DE3700805A1 - Faserverstaerkter verbundwerkstoff auf der basis von wolframschwermetall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen faserverstärkten Verbund­ werkstoff auf der Basis einer Wolframschwermetallegie­ rung, insbesondere für eine Verwendung als Metallkern in Wuchtgeschossen. Ferner betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkstoffs.

Heute übliche Wuchtmunition besteht zumeist aus einem gestreckten Metallkern, einem Treibkäfig, mit dessen Hilfe die Gasdrücke auf den Metallkern übertragen werden, und einer in einer Hülse angeordneten Pulver­ ladung.

Um eine möglichst hohe Wirkung im Ziel zu erreichen, müssen an den Metallkern verschiedene Anforderungen gestellt werden. Zum einen muß ein solcher Kern über eine hohe Masse verfügen, was bei vorgegebenen geome­ trischen Abmessungen gleichzeitig eine hohe Dichte bedeutet, zum anderen muß der Metallstab eine ent­ sprechende Festigkeit und ein gutes Verformungsvermögen aufweisen. In heute gebräuchlichen Werkstoffen lassen sich diese Forderungen nicht in jedem Fall vereinigen.

Es ist bekannt, für solche Zwecke höchstfeste Stähle, abgereichertes Uran oder aber Wolframschwermetallegie­ rungen einzusetzen. Letztere weisen bis zu 97 Gewichts-% Wolfram und bis zu 7 Gewichts-% Eisen-Nickel auf. Die Eisen-Nickel-Matrix verringert dabei aufgrund ihres vergleichsweise niedrigen spezifischen Gewichts die Dichte des Gesamtsystems.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Werkstoff bereit­ zustellen, dessen Dichte in etwa derjenigen des quasi­ homogenen Wolframschwermetalls entspricht und der zugleich eine möglichst hohe Festigkeit und gute Ver­ formungseigenschaften aufweist. Insbesondere soll durch die Erfindung ein Werkstoff bereitgestellt werden, der eine Erhöhung der Durchschlagskraft von Wuchtgeschossen bei gleichzeitiger Beibehaltung der äußeren Abmessungen ermöglicht. Ferner soll durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkstoffs bereitgestellt werden.

Die Erfindung löst die erste Aufgabe durch einen Werkstoff, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patent­ anspruchs 1; vorteilhafte Weiterbildungen dieses Werk­ stoffs sind in den weiteren Ansprüchen 2 bis 4 an­ gegeben. Die zweite Aufgabe wird durch ein Herstellungs­ verfahren gelöst, dessen kennzeichnende Merkmale im Patentanspruch 5 angegeben sind und das in den An­ sprüchen 6 bis 13 weitergebildet wird.

Der erfindungsgemäße Werkstoff weist dabei zum einen die Besonderheit auf, daß Stäbe bzw. Fasern aus einer Wolframschwermetallegierung, die als Verstärkungsfasern in Form von Langfasern dienen, ihrerseits durch die langgestreckten, unidirektional angeordneten Wolframkörner Komponenten enthalten, die in ihrer Wirkung derjenigen von unidirektionalen Kurzfasern entsprechen. Zum anderen weist bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff die metallische Matrix erstmals eine Dichte auf, die derjenigen des Fasermaterials zumindest gleichkommt, wodurch die Gesamt­ dichte des Werkstoffs eine bei derartigen Werkstoffen bisher nicht erreichbare Größenordnung besitzt.

Im folgenden soll die Herstellung des Werkstoffs gemäß der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Form für die Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffs und

Fig. 2 einen Querschnitt durch die gleiche An­ ordnung.

In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ausgangsbasis für die Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffs bildet dabei eine Wolframschwermetallegierung, die zunächst auf sintertechnischem Wege hergestellt wird. Diese Legierung weist im Fall des hier beschriebe­ nen Ausführungsbeispiels der Erfindung einen Wolframan­ teil von etwa 93 Gewichts-% und etwa 7 Gewichts-% Eisen-Nickel auf. Nach dem Sinterprozeß liegen bei dieser Legierung die Wolframteilchen zunächst globular verteilt in der Eisen-Nickel-Matrix vor. Diese Wolfram­ schwermetallegierung wird nunmehr einer Formänderung unterzogen, die im Fall des hier beschriebenen Aus­ führungsbeispiels der Erfindung mehr als 95% beträgt und die in diesem Fall mit Hilfe des Reduzierverfahrens aufgebracht wird, bei dem durch vier konzentrisch angeordnete, mit einer konischen Innenfläche versehene Werkzeuge eine Durchmesserreduktion bewirkt wird.

Als Folge dieser Formänderung werden die Wolframkörner in Richtung des Materialflusses gestreckt. Hierbei bilden sich die zunächst globularen Wolframkugeln zu Kurzfasern aus, die unidirektional in dem Wolframschwer­ metallhalbzeug angeordnet sind. Diese Kurzfasern erreichen dabei ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 30 : 1 bis 50 : 1.

