Verfahren zur Herstellung von zwei Metallflächen, die dazu bestimmt sind, mit hoher Flächenpressung aufeinander zu gleiten Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mass nahmen zur Verminderung der Gleitreibung zwischen zwei mit hoher Flächenpressung aufeinander gleiten den Metallflächen, wobei als Gleitmittelfilm zwischen denselben eine Gasschicht verwendet wird.
Es ist bereits seit längerem bekannt, dass eine Gasschicht zwischen solchen, mit hohem Druck pro Flächeneinheit aufeinander gleitenden Metallflächen die Reibung merklich vermindern kann. Dies ist ins besondere in jenen Fällen von Bedeutung, bei welchen infolge äusserer Umstände, beispielsweise wegen der hohen Temperatur der beiden Metallteile, andere Gleitmittel zur Verminderung der Reibung nicht mehr anwendbar sind und sogenannte selbstschmierende Werkstoffe, z. B. graphithaltige Metalle, aus Festig keitsgründen nicht in Frage kommen.
Der gasförmige Gleitmittelteil wird dabei den aufeinander gleitenden Flächen nicht von aussen zugeführt, sondern wird - was natürlich nur bei hohem Flächendruck mög lich ist - durch Verdampfung gasbildungsfähiger Stoffe aus den sich berührenden Flächen oder durch das Austreten von im Metall gelösten bzw. an der Metalloberfläche gebundenen Gaskomponenten ge liefert.
Natürlich ist eine normale unpräparierte Gleit fläche nicht in der Lage, über längere Zeiten einen gasförmigen Gleitmittelfilm aufrechtzuerhalten, da hierbei ein gewisser Gasverlust durch Eindiffusion in die jeweils andere Fläche und durch Abwande rung zu den Rändern der gleitenden Flächenteile unvermeidlich ist.
Es ist deshalb bereits vorgeschlagen worden, die Gasabgabe einer gleitreibungsbeanspruchten Me tallfläche zu steigern, indem deren Oberfläche mit Gasen beladen wird, oder gasbildungsfähige Stoffe in dieselbe eindiffundiert werden. Geeignete Stoffe sind etwa Phosphor, Schwefel, gewisse Metalle, Sauer stoff usw.
Beispielsweise hat sich bei Geschützrohren, bei welchen beim Schiessen bekanntlich extrem hohe Flächendrücke bis zu einigen Tausend kg(cm2 herr schen und die Temperatur über 500 C steigen kann, die Anreicherung der Innenwandung mit Stickstoff gut bewährt, wie aus der Schweizer PatentschriftNr. 308295 hervorgeht.
Wenngleich die dort beschriebene Le- bensdauererhöhung zum grossen Teil auf der Ver besserung der Oberflächenhärte und der Bildung einer splitterfesten, duktilen nitrierten Stahlo'berfläche be ruht, so ist doch zu vermuten, dass auch das an der mit Stickstoff angereicherten Laufoberfläche sich bil dende Gaspölster hierzu merklich beiträgt.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, anstelle der schwierig zu behandelnden Innenwand der Ge schützrohre, die Führungsringe der hierfür bestimm ten Geschosse entsprechend auszubilden und mit gas bildungsfähigen Stoffen anzureichern bzw. an der Oberfläche mit Gas zu beladen.
Bei ausgedehnten Untersuchungen der unter sehr hohem Flächendruck aufeinander gleitenden Metall flächen, wie sie beispielsweise bei Waffen vorliegen, hat sich eine Verminderung der Gleitreibung durch die Anreicherung entweder des Geschützrohres oder der Geschossführungsringe mit gasbildungsfähigen Stoffen, in gewissen Fällen erzielen lassen, allerdings meist nur kurzzeitig.
Die Bestrebungen. zur Erzielung einer weitergehenden Gleitreibungsverminderung durch Beeinflussung des Anreicherungsgrades der betreffenden Metallflächen (Tiefenverteilu:ng, Kon zentration usw.) blieben erfolglos und zeigten. nur geringen Einfluss auf die maximale Reibungsvermin derung. Es erschien deshalb unnötig und aussichtslos, die Verhältnisse bei Verwendung von mit gasbildungs fähigen Stoffen angereicherten Geschossen in eben- falls entsprechend behandelten Geschützrohren näher zu untersuchen, zumal solche Versuche ausserordent lich kostspielig sind.
überraschenderweise hat sich aber nach Er arbeitung der weiter unten noch dargelegten Erkennt nisse ergeben, dass eine sprunghafte Verminderung der Gleitreibung gemäss dem erfindungsgemässen Ver fahren möglich ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von zwei Metallflächen, die dazu bestimmt sind, mit hoher Flächenpressung aufeinander zu. gleiten, wobei die Gleitreibung vermindert wird durch eine als Gleitmittelfilm zwischen denselben wirkende Gas schicht, die erst beim Auftreten der hohen Beanspru chung entsteht und aus allen beteiligten Flächen elementen der beiden Metallflächen gespeist wird, kennzeichnet sich dadurch, dass gasbildungsfähige Stoffe mittels elektrischer Glimmentladungen in beiden Metallflächen und den daran angrenzenden tiefer gelegenen Zonen angereichert werden.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhal tene Metallflächen einer Feuerwaffe und ihres Ge schosses sind gekennzeichnet durch eine Anreiche rung mindestens der zur gegenseitigen Berührung vor- all sehenen Flächenteile und der angrenzenden tiefer gelegenen Zonen mit gasbildungsfähigen Stoffen sol cher Art, dass die unter den beim Schuss herrschenden Druck- und Temperaturverhältnissen austretenden Gase miteinander und mit der Umgebung verträglich sind und sich volumenmässig addieren.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der bei ausgedehnten Schusswaffenerprobungen gewonnenen Erkenntnis, dass bei allen unter derart extremen Drük- ken und Temperaturen gleitreibungsbeanspruchten Metallflächen nicht nur die erstmalige Bildung der als Gleitmittelflm dienenden Gasschicht wichtig ist, sondern vielmehr deren dauernde Aufrechterhaltung während des Einzelschusses und bei Dauerfeuer ein Hauptproblem darstellt.
