CH632837A5 - Method for producing and maintaining a thermally insulating, erosion constraining protective coating on the inner surface of weapon barrels - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und Erhalten einer wärmedämmenden, erosionshemmenden Schutzschicht auf der Innenoberfläche von unter sehr hoher termischer und mechanischer Beanspruchung stehenden Waffenrohren, bei dem der die thermische und mechanische Beanspruchung erzeugenden Pulvertreibladung Zusätze beigefügt sind, die sich auf der Innenoberfläche rein oder in Form von chemischen Verbindungen niederschlagen.

Derartige Zusätze sind in der DT-AS 14 53 837 erwähnt, wobei hinzugefügt wurde, dass ein wesentlicher Nachteil des Zusetzens von Stoffen der genannten Art zur Pulvertreibladung darin besteht, dass nur in begrenztem Masse ein Zusatz möglich ist, da durch einen hohen Zusatz solcher Stoffe die Abbrandei-genschaften der Pulvertreibladung ungünstig beeinflusst werden. Entsprechend ist man gemäss den Ausführungen dieser Druckschrift gezwungen, sorgfältig zwischen der Wirkung dieser Stoffe und ihrem den Abbrand der Pulvertreibladung verschlechternden Èinfluss abzuwägen, weshalb man in bezug auf die Beimengung solcher Stoffe zur Pulvertreibladung nur verhältnismässig wenig Spielraum hat.

Hieraus ergibt sich, dass die bekannte Beimengimg von rohrschonend wirkenden Stoffen zur Pulvertreibladung nur in geringem Masse die erhoffte Wirkung zu erreichen gestattet, so dass zur Beschichtung der Oberfläche durch Ionitrieren, Gasnitrieren, Hartverchromen usw. geschritten werden muss, um eine angemessene Verschleiss- und Erosionsbeständigkeit der Innenoberflächen von Waffenrohren zu erreichen.

5 Metallische oder mit Metallen als Hauptbestandteil hergestellte Oberflächenschutzschichten haben jedoch den Nachteil, dass sie hohe Wärmeleitzahlen besitzen, so dass der Temperaturschutzeffekt für den Rohrgrundwerkstoff nur begrenzt ist. Versuche mit nichtmetallischem Beschichten ergaben vorzeiti-10 ges Abschmelzen, Verdampfen bzw. Abrieb infolge der durch Wärmestau verursachten extrem hohen Oberflächentemperaturen.

Im Rahmen der Leistungssteigerung von Rohrwaffen durch Verwendung höherer Gasdrücke, heisserer Pulvergase und 15 grösserer Ladung und höherer Feuerfolgen werden jedoch immer höhere Anforderungen an diese Verschleiss- und Erosionsbeständigkeit gestellt, so dass die Lebensdauer von Waffenrohren trotz der bekannten Schutzmassnahmen nicht mehr ausreichend ist.

20 Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass die Oberflächen einerseits durch die thermische Kurzzeitbelastung und andererseits durch die mechanische Belastung angegriffen werden, wobei Oberflächentemperaturen in der Grössenordnung bis 2000 °C beobachtet werden. Derartige Temperaturen werden 25 nur noch von wenigen Werkstoffen ohne Schmelzen ertragen.

Neben dem hohen Schmelzpunkt ist ein weiteres Kriterium für die ausreichende Lebensdauer eines Waffenrohres die Warmfestigkeit bei hohen Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes und die Trägheit bezüglich unerwünschter Ge-30 fügeumwandlungen. Von Bedeutung ist ferner die chemische Beständigkeit des Rohrwerkstoffes bzw. des Beschichtungswerkstoffes gegen die heissen Pulvergase.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das die Nachteile der 35 bekannten Oberflächenschutzbeschichtungen vermeidet bzw. diese so verbessert, dass es möglich ist, thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Waffenrohre herzustellen, die eine hohe Lebensdauer haben, wobei dieser Schutz so ausgebüdet sein soll, dass eine evtl. teilweise Abtragung der Schutzschicht durch 40 die thermische und mechanische Beanspruchung durch einen wiederholten Auftrag der Schutzschicht ausgeglichen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Zusätze zur die thermische und/oder mechanische Beanspruchung erzeugenden Pulvertreibladung in einer solchen Art 45 und Menge beigefügt werden, dass sich eine zusammenhängende, abriebfeste, hochschmelzende, gering wärmeleitende Schicht bildet, deren Schichtdicke durch einen Gleichgewichtszustand zwischen der Abtragung aufgrund der thermischen und mechanischen Beanspruchung und der Neubildung bestimmt ist. so Das erfindungsgemässe Verfahren geht dabei von der überraschenden Feststellung aus, dass von einer bestimmten Menge des Zusatzes an nicht mehr nur eine Beeinflussimg der Grenzschicht zwischen den heissen Pulvergasen und der Rohrinnenwandung erreicht wird, wie es bei den Zusätzen gemäss dem 55 Stand der Technik angestrebt wird, sondern dass sich auf der Rohrinnenwandung eine Schutzschicht niederschlägt, die die stark erosionshemmenden Eigenschaften aufweist.

