[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hohlladung zur Durchdringung einer aus einen
homogenen Hohlladungsstrahl ablenkenden Schichten aufgebauten Panzerung, bestehend
aus einem Munitionskörper mit einer in den Sprengstoff formschlüssig eingelegten,
rotationssymmetrischen, duktilen, metallischen Auskleidung, ein Verfahren zur Herstellung
dieser Auskleidung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Herstellungsverfahrens.
[0002] Hohlladungen werden seit langer Zeit gegen Panzer eingesetzt, was zur Entwicklung
von verschiedenartigsten Abwehrmassnahmen zur Folge hatte. Insbesondere wurden die
Panzerungen schichtartig aus den verschiedensten Materialien unterschiedlichster
Dichte und Härte aufgebaut, so dass der homogene Hohlladungsstrahl abgelenkt wurde.
[0003] In der Folge sind Hohlladungen mit einer Auskleidung aus einer Pseudo-Legierung
von Wolfram und Kupfer entwickelt worden (FR-A-2 530 800). Diese Auskleidung wird
pulvermetallurgisch durch Sintern von Wolframpulver mit einer Korngrösse kleiner als
50 µm und Kupferpulver hergestellt, wobei der Anteil an Wolfram 80 Gew.-% beträgt.
Derartige Auskleidungen weisen als Folge des Sinterprozesses eine relativ geringe
Dichte auf und zeigen insbesondere bei schichtartig aufgebauten Panzerungen ein geringes
Eindringvermögen, obwohl ihre Ablenkung geringer ist.
[0004] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hohlladung zu schaffen, die eine
hohe Eindringwirkung in Panzerungen zeigt, welche konventionelle Hohlladungsstrahle
ablenken und/oder stören.
[0005] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die metallische Auskleidung der Hohlladung
eine dreidimensionale Isotropie auf weist und wobei deren Dichte wenigstens annähernd
der Kristalldichte des Metalls entspricht.
[0006] Gleichzeitig hat die Erfindung die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren und eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die eine wirtschaftliche Herstellung
der metallischen Auskleidung der erfindungsgemässen Hohlladung ermöglichen.
[0007] Das Herstellungsverfahren der metallischen Auskleidung ist charakterisiert durch
die folgenden Merkmale:
- es wird wenigstens ein Metall in einem Luft- oder Inertgasstrom atomisiert,
- das resultierende Metallpulver wird in einer breiten Korngrössenverteilung gemischt,
- das derart vorbereitete Metallpulver wird in den Zwischenraum eines rotationssymmetrischen,
doppelwandigen, duktilen, hochtemperaturbeständigen Behälters mit allseitig wenigstens
annähernd gleicher Wandstärke eingefüllt,
- das eingefüllte Metallpulver und der Zwischenraum des doppelwandigen Behälters
werden mit Wasserstoff gespült und/oder reduziert,
- der doppelwandige Behälter wird verschlossen und gasdicht verkapselt,
- der verkapselte Behälter wird allseitig mit einem erhöhten Gasdruck beaufschlagt
und gleichzeitig erhitzt, so dass eine heissisostatische Pressung resultiert, und
- der verkapselte Behälter wird vom Pressling entfernt.
[0008] Die Vorrichtung zur Durchführung des Herstellungsverfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
dass der doppelwandige Behälter aus einem Konstruktionsstahl, aus einem Leichtmetall
oder aus einem Quarzglas besteht, und eine allseitige Wandstärke von 0,8 bis 3,0 mm
aufweist.
[0009] Aufgrund der dreidimensionalen Isotropie besitzt die Auskleidung der erfindungsgemässen
Hohlladung eine texturfreie, kri stallinische Struktur, welche mehr als 98 % der
maximal möglichen Dichte, der Kristalldichte, erreicht.