Bei den bisher bereits mit beachtlichem Erfolg verwendeten, in einer elektrischen Glimmentladung an der Innenwandung mit Stickstoff angereicherten Geschützrohren sind die vom Geschoss berührbaren Flächenteile durchaus in der Lage, eine zur Bildung von Gaspolstern ausreichende Gasmenge zu liefern. Beim Durchgang normaler, also mit unpräparierten Führungsringen versehener Geschosse wird aber an scheinend eine gewisse Gasmenge verbraucht, und es tritt eine nachteilige Verminderung des gasförmigen Gleitmittelfilms auf.
Es wird vermutet, dass bereits beim Einzelschuss, bei welchem die Führungsringe sich, vom Patronenlager bis zur Rohrmündung, an der gleitenden und verformten Oberfläche bis auf über l000 C erhitzen, die reibungsvermindernde Gas schicht wegen dieser hohen Temperatur der Führungs ringe in steigendem Masse verzehrt und verbraucht wird. Die Führungsringe dürften jedenfalls eine Ver minderung des gasförnugen Gleitmittelfilms bewirken.
Dieser bereits beim Einzelschuss auftretenden Benachteiligung der reibungsvermindernden Gas- schicht überlagert sich noch eine mit zunehmendem Gebrauch des Geschützrohres wirksam werdende Ver armung der vom Geschoss berührbaren Flächen der Rohrinnenwand an gasbildungsfähigen Stoffen.
Diese Verarmung beruht, soweit bisher ermittelt werden konnte, auf der Tatsache, dass infolge der Erwär mung der Rohrinnenwand die in derselben befind lichen gasbildungsfähigen Stoffe, soweit dieselben nicht austreten und die erwünschte Gasschicht bilden, durch einen Diffusionsvorgang in tiefer gelegene Zonen der Metalloberfläche wandern. Da aber neue derartige Stoffe von der Oberfläche aus nicht ein- diffundieren, verarmen die äussersten Metallschichten in entsprechendem Masse.
Etwas andere Verhältnisse ergeben sich bei der bereits versuchsweise früher erfolgten Verwendung von gasnitrierten Geschossen in normalen, also nicht besonders präparierten Geschützrohren. Die auf die übliche Weise in Bädern oder Öfen nitrierten Füh rungsringe konnten zwar zu Beginn in den noch kalten Geschützrohren ein reibungsverminderndes Gaspolster liefern, jedoch konnte bei rascher Schuss folge diese vorteilhafte Gasschicht nicht aufrechter halten werden. Anscheinend erfolgt der Verzehr der aus den Führungsringen austretenden Gase seitens der erhitzten Rohrinnenwand viel zu schnell, als dass ein gasförmiger G'le@itmittelfi:lm aufrechterhalten werden kann.
Die obengenannten, nur als Arbeitshypothese zu betrachtenden Erklärungen des Verhaltens von mit gasbildungsfähigen Stoffen präparierten, unter extre men Verhältnissen gleitreibu.ngsbeanspruchten Me tallflächen, sind das Resultat ausgedehnter Schiess versuche. Eine derartige Arbeitshypothese - die den Anlass zum erfindungsgemässen Verfahren gegeben hat - konnte bisher nicht gewonnen werden, weil für die vorliegenden hohen Anforderungen geeignete, mit gasbildungsfähigen Stoffen, z. B. mit Stickstoff, angereicherte Feuerwaffenrohre nicht zur Verfügung standen.
Die in Gasöfen oder Salzbädern nitrierten Geschützrohre weisen eine derart spröde nitrierte Oberflächenschicht auf, dass dieselbe beim Beschuss zu Absplitterungen neigt, was eine relativ geringe Lebensdauer sowie ein ständiges Absinken der Mün dungsgeschwindigkeit zur Folge hat. An derartigen Rohren wird natürlich die durch eine Verminderung der Gleitreibung eventuell :erzielbare Verbesserung vollständig von den nachteiligen Effekten der absplit ternden Schichten überdeckt. Erst nach Schaffung gehärteter, aber dukti'ler und weitgehend splitter sicherer Nitrierschichten durch Behandlung der Rohr innenwandung in einer elektrischen Glimmentladung (siehe das Schweizer Patent Nr. 308295), konnte die oben dargelegte Arbeitshypothese aufgestellt werden.
Die obengenannten Erkenntnisse liessen es - im Gegensatz zu den bisherigen allgemeinen technischen Ansichten der Feuerwaffentechnik - als aussichtsreich erscheinen, sowohl die Innenwand der Geschützrohre als auch die zur Berührung dieser Innenwand be- stimmten Teile der Geschosse, in einer elektrischen Glimmentladung mit gasbildungsfähigen Stoffen an zureichern.
Die diesbezüglichen Versuche ergaben über- raschenderweise eine sprunghafte Verminderung der Gleitreibung über die bisher bestenfalls kurzzeitig er reichten Werte hinaus. In günstigen Fällen wurde eine Verminderung der Gleitreibung um 80 bis. 90% er reicht.
Die oben dargelegte Arbeitshypothese lässt diese Ergebnisse verständlich erscheinen, denn nunmehr wird die beim Auftreten der hohen Gleitreibungs- beanspruchung entstehende Gasschicht nicht wie bis her nur aus der einen Metallfläche gespeist und von der anderen mehr oder weniger stark verzehrt. Viel mehr tragen alle beteiligten Flächenelemente beider Metallflächen zur Speisung der Gasschicht bei.
Er hitzen sich nun beim Einzelschuss die Führungsringe beim Durchgang durch das Rohr, so findet trotzdem eine Gasabgabe derselben statt und eine nachteilige Beeinflussung der reibungsvermindernden Gasschicht tritt nicht ein. Anderseits wird die Verarmung der Rohrinnenwandung an gasbildungsfähigen Stoffen weitgehend verhindert, da nunmehr seitens der Füh rungsringe entsprechende Stoffe geliefert werden, von denen ein gewisser Teil in die erhitzte Rohrinnenwand eindiffundieren kann.
