DE3326554C2 - Auskleidung für Hohlladungen und Verfahren zum Herstellen einer solchen Auskleidung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aus einem festen metallischen Material bestehende Auskleidung für Hohlladungen sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Auskleidung.

Hohlladungen, wie sie von der vorliegenden Erfindung erfaßt werden, sind Explosivkörper mit einer Sprengstoffmasse, in deren eine Stirnseite ein Hohlraum eingeformt ist, der mit einem metallischen Material ausgekleidet ist. Dabei bestehen für die Form des Hohlraumes zahlreiche unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten, so kann er von konischer Gestalt sein, er kann aber auch die Form einer einer Halbkugel oder einer Trompete aufweisen, und ebenso sind kombinierte Formen aus Abschnitten von zwei oder mehr Kegeln mit unterschiedlichem Scheitelwinkel möglich. Auch muß der Hohlraum nicht unbedingt rotationssymmetrisch ausgebildet sein, er kann vielmehr auch die Form einer ringförmigen oder geraden Mulde aufweisen.

Derartige Hohlladungen sind in der Lage, Gasstrahlen mit sehr hohem Durchdringungsvermögen zu entwickeln, und sie werden daher vor allem zur Bekämpfung gepanzerter Ziele eingesetzt.

Neben anderen Faktoren, die heute weitgehend ausgereizt zu sein scheinen, ist dabei von wesentlichem Einfluß auf die Leistungsfähigkeit der Hohlladung die Zusammensetzung der metallischen Auskleidung ihres Hohlraumes. Dafür sind heute feste metallische Materialien im Einsatz, wobei unter "fest" im Sinne der vorliegenden Erfindung Materialien verstanden werden sollen, die im wesentlichen nicht porös oder hohlraumfrei sind, also den Gegensatz zu porösen Materialien darstellen, die durch Sintern oder Verkleben von Einzelkörnern gebildet werden.

Schon bisher herrschte in diesem Zusammenhang die Meinung, daß eine sehr grobe Kornstruktur, bei der die Korngröße in der Größenordnung von 100 µ oder mehr liegt und vielleicht sogar die Wandstärke der Auskleidung selbst erreicht, nicht wünschenswert sei. Jedoch begnügte man sich in der Praxis mit einer unteren Korngrößengrenze von etwa 50 µ, die sich ohne die Anwendung einer speziellen Behandlung erreichen läßt.

Ein Beispiel für eine der bisherigen Praxis entsprechende Ausbildung einer Hohlladungsauskleidung ist aus DE 14 83 373 B1 bekannt. Dort wird die Verwendung von bei 600 bis 700°C oder mehr mindestens eine Stunde bis auf eine Korngröße von 60 bis 250 µ, vorzugsweise 100 bis 200 µ geglühtem Eisen oder vorzugsweise Kupfer als Werkstoff für die Herstellung metallischer Auskleidungen von Hohlladungen beschrieben. Hohlladungsauskleidungen dieser Ausführung sind bisher als befriedigend betrachtet worden, und es ist daher dem Faktor Korngröße keine weitere Beachtung geschenkt worden. Insbesondere ist keine weitere Verringerung der Korngröße ins Auge gefaßt worden. Ein Grund dafür könnte auch darin liegen, daß sich Hohlladungsauskleidungen mit sehr feiner Kornstruktur nur schwierig herstellen lassen. Mit den bisher üblichen Techniken kommt es zu starker Anisotropie, doch ist auch diesem Gesichtspunkt und seiner Bedeutung für die Leistungsfähigkeit der entsprechenden Hohlladung bisher keine weitere Beachtung gewidmet worden.

Aus der GB 854 043 A ist weiter eine Hohlladungsauskleidung bekannt, die sehr kleine kugelförmige Teilchen enthält, die durch Sintern, Schweißen, Verkleben oder ähnliche Techniken ohne Verlust ihrer Kugelform miteinander verbunden sind. Dieses bekannte Auskleidungsmaterial ist jedoch porös, und es zerfällt beim Abschuß in Teilchen, so daß sich sein Verhalten im Vergleich zu einer festen Auskleidung erheblich verschlechtert. Außerdem sind die einzelnen Teilchen ungeachtet ihrer relativ kleinen Größe von bis herunter zu 5 µ kugelförmig, und die Kristallform in einer festen Auskleidung unterscheidet sich von der einer solchen stückigen Auskleidung in ihrem Einfluß auf das Durchdringungsvermögen wesentlich, was sowohl an den vorhandenen Hohlräumen als auch an der im wesentlichen stückigen Natur und der anderen Kristallkornform der letztgenannten Auskleidung liegt.

