DE3506012C2

DE3506012C2 -

Info

Publication number: DE3506012C2
Application number: DE3506012A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Phys. Dr. Schellenberg Li Moll; Marcel Dr. Maienfeld Ch Lardon; Edgar Salez Ch Mueller
Original assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden De GmbH
Current assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden De GmbH
Priority date: 1984-04-19
Filing date: 1985-02-21
Publication date: 1987-11-12
Also published as: FR2563318B1; GB2158103B; GB2158103A; NL8500833A; SE8501902L; IT1184190B; US4641450A; IT8520038A0; JPS60238475A; GB8508898D0; SE8501902D0; FR2563318A1; SE463278B; CH663455A5; ZA852617B; DE3506012A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Rohr, insbesondere ein Waffenrohr, dessen Innenfläche mit einer dünnen Schicht aus einem harten Material versehen ist, um sie vor Verschleiß und Korrosion zu schützen und um die Reibung herabzusetzen.

Um die Haftfestigkeit und Abriebfestigkeit von im Vakuum aufgebrachten Schichten zu verbessern, wurden schon verschiedene Maßnahmen ergriffen; z. B. ist es bekannt, daß auf manchen Unterlagen durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte Schichten besser haften als durch gewöhnliches Aufdampfen aufgebrachte. Auch die neueren Verfahren des ionenunterstützten Aufdampfens können angewendet werden, um eine erhöhte Haftfestigkeit zu erzielen.

Jedoch genügen alle diese bekannten Maßnahmen nicht, wenn Schichten beim Gebrauch stärkerer und häufiger Beanspruchung durch Dehnung unterliegen, wie dies z. B. eben bei Waffenrohren während des Schusses der Fall ist.

Rohre mit beschichteter Innenfläche werden für die verschiedensten Zwecke angewandt und mit den verschiedensten Beschichtungsverfahren hergestellt, z. B. durch Einschmelzen (DE-OS 28 41 295, DE-OS 32 37 655), durch chemische Abscheidung aus der Gasphase (DE-OS 27 18 148), durch Aufdampfen (US-PS 43 54 456, US-PS 44 07 712) oder durch Kathodenzerstäubung (DE-AS 28 20 301, DE-OS 26 55 942, DE-OS 27 29 286, DE-PS 9 76 529, DE-OS 31 50 591).

Die Beschichtung von Waffenrohren wird nur selten ausdrücklich erwähnt, z. B. Gibson (DE-PS 31 50 591) in Zusammenhang mit einem Kathodenzerstäubungsverfahren oder von Königer et al. (DE-PS 25 37 623) und von Meistrung et al. (DE-AS 28 09 709).

Es wäre zweckmäßig, Waffenrohre mit einer Innenbeschichtung aus Hartstoffen zu versehen, um eine Verbesserung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit und eine Verringerung der Reibung zu erzielen. Trotzdem ist bisher keine erfolgreiche Innenbeschichtung dieser Art bekanntgeworden. Der Grund wurde bisher darin gesehen, daß die Haftfestigkeit der Hartstoffschicht nicht ausreicht, ein Problem, das bei der tatsächlich angewandten Diffusionshärtung wegen der nicht vorhandenen inneren Grenzfläche von vornherein nicht auftritt.

In DE-AS 28 09 709 wird eine dicke (etwa 1,3 mm) mit thermischen Spritzverfahren auf einen Kern aufgebrachte Keramikschicht beschrieben, welche dann durch Aufschrumpfen eines Rohrs auf dieses übertragen wird. Eine so dicke Schicht hat natürlich eine hohe Eigenfestigkeit und ist deshalb nicht allein auf die Haftfestigkeit auf dem Substrat angewiesen, wie es bei den hier betrachteten dünnen (< 10 µm) Schichten der Fall ist. Man sollte eigentlich besser von einem eingesetzten Keramikrohr sprechen, das durch Spritzen hergestellt wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rohr mit einer innen aufgebrachten Schicht derart auszubilden, daß die Schicht bei Dehnung infolge hoher Drücke des Rohres und ggf. auch bei höheren Temperaturen während des Gebrauchs nicht abblättert. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Rohr, insbesondere Waffenrohr, mit einer innen aufgebrachten Schicht einer Dicke < 10 µm aus einem im Vergleich zum Rohr härteren Material, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schicht bei der vorgesehenen Einsatztemperatur oder bei der Anlaßtemperatur des zur Herstellung des Rohrs verwendeten Stahls in ihrer Fläche um mindestens Δ F/F = 1 × 10^-3 gestaucht ist.