Dabei ist natürlich eine Voraussetzung, dass die aus beiden hochbeanspruchten Metallflächen aus tretenden Gase nicht in unerwünschter Weise mit einander reagieren, sondern bei den herrschenden Temperatur- und Druckverhältnissen miteinander und mit den in der Umgebung vorhandenen Explosions gasen verträglich sind. Vorzugsweise werden beide Flächen mit den gleichen gasbildungsfähigen Stoffen angereichert. Es können aber auch verschiedene Stoffe verwendet werden, deren gasförmige Kompo nenten miteinander verträglich sind und sich volü- menmässig addieren.
Es darf also in der Rohrinnen wandung nicht etwa ein solcher gasbildungsfähiger Stoff angereichert werden, dessen Gaskomponente mit derjenigen der Führungsringe eine chemische Verbindung eingeht, welche die reibungsvermindernde Gasschicht nachteilig beeinflusst oder die Rohrinnen wand korrodiert. Dagegen können chemische Verbin dungen zwischen den austretenden Gasen und den Explosionsgasen durchaus erwünscht sein, wenn da durch die Gasschicht nicht nachteilig beeinflusst wird.
Ferner ist von Wichtigkeit, dass die Konzentra tionen der in beiden Metallflächen. angereicherten gas bildungsfähigen Stoffe aufeinander abgestimmt sind. Da die Geschützrohre zwecks Erzielung einer gehär teten aber duktilen und splitterfesten Innenfläche vor zugsweise in einer elektrischen Glimmentladung nitriert werden, empfiehlt es sich,
die gesamte oder wenigstens die zur Berührung mit dieser Innenwan dung vorgesehenen Teile der Geschossaussenseite eben falls in einer ionisierten Gasatmosphäre mit ent sprechenden gasbildungsfähigen Stoffen anzureichern. Die gasbildungsfähigen Stoffe können entweder als chemische Verbindungen in den obersten Zonen der Metallflächen angereichert sein, oder Legierungs bestandteile dieser Metalle bilden bzw. mit dem Me tall eine feste Lösung bilden.
Beispielsweise wurden bereits einige der nachstehenden Verbindungen in bezug auf ihre reibungsvermindernden Wirkungen untersucht und als. geeignet gefunden, so d'ass die ganze Stoffgruppe mehr oder weniger gut verwendbar sein dürfte:
Fe0 / Fe203 / Fe304 / Fe2N / Fe2P / Fe3P / FeS / FeS2; Cu0 / Cu20 / CuN3 / Cu-S: / Cu2S; Cr0 / Cr203 / Cr03 / CrN;
A'1203 /A-IN /A12S3. Diese Stoffe besitzen natürlich unterschiedliche Zersetzungstemperaturen oder Siedetemperaturen (Dampfbildung), so dass je nach Verwendungszweck eine geeignete Auswahl getroffen werden muss.
Ausser solchen chemischen Verbindungen sind natürlich auch Metalle und Metalloide als Legierungs- bestandteile günstig, wenn dieselben bei Beansprur chung der Metallflächen verdampfen und :einen aus reichenden Dampfdruck aufweisen, beispielsweise Zink, Blei, Chrom usw.
Zwecks Anreicherung von Teilen oder der ganzen Aussenseite von Geschossen bzw. von Führungsringen hierfür, können z. B. diese fertig bearbeiteten, ent fetteten und gut gereinigten Metallteile in einem evakuierbaren Entladungsgefäss angeordnet und über eine isolierte Stromdurchführung mit einer .äusseren Spannungsquelle verbunden werden.
Bei der gleich zeitigen Behandlung mehrerer solcher Metallteile können dieselben entweder sämtlich parallel geschaltet am gleichen Anschiuss liegen oder zu Gruppen zu sammengeschaltet und mit je einer getrennten isolier ten Stromeinführung verbunden sein. Ferner können Gegenelektroden vorgesehen werden, die über eine isolierte Stromeinführung am anderen Pol der Span nungsqueue liegen. Auch :ein metallisches Entladungs gefäss kann als Gegenelektrode benützt werden.
Die Werkstücke sollen derart angeordnet werden, dass mindestens an den für die Gleitreibungsbeanspru- chung vorgesehenen Oberflächenteilen eine gleich mässige Temperatur und eine Glimmentladung glei cher Intensität erzielt werden kann.
Zu diesem Zweck wird durch eine geeignete Pumpeinrichtung im Entladungsgefäss ein Unterdruck im Bereich von 0,1 bis 100 mm Hg hergestellt, wäh rend gleichzeitig ein Gas oder Gasgemisch in regel barer Menge zugeführt wird, so dass eine erwünschte Atmosphäre konstanten Druckes und g@eichbfeiben- der Zusammensetzung entsteht.
Beim Anlegen einer entsprechenden Gleich-, Wechsel- oder Wellenspan- nung zwischen den zu behandelnden Werkstücken und den Gegenelektroden :entsteht eine Glimmentladung, die durch Wahl niedrigen Druckes und möglichst kleiner Spannung anfangs einen nur geringen Energie- umsatz aufweisen :
soll. Durch zunehmende Druck erhöhung und Spannungsvergrösserung wird der Energieumsatz der Glimmentladung dann stetig ver grössert und die Entladung, falls erwünscht, weit gehend auf die zu behandelnden Flächen konzentriert, bis die zur Umwandlung der betreffenden Ober flächenteile vorgesehene Energiekonzentration der Glimmentladung an denselben erreicht ist. Diese An laufperiode der Glimmentladung ist in ihren Einzel heiten im Hauptpatent Nr. 364850 ausführlich be schrieben.
Dieser Anlaufvorgang bewirkt auch die Befreiung der zu behandelnden Oberflächenteile von absorbierten oder adsorbierten Fremdsubstanzen, von Bearbeitungsrückständen aller Art und von jegli chen Verunreinigungen. Beim Beginn der eigent lichen Behandlungsphase liegt also die betreffende Oberfläche in sehr reinem Zustand vor, was für die Erzielung völlig gleichmässiger Oberflächen wichtig ist.