[0010] Die erfindungsgemässe Hohlladung hat dadurch den enormen Vorteil, dass nach der
Detonation der Hohlladungsstrahl pulverisiert in die Panzerung eindringt, d.h. dass
er keine Kohärenz aufweist, und dadurch von einer schichtartig aufgebauten Panzerung
nicht abgelenkt wird. Die Dichte des Strahls ist hoch; es können zudem Materialien
verwendet werden, die nicht legierbar oder einem Sinterprozess nicht zugänglich sind.
[0011] Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren für die metallischen Auskleidungen von
Hohlladungen hat ferner den grossen Vorteil, dass eine form- und massgenaue Fertigung
mit einem wesentlich geringeren Materialaufwand als bei den herkömmlichen Verfahren
erreicht wird. Die erfindungsgemässe Herstellung ist dadurch auch wirtschaftlicher
und weniger arbeitsintensiv. Es hat sich dabei bewährt, den doppelwandigen Behälter
beim Einfüllen des Metallpulvers zu rütteln, damit eine homogene und kompakte Schüttung
ohne Gas- oder Lufteinschlüsse im Zwischenraum erhalten wird. Der verkapselte Metallbehälter
wird danach durch ein grobes Abdrehen entfernt. Jedoch kann dies auch mit einem Laserschneidgerät
vorgenommen werden.
[0012] Die entnommene Auskleidung weist eine sehr hohe Form- und Massgenauigkeit (engl.
near net shaping) auf und bedarf daher nur einer geringen, meist spanabhebenden Nacharbeitung
zu deren Einbau in den Munitionskörper.
[0013] Das Verfahren gemäss Anspruch 3 bewirkt eine besonders homogene, isotrope Struktur
des Presslings.
[0014] Das Herstellungsverfahren gemäss den Ansprüchen 4 bis 7 hat sich in der Praxis bei
metallischen Auskleidungen aus Kupfer, Tantal, Wolfram und Uran bewährt.
[0015] Es versteht sich jedoch, dass auch Mischungen der obengenannten Metallpulver für
das erfindungsgemässe Herstellungsver fahren verwendet werden können. Die Verfahrensparameter
richten sich dann hauptsächlich nach dem Metall mit dem grössten Anteil im Metallpulver.
[0016] Die Materialauswahl für den doppelwandigen Behälter gemäss Anspruch 8 ist besonders
geeignet für die heissisostatische Pressung mit hohen Gasdrücken und Temperaturen.
[0017] Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Dort wird die
Erfindung anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung einer
rotationssymmetrischen, duktilen metallischen Auskleidung,
Fig. 2 einen doppelwandigen, kegelförmigen Behälter mit oben angeordnetem Einfüllstutzen,
und
Fig. 3 einen doppelwandigen, kegelförmigen Behälter mit unten angeordnetem Einfüllstutzen.
[0018] In Fig. 1 sind die einzelnen Verfahrensschritte des Herstellungsverfahrens für eine
rotationssymmetrische, metallische Auskleidung schematisch dargestellt, und mit Grossbuchstaben
bezeichnet:
A: Ein doppelwandiger Behälter 1 wird durch konventionelle Blechverarbeitung hergestellt,
wie durch Biegen und mit einem Schweissgerät 2. Weitere Einzelheiten des doppelwandigen
Behälters 1 folgen aus der nachstehenden Beschreibung zu den Figuren 2 und 3.
B: Ein Metallpulver, beispielsweise aus Kupfer, mit einer flachen, breiten Verteilung
von Korngrössen zwischen 10 µm und 200 µm wird aus einem Füllbehälter 3 in den doppelwandigen
Behälter 1 geschüttet, währenddessen der Füllbehälter 3 gerüttelt wird (durch Pfeile
angedeutet). Damit wird eine möglichst hohe Fülldichte erreicht. Die üblichen Lieferungen
von Metallpulvern weisen normalerweise nicht die gewünschte Korngrössenverteilung
auf, so dass eine Mischung von mehreren Pulverlieferungen notwendig ist. Gegebenenfalls
sind gewisse Pulverchargen vorher zu sieben, da erfahrungsgemäss eine Korngrösse von
200 µm nicht überschritten werden darf.
