Penetrator und Verfahren zu seiner Herstellung

Abstract

 Die Erfindung betrifft die Ausbildung eines Penetrators für Wuchtgeschosse als Einkristall. Dieser besteht aus einem Schwermetall, vorzugsweise aus reinem Wolfram oder einer Legierung aus Wolfram und Rhenium. Es werden verschiedene Möglichkeiten beschrieben, die Eigen­schaften des Penetrators über seine Länge zu ändern sowie Herstellungsverfahren hierfür.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Penetrator aus einem Schwermetall, wie zum Beispiel Wolfram oder abgerei­cherten Uran, mit über seine Länge hinweg unterschied­lich ausgebildeter Festigkeit und Zähigkeit.

[0002] Penetratoren, welche als Wuchtgeschosse zur Panzerbe­kämpfung verwendet werden, sind bereits seit langem bekannt. Sie sind als lange schlanke Körper aus einem schweren Material gefertigt und werden mit einem Treib­käfig verschossen. Zur Stabilisierung weisen sie an ihrem Heck ein Leitwerk auf. Aus der EP 0 143 775 A 2 ist bereits ein Penetrator dieser Art bekannt, welcher über den Bereich seiner Länge hinweg unterschiedliche Festigkeit und Zähigkeit aufweist. Eine derartige Aus­bildung des Penetrators wurde aus der Erkenntnis heraus vorgeschlagen, daß der Penetrator in seinem vorderen Bereich vor allem eine hohe Festigkeit, in seinem mitt­leren Bereich hingegen eine hohe Zähigkeit und in seinem Heckbereich wieder eine zunehmende Festigkeit aufweisen muß. Diese Ausbildung dient insgesamt zur Erhöhung der Durchschlagsleistung des Penetrators. Die hohe Festig­keit an der Spitze ist erforderlich, damit sich der Penetrator beim Eindringen in das Ziel nicht zu sehr ver­formt, sein Zähigkeit im mittleren Bereich soll verhin­dern, daß der Penetrator bei schrägem Aufprall auf das Ziel nicht in der Mitte abbricht und die zunehmende Festigkeit im Heckteil ist für die dort während des Abschusses auftretenden Kräfte erforderlich.

[0003] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Penetrator und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, bei dem die unter­schiedlichen Materialeigenschaften über seine Länge hinweg mit einer guten Variationsbreite einstellbar sind.

[0004] Zur Lösung der der Erfindung gestellten Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Penetrator aus einem Einkristall des Schwermetalls besteht.

[0005] Der Penetrator kann aus einem einzigen Element, vor­zugsweise Wolfram bestehen, er kann in bevorzugter Aus­gestaltung der Erfindung jedoch aus einer Legierung bestehen, deren Hauptbestandteil Wolfram ist, dem Rhenium zulegiert ist.

[0006] Eine Weiterbildung der Erfindung sowie mögliche Herstel­lungsverfahren für den Penetrator sind in den Unteran­sprüchen gekennzeichnet. Eine Legierung aus Wolfram und Rhenium hat den Vorteil, daß sie bereits bei niedrigeren Temperaturen duktiler ist als reines Wolfram. Dadurch ergibt sich eine geringere Sprödigkeit, das heißt höhere Zähigkeit des Materials, die vor allem für den mittleren Teil des Penetrators wichtig ist. Ein Einkristall hat, da er keine Korngrenzen besitzt, bei der Hochgeschwin­digkeitsverformung ein deutlich besseres Verhalten als übliche polykristalline Materialien. Darauf soll nach­stehend noch näher eingegangen werden.

[0007] Einkristalle sind Körper aus chemischen Elementen, Legierungen und chemischen Verbindungen, die nach be­sonderen Verfahren gezüchtet werden und im Gegensatz zu den in der Technik und im täglichen Leben vorliegenden polykristallinen Körpern nur aus einem einzigen, jedoch gegebenenfalls großen Kristall bestehen. Es handelt sich dabei um chemisch hochreine Körper, die in ihrem Ver­halten dem des theoretischen Verhaltens des reinen Kristalls des betreffenden Elementes weitgehend ent­sprechen. Diese einkristallinen Körper sind anisotrop, haben keine Korngrenzen, wie dies bei polykristallinen Körpern der Fall ist, und ihre Festigkeit sowie ihr Elastizitätsmodul sind in bestimmten Kristallrichtungen deutlich höher als dies bei polykristallinem Material der Fall ist.