Gegebenenfalls kann auch der Anlaufvorgang in einer Gasatmosphäre anderer Zusammensetzung als der eigentliche Glimmbehandiungsprozess erfol gen, beispielsweise in Anwesenheit eines reduzierend wirkenden Gases wie Wasserstoff. Dann wird nach Abschluss des Anlaufvorgangs anstelle dieser Gasart nunmehr das zur eigentlichen Behandlung der Metall flächen vorgesehene Gas oder Gasgemisch in das Ent ladungsgefäss eingeleitet,
zweckmässigerweise unter Aufrechterhaltung des erwünschten Unterdruckes und der bestehenden Glimmentladung. Falls das für den Anlaufvorgang erwünschte Gas mit demjenigen für die nachfolgende Behandlungsphase vorgesehenen nicht vermischt werden soll, kann auch die Gasatmo sphäre der Anlaufperiode gegen eine Schutzgasatmo- sphäre, beispielsweise ein Edelgas, ausgetauscht, und dann dieses Schutzgas durch das für die Behandlungs periode vorgesehene Gas ersetzt werden.
Sollen beispielsweise an Stahlgeschossen die eben falls aus Stahl bestehenden Führungsringe ausgeglüht und gleichzeitig mit gasbildungsfähigen Stoffen an gereichert werden, so kann eine Anordnung nach vor liegender Zeichnung verwendet werden. Hierzu wird in einem evakuierbaren, doppelwandigen und kühl baren Gasentladungsgefäss 1 mit abnehmbarem Deckel 2 eine metallische Halteplatte 3 auf Isola toren 4 befestigt, die mit federnden Metallbolzen 5 zum Aufstecken der zu behandelnden Stahlgeschosse 6 versehen ist.
Parallel zur Halteplatte 3 und mit dieser leitend verbunden ist eine metallische Blende 7 angebracht, die mit den Führungsringen 8 der Ge schosse 6 in einer Ebene gelegen ist, und runde Aus- nehmungen 9 aufweist, durch welche die Geschosse 6 hindurchragen. Die Dicke der Blende 7 ist derart ge wählt, dass die Innenseite der Ausnehmungen 9 gerade beiden Führungsringen 8 gegenübersteht. Die Innen seite der Ausnehmungen 9 soll die beiden Führungs ringe 8 konzentrisch umschliessen und einen überall gleich breiten Ringspalt mit denselben bilden.
Die Halteplatte 3 und die Blende 7 sind über eine isolierte Stromdurchführung 10 mit dem nega tiven Anschluss des Iüemmenpaars 11 verbunden, während der positive Anschluss am metallischen Ent ladungsgefäss 1 angeschlossen ist. Im Entladungs- gefäss 1, 2 wird über geeignete Mittel (nicht gezeich net) eine Gasatmosphäre aus 30<B>%</B> N2 und 70% HZ bei einem Druck von 5 bis 10 mm Hg hergestellt und während des Betriebs aufrechterhalten.
Nach Be endigung des oben beschriebenen Anlaufvorgangs wird bei einer Spannung von 400 bis 500 Volt zwi schen dem Entladungsgefäss 1 und den Geschossen 6 sowie der auf gleichem Potential liegenden Blende 7 eine Glimmentladung hergestellt, die bei geeigneter Breite des Ringspaltes zwischen den Führungsringen 8 und der Innenwand der Ausnehmungen 9 in diesem eine besonders hohe Energiekonzentration von 0,1 bis 10 Watt !cm2 Oberfläche der Führungsringe lie fert. Dieser als Hohlkathodeneffekt bezeichnete Betriebszustand ist im Schweizer Patent Nr. 314340 ausführlich beschrieben.
Die Führungsringe 8 errei chen bei dieser Betriebsweise innerhalb kurzer Zeit, beispielsweise 0,5 bis 2 Minuten, die erwünschte Glühtemperatur und reichern sich durch das Ionen bombardement mit Stickstoff an. Die hohe Energie dichte im Ringspalt gewährleistet ein relativ rasches Eindiffundieren des hier atomaren Stickstoffs in die Führungsringe, so dass nach erfolgtem Weichglühen die erforderliche Eindringtiefe erreicht ist und die Behandlung beendet werden kann. Innerhalb der relativ kurzen Behandlungsdauer erfährt das Geschoss 6 in seinen übrigen Teilen nur eine so geringe Tem peraturerhöhung, dass die Festigkeit nicht beeinflusst wird.
Bei dem Eindiffundieren der Behandlungsgase in die Metalloberfläche, im oben beschriebenen Beispiel also des Stickstoffs, entstehen in einer gewissen Tiefe sogenannte Mischkörper, die chemische und physi kalische Bindungen MetalliiGas darstellen. Erfahrungs gemäss geben solche Mischkörper bei den extremen Temperatur- und Druckverhältnissen während des Schiessvorgangs den Stickstoff wieder als Gas ab.
Ausserdem erfolgt aber bei einer Behandlung von Metalloberflächen in einer Glimmentladung - auch ohne dass dieselben, wie im oben beschriebenen Bei spiel bis auf Glühtemperatur erhitzt werden - eine Umwandlung der Oberflächenstruktur durch eine Ma terialwanderung, hervorgerufen durch eine Heraus- lösung feinster Metallpartikel aus der Oberflächen zone. Es ist nicht genau bekannt, ob die Metall partikel infolge Verdampfung an den Aufprallstellen einzelner Ionen, oder infolge unmittelbarer Stoss befreiung aus dem Kristallverband herausgelöst wer den. Jedenfalls ist eine Materialabwanderung experi mentell feststellbar.
Gleichzeitig erfolgt aber eine Materialzuwanderung, da die Gasatmosphäre mit Metallpartikeln, die aus der Werkstückoberfläche selbst oder aus der Gegenelektrode stammen, durch setzt ist und solche Metallpartikel im Glimmraum elektrisch geladen, im Kathodenfallraum in Richtung auf die Werkstückoberfläche beschleunigt werden und dort mit hoher kinetischer Energie auftreffen.
Das Ausmass der Materialwanderung in der einen und anderen Richtung kann durch geeignete Wahl der geometrischen Anordnung des Werkstückes und der Gegenelektrode sowie durch den Druck im Ent ladungsgefäss und die Art und Polarität der Span nung beeinflusst werden. Vorzugsweise werden die Entladungsverhältnisse derart gewählt, dass die Ma terialabwanderung überwiegt.
