DE4031550C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine ballistische Schutzpanzerung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der DE-AS 15 78 333 als bekannt hervorgeht.The invention relates to a ballistic protective armor according to the Preamble of claim 1, as for example from DE-AS 15 78 333 emerges as known.
In dieser Druckschrift wird als für die Schutzwirkung der bekann ten Panzerplatte wichtig hervorgehoben, daß die Blechlage einen höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten als die Keramiklage aufweist - was für wohl alle Paarungen von Keramiken mit Metallen gegeben sein dürfte - und daß das gegenseitige vollflächige Ver binden der Keramik- mit der Blechlage bei Temperaturen oberhalb von 500°C erfolgt, was üblicherweise für Hartlötungen gegeben ist. Aufgrund dieser Auswahlkriterien bzw. Verfahrensmerkmale bei der Herstellung der bekannten Schutzpanzerung bauen sich beim Ab kühlen aus der Löttemperatur heraus hohe, parallel zur Lötfuge gerichtete Druckspannungen in der bzw. den Keramiklage(n) auf, die durch entsprechend hohe Zugspannungen in der bzw. den Blech lage(n) aufgefangen werden. Nach den Erfahrungen der Anmelderin übersteigen jedoch diese Druck- bzw. Zugspannungen, die von der Lötung übertragen werden müssen, deren Festigkeit, so daß es - zumindest bei Platten mit mehr als 30 mm Seitenlänge - zum Ab platzen der aufgelöteten Keramiklage kommt. Aus diesem Grund ha ben sich Schutzpanzerungen nach dieser Druckschrift bisher in der Praxis nicht behaupten können.This publication is known for the protective effect of ten armor plate importantly emphasized that the sheet metal layer one higher coefficient of thermal expansion than the ceramic layer exhibits - what probably all pairings of ceramics with metals should be given - and that the mutual full area Ver bind the ceramic with the sheet metal layer at temperatures above of 500 ° C, which is usually given for brazing is. Based on these selection criteria or procedural features at the production of the well-known protective armor build when Ab cool high from the soldering temperature, parallel to the solder joint directed compressive stresses in the ceramic layer (s), due to the correspondingly high tensile stresses in the or the sheet location (s). According to the experience of the applicant however, these compressive or tensile stresses exceed that of Soldering must be transferred, its strength so that it - at least for panels with a side length of more than 30 mm - for ab burst the soldered ceramic layer comes. For this reason ha protective armor according to this document have so far been used in the Cannot claim practice.
Die DE-OS 34 25 634 beschreibt eine schußfeste Panzerplatte aus mehreren Lagen von harzimprägniertem Gewebe, wobei die Harzan teile innerhalb der Gewebelagen unterschiedlich stark gewählt sind und zum einen eine große Härte, zum anderen aber auch eine gewisse Flexibilität nach einem Einschub zu erhalten. DE-OS 34 25 634 describes a bulletproof armor plate several layers of resin-impregnated fabric, the Harzan parts selected to different degrees within the fabric layers are and on the one hand a great hardness, on the other hand also one get some flexibility after insertion.
Die US-PS 30 42 555 beschreibt die Herstellung und Verwendung einer Aluminiumplatte für eine ballistische Schutzpanzerung, wo bei durch gezielte Wärmebehandlung mit unterschiedlicher Tiefen wirkung eine in der Dicke der Aluminiumplatte abgestufte Härte herbeigeführt wird.The US-PS 30 42 555 describes the manufacture and use an aluminum plate for a ballistic protective armor, where with targeted heat treatment at different depths effect a hardness graded in the thickness of the aluminum plate is brought about.
