DE102014006081A1

DE102014006081A1 - Metall-Metallmatrix Verbundläufe

Info

Publication number: DE102014006081A1
Application number: DE102014006081.0A
Authority: DE
Inventors: Anja Glisovic; Joshua Gravely; Steve Gravely
Original assignee: Anja Glisovic
Current assignee: GLISOVIC, ANJA, DE
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2015-10-29

Abstract

Verbundläufe dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Kern aus Eisen- oder Nickellegierungen und mindestens einen Mantel aus einem Metallmatrix Material besitzen und für Büchsen, Flinten, Kanonen und Mörser geeignet sind. Die Verbundläufe können durch die höhere spezifische Zugfestigkeit des Metallmatrixmantels die Feuerrate, das Gewicht oder die Präzision der Waffe verbessern bzw. alle oder eine Kombination der oben genannten Eigenschaften. Der Metallmatrixmantel trägt durch Aufschrumpfen zur Druckfestigkeit des Laufes bei.

Description

Gegenwärtig ist der Stand der Technik, dass Läufe hauptsächlich homogen aus einer Metalllegierung, insbesondere Stählen (Eisenlegierungen) und Nickellegierungen, hergestellt werden, vgl. , Zeichnungen Blatt 1. Läufe müssen allgemein dem Druck der Treibladung und der Kugel standhalten und eine genügende Steifigkeit für hinreichende Zielgenauigkeit besitzen. Dies kann u. a. durch hohe Wanddicken erreicht werden. Mit Erhöhung der Wanddicke erhöhen sich sowohl der Maximaldruck, dem der Lauf standhalten kann, als auch die Steifigkeit durch den erhöhten Durchmesser. Diesen Vorteilen steht allerdings das Gewicht des Laufes gegenüber, welches möglichst gering sein sollte um eine gute Handhabbarkeit der Waffe zu gewährleisten.
Es ist also Vorteilhaft den Durchmesser des Laufes zu erhöhen ohne gleichzeitig sein Gewicht deutlich oder besser gar nicht zu steigern. In besonderen Fällen wird dies durch Kompositläufe erreicht, welche aus einem Schichtsystem verschiedener Materialien hergestellt gestellt werden. Beispiele hierfür sind Läufe, welche einen gezogenen Laufkern mit dünner Wandung besitzen und mit Faserverbundwerkstoffen umwickelt sind, wie z. B. in den Patenten CA 2284893 C und WO 2011146144 A2 dargestellt. Meist kommen Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFK) mit einer Kunstharzmatrix auf der Basis von Epoxiden zum Einsatz. Da CFK Werkstoffe meist eine höhere spezifische Zugfestigkeit besitzen als Stähle und Nickellegierungen, lässt sich durch das gewickelte Laufsystem im Vergleich zu homogen Metallläufen ein Gewichtsersparnis erzielen. Der Nachteil dieser Systeme ist ihre geringe Temperaturstabilität, welche einen Einsatz in halb- und vollautomatischen Waffen auf wenige Schuss begrenzt bzw. nur dann möglich ist, wenn die Temperatur des Laufes dauerhaft Temperaturen von 100°C nicht überschreiten und insbesondere keine Temperaturen über 200°C erreichen, ab denen die Kunstharzmatrix nachhaltig geschädigt wird. Auch wirkt die Hülle aus Verbundfasern auf Grund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit wie ein Isolator, so dass die Wärme schlecht an die Umgebung abgegeben werden kann, wodurch die Präzision stark leiden kann. Andere Läufe, welche aus verschiedenen Materialien bestehen sind die Glattrohrkanonen, welche z. B. in Abrams und Leopard II Panzern eingesetzt werden. Diese Läufe besitzen eine isolierende äußere Schicht, welche dem Wärmemanagement dient und anders als die gewickelten Läufe keinen direkten Einfluss auf die mechanische Integrität des Laufsystems hat.
Eine alternative Form eines mehrschichtigen Kompositlaufes ist in Patent US 2011/0113667A1 dargestellt. Die Steifigkeit des Laufes wird durch eine äußere Hülse erhöht und der Zwischenraum mit einer leichten Füllmatrix versehen. Leider hat das in Patent US2011/0113667A1 dargestellte System massive Mängel, da die beschriebenen Füllmaterialien schlecht wärmeleitend sind, sich Hitzestaus bilden und die Läufe sich unter Wärmelast verziehen. Ein Einsatz des Systems in voll- und halbautomatischen Waffen ist so nicht möglich, da für einen dauerhaften Einsatz die Kadenz herabgesetzt werden müsste. Auch kann sich die Hülse auf Grund thermischer Ausdehnung von der Füllmatrix separieren wodurch der Kraftschluss und die Präzision der Waffe verloren gehen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine Hülse aus Aluminiumlegierungen mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten > 20 ppm/K genutzt wird.