Jedenfalls entsteht nach genügend langer Aufrechterhaltung der Glimment- ladung an der Werkstückoberfläche, die beim oben beschriebenen Beispiel nur einige Minuten dauert, aber auch Stunden betragen kann, eine Oberflächen- zone auf dem Metallkörper, die eine äusserst gleich mässige Mikroporos.ität aufweist, welche sich bis in molekulare Dimensionen erstrecken dürfte.
Gleich zeitig ist aber diese Oberflächenzone in ihrer Festig keit nicht merklich geringer als nicht umgewandelte Metallschichten.
Diese mikroporöse Oberflächenschicht reichert sich begierig mit dem im Entladungsgefäss befind lichen Gas an und behält diese sogenannte Gas beladung auch nach Beendigung der Behandlung unter atmosphärischen Bedingungen.
Somit ist die Oberfläche nach dieser Glimment- ladungsbehandlung in zweifacher Hinsicht mit Gas angereichert. Einerseits ist eindiffundierter Stickstoff in der Metallschicht gelöst oder in Form von Misch körpern gebunden. Anderseits sind gasförmige Be standteile in der mikroporösen Oberflächenschicht eingeschlossen.
Unter den beim Schuss herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen tragen sowohl die Gasbeladung als auch die Mischkörper zur Spei sung der reibungsvermindernden Gasschicht zwischen den aufeinander gleitenden Metallflächen bei. Bei den Führungsringen dürfte anfänglich die Gasbeladung wirksam sein, aber nach Beginn der Deformation im wesentlichen tiefere Zonen mit Mischkörpern zur Gas abgabe beitragen.
Nach dem oben für Führungsringe von Geschos sen beschriebenen Verfahren lassen sich die für Gleit- reibungsbeanspruchung bestimmten Flächen von be liebig geformten, auch sehr kompliziert gestalteten Werkstücken mit den erfindungsgemässen mikro porösen Oberflächenzonen versehen.
Auch weitere oder enge Bohrungen lassen sich auf der Innenwan dung derart behandeln, gegebenenfalls unter Verwen dung einer koaxial in der Bohrung angeordneten, draht- oder .stiftartigen Gegenelektrode. Von grossem Vorteil ist hierbei, dass die Umwandlung der Ober flächenzone nach vollständiger Fertigstellung des betreffenden Werkstücks erfolgen kann, da bei der sehr gleichmässigen Temperaturbehandlung kein Ver ziehen der Werkstücke auftritt.
Die Massänderungen durch die Materialwanderung, falls dieselbe überhaupt feststellbar ist, kann an einem Probestück leicht er mittelt und dann bei der vorausgehenden Bearbeitung der Werkstücke berücksichtigt werden, da die Glimm- entladungsbe'handlung unter genau reproduzierbaren Bedingungen erfolgt.
Die Umwandung von Metalloberflächen nach dem beschriebenen Ausführungsbeispiel .ist natürlich nicht auf Stahlteile beschränkt, sondern kann, meist mit unterschiedlichen Behandlungszeiten, auch an allen Buntmetallen und Legierungen durchgeführt werden.
Insbesondere können auch sehr harte metalli sche Werkstoffe, wie sie beispielsweise für Reibungs- kupplungen, Getriebe, Zahnkränze usw. verwendet werden, in gleicher Weise mit einer erfindungs gemässen mikroporösen Oberflächenzone versehen und mit gaslieferungsfähigen Stoffen angereichert wer den.
Als gasbildungsfähige Stoffe sind natürlich je nach Verwendungszweck ausser den oben erwähnten Stick- stoff-Metall-Mischkörpern auch zahlreiche andere Stoffe geeignet. Beispielsweise können die Metall flächen mit Phosphor oder mit Schwefel angereichert werden, entweder in elementarer Form, gelöst im be treffenden Metall, als Mischkörper oder in Form ge eigneter Verbi'nd'ungen.
Die angereicherten Stoffe ver dampfen bei den auftretenden extremen Drücken und Temperaturen. und bilden eine reibungsvermindernde Gasschicht. Schliesslich lassen sich auch andere Gase, etwa Wasserstoff, Sauerstoff, und unter gewissen Um ständen sogar Edelgase, in den gleitreibungsbean- spruchten Metallflächen in solcher Form anreichern, dass dieselben. zur Büd'ang einer reibungsvermindern den Gasschicht beizutragen vermögen.
Die in den Metallflächen anzureichernden Stoffe können, wie in den oben beschriebenen Beispielen, vor allem aus dem Gas im Entladungsgefäss gewonnen werden.
Natürlich lassen sich derartige gasbildungs- fähige Stoffe auch auf andere Weise in die Glimm- ent-Iad'ung bzw. an den zu behandelnden Werkstück flächen einbringen. Beispielsweise kann eine ent sprechende Substanz im Entladungsgefäss verdampft und mit der Gasatmosphäre vermischt werden,
oder es wird ein entsprechender Nebel aus derartigen Stoff partikeln in das Entladungsgefäss eingespritzt. Ferner kann die bekannte Technik der Kathodenzerstäubung oder der Lichtbogenabstäubung benützt werden, um Fremdstoffpartikel mit der Gasatmosphäre zu ver mengen.
Es sei schliesslich noch darauf hingewiesen, d'ass das reibungsvermindernde Gaspolster bei Feuerwaffen noch wegen der guten Abdichtung des Geschosses, im Rohr von Vorteil ist. Ferner scheint die entstehende reibungsvermindernde Gasschicht auch eine Schutz schicht auf den stark beanspruchten Teilen der Rohr innenwand gegenüber den aggressiven Produkten der Explosion zu bilden.
Es kann durchaus sein, dass die sprunghafte Verbesserung der Lebensdauer von Feuerwaffen:rohren, die mit dem vorliegenden Ver fahren erzielt werden kann, nicht durch die Vermin- derung der Gleitreibungsverluste selbst bedingt ist, sondern durch Verringerung schädlicher Folgen der üblichen hohen Gleitreibung, wie Abnützung, er höhte Erosionsgefahr usw.,
erzielt werden.
The present invention relates to measures to reduce the sliding friction between two metal surfaces that slide on each other with high surface pressure, a gas layer being used as a lubricant film between them.
