten alloys. The semi-finished product is annealed at 1200 to 1600 ° C for 30 to 120 minutes prior to molding for partial recrystallization. The degree of recrystallization is 5 to 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.Out DD-PS 33 456 is a method for preventing grain boundary embrittlement of deformed metals known in which the metal crystals with suitable crystallographic Orientations by rolling, drawing, flow or the like in small Steps are deformed.

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.With the DE 39 32 383 A1 a projectile body or a method for its production are published. The heat treatment for specifiable and reproducible increase of the material brittleness or reduction of the toughness is carried out only in the limited tip region of the penetrator by defined immersion of the projectile tip in a highly heated molten salt bath.

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.Of the DE 195 36 978 A1 is a method for producing welded-steel tubes removed. The steel tube has an applied alloy containing a refractory and / or corrosion resistant component. Thereafter, the clad steel tube is cold worked or hot worked and then subjected to a heat treatment at a temperature above the recrystallization temperature of the alloy.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber vergleichbaren bekannten Verfahren einfacheres Verfahren zur Herstellung eines Penetrators mit sprödem Penetratorkern und duktilem Mantel anzugeben.Of the Invention is based on the object, compared to a comparable known Method simpler method for producing a penetrator with brittle Specify penetrator core and ductile sheath.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart der Patentanspruch 2.These The object is achieved by the Characteristics of claim 1 solved. A device for carrying out the Process discloses the patent claim 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.Of the Invention is based essentially on the idea, the near-surface Outer layer of the penetrator blank after cold forming on a Temperature above the recrystallization temperature of the tungsten alloy to heat up, so that this layer recrystallizes, to a refinement of the binder grains leads and thereby an increase toughness of the penetrator results in its edge region. The recrystallization the near-surface Outer layer of the penetrator blank takes place by means of the induction annealing process.

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.By the method according to the invention, a penetrator with a relatively brittle core of high density and a ductile and non-positively connected to the penetrator core outer shell (edge region) is generated, wherein the outer shell prevents breakage on oblique target impact. Depending on the end ballistic requirements and the design features, the depth of the tough edge layer should be between 10% and 20% of the penetrator blank. The production of a separate shell and a complicated attachment of such a shell to the penetrator core, as in the case of the aforementioned DE 40 16 051 C2 , can be omitted.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden anhand von vier Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen:Further Details and advantages of the invention will become apparent from the following explained with reference to four figures Embodiment. Show it:

1 die Seitenansicht eines in einer Induktions-Glühanlage befindlichen Penetratorrohlings und 1 the side view of a present in an induction annealing Penetratorrohlings and

2 eine vergrößerte Ansicht des in 1 mit II bezeichneten Bereiches des Penetratorrohlings im Schnitt nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 an enlarged view of the in 1 with II designated area of the Penetratorrohlings in section after performing the method according to the invention.

3a, b eine Vergrößerung des mit III bezeichneten Bereiches aus 2. 3a , b is an enlargement of the area designated III 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.In 1 is with 1 denotes a tungsten heavy metal (WSM) alloy penetrator blank having a tungsten content of 95% by weight. In addition, the WSM alloy has nickel and cobalt in a weight ratio of 9: 1. The penetrator blank 1 is inside a coil 2 arranged in a hollow cylindrical support body 3 is embedded from an electrically insulating material. The sink 2 is with a frequency generator 4 via an electrical line 5 connected. The coil is z. B. with 100 Hz and an electrical power of z. B. 10 kW operated. At the same time it is at a speed v, z. G. 10 mm / sec, at Penetratorrohling 1 guided along.

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.When activating the frequency generator 4 generates the coil 2 a strong alternating electromagnetic field, which is in the surface layer 6 of the penetrator blank 1 ( 2 ) induces an electric current, so that the surface layer 6 heated so strong that the recrystallization temperature, eg. B. 800 ° C, the WSM alloy is achieved in this area.

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).The 3a , b show the structure of the edge region of the penetrator blank before and after the performance of the inductive annealing, ie 3a shows the structure of the 2-phase W alloy before the inductive annealing. In addition to the pure W phase ( 10 ) there is a monocrystalline W-Ni-Co binder phase (II). Inductive annealing recrystallizes this monocrystalline W-Ni-CO binder phase and results in grain refinement (Figure 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.This leads to an increase in the toughness of the WSM alloy in the surface layer 6 , leaving a penetrator blank 1 with an unchanged, relatively brittle penetrator core 7 and a ductile boundary layer 6 results. The latter prevents breakage of the penetrator upon impact of the finished penetrator with an oblique and / or active target.

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.Because with increasing frequency the depth 8th the heated edge layer 6 As a result of the skin effect, the recrystallization range can be set very precisely by selecting the frequency taking into account the power and the feed rate v.

11
PenetratorrohlingPenetratorrohling
22
HochfrequenzspuleRF coil
33
Stützkörpersupport body
44
HochfrequenzgeneratorHigh-frequency generator
55
elektrische Leitungelectrical management
66
Randschichtboundary layer
77
Penetratorkernpenetrator
88th
Tiefe (Randschicht)depth (Boundary layer)
99
Penetratorrohling DurchmesserPenetratorrohling diameter
1010
W-KörnerW grains
1111
W-Ni-Co-haltige BinderphaseW-Ni-Co-containing binder phase

Claims (4)

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.A process for the production of a tungsten-heavy metal alloy tungsten-rich penetrator wherein a tungsten-containing powder mixture is pressed, sintered and optionally subjected to a heat treatment, and the penetrator blank ( 1 ) is cold-formed and optionally hot-aged, whereby the near-surface surface layer ( 6 ) of the penetrator blank ( 1 ) is heated to a temperature above the recrystallization temperature of the tungsten-heavy metal alloy after cold working by induction annealing. 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.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that a consisting of a tungsten-heavy metal alloy penetrator blank ( 1 ) within a coil ( 2 ) arranged in a hollow cylindrical support body ( 3 ) is embedded from an electrically insulating material, wherein the coil ( 2 ) with a frequency generator ( 4 ) via an electrical line ( 5 ) connected is. 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.Device according to one of the claims 2, characterized in that the coil ( 2 ) operated at 100 Hz and an electric power of 10 kW and simultaneously at a speed of 10 mm / sec. at the penetrator blank ( 1 ) is guided along. 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.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the penetrator ( 1 ) has a tungsten content of 95 wt .-% and nickel and cobalt in the weight ratio 9: 1.
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