Zwar wäre in der Tat eine praxistaugliche Realisierungsmöglich keit des Vorschlages nach der eingangs zitierten DE-AS 15 78 333 wünschenswert, nämlich eine besonders harte Keramikplatte oder Hartmetallplatte mit einer flexiblen und duktilen Metallplatte im Wechsel zu verbinden, um dadurch eine ballistische Schutzpanze rung zu erzeugen. Eine herkömmliche Hartverlötung führt aus den weiter oben bereits dargelegten Gründen jedoch nicht zu einer praxistauglichen Schutzpanzerung und eine bloße Verklebung zwi schen Keramikplatte und Metalluntergrund verleiht dem Werkstoff verbund keine ausreichend hohe Festigkeit, weil bei einem Ein schuß die sehr spröde Keramikplatte in sehr kleine Teile zer fällt, die durch die Klebung nicht mit ausreichend hoher Festig keit zusammengehalten werden könnten. Die Keramikplatte würde in einem solchen Fall ohne großen Durchschlagwiderstand von dem me tallenen Untergrund großflächig abplatzen, so daß praktisch nur noch die Durchschlagfestigkeit des metallenen Untergrundes zur Verfügung stünde.A practical implementation would indeed be possible speed of the proposal according to DE-AS 15 78 333 cited at the beginning desirable, namely a particularly hard ceramic plate or Carbide plate with a flexible and ductile metal plate in the To connect change, thereby creating a ballistic protective armor generation. Conventional brazing leads to the However, the reasons already explained above do not lead to one practical protective armor and a mere glue between Ceramic plate and metal surface gives the material composite not sufficiently high strength, because with an on shot the very brittle ceramic plate into very small parts does not fall through the adhesive with a sufficiently high strength could be held together. The ceramic plate would be in in such a case without great breakdown resistance from the me chipping large underground, so that practically only the dielectric strength of the metal surface Would be available.
Die DE-PS 23 59 122 empfiehlt für Panzerplatten, die als ein Ver bund aus Keramik- und Stahlplatten ausgebildet sind, anliegend an die Keramiklagen eine oder mehrere, vorzugsweise als Schaumstoff ausgebildete Kunststofflagen vorzusehen, wobei die Kunststofflage jedoch nicht in allen Ausführungsvarianten zwischen einer Stahl- und einer Keramiklage angeordnet sein muß. Die Kunststoffzwi schenlage dient hier nicht als Kleber oder zur Haftverbesserung zwischen Stahl und Keramik, sondern als arbeitsverzehrende Schockabsorberlage, die außerdem die Krafteinwirkung - ausgehend von der außenliegenden Auftreffstelle des Geschosses - auf eine größere Fläche in den tieferliegenden Lagen der Verbundpanzer platte verteilt. Auf die Problematik einer hoch belastbaren, großflächigen Verbindung von Stahl und Keramik geht diese Druckschrift nicht ein, sondern unterstellt offenbar, daß dieses Problem zufriedenstellend gelöst ist.DE-PS 23 59 122 recommends for armored plates, which as a Ver are made of ceramic and steel plates the ceramic layers one or more, preferably as a foam to provide trained plastic layers, the plastic layer but not in all versions between a steel and a ceramic layer must be arranged. The plastic zwi here does not serve as an adhesive or to improve adhesion between steel and ceramics, rather than labor-consuming Shock absorber layer, which also exerts the force - starting from the external impact point of the floor - to one larger area in the lower layers of the composite armor plate distributed. The problem of a highly resilient, Large-scale connection of steel and ceramic is possible Document does not one, but apparently assumes that this Problem is solved satisfactorily.
Die DE-PS 33 45 219 zeigt eine mehrschichtig aufgebaute Lötfolie für das Verlöten von Keramikteilen mit Metallteilen, wobei die Lötfolie eine metallische Zwischenlage von etwa 50 bis 30 µm aus Kupfer, Eisen, Nickel oder aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung oder aus einer Nickel-Eisen-Legierung enthält, die nicht unmit telbar an der Lötverbindung teilhat, sondern die lediglich Ei genspannungen zwischen den zu verlötenden Bauteilen abbauen soll. Hiermit sind jedoch nur beschränkt Eigenspannungen abbaubar und demgemäß nur kleinflächige Lötverbindungen möglich.DE-PS 33 45 219 shows a multilayer solder foil for soldering ceramic parts to metal parts, the Solder foil a metallic intermediate layer of about 50 to 30 microns Copper, iron, nickel or a copper-beryllium alloy or contains a nickel-iron alloy that does not telbar participates in the solder joint, but only the egg to reduce the stresses between the components to be soldered. However, only limited residual stresses can be reduced and accordingly only small-area solder connections possible.
Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrunde gelegte ballistische Schutzpanzerung im Hinblick auf eine höhere Halt barkeit der Verbindung zwischen Keramiklage und Blechlage wei terzubilden.The object of the invention is that of the generic type Ballistic armor with a view to a higher hold Availability of the connection between the ceramic layer and the sheet metal layer white to train.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank der Hartlötung der Keramik lage auf einen aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden me tallischen Untergrund wird zum einen eine hochfeste Verbindung der Keramiklage mit dem metallenen Untergrund hergestellt und zum anderen wird Dank der Verwendung eines Untergrundes oder einer Zwischenlage aus Formgedächtnislegierung überhaupt erst eine praxistaugliche, großflächige Hartlötung von Keramik mit Metall ermöglicht. Aufgrund der Verwendung von Formgedächtnislegierungen beim Verlöten der werkstoffunterschiedlichen Lagen treten nämlich die üblicherweise zu beobachtenden hohen, parallel zur Lötfuge gerichteten Eigenspannungen nicht auf, weil diese sehr stark dehnungsfähigen Formgedächtnislegierungen die Eigenspannungen innerhalb der großflächigen Lötverbindung auf ohne weiteres er trägliche Werte reduzieren. This object is achieved by the characterizing Features of claim 1 solved. Thanks to the brazing of the ceramic lay on a me consisting of a shape memory alloy on the one hand a high-strength connection the ceramic layer with the metal base and for others will be thanks to the use of a base or one Intermediate layer made of shape memory alloy only one Practical, large-area brazing of ceramics with metal enables. Due to the use of shape memory alloys namely when soldering the different material layers the usually observed high, parallel to the solder joint residual stresses do not develop because they are very strong stretchable shape memory alloys the residual stresses within the large-area solder joint on it easily reduce inertial values.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:Advantageous embodiments of the invention can the Unteran sayings are taken. Otherwise, the invention is based an embodiment shown in the drawings explained below; show:
Fig. 1 einen Querschnitt durch den Teil einer balli stischen Schutzpanzerung gemäß der Erfindung und Fig. 1 shows a cross section through the part of a ballistic armor according to the invention and
Fig. 2 eine vergrößerte Einzeldarstellung der Einzelheit II aus Fig. 1. FIG. 2 shows an enlarged individual representation of detail II from FIG. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Platte 1 für eine ballistische Schutzpanzerung ist dreilagig aufgebaut mit einer außenseitig - Außenseite 7 - liegenden Keramiklage 3, einer innenseitig an geordneten Stahlblechlage 4 und einer dazwischen angeordneten eingelöteten Blechlage 5 aus Formgedächtnislegierung. Wie die Fig. 2 erkennen läßt, sind die drei Lagen 3, 4 und 5 jeweils miteinander verlötet, wobei sich noch eine Lotschicht 6 zwi schen jeweils zwei Lagen ausbilden. Bei den Lötungen handelt es sich um Aktivlötschichten, die einfach hergestellt werden kön nen. . The plate shown in Figure 1 1 for a ballistic protective armor is triple-layered with an externally - outside 7 - lying ceramic layer 3, an inside of parent steel sheet layer 4 and an interposed soldered sheet metal layer 5 made of shape memory alloy. As can be seen in FIG. 2, the three layers 3 , 4 and 5 are each soldered to one another, with a solder layer 6 being formed between two layers. The solderings are active solder layers that can be easily manufactured.
Die hier angesprochenen Formgedächtnislegierungen für die Blechlage 5 sind auch unter der Bezeichnung Shape-Memory-Alloy (SMA) bekannt. Es handelt sich dabei um spezielle, besonders reine Legierungen mit exakt aufeinander abgestimmten Legie rungskomponenten, bei denen die speziellen Eigenschaften dieser Legierungen zu Tage treten. Technisch gebräuchlich sind Nickel-Titan-Legierungen, Kupfer-Zink-Aluminium-Legierungen und Kupfer-Aluminium-Nickel-Legierungen; auch Eisen-Basislegie rungen dieses Typs sind bekannt, die aus Preisgründen von zu nehmendem Interesse sind. Formgedächtnislegierungen verändern ihre Kristallstruktur in Abhängigkeit von Temperatur und Span nung. Unterhalb einer kritischen Temperatur liegt der Werkstoff im martensitischen Zustand, oberhalb einer anderen kritischen Temperatur in austenitischem Zustand vor. Die Umwandlung findet in einem schmalen Temperaturbereich statt, dessen Lage und Breite legierungsspezifisch sind. Die eine hier interessierende Eigenschaft der Superelastizität dieser Legierungsarten ist eine Erscheinung, die nur im austenitischen Bereich, also oberhalb der Umwandlungstemperatur auftritt. Diese Eigenschaft stellt eine