Neben der Erzeugung der unidirektional angeordneten Kurzfasern steigt durch die Formänderung, die in diesem Fall bei Raumtemperatur durchgeführt wird, die Festig­ keit des Werkstoffs um mehr als 50% an, wobei seine Verformungsfähigkeit nur geringfügig abnimmt.

Das umgeformte Wolframschwermetall wird nach der Er­ zeugung der Kurzfasern in vorgegebene Längen abgetrennt. Die einzelnen kurzfaserverstärkten Wolframdrähte werden in Bündeln zusammengefaßt, so daß, wenn das Gesamtsystem betrachtet wird, die Wolframdrähte die Eigenschaften von unidirektionalen Langfasern aufweisen.

Diese Wolframfasern 1 werden, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, in eine zylindrische Form 2 eingelegt, die in diesem Fall aus einem austenitischen Stahl besteht und deren Enden verschließbar sind. Die zwischen den Wolframfasern 1 befindlichen Hohlräume werden nun mit einem Material aufgefüllt, dessen Dichte der der Wolfram­ schwermetallegierung vergleichbar oder, wenn möglich, höher ist. Hierfür eignet sich insbesondere reines Wolfram in Pulverform. Dieses Wolframpulver 3 wird mit Hilfe der Rütteltechnologie in die Zwischenräume zwischen den Fasern eingebracht.

Der Verdichtungsvorgang erfolgt anschließend dadurch, daß das gebündelte Fasermaterial zusammen mit der Pulvermatrix unter hydrostatische Spannung gebracht wird. Diese hydrostatischen Spannungen werden im Falle des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfin­ dung durch Strangpressen erzeugt. Sie führen dazu, daß aufgrund von Kaltverschweißvorgängen sowohl die Pulver­ partikel untereinander als auch die Pulverpartikel mit den Langfasern verschweißen und somit ein kompakter Körper, der frei von inneren Fehlern ist, erzeugt wird. Die Umformungen sollten zweckmäßigerweise bei tiefen Temperaturen, jedoch nicht höher als 600°C, durch­ geführt werden, um eine Faserschädigung zu vermeiden. Eine Faserschädigung bedeutet hierbei schon, daß innerhalb der Langfaser der Kurzfaseranteil durch Er­ holungs- oder Rekristallisationsvorgänge in seinen Eigen­ schaften verändert wird.

Nach dem Erkalten des Verbundes und dem Entfernen der Form 2 liegt der Verbundkörper fertig für eine Ver­ wendung als Metallkern in einem Wuchtgeschoß vor.

Claims (13)

1. Faserverstärkter Verbundstoff auf der Basis einer Wolframschwermetallegierung, insbesondere für eine Verwendung als Metallkern in Wuchtgeschossen, da­ durch gekennzeichnet, daß in einer Matrix (3) aus einem Metallpulver, dessen Dichte derjenigen der Wolframschwermetallegierung zumindest gleichkommt, Fasern (1) aus einer Wolframschwermetallegierung eingebettet sind, die ihrerseits ein Gefüge auf­ weisen, das langgestreckte, unidirektional angeord­ nete Wolframkörner enthält.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (3) aus Wolframpulver besteht.

3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern (1) aus einer Legierung bestehen, bei der die Wolframkörner in einer Eisen-Nickel-Matrix eingebettet sind.

4. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Wolframkörner zwischen etwa 30 : 1 und 50 : 1 liegt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) es wird eine Wolframschwermetallegierung herge­ stellt, in der Wolframkörner in globularer Form in einer Matrix liegen,
• b) durch eine Verformung mit einem Umformgrad von mindestens 90, vorzugsweise mehr als 95%, werden aus dieser Legierung Fasern (1) erzeugt, in denen die Wolframkörner in lamellarer, unidirektional angeordneter Form liegen,
• c) die Fasern (1) werden in eine Hohlform (2) eingelegt,
• d) die Zwischenräume zwischen den Fasern (1) werden mit einem Metallpulver (3) verfüllt, dessen Dichte mindestens der Dichte der Wolframschwer­ metallegierung entspricht,
• e) die Fasern (1) sowie die Pulvermatrix (3) werden so stark verdichtet, daß die Pulverpartikel (3) sowohl untereinander als auch mit den Fasern (1) verschweißen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangswerkstoff für die Fasern (1) eine gesinterte Wolframschwermetallegierung mit einem Anteil von etwa 93 Gewichts-% Wolfram und etwa 7 Gewichts-% Eisen-Nickel verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausgangslegierung mittels Reduzier­ verfahren mit einer Formänderung von mehr als 95% kaltverfestigt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframkörner nach dem Umformprozeß ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser zwischen etwa 30 : 1 und 50 : 1 aufweisen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Fasern (1) mit Wolframpulver verfüllt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung der Fasern (1) sowie der Pulvermatrix (3) durch hydrostatisches Strangpressen erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung bei einer Temperatur von weniger als 600°C durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung in einer zylin­ drischen Form (2) erfolgt, deren Enden verschließbar sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (2) aus einem austenitischen Stahl besteht.