Die mit der Zugabe der nicht verbrennbaren Zusätze entstehenden Verluste an innenballistischer Leistung können dadurch 60 ausgeglichen werden, dass der Heizwert der Pulvertreibladung angehoben wird, ohne dass dadurch die wesentlich verbesserte erosionshemmende Wirkung wieder zunichte gemacht wird und/oder auf wesentliche Bindemittelanteile ausser dem wirksamen mengenmässig erhöhten Zusatz verzichtet wird. 65 Als Zusätze eignen sich mehr oder weniger alle Metalle und deren Verbindungen, die vorteilhafterweise in dispergierter Form der Pulvertreibladung zugemischt bzw. angelagert werden und die während eines Schusses im Waffenrohr verteilt werden,

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wobei sie in der hochgespannten, extrem heissen Gasatmosphäre aufschmelzen, verdampfen, dissoziieren und mit oder ohne Eingehen neuer Verbindungen als Belag auf der Rohrinnenoberfläche aufschmelzen und/oder aufsublimieren.

Dieser Vorgang führt erst von bestimmten Mindestmengen von zugesetztem Ausgangsmaterial an, die wesentlich über bisher üblichen Zusatzanteilen liegen, zu wirksamen Schichtdik-ken. Die wirksame Schichtdicke ist diejenige, die das darunter liegende Grundmaterial vollständig vor Hitzeschäden schützt. Als besonders vorteilhaft haben sich Metalloxyde als Ausgangswerkstoff erwiesen, wobei sich Oberflächenbeschichtungen ergeben, die eine gute Haftung auf der Rohrinnenoberfläche aufweisen, die zu Ablagerungen in ausreichender, jedoch den Kaliberdurchmesser nicht störend verengender Dicke führen, die eine extrem geringe Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Schmelzpunkt sowie bei hohen Temperaturen eine sehr hohe Abriebfestigkeit aufweisen.

Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens soll hierbei Titandioxyd als Zusatz verwendet werden, wobei dem Treibladungspulver wenigstens bei den ersten Schüssen in Abhängigkeit von den thermischen Verhältnissen 10 bis 25 Gew.-% des Zusatzes beigefügt sind.

Für weitere Beschüsse kann dieser Wert in Abhängigkeit von den innenballistischen Verhältnissen auf 5 Gew.-% bis 15 Gew.-% gesenkt werden. Im Zuge der bestimmungsgemässen Benutzung des Waffenrohres kann ferner vorgesehen sein, nach einer bestimmten Schusszahl, einen oder mehrere Schüsse abzugeben, deren Pulvertreibladung wieder einen erhöhten Zusatzanteil aufweist, um auf diese Weise einen verstärkten Niederschlag auf der Rohrinnenoberfläche zu erreichen und so eine Verringerung der Schutzschichtdicke auszugleichen.