Dabei bezeichnet F die Fläche der Schicht und Δ F die Fläche, um welche die Schicht bei der Stauchung verkleinert wird; Δ F/F = 10^-3 bedeutet also, daß die Fläche der Schicht um 1 Promille verkleinert wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die an der Rohrinnenseite aufgebrachten gestauchten Schichten fest haften, auch wenn Schichten aus demselben Material, die an sich auf gleiche Weise jedoch ohne Stauchung während des Aufbringens hergestellt wurden, bei späterer Dehnungsbeanspruchung sich leicht ablösen. Man kann vermuten, daß infolge der durch Risse entstandenen Kerben die Haftung der Schicht für reibende Beanspruchung, wie sie z. B. beim Schuß in Waffenrohren auftritt, start herabgesetzt wird.

Was den Grad der erforderlichen Stauchung der Schicht angeht, ist zu berücksichtigen, in welchem Maße das Rohr durch die Verformung beim späteren Gebrauch einer Dehnung unterliegt. Die prozentuelle Stauchung der Schicht sollte mindestens gleich groß, zweckmäßigerweise aber etwas größer als die prozentuelle Dehnung, die beim Gebrauch auftritt, gewählt werden, um Rissebildung durch Überdehnung der Schicht mit Sicherheit zu vermeiden.

Bei Schießversuchen an Waffenrohren mit verschiedenartigen dünnen Hartstoff- Innenbeschichtungen erwies sich überraschenderweise, daß tatsächlich nur dann eine verbesserte Verschleißbeständigkeit erzielt werden konnte, wenn die Schichten unter einer genügend großen Druckspannung (Kompression) standen, und zwar mußten die Schichten, wie gesagt, in ihrer Fläche um mindestens Δ F/F = 1/1000 gestaucht sein. Dies stand in Widerspruch zu den bisherigen Ergebnissen von Abreißversuchen, bei denen dünne Schichten mit geringen Spannungen eine höhere Haftfestigkeit zeigten. Man kann aus diesen Ergebnissen schließen, daß nicht die Haftfestigkeit der Schicht an sich der begrenzende Faktor ist, da diese durch die Erfindung ja wesentlich verbessert werden konnte.

Vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung besonders in jenen Fällen, in denen die aufzubringenden Schichten selbst nicht genügend duktil sind und deshalb schon bei geringer Überdrehung reißen.

Die mit Schießversuchen mit Rohren gemäß Erfindung erhaltenen experimentellen Ergebnisse sind in Einklang mit der folgenden Modellvorstellung: Schichten, die um den angegebenen Betrag oder mehr gestaucht sind, werden beim Schuß und der dabei auftretenden Aufblähung des Rohrs nicht auf Zug beansprucht sondern vielmehr von der durch die Stauchung hervorgerufenen Druckspannung entlastet. Infolge dieser vorübergehenden Entlastung wird die Haftfestigkeit der Schicht während des Schusses sogar eher verbessert. Es entstehen keine Brüche und Risse in der Schicht, solange sie unter Druckspannung steht. Dies dürfte zu Standfestigkeit der Schicht wesentlich beitragen.

Es gibt verschiedene bekannte Verfahren zur Herstellung von gestauchten Schichten, wie sie bei der Erfindung benötigt werden. Bei Schichtmaterialien mit - im Vergleich zum Rohr - kleinerem Wärmedehnungskoeffizienten kann man eine Stauchung der Schicht durch erhöhte Temperatur während der Beschichtung erreichen:

Δ F/F = 2 Δ T/T = 2 (α _Substrat - α _Schicht) Δ T

Dabei bedeutet F die Fläche eines betrachteten Teiles der Schicht bei der während der Beschichtung vorherrschenden höheren Temperatur T (in Grad Kelvin), und Δ F gibt an, um wieviel kleiner diese Fläche bei der um Δ T niedrigeren späteren Gebrauchstemperatur sein wird. α-Substrat und α-Schicht sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Unterlage (Material, aus dem z. B. das Waffenrohr besteht) und des Schichtmaterials.

Es hat sich allerdings gezeigt, daß das bekannte Verfahren der Aufbringung der Schichten bei gegenüber der Gebrauchstemperatur erhöhten Temperaturen zur Erzielung der benötigten Schichtstauung zwar wesentlich beitragen kann, in vielen Fällen jedoch allein nicht für eine genügende Stauchung ausreicht. Das Rohr darf nämlich während der Beschichtung nicht so heiß gemacht werden, daß der Stahl seine Härte verliert. Die Temperatur bei der Beschichtung wird deshalb etwa gleich der Anlaßtemperatur gewählt, z. B. 550°C. Beim Schuß wird das Rohr wieder erhitzt, und es darf am Ort der Schicht ähnliche Temperaturen wie während der Beschichtung erreichen. Die gleichzeitig durch den Überdruck beim Schuß bewirkte Dehnung des Rohrs führt, wie erläutert, zur Entlastung der Stauchungsspannung, und letzteres verhindert das Aufreißen der Schicht.

