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Feuerwaffe mit Geschoss Es ist bereits seit längerem bekannt, dass eine Gasschicht zwischen den mit hohem Druck pro Flächeneinheit aufeinander gleitenden Metallflächen von Feuerwaffenrohr und Geschoss die Reibung merklich vermindern kann. Der gasförmige Gleit- mittelfilm wird dabei den aufeinander gleitenden Flächen nicht von aussen zugeführt, sondern wird was natürlich nur bei hohem Flächendruck möglich ist - durch Verdampfung gasbildungsfähiger Stoffe aus den sich berührenden Flächen, oder durch das Austreten von im Metall gelösten bzw. an der Metalloberfläche gebundenen Gaskomponenten geliefert.
Natürlich sind normale unpräparierte Gleitflächen nicht in der Lage, über längere Zeiten einen gasförmigen Gleitmittelfilm aufrecht zu erhalten, da hierbei ein gewisser Gasverlust durch Eindiffusion in die jeweils andere Fläche und durch Abwanderung zu den Rändern der gleitenden Flächenteile unvermeidlich ist.
Es ist deshalb bereits vorgeschlagen worden, die Gasabgabe _ seitens der gleitreibungsbeanspruchten Flächen von Rohr bzw. Geschoss zu steigern, indem deren Oberfläche mit Gasen beladen wird, oder gasbildungsfähige Stoffe in dieselbe eindiffundiert werden. Geeignete Stoffe sind etwa Phosphor, Schwefel, gewisse Metalle, Sauerstoff, usw. Bei Geschützrohren, bei welchen beim Beschuss bekanntlich extrem hohe Flächendrucke bis zu einigen Tausend kg/cm2 herrschen und die Temperatur über 500 C steigen kann, hat sich die Anreicherung der Innenwandung mit Stickstoff gut bewährt, wie aus der Schweizer Patentschrift Nr. 308295 hervorgeht.
Wenngleich die dort beschriebene Lebensdauererhöhung zum grossen Teil auf der Verbesserung der Oberflächenhärte und der Bildung einer splitterfesten, duktilen nitrierten Stahloberfläche beruht, so is; doch zu vermuten, dass auch das an der mit Stickstoff angerei- cherten Laufoberfläche sich bildende Gaspolster hierzu merklich beiträgt.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, anstelle der schwierig zu behandelnden Innenwand der Geschützrohre, die Führungsringe der hierfür bestimmten Geschosse entsprechend auszubilden und mit gasbildungsfähigen Stoffen anzureichern bzw. an der Oberfläche mit Gas zu beladen.
Bei ausgedehnten Untersuchungen der unter sehr hohem Flächendruck aufeinander gleitenden Metallflächen bei Waffen, 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 Gleitrei- bungsverminderung durch Beeinflussung des Anrei- cherungsgrades der betreffenden Metallflächen (Tiefenverteilung, Konzentration, usw.) blieben erfolglos und zeigten nur geringen Einfluss auf die maximale Reibungsverminderung.
Es erschien deshalb unnötig und aussichtslos, die Verhältnisse bei Verwendung von mit gasbildungsfähigen Stoffen angereicherten Geschossen in ebenfalls entsprechend behandelten Geschützrohren näher zu untersuchen, zumal solche Versuche aus- serordentlich kostspielig sind.
Überraschenderweise hat sich aber, nach Erarbeitung der weiter unten noch dargelegten Erkenntnisse ergeben, dass eine sprunghafte Verbesserung der Lebensdauer von Feuerwaffenrohren möglich ist, wenn sowohl die Rohrinnenseite und mindestens die der Führung dienenden Geschosspartien solche Stoffe enthalten, die unter den beim Schussvorgang herrschenden Bedingungen einen gasförmigen Gleitmittel- film bilden.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Feuerwaffen und Geschossen
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welches sich dadurch kennzeichnet, dass zur Anreicherung mindestens der sich gegenseitig berührenden Flächen und angrenzenden Zonen mit Gasen oder gasbildungsfähigen Stoffen diese Stoffe bzw. Gase von aussen in die Flächen eindiffundiert werden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der, bei ausgedehnten Schusswaffenenerprobungen gewonnenen Erkenntnis, dass bei allen unter derart extremen Drücken und Temperaturen gleitreibungsbeanspruch- ten Metallflächen nicht nur die erstmalige Bildung der als Gleitmittelfilm 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 anscheinend 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 1000 C erhitzen, die reibungsvermindernde Gasschicht wegen dieser hohen Temperatur der Führungsringe in steigendem Masse verzehrt und verbraucht wird. Die Führungsringe dürften jedenfalls eine Verminderung des gasförmigen Gleitmittelfilms bewirken.