Schließlich ist Gegenstand der DE 31 17 091 A1 eine Hohlladung mit einer Auskleidung in Form einer Metallschicht, die aus einer Pseudolegierung besteht, die durch Sinterung eines Wolframpulver enthaltenden Gemisches aus Metallpulver gefertigt wird, wobei der Anteil an Wolframpulver ausreichend ist, um der Legierung eine Dichte zu verleihen, die über derjenigen des Kupfers liegt. Auch diese Auskleidung ist jedoch im wesentlichen stückiger Natur, und sie entspricht in ihrer Kristallkornform nicht der einer festen Auskleidung im oben definierten Sinne.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie sich durch besondere Berücksichtigung des Einflusses des inneren Gefüges der metallischen Hohlladungsauskleidung eine wesentliche Steigerung der Leistungsfähigkeit der Hohlladung insgesamt erzielen läßt, so daß damit ein erfolgreicher Angriff auch gegen modernste Panzerungen durchgeführt werden kann, die den bisher bekannten Hohlladungen zu widerstehen vermögen.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Hohlladungsauskleidung, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist, und durch ein Herstellungsverfahren für eine solche Auskleidung, wie es sich aus dem Patentanspruch 9 ergibt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich sowohl für die Auskleidung selbst als auch für das Verfahren zu ihrer Herstellung jeweils aus den Unteransprüchen ersehen.

Normalerweise zeigen sich die Vorteile der Erfindung bei einer Korngröße von 22 µ oder weniger, und zu den besten Ergebnissen in Kombination mit relativ einfacher Herstellung führt eine Korngröße in einem Bereich von 10 bis 15 µ, obwohl davon ausgegangen werden kann, daß die Vorteile der Erfindung auch mit noch kleineren Korngrößen zu erzielen sind.

Zu den im Sinne der vorliegenden Erfindung brauchbaren Materialien für die Herstellung der Auskleidung gehören Kupfer, Uran, Tantal und Legierungen, die Superplastizität zeigen und Dichten von mehr als etwa 5 g/cm³ aufweisen. Beispiele sind etwa superplastische Legierungen auf der Basis von Wismut, Cadmium, Iridium, Blei, Zinn, Zink, Aluminium, Silber, Kupfer, Eisen, Nickel, Titan, Kobalt, Chrom, Wolfram und Uran. Jedoch ist Kupfer bevorzugt. Das metallische Material kann elementare Zusätze enthalten, die dazu dienen, die Korngröße zu raffinieren oder zu garen, beispielsweise kann das Material eine Kupfer-1%-Chrom- oder eine Uran-5%-Molybdän-Legierung sein.

Insbesondere für Geschosse ohne Eigenrotation ist eine hohe Isotropie des metallischen Materials der Auskleidung von Vorteil und bevorzugt.

Versuche haben gezeigt, daß Hohlladungen mit einer Auskleidung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu Hohlladungen mit einer Auskleidung bisher üblicher Art eine 10 bis 15% größere Durchdringungsfähigkeit für homogenen Walzpanzerstahl besitzen.

Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines Herstellungsver­ fahrens für eine Hohlladungsauskleidung aus einem metallischen Material, wobei im Rahmen dieses Verfahrens das Material wiederholt einem Prozeß unterzogen wird, der als Einzelstufen oder Schritte eine Kaltverformung des Materials, die Be­ stimmung der Rekristallisationstemperatur des kaltver­ formten Materials, ein Glühen des kaltverformten Materials bei einer Temperatur gerade oberhalb der Rekristallisations­ temperatur und ein Abschrecken des geglühten Materials umfaßt.

Zweckmäßig sollte wenigstens ein Kaltverformungsschritt eine wesentliche Verminderung der Materialdicke von wenigstens 50% einschließen.

Die obere Grenze für die Kaltverformung dürfte durch die Vermeidung einer Rißbildung bestimmt werden, und für viele duktile Materialien wie Kupfer dürften 80% eine ver­ nünftige obere Grenze darstellen.

Die Rekristallisationstemperatur wird zweckmäßig nach jedem Kaltverformungsschritt in der Weise bestimmt, daß mehrere Proben aus dem kaltverformten Material präpariert werden, die dann getrennt bei verschiedener Temperatur ge­ glüht, abgeschreckt und metallographisch untersucht werden.