Die verwendeten Metallpulver sind durch an sich bekanntes Atomisieren, in einem Luft-
oder Inertgasstrom, erzeugt worden. Dadurch können die Oberflächen der Pulverkörner
leicht oxidieren oder es kann Luft oder Inertgas vom Pulver eingeschlossen werden.
Oxid- und Gaseinschlüsse sind jedoch für das einwandfreie Funktionieren eines Munitionssprengkörpers
mit aus dem Metallpulver hergestellten, duktilen metallischen Auskleidungen unerwünscht.
- Eine Reduktion oder Pulverreinigung bei oxidierbaren Metallen ist daher unumgänglich.
C: Das oxidierte Metallpulver wird in dem gefüllten doppelwandigen Behälter 1 durch
Wasserstoffspülung (angedeutet durch Pfeile) in einem Ofen 4 während einer Stunde
bei 400°C gereinigt, d.h. reduziert.
D: Der doppelwandige Behälter 1 wird unmittelbar darauf hermetisch verschlossen (Querpfeile),
was eine weitere Oxidation oder sonstige Verschmutzung des Metallpulvers verhindert.
Dazu wird das Füllrohr des doppelwandigen Behälters verpresst, abgeschnitten und
zugeschweisst.
E: Der verschlossene doppelwandige Behälter 1 wird in einem Autoklaven 5 nach dem
heissisostatischen Pressverfahren (HIP) behandelt (Einzelheiten dazu sind aus dem
Artikel von P.E. Price und S.P. Kohler "Hot Isostatic Pressing of Metal Powders",
Metals Handbook, Powder Metallurgy, Ed. 9. Vol. 7 (6/1984), S. 419 ff., Metals Park
ASM zu entnehmen). Der Autoklav 5 ist vom Typ Graphitofen der Fa. J. Dieffenbacher
GmbH & Co. mit einer Druckbeständigkeit von 350 MPa und einer Temperaturbeständigkeit
von 3000°C.
F: Es sind der Druck und die Temperatur in ihrer zeitlichen Abhängigkeit, während
der einzelnen Verfahrensschritte der heissisostatischen Pressung dargestellt, wobei
die Druckkurve (p,t) ausgezogen und die Temperaturkurve (T,t) gestrichelt gezeichnet
ist. Von Punkt α bei normalem Druck (po) und normaler Temperatur (To) wird mit einer Evakuierung des Autoklavs 5 angefangen (Zeitpunkt to), bis Punkt β, (Zeitpunkt t₁), wo ein Unterdruck p₁ von 10 Pa erreicht ist. Dann
wird der Autoklav 5 mit Argon gefüllt bis zum Druck p₂ von 30 MPa (Punkt γ;Zeitpunkt
t₂). Von diesem Punkt an wird die Temperatur von To (Umgebungstemperatur ≈ 20°C) erhöht auf eine Temperatur T₁, die je nach Wahl des
Metalles einzustellen ist (Punkt δ; Zeitpunkt t₃). Die HIP-Temperatur T₁ liegt meistens
zwischen der Rekristallisationstemperatur, die angenähert die Hälfte der Schmelztemperatur
beträgt, und der Schmelztemperatur des Metalles. Für Kupfer liegt T₁ zwischen 650°C
und 1050°C, bevorzugt bei 800°C. Für Tantal liegt T₁ zwischen 1700°C und 2980°C, bevorzugt
bei 2200°C, für Wolfram zwischen 1000°C und 1800°C, bevorzugt bei 1430°C, und für
Uran zwischen 600°C und 1120°C, bevorzugt bei 850°C. Eine zu niedrige HIP-Temperatur
führt zu einer unerwünschten Porosität des Werkstückes; eine zu hohe HIP-Temperatur
verursacht ein unerwünschtes Wachstum von Kristalliten.