Dieser bereits beim Einzelschuss auftretenden Benachteiligung der reibungsvermindernden Gasschicht, überlagert sich noch eine mit zunehmendem Gebrauch des Geschützrohres wirksam werdende Verarmung der vom Geschoss berührbaren Flächen der Rohrinnenwand an gasbildungsfähigen Stoffen. Diese Verarmung beruht, soweit bisher ermittelt werden konnte, auf der Tatsache, dass infolge der Erwärmung der Rohrinnenwand die in derselben befindlichen 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 eindiffundieren, verarmen die äussersten Metallschichten in entsprechendem Masse.
Etwas andere Verhältnisse ergeben sich bei der, bereits versuchsweise früher erfolgten Verwendung von gasnitrierten Geschossführungsringen in normalen, also nicht besonders präparierten Geschützrohren. Die auf die übliche Weise in Bädern oder Öfen nitrierten Führungsringe konnten zwar zu Beginn in den noch kalten Geschützrohren ein reibungsverminderndes Gaspolster liefern, jedoch konnte bei rascher Schussfolge diese vorteilhafte Gasschicht nicht aufrecht erhalten werden. Anscheinend erfolgt der Verzehr der aus den Führungsringen austretenden Gase seitens der erhitzten Rohrinnenwand viel zu schnell, als dass ein gasförmiger Gleitmittelfilm aufrecht erhalten werden kann.
Die obengenannten, nur als Arbeitshypothese zu betrachtenden Erklärungen des Verhaltens von mit Stoffen zur Bildung der gleichen Gase präparierten, unter extremen Verhältnissen gleitreibungsbeanspruch- ten Metallflächen, sind das Resultat ausgedehnter Schiessversuche. 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 Mündungsgeschwindigkeit zur Folge hat. An derartigen Rohren wird natürlich die durch eine Verminderung der Gleitreibung eventuell erzielbare Verbesserung vollständig von den nachteiligen Effekten der absplitternden Schichten überdeckt.
Erst nach Schaffung gehärteter, aber duktiler und weitgehend splittersicherer Nitrierschichten durch Behandlung der Rohrinnenwandung in einer elektrischen Glimment- ladung (siehe das Hauptpatent 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 bestimmten Teile der Geschosse, mit geeigneten Stoffen z. B. in einer elektrischen Glimmentladung anzureichern.
Die diesbezüglichen Versuche ergaben überraschenderweise eine sprunghafte Verbesserung der Lebensdauer von Feuerwaffenrohren über die bisher erreichten Werte hinaus, wenn mindestens die führenden Geschosspartien und die Rohrinnenseite solche Stoffe enthalten, die unter den beim Schussvorgang herrschenden Bedingungen einen gasförmigen Gleitmittel- film bilden.
Die oben dargelegte Arbeitshypothese lässt diese Ergebnisse verständlich erscheinen, denn nunmehr wird die beim Auftreten der hohen Gleitreibungs- beanspruchung entstehende Gasschicht nicht wie bisher nur aus der Rohrinnenwandung gespeist und von den führenden Geschosspartien mehr oder weniger stark verzehrt. Vielmehr tragen auch die führenden Geschosspartien zur Speisung der Gasschicht bei.
Erhitzen sich nun beim Einzelschuss die Führungsringe beim Durchgang durch das Rohr, so wird die Verarmung der Rohrinnenwandung an gasbildungsfähigen Stoffen weitgehend verhindert, da nunmehr seitens der Führungsringe gerade jene Stoffe geliefert und zum Teil in die erhitzte Rohrinnenwand eindiffundiert
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werden, mit denen die Rohrinnenwand angereichert und vergütet ist.