Unter Rekristallisationstemperatur ist in diesem Sinne die niedrigste Temperatur zu verstehen, bei der das verformte Gefüge in angemessener Zeit vollständig durch eine neue Folge von gleichachsigen Körnern ersetzt werden kann.

Der Glühschritt wird vorzugsweise in jedem Zyklus während einer Zeitdauer durchgeführt, die gerade ausreicht, um eine im wesentlichen vollständige Rekristallisation des kaltverformten Materials zu gewährleisten. Die Glüh­ temperatur in jedem Schritt liegt vorzugsweise innerhalb 20° oberhalb der jeweiligen Rekristallisationstemperatur.

Zweckmäßig wird jeder Glühschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von 5 bis 15°C und vorzugsweise bei etwa 10°C oberhalb der Rekristallisationstemperatur während einer Zeitdauer von etwa einer Stunde durchgeführt.

Das Abschrecken kann in Wasser durchgeführt werden.

Als metallisches Material wird mit Vorteil Kupfer ver­ wendet.

Das Verfahren kann schließlich noch einen Bearbeitungs­ schritt umfassen, der nach der letztmaligen Anwendung des oben beschriebenen Prozesses anschließt.

Nachstehend soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber beschrieben werden; dabei zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Hohlladung mit einer festen Auskleidung gemäß der Erfindung und

Fig. 2 bis 4 schematische Wiedergaben von Mikrophoto­ graphien zur Veranschaulichung der Mikrostruktur von an verschiedenen Stufen des Herstellungsverfahrens entnommenen Proben des Auskleidungsmaterials.

Die Darstellung in Fig. 1 zeigt eine Hohlladung von im allgemeinen üblicher Konfiguration mit einer leichten zylindrischen Hülse 1 aus Kunststoff oder Metall und einer Auskleidung 2 aus Kupfer von konischer Form und typischer Weise etwa 2 mm Wandstärke. Diese Auskleidung 2 ist eng in ein Ende der zylindrischen Hülse 1 eingepaßt, und in den durch die Hülse 1 und die Auskleidung 2 begrenzten Raum ist ein Körper 3 aus hochexplosivem Material einge­ gossen. Für den praktischen Einsatz ist an der freien rück­ wärtigen Stirnseite 4 dieses Körpers 3 noch ein in der Zeichnung nicht eigens dargestellter Zünder vorgesehen.

Das Verfahren für die Herstellung der konischen Aus­ kleidung 2 gemäß der Erfindung gestaltet sich zweckmäßig wie folgt. Als brauchbares Ausgangsmaterial kommt ein Barren von 63,5 mm ± 0,5 mm Dicke aus Kupfer BS 2874 C103 der Kondition H in Betracht, also ein sauerstoffreies Kupfer hoher Leitfähigkeit mit 99,95% Kupfer (einschließ­ lich Silber), maximal 0,005% Blei, maximal 0,0010% Wismut bei maximal 0,03% Gesamtverunreinigung (ausgenommen Sauerstoff und Silber).

Die Mikrostruktur dieses Ausgangsmaterials zeigt die Dar­ stellung in Fig. 2, die auf eine Mikrophotographie der Oberfläche einer Probe bei 400facher Vergrößerung zurückgeht.

Der dargestellte Schnitt ist ein Längsschnitt senkrecht zu der gewalzten Oberfläche des Ausgangsbarrens. Wie die Darstellung von Fig. 2 klar zeigt, setzt sich die Mikro­ struktur des Ausgangsmaterials aus Körnern 20 von relativ großen Abmessungen zusammen, die als Folge des vorange­ gangenen Walzvorganges eine langgestreckte Form in der Walzrichtung A aufweisen.

Die Rekristallisationstemperatur Tr₁ des Ausgangsmaterials wird folgendermaßen bestimmt. Acht Proben von jeweils etwa einem Kubikzentimeter Rauminhalt werden aus dem Aus­ gangsmaterial entnommen und eine Stunde lang bei Tempera­ turen entsprechend 10°C Intervallen in dem Bereich zwischen 310°C und 380°C geglüht, das heißt die erste Probe wird bei 310°C, die zweite Probe bei 320°C, die dritte Probe bei 330°C usw. geglüht. Nach dem Glühen werden die Proben in Wasser abgeschreckt, und ein Längs­ schnitt senkrecht zu der gewalzten Oberfläche wird poliert und mit einer 5%igen alkoholischen Lösung von Ferrichlorid für die metallographische Untersuchung ge­ ätzt.