Bei diesem Temperaturanstieg erhöht sich der Druck im Autoklav 5 durch die Ausdehnung
des Gases (Gesetz von Boyle-Gay-Lussac) auf einen Druck p₃, der mindestens 100 MPa
und höchstens 320 MPa betragen soll. Bevorzugt wird ein Druck p₃ von 130 MPa eingestellt.
Um die Fertigungskosten gering zu halten, werden möglichst viele Werkstücke (gefüllte
doppelwandige Behälter 1) gleichzeitig in dem Autoklav 5 heissisostatisch gepresst.
Während einer gewissen Zeit (t₄ - t₃), die zwischen 1 und 6 Stunden beträgt, bevorzugt
etwa 3 Std., wird die Temperatur T₁ und der Druck P₃ konstant gehalten (Punkt ε)
und nachher wird wieder auf Umgebungstemperatur To abgekühlt und auf den normalen Druck po reduziert (Punkt ϑ). Die Abkühlung der in den Behältern 1 befindlichen Werkstücke
soll langsam erfolgen, um allotropische Umwandlungen, insbesondere martensitische
in den Schweissnähten, zu vermeiden. Diese führen sonst zu Verhärtungen und Versprödungen,
was die nachfolgenden Drehoperationen erschweren und die Isotropie der hergestellten
Auskleidung beeinträchtigen würde.
G: Nach dem heissisostatischen Pressen wird der doppelwandige Behälter 1 sowie das
Übermass des Werkstückes in zwei Drehoperationen entfernt. Die erste ist ein grobes
Abschruppen, wozu der Behälter 1 mit seiner Innenwand pneumatisch auf einer Drehbank
eingespannt wird. Die Aussenfläche wird dann mit einem Drehstahl 6 grob abgedreht,
bis die äussere Behälterwand vollständig entfernt ist. Die äussere, abgeschruppte
Oberfläche des Werkstückes wird sodann eingespannt und die innere Behälterwand grob
abgedreht, bis sie ebenfalls entfernt ist. Die zweite Drehoperation ist ein feines
Schlichten der Oberflächen des Werkstückes. Dies ist sehr sorgfältig durchzuführen,
um keine Strukturveränderungen des heissisostatisch gepressten Metalles zu bewirken.
Das Entfernen des Behälters kann jedoch auch mit einem Laserschneidgerät durchgeführt
werden.
Die derart hergestellte Auskleidung für eine Hohlladung besitzt eine texturfreie,
kristallinische Struktur und ist praktisch isotrop, d.h. sie besitzt in jeder beliebigen
Richtung dieselben physikalischen Eigenschaften.
[0019] In den Figuren 2 und 3 sind für dieselben Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
[0020] In Fig. 2 ist nun der doppelwandige Behälter 1 ausführlicher dargestellt. Der Behälter
1 besteht aus einer metallischen Innenkegelwand 7′, einer metallischen Aussenkegelwand
7˝ und einem Einfüllstutzen 8. Der untere Rand der Innenkegelwand 7 ist nach aussen
umgebördelt und über einer unteren Schweissnaht 9 mit der Aussenkegelwand 7˝ verschweisst.
Der Einfüllstutzen 8 steht auf einer Öffnung 10 an der Spitze der Aussenkegelwand
7˝ und ist über einer oberen Schweissnaht 11 daran angeschweisst.
[0021] Der Behälter 1 ist entweder aus einer Leichtmetallegierung aus Al und Mn, Al und
Mg, oder Al, Mg und Si für einen HIP-Temperaturbereich bis 600°C, oder aus einem
handelsüblichen Konstruktionsstahl, d.h. mit weniger als 2% Kohlenstoff, für einen
HIP-Temperaturbereich von 600°C bis 1500°C, oder dann aus einem hochschmelzenden Quarzglas
für einen HIP-Temperaturbereich von 1500°C bis 3000°C hergestellt. Die Dicke der
Kegelwände 7′ und 7˝ und des Einfüllstutzens 8 ist jeweils dieselbe und beträgt zwischen
0,8 mm und 3,0 mm. Die Wandstärke ist so gewählt, dass sie einerseits dick genug
ist, um den hohen Druck der heissisostatischen Pressung zu verkraften und andererseits
genügend dünn, um ohne Brüche oder Verwerfungen die Verdichtung des Metallpulvers
überstehen zu können. Um eine möglichst homogene Druckverteilung (Isostatik) zu erreichen,
ist der Zwischenraum 12 zwischen den Kegelwänden 7′ und 7˝ möglichst klein zu halten.