Vorzugsweise werden beide Flächen mit den gleichen gasbildungsfähigen Stoffen angereichert. Es können aber auch verschiedene Stoffe verwendet werden, wenn nur die Geschosspartien jene gasförmigen Komponenten liefern, mit denen die Rohrinnen- wandung bereits angereichert ist.
Ferner ist von Wichtigkeit, dass die Konzentrationen der in beiden Metallflächen angereicherten gasbildungsfähigen Stoffe aufeinander abgestimmt sind. Da die Geschützrohre zwecks Erzielung einer gehärteten aber duktilen und splitterfesten Innenfläche ohnehin nitriert werden müssen zweckmässigerweise in einer elektrischen Gas- bzw. Glimmentladung, empfiehlt es sich, die gesamte Geschossaussenseite oder wenigstens die zur Berührung mit dieser Innenwandung vorgesehenen Geschosspartien ebenfalls in einer ionisierten Gasatmosphäre mit den gleichen gasbildungsfähigen Stoffen anzureichern, wenngleich zur Herstellung des vorliegenden Erzeugnisses die Geschosse auch anders behandelt werden können.
Die gasbildungsfähigen Stoffe können entweder als chemische Verbindungen in den obersten Zonen der führenden Geschosspartien angereichert sein, oder Legierungsbestandteile dieser Metalle bilden, bzw. mit dem Metall eine feste Lösung bilden.
Ausser solchen chemischen Verbindungen sind natürlich auch Metalle und Metalloide als Legierungsbestandteile günstig, wenn dieselben in der Rohrinnenwandung angereichert sind, beispielsweise Zink, Blei, USW.
Bei Anreicherung durch Glimmentladung wird zweckmässig wie folgt verfahren: Fertig bearbeitete, entfettete und gut gereinigte Aussenseiten von Geschossen bzw. Führungsringen werden in einem evakuierbaren Entladungsgefäss angeordnet und über eine isolierte Stromdurchführung mit einer äusseren Spannungsquelle verbunden. Bei der gleichzeitigen Behandlung mehrerer solcher Metallteile, können dieselben entweder sämtlich parallelgeschaltet am gleichen Anschluss liegen oder zu Gruppen zusammengeschaltet und mit je einer getrennten isolierten Stromeinführung verbunden sein. Ferner ist eine Gegenelektrode vorhanden, die über eine isolierte Stromeinführung am anderen Pol der Spannungsquelle liegt oder das metallische Entladungsgefäss dient als Gegenelektrode.
Die zweckmässige Anordnung der als Elektroden geschalteten Werkstücke ist im Schweizer Patent Nr. 319658 beschrieben und wird derart vorgenommen, dass mindestens an den für die Führung vorgesehenen Geschosspartien eine gleichmässige Temperatur und eine Glimmentladung gleicher Intensität erzielt werden kann.
Zu diesem Zweck wird durch eine geeignete Pumpenrichtung im Entladungsgefäss ein Unterdruck im Bereich von 0,1 bis 100 mm Hg hergestellt, während gleichzeitig ein Gas oder Gasgemisch in regelbarer Menge zugeführt wird, so dass eine erwünschte Atmosphäre konstanten Druckes und gleichbleibender Zusammensetzung entsteht. Beim Anlegen einer entsprechenden Gleich-, Wechsel-, oder pulsierenden Gleichspannung zwischen den zu behandelnden Werkstücken und den Gegenelektroden entsteht eine Glimmentladung, die durch Wahl niedrigen Druckes und möglichst kleiner Spannung anfangs einen nur geringen Energieumsatz aufweisen soll.
Durch zunehmende Druckerhöhung und Spannungsvergrösserung wird der Energieumsatz der Glimmentladung dann stetig vergrössert und die Entladung, falls erwünscht, weitgehend auf die zu behandelnden Flächen konzentriert, bis die zur Umwandlung der betreffenden Oberflächenteile vorgesehene Energiekonzentration der Glimmentladung an denselben erreicht ist. Diese Anlaufperiode der Glimmentladung ist in ihren Einzelheiten in den Schweizer Patenten Nr. 355233 und 373484 ausführlich beschrieben. Dieser Anlaufvorgang bewirkt auch die Befreiung der zu behandelnden Oberflächenteile von absorbierten oder adsorbierten Fremdsubstanzen, von Bearbeitungsrückständen aller Art und von jeglichen Verunreinigungen.