Das vorliegende Patent „Metall-Metallmatrix Verbundläufe” begegnet diesen Problemen durch den Einsatz innovativer Metallmatrixmaterialien, welche einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem von Eisen- und Nickellegierungen und gleichzeitig eine höhere spezifische Zugfestigkeit besitzen, als die herkömmlich eingesetzten Lauflegierungen wie z. B. 316, 4140 und 4150 Stähle. Die eingesetzten Metallmatrixmaterialien basieren des weiteren auf Leichtmetallen, sodass ihre Dichte deutlich unter der von Eisen- und Nickellegierungen ist. Die Konsequenz dieser Materialeigenschaften ist, dass durch die höhere spezifische Zugfestigkeit das Gewicht reduziert werden kann, sich aber in Folge der geringeren Dichte der Durchmesser des Laufes erhöht. Der erhöhte Durchmesser wiederum hat zur Folge, dass sich das Flächenträgheitsmoment und die Steifigkeit erhöhen, wodurch sich die Präzision des Laufes verbessert, s. & b, Zeichnungen Blatt 1.
Auch zeichnen sich die Metallmatrixmaterialien im Allgemeinen durch eine höhere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität aus, sodass sie in den Laufsystemen ein besseres Wärmemanagement ermöglichen, vgl. Ansprüche. Durch die erhöhte Wärmeleitfähigkeit werden Wärmestaus reduziert und die gesamte Oberfläche des Verbundlaufes kann effizienter zur Kühlung beitragen. Die erhöhte Wärmekapazität bedingt ein langsameres Aufheizen des Laufs, was höhere Schussraten erlaubt bzw. eine längere Feuerdauer bei niedriger Schussrate bis eine bestimmte Temperatur erreicht wird. Alternativ ist es auch möglich nur eine oder zwei der genannten Eigenschaften zuungunsten der anderen zu verbessern, wenn dies für spezial Anwendungen gewünscht ist. So kann beispielsweise auf eine Gewichtsersparnis verzichtet werden, wenn maximale Präzision gewünscht ist. Da Metallmatrixmaterialien auf verstärkten Metallen basieren können sie dauerhaft bei Temperaturen von 100°C und insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 200°C betrieben werden, da sie im Gegensatz zu Kohlefaserverbundläufen keine Komponenten besitzen, welche bei diesen Temperaturen degradieren können. So ist es möglich die vorgestellten Verbundläufe für halb- und vollautomatische Waffen zu verwenden.
Prinzipiell ist jedes verstärkte Leichtmetall, insbesondere Aluminium- oder Magnesiumlegierung geeignet für den Einsatz in Verbundläufen, wenn es die in den Schutzansprüchen 2 bis 6 genannten Eigenschaften besitzt. Insbesondere geeignet sind hierbei thermisch gut leitfähige Füllmaterialien wie Kohlenstoffnanoröhrchen, Bornitrid, Diamant, Siliciumcarbid in einer Aluminiummatrix. Wobei der Füllgrad bevorzugt so gewählt sein sollte, dass der thermische Ausdehnung zwischen 10 bis 15 ppm/K und die Wärmeleitfähigkeit oberhalb der des Laufkernes liegt und besonders bevorzugt zwischen 80 und 200 W/m·K. Beispiele für solche Metallmatrixmaterialien, sind z. B. die Aluminium-Diamant-Komposite beschrieben von S. R. Holloway in dem US Patent Aluminium Composite for Gun Barrels US 648224881 aus dem Jahr 2000 oder die Siliciumcarbid verstärkten Aluminiumlegierungen der Firma Materion Cooperation, Mayfield Heights, Ohio, USA, der SupremEX Reihe, insbesondere SupremEX AMC640XA. Die Eigenschaften dieses Materials sind in Tabelle 1 am Ende der Patentbeschreibung zu finden, zusammen mit einer Beispielrechnung Anhand eines AR-15 Laufes.
Technisch umgesetzt wird die Verbesserung der Laufeigenschaften dadurch, dass der Verbundlauf aus einem Laufkern aus einer Eisen- oder Nickelbasislegierung besteht, z. B. Stahl 316, 4140 oder 4150. Die minimale Wandstärke des Laufkerns ist dabei die Dicke, welche einen Zug bei Büchsen und allgemein eine hinreichende Verschleißfestigkeit für eine kommerziell nutzbare Lebensdauer ermöglicht. Diese variiert je nach Kaliber und kann auch so gewählt werden, dass z. B. auch gewisse Sicherheitsfaktoren z. B. für die Zugfestigkeit erreicht und eingehalten werden. Der maximale Durchmesser des Laufkerns hingegen sollte im Allgemeinen nicht den Durchmesser eines schweren Laufprofils überschreiten.