Die Darstellungen in Fig. 3a bis 3c zeigen die Mikro­ struktur der Querschnitte von drei so erhaltenen Proben. Dabei entspricht die Darstellung in Fig. 3a der Mikro­ struktur des bei einer Temperatur von 280°C geglühten Materials, welche Temperatur gerade zu niedrig ist, so daß das Gefüge erholt, aber nicht rekristallisiert ist. Die Darstellung in Fig. 3b zeigt die Mikrostruktur des bei einer Temperatur von 360°C oder mehr geglühten Materials, welche Temperatur zu hoch ist, so daß das Gefüge rekristallisiert ist, die Wärmebehandlung aber zu einer Kornvergrößerung ge­ führt hat. Die Darstellung in Fig. 3c zeigt die Mikro­ struktur für das bei der richtigen Temperatur von 330°C geglühte Material.

Auf diese Weise wird die Rekristallisationstemperatur Tr₁ für dieses Ausgangsmaterial zu 330°C bestimmt. Der Ausgangsbarren wird dann während einer Zeitspanne von einer Stunde bei einer Temperatur von 330°C + 10°C ± 5°C in einem Ofen mit Luftumlauf gekühlt, wobei diese Zeitdauer beginnt, wenn der Barren den angegebenen Temperaturbereich erreicht hat. Sodann wird der Barren mit Wasser abgeschreckt und kaltgewalzt, so daß sich eine 75%ige Dickenver­ minderung auf eine Dicke von 15,88 mm ± 0,15 mm ergibt.

Die Rekristallisationstemperatur Tr₂ des so erhaltenen kaltgewalzten Materials wird dann nach der gleichen Methode bestimmt, wie dies oben für die Rekristallisationstemperatur Tr₁ des Ausgangsmaterials angegeben ist. Die Darstellungen in Fig. 4a, 4b und 4c zeigen die Mikrostruktur von Querschnitten für drei wie oben präparierten Proben. Dabei entspricht die Darstellung in Fig. 4a der Mikrostruktur von bei einer Temperatur von 260° geglühtem Material, was etwas zu niedrig ist, so daß das Gefüge eine Erholung aber keine Rekristallisation erfahren hat. Die Darstellung in Fig. 4b zeigt die Mikrostruktur von bei einer Temperatur von 340°C oder mehr geglühtem Material, was eine zu hohe Temperatur ist, so daß das Gefüge rekristallisiert ist, die Wärmebehandlung aber zu einer Kornvergrößerung ge­ führt hat. Die Darstellung in Fig. 4c zeigt die Mikro­ struktur für Material, das bei der richtigen Temperatur Tr₂ von 290° geglüht worden ist. Wie die Darstellung in Fig. 4c zeigt, ähnelt die allgemeine Gefügeform der von Fig. 3c, jedoch ist die Korngröße erheblich kleiner. Die durch die vorherige Behandlung erhaltene Platte wird dementsprechend in einem Ofen mit Luftumlauf eine Stunde lang bei einer Temperatur Tr₂ + 10°C ± 5°C geglüht und anschließend mit Wasser abgeschreckt.

Die so erhaltene Platte wird erneut kaltgewalzt, wobei sich eine weitere Dickenverminderung in der Größenordnung von 50% ergibt, sodann wird die Rekristallisations­ temperatur Tr₃ für dieses erneut kaltgewalzte Material in der gleichen Weise wie zuvor die Temperaturen Tr₁ und Tr₂ bestimmt, und anschließend wird die Platte eine Stunde lang bei einer Temperatur Tr₃ + 10°C ± 5°C in einem Ofen mit Luftumlauf geglüht, worauf sich wiederum ein Abschrecken mit Wasser anschließt. Auf diese Weise wird eine weitere Verminderung der Korngröße erzielt, und es ergibt sich ein im wesentlichen isotropes Material mit einer Korngröße von 0,015 mm (15 Mikron) oder weniger und der in Fig. 4c gezeigten Allgemeinform. In anderen Fällen kann dieses Stadium mit Hilfe einer anderen Anzahl von Wiederholungen für den Zyklus aus Kaltverformung, Glühen und Abschrecken und/oder durch eine Korngarung mittels elementarer Zusätze im Gußstadium erreicht werden.