Beim Beginn der eigentlichen Behandlungsphase liegt also die betreffende Oberfläche in sehr reinem Zustand vor, was für die Erzielung völlig gleichmässiger Oberflächen eine unbedingte Voraussetzung ist. Gegebenenfalls kann auch der Anlaufvorgang in einer Gasatmosphäre anderer Zusammensetzung als beim eigentlichen Glimmbehandlungsprozess erfolgen, beispielsweise in Anwesenheit eines reduzierend wirkenden Gases, z. B. Wasserstoff. Dann wird nach Abschluss des Anlaufvorganges anstelle dieser Gasart nunmehr das zur eigentlichen Behandlung der Metallflächen vorgesehene Gas oder Gasgemisch in das Entladungsgefäss 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 Gasatmosphäre der Anlaufperiode gegen eine Schutzgasatmosphäre, beispielsweise ein Edelgas, ausgetauscht, und dann dieses Schutzgas durch das für die Behandlungsperiode vorgesehene Gas ersetzt werden.
Sollen beispielsweise an Stahlgeschossen die ebenfalls aus Stahl bestehenden Führungsringe ausgeglüht und gleichzeitig mit Stickstoff angereichert werden, so kann eine Anordnung nach Fig. 1 verwendet werden. Hierzu wird in einem evakuierbaren, doppelwandigen und kühlbaren Gasentladungsgefäss 1 mit abnehmbarem Deckel 2 eine metallische Halteplatte 3 auf Isolatoren 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 Geschosse 6 in einer Ebene gelegen ist, und runde Ausnehmungen 9 aufweist, durch welche die Geschosse 6 hindurchragen. Die Dicke der Blende 7 ist derart gewählt, dass die Innenseite der Ausnehmungen 9 gerade beiden Führungsringen 8 gegenübersteht. Die
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Innenseite der Ausnehmungen 9 soll die beiden Führungsringe 8 konzentrisch umschliessen und einen überall gleichbreiten Ringspalt mit denselben bilden.
Die Halteplatte 3 und die Blende 7 sind über eine isolierte Stromdurchführung 10 mit dem negativen Anschluss des Klemmenpaares 11 verbunden, während der positive Anschluss am metallischen Entladungs- gefäss 1 angeschlossen ist. Im Entladungsgefäss 1, 2 wird über geeignete Mittel (nicht gezeichnet) eine Gasatmosphäre aus 30 ,/ 1NT2 und 70% H2 bei einem Druck von 5... 10 mm Ha hergestellt und während des Betriebs aufrechterhalten.
Nach Beendigung des oben beschriebenen Anlaufvorgangs wird bei einer Spannung von 400... 500 Volt zwischen 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 Ausneh- mungen 9 in diesem eine besonders hohe Energiekonzentration von 0,1... 10 Watt/cm2 Oberfläche der Führungsringe liefert. Dieser als Hohlkathodeneffekt bezeichnete Betriebszustand ist im Schweizer Patent Nr. 314340 ausführlich beschrieben.
Die Führungsringe 8 erreichen bei dieser Betriebsweise innerhalb kurzer Zeit, beispielsweise 0,5... 2 Minuten, die erwünschte Glühtemperatur und reichern sich durch das Ionenbombardement mit Stickstoff an. Die hohe Energiedichte 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 Temperaturerhöhung, 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 physikalische Bindungen Metall/Gas darstellen. Erfahrungs- gemäss geben solche Mischkörper bei den extremen Temperatur- und Druckverhältnissen während des Schiessvorgans, 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 Beispiel bis auf Glühtemperatur erhitzt werden eine Umwandlung der Oberflächenstruktur durch eine Materialwanderung, hervorgerufen durch eine Herauslösung feinster Metallpartikel aus der Oberflächenzone. Es ist nicht genau bekannt, ob die Metallpartikel infolge Verdampfung an den Aufprallstellen einzelner Jonen, oder infolge unmittelbarer Stossbefreiung aus dem Kristallverband herausgelöst werden. Jedenfalls ist eine Materialabwanderung experimentell feststellbar.