Der Laufkern wiederum wird mit einem Mantel aus einem Metallmatrixmaterial umgeben. Das Metallmatrixmaterial zeichnet sich dabei dadurch aus, dass es einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie der Laufkern, was sowohl das Fügen durch Aufschrumpfen ermöglicht als auch eine Separation der Teile unter thermischer Last verhindert. Zusätzlich wird durch die sehr ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten das Verbiegen und das Auftreten von thermischen Spannungen minimiert. Im günstigsten Falle sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten identisch. Weichen die Wärmeausdehnungskoeffizienten um weniger als 20% von einander ab, können Mantel und Laufkern direkt gefügt werden, z. B. durch Aufschrumpfen. Liegt die Abweichung der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Laufkern und Mantel über 20%, so muss ein innerer Mantel (Zwischenmantel) zwischen Laufkern und äußerem Mantel eingebracht werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Zwischenmantels muss dabei höher sein als der der äußeren Mantels und seine Wandstärke. Auf diese Weise wird die Ausdehnung des Zwischenmantels bei Erwärmen durch den äußeren Mantel gehindert und kann so einen ständigen Kraftschluss zwischen äußerem Mantel und Laufkern herstellen. Beim Abkühlen wiederum hindert der Laufkern die Schrumpfung des Zwischenmantels, entsprechend muss die Wandstärke des Laufkerns so gewählt werden, dass er den auftretenden Kräften standhalten kann. In beiden Konstruktionsvarianten (mit und ohne Zwischenmantel) ist darauf zu achten, dass die Übermaßpassungen der Teile mindestens einen Kraftschluss im Temperaturbereich von –40°C und 150°C, idealerweise zwischen –70°C und 350°C garantiert. Auch muss die Wandstärke des Laufkerns so gewählt sein, dass dieser den auftretenden Kräften standhalten kann. Der Mantel/die Mäntel können sich nur über den eigentlichen Lauf, wie in dargestellt, erstrecken. Allerdings ist es zu bevorzugen, dass sich der Metallmatrixmantel, wie in dargestellt, über die gesamte Rohrlänge, einschließlich des Hülsenkopfes, erstreckt. Diese Ausführung erlaubt die besten Gewichtsersparnisse. Hülsenkopf und Laufanfang können zusätzlich leichte Hinterschneidungen, Nuten und Aussparungen aufweisen, welche den Laufmantel weiter stabilisieren und eine bei der Ausrichtung des Metallmatrixmantels helfen. Entsprechend weißt der Matrixmantel dann korrespondierende Aussparungen und Hinterschneidungen auf.
Der Aufbau des Verbundlaufes ermöglicht eine nachträgliche Modifizierung von bestehenden Läufen, in dem diese mit einem Metallmatrixmantel versehen werden. Dazu sollten die Stahlläufe, welche den Laufkern bilden, gleichmäßig herunter gedreht werden, sodass eine glatte Oberfläche entsteht. Anschließend wird ein Metallmatrixmantel aufgeschrumpft. Alternativ kann der Laufmantel auch aus zwei Halbschalen oder mehr Schalen hergestellt und um den Laufkern gelegt werden. Die Mantelschalen werden dann geschweißt oder verschraubt um den Laufkern zu versteifen. Der Nachteil dieser Variante ist, dass der Mantel weniger zur Druckfestigkeit beiträgt und der Laufkern entsprechend schwerer ausfallen muss. Auch besteht bei der Verwendung eines gebrauchten Laufes die Gefahr, dass dieser Fehler und Schwachpunkte in Folge der vorherigen Nutzung aufweist. Zu bevorzugen ist daher immer die neue Herstellung der Verbundläufe, da nur so beste Qualität gewährleistet werden kann und die optimale Abstimmung der Materialeigenschaften von Laufkern und -mantel auf einander sichergestellt ist.