[0008] Einkristalle können nicht nur aus reinen Elementen, sie können auch aus legierten Metallen hergestellt werden. Sie weisen eine je nach Element bzw. Legierung mehr oder weniger stark ausgeprägte Anisotropie auf, das heißt ihre Eigenschaften sind entlang der Kristall­richtungen [100], [110] und [111] verschieden. Diese Eigen­schaften sind beispielsweise der E-Modul, die Festig­keit oder die Verformungsgrenzspannung. Bei Kupfer, welches als Beispiel eine sehr ausgeprägte Anisotropie besitzt, sind die E-Module bei Belastung in Richtung der vorgenannten Kristallrichtungen etwa 6800, 12000 und 18000 kp/mm².

[0009] An Penetratoren sind grundsätzlich die nachfolgenden Forderungen zu stellen, welche von einkristallinen Körpern besonders günstig erfüllt werden können. Diese Forderungen sind ein guter E-Modul, um möglichst viel elastische und weniger plastische Verformung beim Auf­prall zu erhalten, es sind weiterhin hohe Festigkeit an der Spitze sowie eine hohe Fließspannung.

[0010] Da Einkristalle im Gegensatz zu polykristallinen Metallen nicht durch die üblichen Verformungsverfahren, sondern durch Züchtung hergestellt werden, ergeben sich, wenn man das Züchtungsverfahren entsprechend ausgestaltet, breitere Möglichkeiten, die Einstellung der Eigenschaften des Materials über die Länge des Körpers hinweg vorzu­nehmen. Diese Möglichkeiten bestehen zum einen in der Ausnutzung der Anisotropie des Einkristalls, also die unterschiedliche Ausprägung seiner Eigenschaften in den verschiedenen Kristallrichtungen, weiterhin in der Zulegierung weiterer Materialien über einen Teil der Länge des Körpers oder in der Zulegierung mit einem linearen oder variablen Gradienten des zulegierten Ma­terials. Es ist somit also wichtig, bei der Züchtung von Einkristallen, die zunächst vorliegende Kristall­richtung des Körpers ändern zu können oder aber durch Zulegierung von einem oder gegebenenfalls auch mehrerer Elemente eine Legierung zu erzeugen, welche einen glei­tenden Übergang zu jenem Teil des Körpers bildet, der aus dem reinen Hauptbestandteil des Metalls oder einem niedriger legierten Teil besteht.

[0011] Im Nachfolgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung noch näher erläutert werden.

[0012] Es zeigen:

Fig. 1 einen Penetrator in schematischer Darstellung ohne Treibkäfig und Leitwerk;

Fig. 2 in schematisierter Darstellung ein Werk­zeug zur Herstellung des Penetrators nach einem ersten Herstellungsverfahren;

Fig. 3 eine mögliche Form des Penetrators aus Einkristall als Zwischenprodukt;

Fig. 4 eine Teilansicht des Werkzeugs im Schnitt zur Herstellung eines Penetrators nach einem zweiten Herstellungsverfahren.

[0013] In Fig. 1 ist ein Penetrator 1 schematisch dargestellt, welcher entweder aus reinem Wolfram oder aber aus einer Legierung aus Wolfram und Rhenium besteht. Im Sinne der Erfindung würde sich auch abgereichertes Uran eignen. Die Besonderheit besteht darin, daß dieser Pene­trator als Einkristall gezüchtet ist und über seine Länge in den Bereichen 1, 2 und 3 unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich seiner Festigkeit und Zähig­keit besitzt.

[0014] In Fig. 2 ist ein Werkzeug zur Herstellung eines Pene­trators aus Einkristall dargestellt, bei welchem der Penetrator in seinem mittleren Bereich B2 aus einer Legierung von Wolfram und Rhenium besteht. Das in stark schematisierter Form dargestellte Werkzeug be­steht aus einem hitzebeständigen Tiegel 2, dessen Innen­form dem Penetrator entspricht und einem Werkzeug 2a im Bodenbereich des Tiegels. In diesem Tiegel befindet sich ein Hohlkörper 3 aus reinem Wolfram und in diesen sind 3 stangenförmige Körper 4, 5 und 6 eingeschoben, deren Zusammensetzung entsprechend dem gewünschten Ergebnis variieren kann. Im vorliegenden Falle bestehen die Stangen 4 und 6 aus reinem Wolfram, die Stange 5 aus einer Vorlegierung aus Wolfram und Rhenium. Denkbar wäre auch, daß die Stangen 4 und 6 aus einer Vorle­gierung mit niedrigerem Rheniumgehalt bestehen.