Gleichzeitig erfolgt aber eine Materialzuwanderung, da die Gasatmosphäre mit Metallpartikeln, die aus der Werkstückoberfläche selbst oder aus der Gegenelektrode stammen, durchsetzt 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 Werkstücks und der Gegenelektrode, sowie durch den Druck im Entladungsgefäss und die Art und Polarität der Spannung beeinflusst werden. Vorzugsweise werden die Entladungsverhältnisse derart gewählt, dass die Materialabwanderung überwiegt.
Jedenfalls entsteht nach genügend langer Aufrechterhaltung der Glimm- entladung an der Werkstückoberfläche, die beim oben beschriebenen Beispiel nur einige Minuten dauert, aber auch Stunden betragen kann, eine Oberflächenzone auf dem Metallkörper, die eine äusserst gleich- mässige Mikroporosität aufweist, welche sich bis in molekulare Dimensionen erstrecken dürfte. Gleichzeitig ist aber diese Oberflächenzone in ihrer Festigkeit nicht merklich geringer als nicht umgewandelte Mettallschichten.
Diese mikroporöse Oberflächenschicht reichert sich begierig mit dem im Entladungsgefäss befindlichen Gas an und behält diese sogenannte Gasbeladung 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 Verbindungen gebunden. Andererseits sind gasförmige Bestandteile in der mikroporösen Oberflächenschicht eingeschlossen. Unter den beim Schuss herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen tragen sowohl die Gasbeladung als auch die Metall- Stickstoff- Verbindungen zur Speisung der reibungsvermindernden Gasschicht zwischen den aufeinander gleitenden Metallflächen bei.
Bei den Führungsringen dürfte anfänglich die Gasbeladung wirksam sein, aber nach Beginn der Deformation dürften im wesentlichen die in tieferen Zonen liegenden Verbindungen zur Gasabgabe beitragen.
Die Umwandlung von Geschosspartien 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 metallische Werkstoffe in gleicher Weise mit einer mikroporösen Oberflächenzone versehen und mit gaslieferungsfähi- gen Stoffen angereichert werden.
Als gasbildungsfähige Stoffe sind natürlich je nach den in der Rohrinnenwand angereicherten Fremdstoffen, ausser den oben erwähnten Stickstoff/Metall- Verbindungen, auch zahlreiche andere Stoffe geeignet. Beispielweise können die Geschosspartien mit Phosphor oder mit Schwefel angereichert werden, entweder in elementarer Form, gelöst im betreffenden Metall, oder in Form geeigneter Verbindungen. Derartige Stoffe verdampfen bei den vorliegenden extremen
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Druck- und Temperaturen und bilden die reibungsvermindernde Gasschicht.
Schliesslich lassen sich auch andere Gase, etwa Wasserstoff, Sauerstoff, und unter gewissen Umständen sogar Edelgase, in den gleitrei- bungsbeanspruchten Metallflächen in solcher Form anreichern, dass dieselben zur Bildung einer reibungsvermindernden Gasschicht beizutragen vermögen, um eine Verarmung der Rohrinnenwandung an den betreffenden Stoffen zu vermeiden.
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 gasbildungsfähige Stoffe auch auf andere Weise in die Glimment- ladung an den zu behandelnden Werkstückflächen einbringen. Beispielsweise kann eine entsprechende Substanz im Entladungsgefäss verdampft und mit der Gasatmosphäre vermischt werden, oder es wird ein entsprechender Nebel aus derartigen Stoffpartikeln in das Entladungsgefäss eingespritzt. Ferner kann die bekannte Technik der Kathodenzerstäubung oder der Lichtbogenabstäubung benützt werden, um Fremdstoffpartikel mit der Gasatmosphäre zu vermengen.
Ausser der als Ausführungsbeispiel beschriebenen Behandlung der führenden Geschosspartien in einer elektrischen Glimmentladung, kann die erwünschte Anreicherung mit den vorgesehenen Fremdstoffen auch durch andere bekannte Behandlungsmethoden erfolgen. Beispielsweise ist die normale Gas- und Badnitrierung, sowie jede geeignete Diffusionsmetode verwendbar.