Bei geeigneter Wahl der Materialien und Manteldicken sind Erhöhungen der Steifigkeit und der Wärmekapazität des Laufsystems um Faktoren zwischen 7 bis 12 möglich meist aber in Bereich von Faktoren 1,5 bis 7, bei gleichzeitiger geringerem oder minimal erhöhtem Gewicht (meist unter 25%). Die genauen Werte hängen dabei von den gewählten Wanddicken von Laufkern und Mantel und den Eigenschaften des Vergleichslauf ab. So erlauben die genannten Laufsysteme im Allgemeinen eine Verbesserung der Genauigkeit um mindestens einen Faktor zwei bei gleichzeitiger Erhöhung der Kadenz um ebenfalls einen Faktor zwei, meist sogar um einen Faktor 4 bei Gewehren des Typs AR-15. Herauszustellen ist hierbei auch, dass bei einer nicht komplett ausgeschöpften Kadenz die Einsatzdauer erhöht wird. Sei beispielsweise die maximale Kadenz um einen Faktor 4 erhöht, wird aber nur mit doppelter Kadenz geschossen, so kann doppelt solange geschossen werden bis die kritische Temperatur erreicht wird, bei der der Lauf versagt. Dies liegt daran, dass die Wärmeenergie die dem Lauf zu bis zum Versagen geführt werden kann durch den Verbundlauf erhöht wird und proportional zu dem Produkt aus Kadenz und Feuerdauer ist. Entsprechend können entweder Kadenz oder Feuerdauer oder Kadenz und Feuerdauer erhöht werden. Alternativ kann auch nur das Gewicht reduziert werden, wenn Kadenz und Feuerdauer erhalten bleiben. Dies liegt daran, dass diese beiden Parameter von der Masse und dem Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis des Laufes abhängen.
Der erhöhte Durchmesser des Verbundlaufes und die Wärmekapazität der Metallmatrixmaterialien bedingen, dass sich sowohl das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen als auch das Verhältnis von Wärmekapazität zu Kühlfläche/Lauffläche erniedrigt. Dies führt zu einer geringeren Kühleffizienz des Verbundlaufes im Vergleich zu konventionellen Läufen, welcher durch geeignete Laufprofile, z. B. durch auskehlen/kannelieren, begegnet werden kann. Idealerweise erhöhen die Oberflächenstrukturierungen die Lauffläche in dem Maße wie das Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis erniedrigt und die Wärmekapazität erhöht wurde. Ein Beispiel für eine Oberflächenstrukturierung mittels sechs Kannellierungen ist in , Zeichnungen Blatt 2 dargestellt. Meist muss die Oberfläche um einen Faktor 1.5 bis 4 erhöht werden, d. h. z. B. bei dreieckiger Auskehlung, dass auf die Dreiecksbasis mit Länge 1 eine Kante mit Länge 4 gesetzt wird, ein Beispiel für eine solche Auskehlung ist in , Zeichnungen Blatt 2, gegeben. In diesem Zusammenhang ist nur das Verhältnis relevant und nicht die absolute Größe, so dass die Erhöhung der Oberfläche bevorzugt durch eine Mikrostrukturierung erfolgen sollte. Durch die geringere Dichte der Metallmatrixmaterialien ist es auch möglich bessere Verhältnisse von Wärmekapazität zu Lauffläche zu erhalten, so dass die Kühleffizienz der Verbundläufe besser sein kann als die konventioneller Läufe. Das Ausmaß der Profilierung ist dabei von den gewünschten Gesamteigenschaften des Verbundlaufes abhängig und sollte jeweils auf dieses Ziel hin angepasst werden. Im Extrem kann dies soweit gehen, dass lediglich ein dünner Mantelring aus dem Metallmatrixmaterial um den Laufkern liegt und die die Versteifung durch Kühlrippen erfolgt. Ein Beispiel mit vier Kühlrippen ist in , Zeichnungen Blatt 2, dargestellt. Die Kühlrippen können auch selber strukturiert sein und verzweigte Querschnitte besitzen, z. B. 'T'- oder 'Y'-förmig sein.
Auch können sich die Läufe die zur Mündung hin verjüngen, so dass weitere Gewichtsreduktionen möglich sind. In dieser Hinsicht können sich sowohl Laufkern als auch Mantel oder nur einer der beiden Teile verjüngen. Alternativ kann das Profil von Kern und Mantel auch über die Länge des Laufes variiert werden, z. B. durch unterschiedliche Durchmesser. Dies kann Helfen die harmonischen Schwingungen des Laufes zu minimieren und schneller Abklingen zu lassen, so dass eine verbesserte Zielgenauigkeit und Kadenz erreicht wird. Auch hierbei können Laufkern und Laufmantel unabhängig oder abhängig von einander im Profil variierte werden, solange die angestrebten Profile nicht das Fügen der Teile behindern.
Die so hergestellten Läufe sind insbesondere einsetzbar in voll- und halbautomatischen Waffen wie z. B. Gewehren und Kanonen. Aber auch in Repetiergewehren und Flinten haben sie Vorteile durch die erhöhte Akkuratesse der Schüsse. In thermisch hochbelasteten Einzelfeuersystemen wie Mörsern erlauben sie höhere Schussfolgen und längere Einsatzzeiten.
Beispiel AR-15 Lauf, Kaliber 5,56 Nato