[0015] Diese Möglichkeit wird man dann wählen, wenn man dem Pene­trator an seiner Spitze und seinem Heck eine höhere Zähigkeit geben will, als dies mit reinem Wolfram mög­lich wäre. Die Stange 6 ist mit einer Halterung 6a in der Spitze des Tiegels 2 verankert.

[0016] Am Boden des Tiegels ist ein Impfling 7 in einem Werk­zeug 2a angeordnet, der aus Wolfram-Einkristall besteht und jene Kristallachsenorientierung, beispielsweise [100], aufweist, welche der spätere Einkristall-Formkörper haben soll. Mit 8 sind schließlich die Windungen einer Spule bezeichnet, an die ein HF-Feld zur Aufheizung des Tiegels angelegt wird. Diese HF-Spule 8 ist in Richtung der Pfeile 9 entlang dem Tiegel 2 verschiebbar und be­wirkt ein Schmelzen des Hohlkörpers 3 sowie der Stangen 4 bis 6. Der Einschmelzvorgang beginnt in der gezeichneten Grundstellung der Spule und führt dazu, daß der un­terste Teil des Hohlkörpers 3 sowie der obere Teil des Impflings 7 schmilzt. Dabei nimmt der Körper 3 von unten beginnend die Kristallorientierung des Impflings 7 an, wobei diese Kristallfront nach oben fortschreitet. Es bildet sich an dieser Stelle bereits der Einkristall aus. Entsprechend dem Fortschreiten der Wachtstumsfronst wird die Spule 8 in Pfeilrichtung 9 nach oben geführt und damit die Wachstumsfronst immer weiter in Richtung der Spitze des Hohlkörpers 3 verschoben. Durch das angelegte HF-Feld verwirbelt sich das Material der Stangen 4 bis 6 mit jenem des Hohlkörpers 3 gleichmäßig in waagerechter Richtung. Im vorliegenden Falle ist somit im Bereich B2 der gesamte Penetrator aus einer Legierung von Wolfram und Rhenium aufgebaut. An den Grenzen zwischen den Be­reichen B1 und B3 erfolgt ein gleitender Übergang in der Zusammensetzung des Materials. Der Tiegel 2 taucht während des Verschiebens der Spule 8 zunehmend aus der Spule heraus und erkaltet. Sobald dies geschehen ist, wird der Impfling 7 entfernt und der Tiegel 2 geöffnet. Die entsprechende Technologie bei solchen Werkzeugen ist bekannt und bedarf hier keiner näheren Erläuterung. Der entstandene Penetrator liegt bereits in seiner endgültigen Form vor und bedarf keiner weiteren Bearbeitung. Durch aufeinanderfolgendes Schmelzen, bei welchem die Spule jeweils in gleicher Richtung bewegt, der Tiegel jedoch um 180° geschwenkt wird, ist die Ver­änderung der Eigenschaften über die Länge hinweg eben­falls beeinflußbar.

[0017] Wenn es erwünscht ist, daß die Spitze des Penetrators eine besonders hohe Festigkeit erhält, ist es möglich, den Tiegel 2 im Bereich seiner Spitze in seiner Form so auszubilden, daß ein Penetrator mit einer Formgebung entsprechend Fig. 3 entsteht. In diesem Falle ist eine Verdichtung der Spitze des Penetrators erforderlich, was beispielsweise durch vorsichtiges Hämmern oder Schmieden geschehen kann. In diesem Falle verliert der Einkristall im Bereich seiner Spitze jedoch an der Ober­fläche seine einkristalline Ausbildung, ohne daß Korn­grenzen entstehen, wodurch ein Teil der durch die Ver­dichtung bzw. Verformung erzielten höheren Festigkeit durch die verschlechterten Kristalleigenschaften wieder wettgemacht wird.

[0018] In Fig. 4 ist eine weitere Möglichkeit der Herstellung eines Penetrators aus Einkristall dargestellt, bei welchem der in das Werkzeug 10 eingelegte Körper 11 entweder aus dem reinen Metall oder aber aus einer Vorlegierung zum Beispiel also Wolfram-Rhenium besteht. Die Besonderheit ist in diesem Falle, daß die Tiegel­wandung in den drei Bereichen B1, B2 und B3 unter­schiedlich ausgebildet ist. Im Bereich B1 ist die Tiegelwandung gleich jener des Werkzeugs nach Fig. 2. Im Bereich B2 hat die Tiegelwandung eine aktive Ober­fläche erster Art, welche verursacht, daß das ge­schmolzene Material von der Wandung des Tiegels epitak­tisch aufwächst und die Orientierung der Tiegelwandung annimmt. Wenn die Orientierung der Tiegelwandung im Be­reich B2 beispielsweise einer Kristallrichtung [100] ent­spricht und der im Bereich B1 aufwachsende Kristall, wie im Falle der Fig. 2 eine Kristallrichtung [111] besitzt, so bildet sich eine Orientierungsfront 12 aus, an der ein Orientierungsübergang des Kristalls von [111] auf [100] erfolgt.