Das bemerkenswerte Ergebnis dieses Beschichtungsverfah-rens ist darin zu sehen, dass eine einmal aufgetragene Schicht bei nachfolgenden Schüssen in der Pulvergasatmosphäre trotz des hohen Schmelzpunktes infolge ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit zwar zunächst teilweise aufgeschmolzen aber anschliessend im Verein mit dem in der Ladung mitgeführten dispergier-

ten und teilweise dissoziierten Ausgangswerkstoff für die Schichtbildung wieder aufgebaut wird, wobei die Menge des beigefügten Ausgangsmaterials beim ersten und bei den folgenden Schüssen so abgestimmt wird, dass sich mit wenigen Schuss 5 eine genügend dicke Schutzschicht aufbaut und sich weiterhin selbstregelnd erhält. Das heisst, die Schichtdicke ist durch einen Gleichgewichtszustand zwischen der Abtragung aufgrund der thermischen und mechanischen Beanspruchung und der Neubildung bestimmt, wobei dieser Regelungsmechanismus u. a. io dadurch erklärt werden kann, dass dickere Schutzschichten wegen der geringeren Wärmeleitung in die Rohrwand hinein höhere Temperaturen erreichen als dünne. Dicke Schichten werden daher während des Schusses etwas mehr aufgeschmolzen und abgetragen als dünne.

15 Die Schutzschicht kann sofort im Anschluss an die Fertigung des Waffenrohres, z.B. im Rahmen eines Abnahmebeschusses aufgebracht werden, indem wenigstens eine thermische und mechanische Beanspruchung, die mindestens gleich derjenigen während der bestimmungsgemässen Benutzung des Waffenroh-20 res ist, im Anschluss an die Fertigung durchgeführt wird und dass hierbei der die thermische und mechanische Beanspruchung erzeugenden Pulvertreibladung ein nach Art und/oder Menge gegenüber der Benutzung verschiedener Zusatz beigefügt wird.

25 In der Regel wird die Menge des Zusatzes bei dieser ersten Beanspruchung höher liegen als bei der späteren bestimmungsgemässen Benutzung, wobei noch zusätzlich vorgesehen werden kann, den Anteil des Zusatzes in den Randbereichen der die thermische und mechanische Beanspruchung erzeugenden Pul-30 vertreibladung grösser zu machen als im Kernbereich. Es ist auch möglich, bei Waffenrohren eine Beschichtung aufzubringen, die der eigentlichen Benutzung vorausgeht, so dass die Erstbeschichtung im Rahmen eines Abnahmebeschusses bzw. teilweise durch fertigungstechnische Verfahren, teilweise durch 35 Schiessen erzeugt werden kann. Hierbei können auch unterschiedliche Treibladungspulverarten und Pulvermengen sowie Geschossmassen verwendet werden, die zu unterschiedlichen innenballistischen Leistungen führen.

C

Claims (7)

632 837 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Herstellen und Erhalten einer wärmedämmenden, erosionshemmenden Schutzschicht auf der Innenoberfläche von unter hoher thermischer und mechanischer Beanspruchung stehenden Rohrwaffen, bei dem der die thermische und mechanische Beanspruchung erzeugende Pulvertreibladung Zusätze beigefügt sind, die sich auf der Rohrinnenoberfläche rein oder in Form von chemischen Verbindungen niederschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass diese Zusätze in einer solchen Art und Menge beigefügt werden, dass sich eine zusammenhängende, abriebfeste, hochschmelzende, geringe wärmeleitende Schicht bildet, deren Schichtdicke durch einen Gleichgewichtszustand zwischen der Abtragung aufgrund der thermischen und/oder mechanischen Beanspruchung und der Neubildung bestimmt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine thermische Beanspruchung, die mindestens gleich derjenigen während der bestimmungsgemässen Benutzung des Hohlkörpers ist, im Anschluss an die Fertigung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der die thermische Beanspruchung im Anschluss an die Fertigung erzeugenden Pulvertreibladung ein nach Art und Menge gegenüber der Benutzung verschiedener Zusatz beigefügt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Zusatzes bei der oder den ersten Beanspruchungen höher liegt als bei der späteren bestimmungsgemässen Benutzung.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz im wesentlichen aus Titandioxyd besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibladungspulver als Zusatz für die erste (n) Beanspruchung (en) 10 Gew.-% bis 25 Gew.-% Titandioxyd in feinverteilter Form aufweist und dass dieser Anteil bei der bestimmungsgemässen Beanspruchung bis auf 5 Gew.-% bis 15 Gew.-% herabgesetzt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der bestimmungsgemässen Benutzung des Waffenrohres die Menge des Zusatzes bei den einzelnen Beanspruchungen periodisch erhöht ist.