It has been known for a long time that a gas layer between such metal surfaces sliding on one another at high pressure per unit area can markedly reduce the friction. This is particularly important in those cases in which, due to external circumstances, for example because of the high temperature of the two metal parts, other lubricants for reducing friction are no longer applicable and so-called self-lubricating materials, e.g. B. graphite-containing metals, for reasons of strength not come into question.
The gaseous lubricant part is not supplied from the outside to the surfaces sliding on each other, but is - which is of course only possible at high surface pressure, including - by evaporation of gas-forming substances from the contacting surfaces or by the escape of substances dissolved in the metal or bound to the metal surface Gas components delivered.
Of course, a normal unprepared sliding surface is not able to maintain a gaseous film of lubricant over long periods of time, as a certain loss of gas through diffusion into the other surface and through migration to the edges of the sliding surface parts is inevitable.
It has therefore already been proposed to increase the gas output of a metal surface subject to sliding friction by loading its surface with gases or by diffusing gas-forming substances into the same. Suitable substances are phosphorus, sulfur, certain metals, oxygen, etc.
For example, in the case of gun barrels, which are known to have extremely high surface pressures of up to a few thousand kg (cm2) and the temperature can rise to over 500 C, enriching the inner wall with nitrogen has proven to be effective, as can be seen from Swiss patent specification No. 308295.
Although the increase in service life described there is largely based on the improvement of the surface hardness and the formation of a splinter-resistant, ductile nitrided steel surface, it can be assumed that the gas cushion that forms on the nitrogen-enriched running surface is also responsible for this noticeably contributes.
It has also been proposed, instead of the difficult-to-treat inner wall of the Ge protection tubes, to train the guide rings of the projectiles certain th accordingly and to enrich them with gas-forming substances or to load the surface with gas.
In extensive investigations of the metal surfaces sliding on each other under very high surface pressure, as is the case with weapons, for example, a reduction in sliding friction has been achieved in certain cases by enriching either the gun barrel or the bullet guide rings with substances capable of forming gas, but mostly only for a short time.
The aspirations. to achieve a further reduction in sliding friction by influencing the degree of enrichment of the metal surfaces concerned (depth distribution: ng, concentration, etc.) remained unsuccessful and showed. only minor influence on the maximum reduction in friction. It therefore seemed unnecessary and hopeless to investigate more closely the situation when using projectiles enriched with gas-forming substances in gun barrels that had also been treated accordingly, especially since such tests are extremely costly.
Surprisingly, however, after working out the knowledge set out below, it has emerged that a sudden reduction in sliding friction is possible according to the method according to the invention.
The method according to the invention for the production of two metal surfaces which are intended to come together with high surface pressure. sliding, whereby the sliding friction is reduced by a layer of gas acting as a lubricant film between the same, which only arises when the high stress occurs and is fed from all surface elements of the two metal surfaces involved, is characterized by the fact that gas-forming substances by means of electrical glow discharges in both Metal surfaces and the adjacent deeper zones are enriched.
Metal surfaces of a firearm and its projectile obtained by the process according to the invention are characterized by an enrichment of at least the surface parts provided for mutual contact and the adjacent deeper zones with gas-forming substances of such a type that the pressure prevailing during the shot - and temperature conditions are compatible with each other and with the environment and add up in terms of volume.
The present invention is based on the knowledge gained in extensive firearm tests that with all metal surfaces subjected to sliding friction under such extreme pressures and temperatures, not only the initial formation of the gas layer serving as a lubricant film is important, but rather its permanent maintenance during the single shot and during continuous fire The main problem.
In the case of the gun barrels enriched with nitrogen in an electric glow discharge on the inner wall, which have already been used with considerable success, the surface parts that can be touched by the projectile are quite capable of supplying a sufficient amount of gas to form gas cushions. However, when normal projectiles, i.e. those provided with unprepared guide rings, pass through, a certain amount of gas is apparently consumed, and a disadvantageous reduction in the gaseous lubricant film occurs.
It is assumed that even with a single shot, in which the guide rings, from the cartridge chamber to the barrel muzzle, heat up to over 1000 C on the sliding and deformed surface, the friction-reducing gas layer is increasingly consumed due to this high temperature of the guide rings is consumed. The guide rings should in any case cause a reduction in the gaseous lubricant film.
This disadvantage of the friction-reducing gas layer, which occurs even with a single shot, is superimposed on a depletion of gas-forming substances in the areas of the inner wall of the barrel that can be touched by the bullet, which becomes effective with increasing use of the gun barrel.
This impoverishment is based, as far as it could be determined so far, on the fact that as a result of the heating of the inner wall of the pipe, the gas-forming substances located in the same, if they do not escape and form the desired gas layer, migrate through a diffusion process into deeper zones of the metal surface. But since new such substances do not diffuse in from the surface, the outermost metal layers are depleted to a corresponding extent.
Somewhat different conditions result from the earlier experimental use of gas nitrided projectiles in normal, i.e. not specially prepared, gun barrels. The guide rings nitrided in the usual way in baths or ovens could initially provide a friction-reducing gas cushion in the still cold gun barrel, but this advantageous gas layer could not be maintained with rapid firing. Apparently the gases emerging from the guide rings are consumed by the heated inner wall of the pipe much too quickly for a gaseous lubricant film to be maintained.
The above-mentioned explanations of the behavior of metal surfaces prepared with gas-forming substances and exposed to sliding friction under extreme conditions, which are only to be regarded as a working hypothesis, are the result of extensive shooting tests. Such a working hypothesis - which gave rise to the method according to the invention - could not be obtained so far, because for the present high requirements suitable, with gas-forming substances such. B. with nitrogen, enriched firearm tubes were not available.
The gun barrels nitrided in gas furnaces or salt baths have such a brittle nitrided surface layer that the same tends to splinter when fired, which results in a relatively short service life and a constant drop in the muzzle velocity. On pipes of this type, the improvement that may possibly be achieved by reducing the sliding friction is of course completely covered by the disadvantageous effects of the splitting layers. Only after the creation of hardened, but ductile and largely fragment-proof nitrided layers by treating the inner wall of the pipe in an electric glow discharge (see Swiss patent No. 308295), could the working hypothesis set out above be established.