[0019] Im Bereich B3 ist die Tiegelwandung ebenfalls als aktive Oberfläche, aber eine solche zweiter Art, ausgebildet. Im Hinblick auf die gewünschte Festigkeit des Penetrators an der Spitze ist die Orientierung der Tiegelfläche ent­sprechend der Kristallrichtung [111] ausgebildet und be­wirkt, daß sich der wachsende Kristall nach der Orien­tierungsfront 13 von einer Kristallrichtung [100] in eine Kristallrichtung [111] ändert. Das Aufschmelzen des Kristalls erfolgt dabei in gleicher Weise wie bei der Anordnung nach Fig. 2.

[0020] Durch die Variation der Tiegelwandung kann somit das Kristallwachstum in seiner Orientierung geändert und somit die Festigkeitseigenschaften des Kristalls über seine Länge geändert werden.

[0021] Neben einem Herstellungsverfahren entsprechend den Fig. 2 und 4, welches in seiner Grundform von Bridgman entwickelt wurde, ist es im Sinne der Erfindung auch möglich, das bekannte Zonenschmelzverfahren vorzusehen, bei welchem der Tiegel entfällt und die HF-Spule an dem Metallkörper unmittelbar entlang zu führen.

Ansprüche

1. Penetrator aus einem Schwermetall, wie z.B. Wolfram oder abgereichertes Uran, mit über seine Länge hinweg unterschiedlich ausgebildeter Festigkeit und Zähigkeit,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Penetrator aus einem Einkristall des Schwer­metalls besteht.

2. Penetrator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einkristall aus einer Legierung mit dem Hauptbestandteil Wolfram besteht.

3. Penetrator nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als zulegiertes Element Rhenium verwendet ist.

4. Penetrator nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Penetrator aus 80 - 99,8 Gewichtsprozent Wolfram und 20 - 0,2 % Gewichtsprozent Rhenium besteht.

5. Penetrator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß er bei der Züchtung des Einkristalls eine ver­dickte Spitze zwecks anschließender Verdichtung erhält.

6. Verfahren zur Herstellung eines Penetrators nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Hohlkörper aus Wolfram mit etwa den äußeren Abmaßen und der Form des Penetrators, mit einer Vor­legierung aus Wolfram und Rhenium gefüllt ("chargiert") wird, mit einem im mittleren Teil des Penetrators höheren Anteil des Rheniums, daß der Hohlkörper in einem tiegelförmigen Werkzeug mit einer Innenform entsprechend dem Penetrator vom im Werkzeugboden an­geordneten Impfling ausgehend in Richtung Spitze durch ein HF-Feld geführt und eingeschmolzen wird, und daß er nach dem Austauchen aus dem HF-Feld lang­sam abgekühlt und anschließend vom Impfling abge­trennt wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines Penetrators nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Körper aus einer Legierung aus Wolfram und Rhenium in ein tiegelartiges Werkzeug mit einer Innenform entsprechend dem Penetrator eingebracht wird, wobei an der Bodenseite des Werkzeuges ein Einkristallimpfling der Kristallachsenorientierung [111] angebracht ist, daß eine HF-Spule relativ zu dem Werkzeug zum Einschmelzen des Körpers entlang dem Werkzeug vom Impfling aus geführt wird und daß die Tiegelwand über einen Teil ihrer Länge (Bereich 2 und 3) derart auf das Kristallwachstum einwirkt, daß bei diesem nach einem zuerst vom Impfling be­einflußten Wachstum in Achsrichtung [111], ausgehend von der Ausbildung der Tiegelwand im Bereich 2 eine gleitende Umorientierung der Kristallachse des Einkristalls in Richtung [100] und im Bereich 3 durch eine unterschiedliche Ausbildung der Tiegelwand eine weitere gleitende Umorientierung in Richtung der Kristallachse [111] erfolgt und daß nach Austauchen aus der HF-Spule das Werkzeug mit dem Penetrator langsam abgekühlt und der Impfling entfernt wird.

Zeichnung