Es sei schliesslich noch darauf hingewiesen, dass 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 Schutzschicht auf den stark beanspruchten Teilen der Rohrinnenwand gegenüber den aggressiven Produkten der Explosion zu bilden. Es kann durchaus sein, dass die sprunghafte Verbesserung der Lebensdauer von Feuerwaffenrohren, die mit dem vorliegenden Verfahren erzielt werden kann, nicht durch die Verminderung der Gleitreibungsverluste selbst bedingt ist, sondern durch Verringerung schädlicher Folgen der üblichen hohen Gleitreibung, wie Abnützung, erhöhte Erosions- gefahr, usw. erzielt werden.
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Firearm with projectile It has been known for a long time that a gas layer between the metal surfaces of the firearm barrel and projectile, which slide on each other at high pressure per unit area, can markedly reduce friction. The gaseous lubricant film is not supplied from the outside to the surfaces sliding on each other, but is, of course, only possible at high surface pressure - through the evaporation of gas-forming substances from the contacting surfaces, or through the escape of substances dissolved in the metal or on the metal surface bound gas components supplied.
Of course, normal unprepared sliding surfaces are not able to maintain a gaseous film of lubricant over long periods of time, since 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 release on the part of the surfaces of the tube or projectile that are subject to sliding friction by loading their surface with gases or by diffusing gas-forming substances into them. Suitable substances are, for example, phosphorus, sulfur, certain metals, oxygen, etc. 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 above 500 C, the enrichment of the inner wall has also taken place Nitrogen has proven its worth, as can be seen from Swiss patent specification No. 308295.
Although the increase in service life described there is largely based on the improvement in surface hardness and the formation of a splinter-resistant, ductile nitrided steel surface, so is; but it can be assumed that the gas cushion that forms on the nitrogen-enriched barrel surface also contributes significantly to this.
It has also already been proposed, instead of the inner wall of the gun barrel, which is difficult to treat, to design the guide rings of the projectiles intended for this purpose and to enrich them with gas-forming substances or to load the surface with gas.
Extensive investigations into the metal surfaces of weapons, which slide on each other under very high surface pressure, have resulted in a reduction in sliding friction by enriching either the gun barrel or the bullet guide rings with substances capable of forming gases, but mostly only for a short time. Efforts to achieve a further reduction in sliding friction by influencing the degree of enrichment of the metal surfaces concerned (depth distribution, concentration, etc.) remained unsuccessful and showed only a minor influence on the maximum reduction in friction.
It therefore seemed unnecessary and futile to investigate the situation when using projectiles enriched with gas-forming substances in gun barrels that were also treated accordingly, especially since such experiments are extremely costly.
Surprisingly, however, after working out the findings set out below, it has emerged that a sudden improvement in the service life of firearm barrels is possible if both the inside of the barrel and at least the bullet sections used for guiding contain substances that are gaseous under the conditions prevailing during the firing process Form a lubricant film.
The invention also relates to a method for producing firearms and projectiles
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which is characterized by the fact that in order to enrich at least the mutually contacting surfaces and adjacent zones with gases or gas-forming substances, these substances or gases are diffused into the surfaces from the outside.
The present invention is based on the knowledge gained from 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 represents a major 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 bullets pass through, i.e. bullets provided with unprepared guide rings, 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 and consumed due to the high temperature of the guide rings . The guide rings should in any case reduce the gaseous lubricant film.
This disadvantage of the friction-reducing gas layer, which occurs even with a single shot, is also 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 depletion is based, as far as it could be determined so far, on the fact that as a result of the heating of the inner pipe wall, the gas-forming substances located in the same, insofar as they do not escape and form the desired gas layer, migrate through a diffusion process into deeper zones of the metal surface. However, 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 bullet guide rings in normal, i.e. not specially prepared, gun barrels. The guide rings nitrided in the usual way in baths or ovens were able to provide a friction-reducing gas cushion in the still cold gun barrels at the beginning, but this advantageous gas layer could not be maintained with rapid firing sequences. Apparently, the gases emerging from the guide rings are consumed by the heated inner wall of the pipe much too quickly for a gaseous film of lubricant to be maintained.