The above-mentioned findings made it appear promising - in contrast to the previous general technical views of firearm technology - to enrich both the inner wall of the gun barrel and the parts of the projectiles intended for contact with this inner wall with gas-forming substances in an electric glow discharge.
The tests in this regard surprisingly resulted in a sudden reduction in sliding friction beyond the values previously achieved at best for a short time. In favorable cases, the sliding friction was reduced by 80 to. 90% achieved.
The working hypothesis presented above makes these results seem understandable, because now the gas layer that arises when the high sliding friction stress occurs is not fed from one metal surface as it has been up to now and is more or less consumed by the other. All the surface elements involved in both metal surfaces contribute much more to the supply of the gas layer.
If the guide rings heat up when they pass through the pipe when they are shot individually, the same gas is released and the friction-reducing gas layer is not adversely affected. On the other hand, the depletion of gas-forming substances on the inner wall of the pipe is largely prevented, since the guide rings are now supplying corresponding substances, some of which can diffuse into the heated inner wall of the pipe.
It is of course a prerequisite that the gases emerging from the two highly stressed metal surfaces do not react with one another in an undesirable manner, but are compatible with one another and with the explosive gases in the environment under the prevailing temperature and pressure conditions. Both surfaces are preferably enriched with the same gas-forming substances. However, different substances can also be used whose gaseous components are compatible with one another and add up in terms of volume.
So it must not be enriched in the pipe inner wall such a gas-forming substance whose gas component enters into a chemical compound with that of the guide rings that adversely affects the friction-reducing gas layer or corrodes the inner pipe wall. In contrast, chemical connec tions between the escaping gases and the explosion gases can be quite desirable, if there is not adversely affected by the gas layer.
It is also important that the concentrations of in both metal surfaces. enriched gas-forming substances are coordinated. Since the gun barrels are nitrided, preferably in an electric glow discharge, in order to achieve a hardened but ductile and shatterproof inner surface, it is advisable to
Enriching all or at least the parts of the projectile exterior provided for contact with this inner wall in an ionized gas atmosphere with appropriate gas-forming substances. The gas-forming substances can either be enriched as chemical compounds in the uppermost zones of the metal surfaces, or they can form alloy components of these metals or form a solid solution with the metal.
For example, some of the following compounds have already been investigated for their friction-reducing effects and as. found suitable, so d'ass the whole group of substances should be more or less usable:
Fe0 / Fe203 / Fe304 / Fe2N / Fe2P / Fe3P / FeS / FeS2; Cu0 / Cu20 / CuN3 / Cu-S: / Cu2S; Cr0 / Cr203 / Cr03 / CrN;
A'1203 / A-IN / A12S3. These substances naturally have different decomposition temperatures or boiling temperatures (vapor formation), so that a suitable selection must be made depending on the intended use.
In addition to such chemical compounds, metals and metalloids are of course also beneficial as alloy components if they evaporate when the metal surfaces are stressed and: have a sufficient vapor pressure, for example zinc, lead, chromium, etc.
For the purpose of enriching parts or the entire outside of floors or guide rings for this purpose, z. B. these finished, ent greased and well cleaned metal parts are arranged in an evacuable discharge vessel and connected to an .äusseren voltage source via an isolated power feedthrough.
If several such metal parts are treated at the same time, they can either all be connected in parallel to the same connection or connected to form groups and each connected to a separate isolated power inlet. In addition, counter-electrodes can be provided which are connected to the other pole of the voltage queue via an insulated current inlet. Also: a metallic discharge vessel can be used as a counter electrode.
The workpieces should be arranged in such a way that a uniform temperature and a glow discharge of the same intensity can be achieved at least on the surface parts provided for the sliding friction load.
For this purpose, a suitable pumping device is used to create a negative pressure in the range of 0.1 to 100 mm Hg in the discharge vessel, while a gas or gas mixture is fed in at the same time in a controllable amount, so that a desired atmosphere of constant pressure and calibration is achieved. the composition arises.
When a corresponding direct, alternating or wave voltage is applied between the workpieces to be treated and the counter-electrodes: a glow discharge occurs, which initially has only a low energy conversion due to the selection of low pressure and the lowest possible voltage:
should. As the pressure increases and the voltage increases, the energy conversion of the glow discharge is then steadily increased and the discharge, if desired, is largely concentrated on the surfaces to be treated until the energy concentration of the glow discharge intended for the conversion of the surface parts concerned is reached on the same. This start-up period of the glow discharge is described in detail in its details in main patent no. 364850.
This start-up process also causes the surface parts to be treated to be freed from absorbed or adsorbed foreign substances, from processing residues of all kinds and from any impurities. At the beginning of the actual treatment phase, the surface in question is in a very clean state, which is important for achieving completely uniform surfaces.
If necessary, the start-up process can also take place in a gas atmosphere with a different composition than the actual glow treatment process, for example in the presence of a reducing gas such as hydrogen. Then after the start-up process has been completed, instead of this type of gas, the gas or gas mixture intended for the actual treatment of the metal surfaces is now introduced into the discharge vessel.
expediently while maintaining the desired negative pressure and the existing glow discharge. If the gas required for the start-up process is not to be mixed with that provided for the subsequent treatment phase, the gas atmosphere of the start-up period can also be exchanged for a protective gas atmosphere, for example a noble gas, and then this protective gas for the gas provided for the treatment period be replaced.
If, for example, the guide rings made of steel are to be annealed on steel projectiles and at the same time enriched with gas-forming substances, an arrangement according to the drawing above can be used. For this purpose, a metal retaining plate 3 is attached to Isola gates 4 in an evacuable, double-walled and cool ble gas discharge vessel 1 with removable cover 2, which is provided with resilient metal bolts 5 for attaching the steel projectiles 6 to be treated.
A metallic screen 7 is attached parallel to the retaining plate 3 and conductively connected to it, which is located in one plane with the guide rings 8 of the projectiles 6 and has round recesses 9 through which the projectiles 6 protrude. The thickness of the diaphragm 7 is selected such that the inside of the recesses 9 is just opposite the two guide rings 8. The inside of the recesses 9 should surround the two guide rings 8 concentrically and form an annular gap with the same width everywhere.
