DE3924267C1

DE3924267C1 - Anordnung zur Verwendung als Schutz gegen Geschosse

Info

Publication number: DE3924267C1
Application number: DE19893924267
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Ulf Deisenroth; Stefan Dr Schindler; Werner Dipl Ing Dr Schulze
Original assignee: Vereinigte Aluminium Werke AG; Vaw Aluminium AG
Current assignee: Osaka Fuji Corp
Priority date: 1989-07-22
Filing date: 1989-07-22
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2009-07-23

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verwendung als Schutz gegen Geschosse - insbesondere Wucht (KE) - oder Hohlladungsgeschosse - mit zumindest einem flächigen Ele ment, aus einem Keramik-Metall-Verbundwerkstoff herge stellt, indem eine poröse keramische Struktur mit schmelz flüssigem Metall infiltriert worden ist.

Aus der DE-OS 30 05 586 A1 ist eine Anordnung der genann ten Art bekannt, bei der das flächige Element aus einem plattenförmigen porösen, aus Siliciumcarbid gebildeten Formkörper von hoher Härte und Druckfestigkeit besteht, der mit Stahl oder einer Stahllegierung oder einem son stigen, nach dem Erkalten eine hohe Biege- und Scher festigkeit sowie Elastizität aufweisenden Stahl oder Stahllegierung getränkt ist. Hierbei wird mit einem Binder ummanteltes Keramikpulver in einer Form warmgepreßt, dann verkokt und anschließend in einem Vakuumdruckbehälter mit Chrom-Nickel-Stahl getränkt. Es soll hierdurch ein Ma terial als Schutz gegen Hohlladungen erzeugt werden.

Aus der DE 15 78 334 C3 ist ein plattenförmiger Schutz körper bekannt, bei dem eine Platte aus hochschmelzendem gesinterten Aluminiumoxid mit einem Metall vorzugsweise allseitig umgossen ist. Hierbei wird die Platte bevorzugt in vorerhitztem Zustand mit Metall umgossen. Eine Anord nung dieser Art soll insbesondere gegen Wuchtgeschosse wirksam sein. Die Schutzwirkung beruht dabei wahrschein lich darin, daß zur Zerstörung des Kristallgefüges hohe Energiemengen aufgewendet werden müssen. Für das ein bettende Metall sind Aluminium und Magnesiumlegierungen vorgeschlagen worden.

Aus der JP 61/163 224 ist es bekannt, einen Keramikkörper von 85 bis 90% Porosität unter Druck mit einer Aluminium schmelze zu infiltrieren.

Aus der GB 21 48 270 ist es weiterhin bekannt, Cermets dadurch herzustellen, daß eine poröse SiC-Keramik mit einer Porosität von 39% mit geschmolzenem Aluminium bei 700°C und unter einem Druck von 6,72 kpsi infiltriert wird.

Weiterhin sind in der CS 20 61 32 Cermets beschrieben, die aus einem porösen keramischen Werkstoff (75 bis 90% Al₂O₃, Rest SiO₂) mit einer Porosität des Form körpers von 41% durch Infiltrierung mit Aluminium oder Aluminiumverbindungen bei Temperaturen von 700 bis 900°C unter Intertgas und einem Druck von über 1 MPa hergestellt werden.

Die durch Infiltrierung mit Aluminiumschmelze herge stellten Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe gemäß den vor stehenden Veröffentlichungen sind so aufgebaut, daß das hergestellte Produkt überwiegend eine Metallstruktur auf weist. Das Metall-Keramik-Element ist daher in seinen Eigenschaften weitgehend metallischer Natur, so daß die Anforderungen an Härte, Temperaturbeständigkeit und Ver schleißverhalten weit unterhalb derjenigen der rein kera mischen Werkstoffe liegen. Die effektive Wirkung gegen Wuchtgeschosse der Schutzelemente mit rein keramischen Elementen können diese Erzeugnisse daher nicht aufweisen. Auf der anderen Seite neigen die eingangs genannten Schutzelemente mit keramischen Elementen zur Rißbildung, so daß diese nur in Kachelform Verwendung finden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung bereitzustellen, die bei geringem Gewicht und hoher Härte eine bessere Zähigkeit als reinkeramische Schutzelemente aufweist. Die Lösung besteht darin, daß in dem Element der keramische Werkstoff eine Porosität von 5-30% aufweist und das Metall die Poren bis auf 20% Rest volumen des Ausgangswertes ausfüllt. Nach einer bevorzug ten Weiterbildung ist vorgesehen, daß der keramische Werkstoff des Elements einen Mehrschichtenaufbau aufweist und die Schichtdicke zwischen 10 und 150 µm liegt. Derartige Elemente lassen sich insbesondere durch wasserstabilisiertes Plasmaspritzen der keramischen Struktur herstellen, die dann in eine geschlossene Form eingegeben, evakuiert und von einer unter Druck stehenden Metallschmelze infiltriert wird.