The above-mentioned explanations of the behavior of metal surfaces prepared with substances to form the same gases and subjected 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, has not yet been obtained because for the present high requirements suitable substances capable of forming gas, e.g. B. 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 it tends to splinter when fired, which results in a relatively short service life and a constant drop in muzzle velocity. In pipes of this type, the improvement that can possibly be achieved by reducing the sliding friction is of course completely covered by the disadvantageous effects of the splintering layers.
Only after the creation of hardened, but ductile and largely shatterproof nitrided layers by treating the inner wall of the pipe in an electrical glow discharge (see main patent no. 308295), could the working hypothesis set out above be established.
The above-mentioned findings made it - in contrast to the previous general technical views of firearm technology - appear promising, both the inner wall of the gun barrel and the parts of the projectiles intended to touch this inner wall, with suitable materials e.g. B. to be enriched in an electric glow discharge.
The experiments in this regard surprisingly resulted in a sudden improvement in the service life of firearm barrels beyond the values achieved so far, if at least the leading projectile sections and the inside of the barrel contain substances that form a gaseous film of lubricant under the conditions prevailing during the firing process.
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 only fed from the inner tube wall as before and is more or less consumed by the leading projectile sections. Rather, the leading parts of the projectile also contribute to the supply of the gas layer.
If the guide rings heat up when they pass through the pipe, the depletion of gas-forming substances on the inside of the pipe is largely prevented, since the guide rings now deliver precisely those substances and partially diffuse into the heated inside wall of the pipe
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with which the inner pipe wall is enriched and remunerated.
Both surfaces are preferably enriched with the same gas-forming substances. However, different materials can also be used if only the parts of the bullet supply those gaseous components with which the inner tube wall is already enriched.
It is also important that the concentrations of the gas-forming substances enriched in both metal surfaces are matched to one another. Since the gun barrels have to be nitrided anyway in order to achieve a hardened but ductile and splinter-resistant inner surface in an electric gas or glow discharge, it is recommended that the entire projectile exterior or at least the projectile sections intended for contact with this inner wall are also in an ionized gas atmosphere with the to enrich the same gas-forming substances, although the projectiles can also be treated differently for the manufacture of the present product.
The gas-forming substances can either be enriched as chemical compounds in the uppermost zones of the leading projectile parts, or form alloy components of these metals, or form a solid solution with the metal.
In addition to such chemical compounds, metals and metalloids are of course also favorable as alloy components if they are enriched in the inner wall of the pipe, for example zinc, lead, etc.
In the case of enrichment by glow discharge, the following procedure is appropriate: The finished, degreased and well-cleaned outer sides of projectiles or guide rings are placed in a discharge vessel that can be evacuated and connected to an external voltage source via an insulated current feedthrough. When treating several such metal parts 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. There is also a counter-electrode which is connected to the other pole of the voltage source via an insulated current inlet, or the metallic discharge vessel serves as a counter-electrode.
The practical arrangement of the workpieces connected as electrodes is described in Swiss Patent No. 319658 and is carried out in such a way that a uniform temperature and a glow discharge of the same intensity can be achieved at least on the projectile sections intended for guidance.
For this purpose, a suitable pump direction in the discharge vessel creates a negative pressure in the range from 0.1 to 100 mm Hg, while at the same time a gas or gas mixture is supplied in a controllable amount, so that a desired atmosphere of constant pressure and constant composition is created. When a corresponding direct, alternating or pulsating direct voltage is applied between the workpieces to be treated and the counter-electrodes, a glow discharge arises which, by choosing a low pressure and the lowest possible voltage, should initially only have a low energy consumption.
By increasing the pressure and voltage, 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 provided for the conversion of the surface parts concerned is reached. This start-up period of the glow discharge is described in detail in Swiss Patents Nos. 355233 and 373484. 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 contamination.