Die hier dargestellten Beispiele für Verbundläufe für das Kaliber 5,56 Nato basieren auf dem AR-15 System. Als Metallmatrixmaterial dient beispielhaft das SupremeEX AMC 640XA, dessen Eigenschaften in Tabelle 1 gegeben sind zusammen mit den Eigenschaften von 4140 Stahl, welcher der gebräuchlichste Stahl in AR-15 Waffen ist. Der Laufkern ist ausreichend dick, um hinreichende Druckfestigkeit zu gewährleisten, während die Druckfestigkeit des Metallmatrixmantels zusätzliche Betriebssicherheit beisteuert. Je nach gewählter Dicke des Metallmatrixmantels lassen sich verschiedene Eigenschaften einstellen. So können z. B. 35% des Gewichts eingespart werden, wenn die Steifigkeit und damit die Zielgenauigkeit der Waffe erhalten bleiben soll, im vergleich zu einem Lauf normaler Dicke. Soll die Zielgenauigkeit des Laufes erhöht werden, wie in schweren Läufen, kann eine Steigerung der Steifigkeit um den Faktor 2,3 erreicht werden und gleichzeitig eine Reduzierung des Gewichts um 18% im vergleich zu einem schweren Lauf, vgl. Tabelle 2.

Material	Zugfestigkeit Bruch	E-Modul	Dichte	Wärmeausdehnungs koeffizient	Wärmeleitfähigkeit	Spezifische Wärmekapazität	Spezifische Zugfestigkeit	Gewichtsersparnis
	[MPa]	[GPa]	[g/cm³]	[ppm/K]	[W/m·K]	[J/g·K]	[N·m/g]	[%]
Stahl 4140 geglüht	655	205	7,85	12,2	33,5	0,452	83,4	56,8
Stahl 4140 gehärtet	1185	205	7,85	12,2	42,6	0,452	151	21,7
SupremeEX AMC640XA	560	140	2,90	13,4	130	0,800	193	-

Tabelle 1: Vergleich der Materialeigenschaften eines typischen 4140 Laufstahls mit dem Metallmatrixmaterial SupremeEX AMX640XA und den möglichen Gewichtsersparnissen. Die spezifische Zugfestigkeit von Laufstählen liegt üblicherweise zwischen 800 und 850 MPa und die spezifische Zugfestigkeit zwischen 100 und 110 MPa cm³/g womit Gewichtsersparnisse im Bereich von 43% theoretisch möglich sind.