Die Breite des Zwischenraumes 12 ist zudem abhängig vom Material des doppelwandigen
Behälters 1, vom zu komprimierenden eingefüllten Metallpulver 13 und von dessen Schüttdichte;
sie beträgt z.B. für Konstruktionsstahl und Kupferpulver 2,0 mm, und für Quarzglas
und Wolframpulver 3,0 mm, entsprechend einer Wand stärke von 1,2 mm des heissisostatisch
gepressten Werkstückes.
[0022] Während des heissisostatischen Pressverfahrens werden die Kegelwände 7′ und 7˝ im
mittleren Bereich am stärksten verformt, da die Endbereiche durch die Schweissnähte
9 und 11 fixiert sind und somit die Breite des Zwischenraumes 12 dort kaum verringert
werden wird. Zudem ist eine geometrie-abhängige Sicherheitsmarge vorgesehen, die
eine bei dem heissisostatischen Pressen auftretende Verformung der Kegelwände 7′
und 7˝ ausgleichen wird. Es wird sich ebenfalls der Öffnungswinkel des doppelwandigen
Behälters 1 leicht öffnen, d.h. um etwa 1°. Diese Verformung kann durch eine zusätzliche
Verbreiterung des Zwischenraumes 12 oder - was zu bevorzugen ist - durch eine Verringerung
des Öffnungswinkels berücksichtigt werden.
[0023] Die Füllhöhe 14 des einzufüllenden Metallpulvers 13 wird empirisch bestimmt:
- das Metallpulver 13 darf bei der Wasserstoffspülung nicht aus dem eigentlichen doppelwandigen
Behälter 1 hinausgeblasen werden, und
- es soll genügend verdichtetes Metallpulver bei den Extremitäten (Schweissnähte
9 und 11) vorhanden sein, damit das Werkstück nach dem heissisostatischen Pressen
an diesen Stellen nicht porös wird.
[0024] In Figur 3 ist ein doppelwandiger Behälter 1 mit einem Einfüllstutzen 8 am unteren
Ende dargestellt. Dies ist dann von Vorteil, wenn eine einwandfreie Schüttung und
Verdichtung an den Extremitäten des Behälters 1, wie hier an der Kegelspitze, verlangt
wird. Während der Schüttung wird der Behälter 1 z.B. durch Ultraschall gerüttelt,
so dass eine hohe Verdichtung des eingefüllten Metallpulvers 13 im gesamten Behälter
1 erreicht wird.
[0025] Bei dem vorbeschriebenen Herstellungsverfahren ist es besonders wichtig, dass der
rotationssymmetrische Behälter 1 für sich bei der heissisostatischen Pressung so wenig
wie nur möglich zusammengedrückt wird. Dieses Erfordernis kann erreicht werden mit
einem einseitig geschlossenen Behälter, wie der obigen Kegelform oder einer einseitig
geschlossenen Zylinderform.
[0026] Die derart hergestellten kegelförmigen Auskleidungen sind in einen Munitionskörper
formschlüssig eingelegt und bilden mit diesem eine Hohlladung, deren Hohlladungsstrahl
inhomogen ist. Solche Hohlladungen sind nun besonders geeignet um Panzerungen zu
durchdringen, die aus Schichten unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften und
Verhalten aufgebaut sind.