At the beginning of the actual treatment phase, the surface in question is in a very clean state, which is an absolute prerequisite for achieving completely uniform surfaces. If necessary, the start-up process can also take place in a gas atmosphere with a different composition than in the actual glow treatment process, for example in the presence of a reducing gas, e.g. B. hydrogen. After completion of the start-up process, instead of this type of gas, the gas or gas mixture provided for the actual treatment of the metal surfaces is then 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 this protective gas can then be replaced by the gas provided for the treatment period.
If, for example, the guide rings, which are also made of steel, are to be annealed on steel projectiles and at the same time enriched with nitrogen, an arrangement according to FIG. 1 can be used. For this purpose, a metal holding plate 3 is attached to insulators 4 in an evacuable, double-walled and coolable 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 holding plate 3 and is 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
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The inside of the recesses 9 is intended to surround the two guide rings 8 concentrically and to 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 clamps 11 via an insulated current feedthrough 10, while the positive connection is connected to the metallic discharge vessel 1. A gas atmosphere of 30, / 1NT2 and 70% H2 at a pressure of 5 ... 10 mm Ha is produced in the discharge vessel 1, 2 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 ... 500 volts between the discharge vessel 1 and the projectiles 6 as well as the screen 7 which is at the same potential, which with a suitable width of the annular gap between the guide rings 8 and the inner wall the recesses 9 in this supply a particularly high energy concentration of 0.1 ... 10 watts / cm2 surface of the guide rings. 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 ... 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 necessary penetration depth is achieved after soft annealing and the treatment can be ended. Within the relatively short duration of treatment, the remaining parts of the projectile 6 experience only 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 metal / gas bonds. Experience has shown that under the extreme temperature and pressure conditions during the shooting process, such mixing bodies release the nitrogen again as a gas.
In addition, however, when metal surfaces are treated in a glow discharge - even without the same, as in the example described above, being heated up to annealing temperature, the surface structure is transformed by material migration, caused by the detachment of the finest metal particles from the surface zone. It is not exactly known 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 relief. In any case, material migration can be determined experimentally.
At the same time, however, there is an influx of material, since the gas atmosphere is permeated with metal particles that come from the workpiece surface itself or from the counter electrode and such metal particles are electrically charged in the glow chamber, accelerated in the cathode drop chamber in the direction of the workpiece surface and hit there with high kinetic energy.
The extent of the material migration in one and the other direction can be influenced by a suitable choice of the geometric 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 chosen such that the migration of material 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 develops on the metal body which has an extremely uniform microporosity that extends down to molecular levels Dimensions are likely to extend. 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 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 compounds. 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 metal-nitrogen compounds contribute to the feeding of the friction-reducing gas layer between the metal surfaces sliding on one another.
In the case of the guide rings, the gas loading should initially be effective, but after the start of the deformation, the connections in the deeper zones should essentially contribute to the gas release.
The conversion of projectile sections according to the embodiment described is of course not restricted 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 can also be provided with a microporous surface zone in the same way and enriched with substances capable of delivering gas.
Depending on the foreign substances accumulated in the inner wall of the pipe, in addition to the nitrogen / metal compounds mentioned above, numerous other substances are also suitable as gas-forming substances. For example, the projectile sections can be enriched with phosphorus or sulfur, either in elemental form, dissolved in the metal concerned, or in the form of suitable compounds. Such substances evaporate under the extreme conditions present
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Pressure and temperatures and form the friction-reducing gas layer.
Finally, other gases, such as hydrogen, oxygen, and under certain circumstances even noble gases, can be enriched in the metal surfaces subject to sliding friction in such a way that they can contribute to the formation of a friction-reducing gas layer in order to deplete the inner wall of the pipe in the relevant substances avoid.
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 on 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 composed of such substance 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.
In addition to the treatment of the leading parts of the projectile in an electric glow discharge described as an embodiment, the desired enrichment with the intended foreign substances can also be carried out by other known treatment methods. For example, normal gas and bath nitriding and any suitable diffusion method can be used.
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 pipe wall against the aggressive products of the explosion. It may well be that the sudden improvement in the service life of firearm barrels that can be achieved with the present method is not due to the reduction in sliding friction losses itself, but rather due to a reduction in the harmful consequences of the usual high sliding friction, such as wear and tear, increased risk of erosion , etc. can be achieved.