Das so erhaltene plattenförmige Material wird sodann in Stücke passender Größe und Form geschnitten, und jedes solche Stück wird dann unter Anwendung eines passenden Kaltverformungsprozesses wie beispielsweise Scherverformung in einen konischen Auskleidungsrohling umgeformt. Sodann wird nach der gleichen Methode, wie sie oben für die Rekristallisationstemperatur Tr₁ beschrieben worden ist, die Rekristallisationstemperatur Tr₄ für die kaltverformten Rohlinge bestimmt, und diese Rohlinge werden dann eine Stunde lang in einem Ofen mit Luftumlauf bei einer Tempe­ ratur Tr₄ + 10°C ± 5°C geglüht und anschließend mit Wasser abgeschreckt. Die Korngröße der so erhaltenen Roh­ linge beträgt 15 Mikron oder weniger, das Material ist feinkörnig und im wesentlichen isotrop, und es zeigt eine allgemeine Form, wie sie in Fig. 4c dargestellt ist. Sodann werden die Auskleidungsrohlinge gewünschtenfalls bearbeitet, und man erhält dann fertige Auskleidungen mit den erforderlichen Endtoleranzen und einer besonders feinen Korngröße von 15 Mikron oder weniger und integralem, im wesentlichen hohlraumfreiem, homogenem Gefüge.

Versuche, die mit den nach dem oben beschriebenen Verfahren erhaltenen Auskleidungen durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß Hohlladungen mit derartigen gemäß der Erfindung gestalteten Auskleidungen im Vergleich mit ähnlichen Hohlladungen mit Kupferauskleidungen bisher üblicher Her­ stellungsart eine geringere Leistungsstreuung und eine bis zu 15% größere Durchdringungsfähigkeit für Ziele aus Walzpanzerstahl besitzen.

Unter dem oben verwendeten Begriff "Korngröße" ist ein durchschnittlicher Korndurchmesser zu verstehen, wie er nach der ASTM-Vorschrift E112 Intercept oder Heyn bestimmt werden kann.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen der oben beschriebenen Ausführungsweise möglich, so kann beispielsweise eine brauchbar feinkörnige Auskleidung auch durch eine Abscheidung aus einem mit geeignet feinen Teilchen gespeisten Plasmastrahl auf einen geeigneten Form­ körper erhalten werden, wobei nötigenfalls eine leichte Bearbeitung anzuschließen ist.

Claims (14)

1. Aus einem festen metallischen Material bestehende Auskleidung für Hohlladungen, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material im wesentlichen porenfrei ist und eine feine gleichachsige Kornstruktur mit einer Korngröße von 25 µ oder weniger aufweist.

2. Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße zwischen 10 und 15 µ liegt.

3. Auskleidung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material Kupfer ist.

4. Auskleidung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material aus der Uran, Tantal und Legierungen mit superplastischen Eigenschaften und größerer Dichte als etwa 5 g/cm³ umfassenden Gruppe ausgewählt ist.

5. Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material elementare Zusätze zum Garen der Korngröße enthält.

6. Auskleidung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material aus der Legierung von Kupfer mit 1% Chrom und von Uran mit 5% Molybdän umfassenden Gruppe ausgewählt ist.

7. Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material im wesentlichen isotrop ist.

8. Verfahren zum Herstellen einer Hohlladungsauskleidung aus einem metallischen Material, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material wiederholt einem Prozeß mit den Schritten Kaltverformung, Bestimmung der Rekristallisationstemperatur des kaltverformten Materials, Glühen des kaltverformten Materials bei einer Temperatur gerade oberhalb der Rekristallisationstemperatur und Abschrecken des geglühten Materials unterzogen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Kaltverformungsschritt zu einer Verminderung der Materialdicke um wenigstens 50% führt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekristallisationstemperatur nach jedem Kaltverformungsschritt in der Weise bestimmt wird, daß mehrere Proben aus dem kaltverformten Material hergestellt und einzeln bei verschiedener Temperatur geglüht, abgeschreckt und metallographisch untersucht werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glühschritt während einer Zeitdauer durchgeführt wird, die gerade ausreicht, um eine im wesentlichen vollständige Rekristallisation des kaltverformten Materials zu gewährleisten.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glühschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von 5 bis 15°C oberhalb der Rekristallisationstemperatur durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glühschritt während einer Zeitdauer von bis zu einer Stunde durchgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschreckschritt in Wasser durchgeführt wird.