Neuerdings sind weitere Vakuumbeschichtungsverfahren bekannt geworden, bei denen eine stärkere Kompression des Schichtmaterials durch die Einwirkung energiereicher Ionen erzielt wird. Es wird in diesem Zusamenhang auf folgende Literaturstellen verwiesen:

J. A. Thornton et al.,
Thin Solid Films 64 (1979) 111
J. A. Thornton et al.,
J. Vac. Sci. Technol. 14 (1977) 164
D. W. Hoffmann et al.,
J. Vac. Sci. Technol. 17 (1980) 380 und 425
M. R. Gaertner et. al.,
US-PS 42 56 780

Zur Aufbringung der Schichten können die bekannten Verfahren und Anordnungen für die Innenbeschichtung von Rohren verwendet werden. Eine Vorrichtung zum Behandeln der Innenwand eines Rohres, welche sich besonders eignet zu einer Beschichtung unter erhöhter Temperatur und unter Ionenbeschuß, ist in DE-OS 34 08 053, A1 beschrieben.

Beispielsweise wurden Schichten aus Titannitrid, Titankarbid, Titanborid und Wolframkarbid auf die Innenseite von Rohren aufgebracht. Allgemein eignen sich Boride, Karbide und Nitride der Übergangsmetalle aus der 4. bis 6. Gruppe des Periodensystems.

Bei der Aufbringung der Schichten im Rahmen der Erfindung könne die bekannten unterstützenden Maßnahmen zur Erzielung einer guten Haftfestigkeit zusätzliche angewendet werden, z. B. eine gute vorherige Reinigung der Rohrinnenwand, vorausgehende Entgasung durch Erhitzung oder Elektronenbeschuß, Wegstäubung der obersten Schicht durch kathodische Ätzung, Anwendung einer elektrischen Vorspannung an der zu beschichtenden Fläche während des Aufbringens der Schicht.

Zur Messung der Schichtstauchung wurden folgende Verfahren entwickelt:

1. Ein starrer Probekörper wird zuerst mit einer Chromschicht versehen, deren Dicke etwas größer als diejenige der anschließend aufgebrachten Hartstoffschicht sein sollte. Der fertig beschichtete Probekörper wird in Kunstharz eingebettet und angeschliffen, so daß die Schichten im Querschnitt sichtbar werden. Der Schliff wird während 50 Sekunden in 18%iger Salzsäure behandelt, um die Chromschicht aufzulösen. Unter dem Mikroskop zeigt sich danach an Stelle der Chromschicht ein Graben, in dem sich die abgelöste Harstoffschicht wellenförmig ausbreitet. Aus der Amplitude und der Wellenlänge der sinusförmigen Schliffkante der Schicht kann man auf bekannte Weise, die lineare Stauchung Δ 1/1 berechnen. Die Stauchung der Fläche hat den doppelten Zahlenwert: Δ F/F = 2 Δ 1/1. Falls der Spalt zu dünn ist und deshalb keine volle Entspannung der Schicht zuläßt, mißt man einen zu kleinen Wert für die Stauchung. Da die Stauchung gemäß der Lehre dieser Erfindung größer als Δ F/F = 1/1000 sein muß, kann diese Bedingung trotzdem einwandfrei geprüft werden.
2. Ein beschichteter Probekörper wird an zwei gegenüberliegenden Enden eingespannt und durch Kraftanwendung langsam gedehnt, bis die Hartstoffschicht reißt. Letzteres kann z. B. mit Hilfe eines Mikroskops oder eines Mikrophons festgestellt und die dazu benötigte Dehnung Δ 1/1 gemessen werden. Da die Hartstoffschicht wesentlich spröder ist als der Stahl, darf man annehmen, daß sie schon bei der geringsten Dehnung reißt. Die gemessene Dehnung ist also gleich oder nur unwesentlich größer als die Stauchung der Hartstoffschicht.
3. An einem beschichteten Probekörper wird die Härte der Hartstoffschicht mit Hilfe des Vickers-Prüfverfahrens bei verschiedener Last gemessen. Dabei zeigt sich, daß der Diamant schon bei einer Last p < 0 scheinbar keinen Eindruck hinterläßt. Man erkennt dies am besten daran, daß das Quadrat der Diagonale d des Eindrucks, aufgetragen als Funktion der Last p, einen Kurvenverlauf zeigt, der für d² = 0 einen positiven, endlichen Wert p* aufweist. Eine Zuordnung dieses Meßwertes p* zu einer bestimmten Schichtstauchung ist mit Hilfe der unter Punkt 1 und 2 beschriebenen Meßmethoden möglich.

Claims

Rohr, insbesondere Waffenrohr, mit einer innen aufgebrachten Schicht einer Dicke < 10µm aus einem im Vergleich zum Rohr härteren Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht bei der vorgesehenen Einsatztemperatur oder bei der Anlaßtemperatur des zur Herstellung des Rohrs verwendeten Stahls in ihrer Fläche um mindestens Δ F/F = 1 · 10^-3 gestaucht ist.