	4140 Stahllauf Durchmesser		Laufkern Durchmesser		Laufmantel Durchmesser		Steifigkeit	Wärmekapazität	Gewicht
	[in]	[mm]	[in]	[mm]	[in]	[mm]	[N·m²]	[J/K·cm]	[g/cm]
AR-15 normal	0,625	15,9	-	-	-		2,52·10³	6,2	13,6
AR-15 schwer	0,75	19,1	-	-	-	-	5,26·10³	9,3	20,5
AR-15 Verbundlauf minimal Gewicht	-	-	0,384	9,76	0,7	17,6	2,73·10³	5,7	8,9
AR-15 Verbundlauf maximale Steifigkeit	-	-	0,384	9,76	1,0	25,4	1,21·10⁴	12,9	16,8

Tabelle 2: Beispielhafter Vergleich verschiedener Laufausführungen. Die Verbundläufe sind auf Basis eine Metallmatrixmantels aus SupremeEx AMC640XA berechnet, s. Tabelle 1. Deutliche Gewichtsersparnisse sind möglich, besonders im Vergleich zu schweren Stahlläufen, welche wegen ihrer höheren Steifigkeit und damit besseren Akkuratesse bevorzugt werden. Auch kann die Wärmekapazität und das Gewicht angepasst werden, je nach den gewünschten Endeigenschaften des Laufes.

Beschreibung Abbildungen
Vertikal, enge Schraffuren symbolisieren Stähle und Nickellegierungen, wie z. B. im Laufkern der Verbundläufe und den Wandungen von konventionellen Läufen.
45° Schraffuren symbolisieren Metallmatrixmaterialien, welche im Mantel der Verbundläufe auftreten.
:

a) Schematische Darstellung eines konventionellen Laufes abgeleitet von einer AR-15
b) Schematische Darstellung eines Metall-Metallmatrix Verbundlaufes, in dem sich der Metallmatrixmantel nur über den Lauf und nicht über die Hülsenkammer erstreckt.
c) Schematisch Darstellung eines Metall-Metallmatrix Verbundlaufes, in dem sich der Metallmatrixmantel über den gesamten Lauf und die Hülsenkammer erstreckt. Diese Ausführung ist zu bevorzugen, da sie die größten Gewichtsersparnisse erlaubt.

1.1

1.2

1.3

1.5

1.4

:

a) Querschnittschema eines konventionellen Laufes aus Stahl oder Nickellegierung, ohne Beschichtung. Nur ein Material wird eingesetzt.
b) Querschnittschema durch einen Metall-Metallmatrix Verbundlauf mit minimalem Metallmatrixmantel. Diese Ausführung wäre auf minimales Gewicht ausgelegt. Der Durchmesser ist geringer ist als der des konventionellen Laufes, so dass das Flächenträgheitsmoment und die Steifigkeit auch niedriger sind. Für diesen Fall muss die Dicke des Metallmatrixmantels sollte so gewählt sein, dass hinreichende Druckfestigkeit gegeben ist.
c) Querschnittschema durch einen Metall-Metallmatrix Verbundlauf mit hohen Durchmesser. Diese Ausführung ist nicht zwangsläufig auf Gewichtsreduktion ausgelegt, erreicht aber durch den erhöhten Durchmesser und die erhöhte Wärmekapazität bessere Steifigkeit/Präzision und eine langsamere Erwärmung.

:

a) Querschnittschema eines Metall-Metallmatrix Verbundlaufes mit sechs Kannelierungen zur Erhöhung der Oberfläche und verbesserter Kühleffizienz.
b) Querschnittschema eines Metall-Metallmatrix Verbundlaufes mit dreieckigen Auskehlungen mit einem Verhältnis von 1:3 bis 1:4 zur Erhöhung der Oberfläche und verbesserter Kühleffizienz.
c) Querschnittschema eines Metall-Metallmatrix Verbundlaufes mit minimalem Metallmatrixmantel, so das eine hinreichende Druckfestigkeit gegeben ist und vier Kühlrippen. Die Kühlrippen dienen zur Erhöhung der Oberfläche und verbesserter Kühleffizienz. Auch tragen sie zur Steifigkeit des Laufes über eine Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes bei.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CA 2284893 C [0002]
WO 2011146144 A2 [0002]
US 2011/0113667 A1 [0003, 0003]
US 648224881 [0006]