1. Hohlladung zur Durchdringung einer aus einen homogenen Hohlladungsstrahl ablenkenden
Schichten aufgebauten Panzerung, bestehend aus einem Munitionskörper mit einer in
den Sprengstoff formschlüssig eingelegten, rotationssymmetrischen, duktilen, metallischen
Auskleidung, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Auskleidung eine dreidimensionale
Isotropie aufweist und wobei deren Dichte wenigstens annähernd der Kristalldichte
des Metalls entspricht.
2. Verfahren zur Herstellung einer metallischen Auskleidung der Hohlladung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass
- wenigstens ein Metall in einem Luft- oder Inertgasstrom atomisiert wird,
- das resultierende Metallpulver (13) in einer breiten Korngrössenverteilung gemischt
wird,
- dieses Metallpulver (13) in den Zwischenraum eines rotationssymmetrischen, doppelwandigen,
duktilen, hochtemperaturbeständigen Behälters (1) mit allseitig wenigstens annähernd
gleicher Wandstärke eingefüllt wird (B),
- das eingefüllte Metallpulver (13) und der Zwischenraum des doppelwandigen Behälters
(1) mit Wasserstoff gespült und/oder reduziert werden (C),
- der doppelwandige Behälter (1) verschlossen und gasdicht verkapselt wird (D),
- der verkapselte Behälter (1) allseitig mit einem erhöhten Gasdruck beaufschlagt
und gleichzeitig erhitzt wird, so dass eine heissisostatische Pressung resultiert
(E), und
- der verkapselte Behälter (1) vom Pressling entfernt wird (G).
3. Verfahren zur Herstellung einer metallischen Auskleidung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der doppelwandige Behälter (1) mit einem Gasdruck von mindestens
100 MPa beaufschlagt und auf eine Temperatur annähernd zwischen der Rekristallisationstemperatur
und der Schmelztemperatur des zu verarbeitenden Metalles erhitzt wird.
4. Verfahren zur Herstellung einer metallischen Auskleidung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass Kupfer atomisiert wird, und dass der doppelwandige Behälter
(1) mit einem Gasdruck zwischen 100 MPa und 320 MPa, bevorzugt bei 130 MPa, beaufschlagt
und auf eine Temperatur zwischen 550°C und 1050°C, vorzugsweise bei 800°C, erhitzt
wird während einer Zeitdauer von 1 h bis 6 h, bevorzugt 3 h.
5. Verfahren zur Herstellung einer metallischen Auskleidung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass Tantal atomisiert wird, und dass der doppelwandige Behälter
(1) mit einem Gasdruck zwischen 100 MPa und 320 MPa, bevorzugt bei 130 MPa, beaufschlagt
und auf eine Temperatur zwischen 1700°C und 2980°C, vorzugsweise bei 2200°C, erhitzt
wird während einer Zeitdauer von 1 h bis 6 h, bevorzugt 3 h.
6. Verfahren zur Herstellung einer metallischen Auskleidung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass Wolfram atomisiert wird, und dass der doppelwandige Behälter
mit einem Gasdruck zwischen 100 MPa und 320 MPa, bevorzugt bei 130 MPa, beaufschlagt
und auf eine Temperatur zwischen 1000°C und 1800°C, vorzugsweise bei 1430°C, erhitzt
wird während einer Zeitdauer von 1 h bis 6 h, bevorzugt 3 h.
7. Verfahren zur Herstellung einer metallischen Auskleidung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass Uran atomisiert wird, und dass der doppelwandige Behälter (1)
mit einem Gasdruck zwischen 100 MPa und 320 MPa, bevorzugt bei 130 MPa, beaufschlagt
und auf eine Temperatur zwischen 600°C und 1120°C, vorzugsweise bei 850°C, erhitzt
wird während einer Zeitdauer von 1 h bis 6 h, bevorzugt 3 h.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Herstellungsverfahrens nach einem der Ansprüche
2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der doppelwandige Behälter (1) aus einem Konstruktionsstahl,
aus einem Leichtmetall oder aus einem Quarzglas besteht, und eine allseitige Wandstärke
von 0,8 bis 3,0 mm aufweist.