The holding plate 3 and the cover 7 are connected to the negative connection of the pair of terminals 11 via an insulated current feedthrough 10, while the positive connection is connected to the metallic discharge vessel 1. In the discharge vessel 1, 2, a gas atmosphere of 30% N2 and 70% HZ at a pressure of 5 to 10 mm Hg is produced using suitable means (not shown) and is maintained during operation.
After completion of the start-up process described above, a glow discharge is produced at a voltage of 400 to 500 volts between tween the discharge vessel 1 and the projectiles 6 and the aperture 7 at the same potential, which with a suitable width of the annular gap between the guide rings 8 and the inner wall of the recesses 9 in this a particularly high energy concentration of 0.1 to 10 watts! cm2 surface of the guide rings delivers. This operating state, known as the hollow cathode effect, is described in detail in Swiss Patent No. 314340.
In this mode of operation, the guide rings 8 reach the desired annealing temperature within a short time, for example 0.5 to 2 minutes, and are enriched by the ion bombardment with nitrogen. The high energy density in the annular gap ensures a relatively rapid diffusion of the atomic nitrogen here into the guide rings, so that the required penetration depth is reached after soft annealing and the treatment can be ended. Within the relatively short treatment time, the remaining parts of the projectile 6 only experience such a slight increase in temperature that the strength is not affected.
When the treatment gases diffuse into the metal surface, i.e. nitrogen in the example described above, so-called mixed bodies are created at a certain depth, which represent chemical and physical bonds of metal / gas. Experience has shown that such mixing bodies give off the nitrogen as a gas again during the shooting process under the extreme temperature and pressure conditions.
In addition, when metal surfaces are treated in a glow discharge - even without them being heated up to the annealing temperature as in the example described above - the surface structure is transformed by material migration, caused by the detachment of the finest metal particles from the surface zone . It is not known exactly whether the metal particles are released from the crystal structure as a result of evaporation at the points of impact of individual ions or as a result of direct impact. In any case, material migration can be determined experimentally.
At the same time, however, there is an influx of material, since the gas atmosphere with metal particles, which come from the workpiece surface itself or from the counter electrode, is through and such metal particles are electrically charged in the glow chamber, accelerated in the cathode drop chamber towards the workpiece surface and hit there with high kinetic energy .
The extent of the material migration in one direction and the other can be influenced by a suitable choice of the geometrical arrangement of the workpiece and the counter-electrode as well as by the pressure in the discharge vessel and the type and polarity of the voltage. The discharge ratios are preferably selected in such a way that material migration predominates.
In any case, if the glow discharge is maintained for a sufficiently long time on the workpiece surface, which in the example described above only lasts a few minutes, but can also be hours, a surface zone with extremely uniform microporosity arises on the metal body likely to extend into molecular dimensions.
At the same time, however, the strength of this surface zone is not noticeably less than that of unconverted metal layers.
This microporous surface layer is eagerly enriched with the gas located in the discharge vessel and retains this so-called gas load even after the treatment has ended under atmospheric conditions.
Thus, after this glow discharge treatment, the surface is enriched with gas in two ways. On the one hand, diffused nitrogen is dissolved in the metal layer or bound in the form of mixed bodies. On the other hand, gaseous components are included in the microporous surface layer.
Under the pressure and temperature conditions prevailing during the shot, both the gas load and the mixing body contribute to the feeding of the friction-reducing gas layer between the metal surfaces sliding on each other. In the case of the guide rings, the gas loading should initially be effective, but after the deformation begins, essentially deeper zones with mixing bodies contribute to the gas release.
According to the method described above for guide rings of bullets, the surfaces of any shaped, even very complex workpieces intended for sliding friction can be provided with the micro-porous surface zones according to the invention.
Further or narrow bores can also be treated in this way on the inner wall, if necessary using a wire or pin-like counter-electrode arranged coaxially in the bore. It is of great advantage here that the conversion of the upper surface zone can take place after the workpiece in question has been completely finished, since the workpieces are not warped during the very even temperature treatment.
The dimensional changes caused by the material migration, if the same can be determined at all, can easily be determined on a test piece and then taken into account in the previous processing of the work pieces, since the glow discharge treatment takes place under precisely reproducible conditions.
The conversion of metal surfaces according to the embodiment described is of course not limited to steel parts, but can also be carried out on all non-ferrous metals and alloys, usually with different treatment times.
In particular, very hard metallic materials, such as those used for friction clutches, gears, gear rims, etc., can be provided in the same way with a microporous surface zone according to the invention and enriched with substances capable of delivering gas.
In addition to the nitrogen-metal mixed bodies mentioned above, numerous other substances are of course also suitable as gas-forming substances, depending on the intended use. For example, the metal surfaces can be enriched with phosphorus or sulfur, either in elemental form, dissolved in the metal concerned, as a mixed body or in the form of suitable compounds.
The enriched substances evaporate at the extreme pressures and temperatures that occur. and form a friction-reducing gas layer. Finally, other gases, such as hydrogen, oxygen, and under certain circumstances even noble gases, can also be enriched in the metal surfaces exposed to sliding friction in such a way that they are. contribute to the burden of a friction-reducing gas layer.
The substances to be enriched in the metal surfaces can, as in the examples described above, primarily be obtained from the gas in the discharge vessel.
Of course, such gas-forming substances can also be introduced into the glow discharge or onto the workpiece surfaces to be treated in other ways. For example, a corresponding substance can be vaporized in the discharge vessel and mixed with the gas atmosphere,
or a corresponding mist made of such material particles is injected into the discharge vessel. Furthermore, the known technique of cathode sputtering or arc sputtering can be used to mix foreign matter particles with the gas atmosphere.
Finally, it should be pointed out that the friction-reducing gas cushion in firearms is advantageous because of the good sealing of the projectile in the barrel. Furthermore, the resulting friction-reducing gas layer also appears to form a protective layer on the heavily stressed parts of the inner wall of the pipe against the aggressive products of the explosion.
It may well be that the sudden improvement in the service life of firearms: tubes that can be achieved with the present method is not due to the reduction in sliding friction losses itself, but rather to a reduction in the harmful consequences of the usual high sliding friction, such as wear and tear , it increased the risk of erosion, etc.,
be achieved.