Es hat sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Zu sammensetzung, insbesondere den Mehrschichtenaufbau die gewünschte Zähigkeit und Härte, insbesondere jedoch eine hohe Reißzähigkeit K1C von 8 erreicht werden kann.

Durch die gesteigerte Zähigkeit kann die gesamte Schutzan ordnung ausschließlich das Element als selbsttragendes Teil umfassen. Es kann dabei aus mehreren gleichartig oder unterschiedlich strukturierten Schichten von jeweils zwischen 10 und 50 mm Dicke aufgebaut sein. Nach einer günstigen Weiterbildung kann das Element auch von einer Faserverbundanordnung mittels entsprechender Träger oder durch Vergießen gehalten werden, wobei das Element in Abhängigkeit vom Anwendungsfall aus einzelnen Platten relativ großer Erstreckung zusammengesetzt sein kann.

Die Anordnung kann wie an sich bekannt auch als Vorpan zerung mit Abstand von einer Hauptpanzerung angeordnet werden, wobei die Zwischenräume mit Abstandshaltern oder selbst als Widerstandselement wirkenden Schaumstrukturen ausgefüllt sein können.

Die Herstellung der zur Anwendung kommenden Elemente wurde oben bereits erwähnt; der in mehreren Lagen aufgespritzte keramische Werkstoff besitzt eine große Unempfindlichkeit gegenüber Wärmespannungen, da die Schichten nach der In filtration mit Metall eine größere Elastizität des Ver bundwerkstoffs ergeben als bei herkömmlichem Einschichten aufbau.

Ferner wird durch den Mehrschichtenaufbau eine Porennetz struktur des keramischen Werkstoffs erreicht, die sich in besonders günstiger Weise mit Metallschmelze infiltrieren läßt. Die Porennetzstruktur ist erfindungsgemäß steuerbar durch die verwendete Partikelgröße des keramischen Ma terials sowie durch die Auftragsgeschwindigkeit im wasser stabilisierten Plasmastrahl.

Anhand von Versuchen hat sich herausgestellt, daß bei besonders feiner Porennetzstruktur eine Erniedrigung der Viskosität und ein gutes Benetzungsverhalten erforderlich ist. Dies wird erfindungsgemäß durch die Zugabe spezieller Legierungselemente erreicht, die es ermöglichen, daß die Metallschmelze auch in das Innere des porösen Keramikwerk stoffs eindringt.

Für bestimmte Anwendungsfälle hat es sich als nützlich erwiesen, daß der keramische Werkstoff eine von innen nach außen zunehmende Porosität aufweist. Dieses als "Gra dienten-Struktur" bezeichnete Porennetzwerk ermöglicht es, die metallischen Eigenschaften an der Außenzone des Ver bundwerkstoffs zu steigern, während im Innern die kera mischen Eigenschaften überwiegen. Dadurch wird der er findungsgemäße Verbundwerkstoff auch mechanisch bearbeit bar und kann im Außenbereich hohe Schub- und Druckkräfte aufnehmen.

Erzielt wird diese Gradienten-Struktur durch eine Varia tion der Partikelgröße beim Aufspritzen auf den Grundkör per in einem wasserstabilisierten Plasmastrahl. Man be ginnt beispielsweise mit sehr feinem Pulver mit einem d₅₀ von 20 µm und steigert die Partikelgröße in den Außenschichten des keramischen Werkstoffs auf eine d₅₀ Wert von Größe 100 µm.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Aus führungsbeispiele näher erläutert. Zunächst werden die Eigenschaften einer plasmagespritzten porösen Keramik (Tabelle 1) und einer erfindungsgemäß metallinfiltrierten Keramik (Tabelle 2) jeweils mit einem herkömmlichen vollkeramischen Werkstoff gemäß dem Stand der Technik verglichen.