Claims

Waffenläufe dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Laufkern aus einer Stahl- oder Nickelbasislegierung und mindestens einen Mantel aus einem Metallmatrixmaterial besitzen, der den Laufkern umschließt und so einen Metall-Metallmatrix Verbundlauf bilden, wobei der Laufkern im Inneren für bessere Korrosionsbeständigkeit besonders beschichtet sein kann.
Waffenläufe dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Zugfestigkeit der verwendeten Metallmatrixmaterialien gleich oder größer der Zugfestigkeit ist, welche typisch ist für Stähle und Nickellegierungen, welche in konventionellen Läufen verwendet werden und auch größer ist als die spezifische Zugfestigkeit des Materials des Laufkerns des Verbundlaufes. Die spezifischen Zugfestigkeiten der Metallmatrixmaterialien sollten mindestens 80 N·m/g betragen, bevorzug aber über 150 N·m/g liegen.
Waffenläufe dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Metallmatrixmaterialien auf Leichtmetalle, wie Aluminium, Titan und Magnesium basieren und ihre Dichte deutlich kleiner ist als die von Eisen- bzw. Nickellegierungen, d. h. mindestens kleiner 7 g/cm³ und bevorzugt kleiner 4 g/cm³
Verbundläufe dadurch gekennzeichnet, dass die Metallmatrixmaterialien, welche den Laufmantel bilden, einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen welcher zwischen 0 und 30 ppm/K liegt, bevorzugt zwischen 8 und 24 ppm/K und idealerweise zwischen 10 und 15 ppm/K.
Verbundläufe dadurch gekennzeichnet, dass die Metallmatrixmaterialien, welche den Laufmantel bilden, eine höhere oder ähnliche Wärmeleitfähigkeit besitzen wie die Eisen- und Nickellegierungen, welche den Laufkern bilden. Idealerweise sollte die Wärmeleitfähigkeit zwischen 100 und 400 W/m·K liegen.
Verbundläufe dadurch gekennzeichnet, dass die Metallmatrixmaterialien, welche den Laufmantel bilden, eine ähnliche oder höhere Wärmekapazität besitzen als die Eisen- und Nickellegierungen, welche den Laufkern bilden und üblicherweise in Waffenläufen zum Einsatz kommen. Insbesondere sollte die spezifische Wärmekapazität der Metallmatrixmaterialien größer als 0,45 J/g·K sein und idealerweise zwischen 0,7 und 0,9 J/g·K liegen.
Verbundläufe dadurch gekennzeichnet, dass sich der Metallmatrixmantel mindestens über 30% und maximal über 100% der gesamten Lauflänge und bevorzugt über 30% bis 100% der gesamten Rohrlänge und idealerweise bis über den Hülsenkopf erstreckt.
Verbundläufe dadurch gekennzeichnet, dass der Metallmatrixmantel zur Druckfestigkeit des Laufes beiträgt.
Verbundläufe dadurch gekennzeichnet, dass sie die Kadenz, das Gewicht oder die Präzision der Waffe verbessern bzw. alle oder eine Kombination der oben genannten Eigenschaften.
Verbundläufe auf der Basis der in den Ansprüchen 2 bis 6 genannter Materialien dadurch gekennzeichnet, dass sie für Büchsen, Flinten, Kanonen und Mörser geeignet sind, insbesondere, aber nicht ausschließlich, für halb- und vollautomatische Waffen.
Verbundläufe auf der Basis oben genannter Materialien, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass der Mantel auf den Kern geschrumpft wird und nach dem Fügen zwischen beiden Teilen mindestens im Temperaturbereich von –40°C und 150°C, idealerweise zwischen –70°C und 350°C eine Übermaßpassung besteht.
Verbundläufe mit den in Anspruch 1 bis 11 genannten Eigenschaften, welche dauerhaft über 200°C eingesetzt werden können und insbesondere für halb- und vollautomatische Waffen geeignet sind.
Verbundläufe mit den in Anspruch 1 bis 11 genannten Eigenschaften, welche zur verbesserten Kühlung durch auskehlen und kannelieren mit einem Oberflächenprofil versehen sein können, welches das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen erhöht.
Verbundläufe mit den in Anspruch 1 bis 12 genannten Eigenschaften, welche zur Reduktion des Gewichts und der Laufvibration mit einem Profil welches von der Hülsenkammer zur Mündung hin variable sein kann und sowohl nur im Kern, nur im Mantel oder synchron oder unabhängig von einander in Kern und Mantel zu finden ist.