Daraufhin wird ein Versuchsaufbau mit dem erfindungsge mäßen Metall-Keramik-Verbundwerkstoff im Vergleich mit einem gleichartigen Versuchsaufbau mit Vollkeramik getes tet. Es zeigt sich, daß die Eigenschaften wesentlich gün stiger als die der bekannten Verbundwerkstoffe sind und auch gegenüber den Vergleichswerten der Vollkeramik ver bessert sind (Tabelle 3).

Tabelle 1

Mechanische Eigenschaften einer porösen Keramik in Vergleich zu Al₂ O₃ 99.5

Tabelle 2

Mechanische Eigenschaften von metallinfiltrierten Keramiken im Vergleich Al₂ O₃ 99.5

Tabelle 3

Ballistische Eigenschaften von metallinfiltrierten Keramiken im Vergleich zu Al₂ O₃ 99.5

Claims

1. Anordnung zur Verwendung als Schutz gegen Geschosse - insbesondere Wucht (KE)- oder Hohlladungsgeschosse - mit zumindest einem flächigen Element, hergestellt aus einem Keramik-Metall-Verbundwerkstoff, indem eine poröse keramische Struktur mit schmelzflüssigem Metall infiltriert worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Element der keramische Werkstoff aus plasmagespritzter Keramik besteht, die eine Po rosität von 5-30% aufweist und das Metall die Poren bis auf 20% Restvolumen des Ausgangswertes der vorgenannten Porosität ausfüllt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff des Elements einen Mehrschichtenaufbau aufweist und die Schichtdicke der Einzelschichten zwischen 10 und 150 µm liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikstruktur des Elements aus flächigen in der Ebene des Elements liegenden Partikeln mit einem Formfaktor von < 5 aufgebaut ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelgröße der Keramikstruktur senkrecht zur Ebene des Elements in einer Richtung zunimmt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Element von einer Faserverbundanordnung ge halten wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element von einer metallischen Struktur gestützt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Element an der zur Metallstruktur zugewandten Seite eine im Vergleich zur abgewandten Seite mit Metall angereicherte Oberflächenstruktur aufweist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element an der zur Metallstruktur zugewandten Seite Keramikpartikel mit einem im Vergleich zur abgewandten Seite vergrößerten Formfaktor aufweist.

9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element einer Panzerplatte - unmittelbar oder mit Abstand - vorgeordnet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenraum zwischen dem Element und der Panzerplatte mit leichtem, insbesondere hartem Schaum strukturen ausgefüllt ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse keramische Struktur des Elements durch Spritzen von keramischen Partikeln auf einen Grund körper in einem wasserstabilisierten Plasmastrahl hergestellt ist.

12. Verfahren zum Herstellen eines Elements für eine An ordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch wasserstabilisiertes Plasmaspritzen hergestellte keramische Struktur in eine geschlossene Form eingegeben, evakuiert und von einer unter Druck stehenden Metallschmelze infiltriert wird, danach bei geschlossener Form für mehrere Minuten gehalten und bei geöffneter Form langsam an Luft gekühlt wird.

13. Verfahren zum Herstellen eines Elements für eine Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung des Spritzvorganges zur Her stellung der keramischen Struktur ein oder mehrere Lagen metallischer Werkstoff auf die keramische Grund struktur aufgetragen wird und dann durch Erhöhung der Temperatur der keramischen Struktur das aufgetragene Metall geschmolzen und in die poröse keramische Struktur infiltriert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel der Keramikstruktur im Ausgangs zustand einen mittleren Durchmesser von d₅₀ = 20-180 µm aufweisen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Struktur vor der Infiltration auf eine Temperatur vorgeheizt ist die oberhalb der Tem peratur der Metallschmelze liegt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschmelze zur Erniedrigung der Viskosität und zur Verbesserung des Benetzungsverhaltens folgende Stoffe zugesetzt sind: Wismuth, Antimon, Stontium, Beryllium, Natrium, Ka lium, Lithium.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelgröße senkrecht zur Ebene im Ausgangs zustand zwischen einem Anfangswert von d₅₀ = 20 µm und einen Endwert von d₅₀ größer 100 µm liegt.