elastische, gummiähnliche Dehnbarkeit von mehreren Prozent dar, wobei die dabei auftretenden Spannungen mäßig hoch aber dehnungsabhängig sind. Eine andere, hier ebenfalls inter essierende Eigenschaft der Formgedächtnislegierungen ist die im martensitischen Zustand zu beobachtende Pseudoplastizität, bei der der Werkstoff sich unter der Wirkung niedriger Spannungen scheinbar bleibend in einem hohen Grad verformen läßt, wobei die für eine Verformung erforderlichen Spannungen nahezu dehnungsunabhängig sind.The shape memory alloys mentioned here for the sheet metal layer 5 are also known under the designation Shape Memory Alloy (SMA). These are special, particularly pure alloys with precisely coordinated alloy components that reveal the special properties of these alloys. Technically used are nickel-titanium alloys, copper-zinc-aluminum alloys and copper-aluminum-nickel alloys; Iron base alloys of this type are also known which are of increasing interest for reasons of price. Shape memory alloys change their crystal structure depending on temperature and stress. The material is in the martensitic state below a critical temperature and in the austenitic state above another critical temperature. The transformation takes place in a narrow temperature range, the location and width of which are alloy-specific. One of the properties of the superelasticity of these alloy types that is of interest here is a phenomenon that occurs only in the austenitic range, that is to say above the transition temperature. This property represents an elastic, rubber-like extensibility of several percent, whereby the stresses that occur are moderately high but dependent on strain. Another property of shape memory alloys that is also of interest here is the pseudoplasticity that can be observed in the martensitic state, in which the material can be permanently deformed to a high degree under the effect of low stresses, the stresses required for deformation being almost independent of strain.
Beim Abkühlen der Lötverbindung aus den sehr hohen Löttempera turen heraus liegt die Formgedächtnislegierung zunächst in ei nem Zustand vor, bei dem sie weder superelastisch noch pseudoplastisch ist, sondern sich ähnlich wie ein herkömmlicher Stahl bei hohen Temperaturen verhält. Erst bei Abkühlung der Lötverbindung weit unterhalb der Erstarrungstemperatur des Lo tes zeigt die Formgedächtnislegierung dann zunächst die superelastische Eigenschaft. Die bis dahin in der Fügestelle abkühlungsbedingt aufgebauten thermischen Eigenspannungen kön nen nun aufgrund des superelastischen Verhaltens abgebaut wer den, wobei jedoch mit zunehmender, abkühlungsbedingter thermischer Relativdehnung der Bauteile an der Fügestelle die Spannung - wenn auch auf niedrigem Niveau - zunimmt. Irgendwann wird bei weiterer Abkühlung der Temperaturbereich der Gefüge umwandlung durchschritten und der Werkstoff wandelt sich dabei mehr und mehr in den martensitischen Zustand um, so daß mehr und mehr die pseudoplastische Eigenschaft zum tragen kommt. Der Werkstoff kann sich bleibend bei relativ niedrigen und konstant bleibenden Spannungen verformen und die Eigenspannungen auf diesem geringen Niveau abbauen.When cooling the solder joint from the very high soldering temperature The shape memory alloy initially lies in egg state in which it is neither super elastic nor is pseudoplastic, but similar to a conventional one Steel behaves at high temperatures. Only when the Solder connection far below the solidification temperature of the Lo The shape memory alloy then shows the first super elastic property. Until then in the joint Thermal residual stresses built up due to cooling can who are now broken down due to the super-elastic behavior the, but with increasing, cooling-related thermal relative expansion of the components at the joint Tension - albeit at a low level - increases. Sometime the temperature range of the microstructure becomes with further cooling passed through and the material changes more and more into the martensitic state, so that more and more the pseudoplastic property comes into play. The Material can stay at relatively low and constant deform permanent stresses and the residual stresses mine this low level.
Die Nickel-Titan-Legierungen lassen eine Superelastizität von 8% Dehnung zu, was für Metalle sehr viel ist; allerdings ist dieser Legierungstyp sehr teuer. Die beiden anderen oben er wähnten Legierungstypen sind zwar billiger, lassen jedoch nur eine Superelastizität von 2% zu, was auch schon sehr viel ist. Bei sparsamer Verwendung der Blechlage 5 kann unter Umständen durchaus der teure Legierungstyp kostenmäßig vertretbar sein, zumal bei sonst vergleichbaren Randbedingungen die Lagenstärke bei Nickel-Titan-Legierungen nur etwa ein Viertel der Lagen stärken aus den anderen superelastischen Legierungen zu sein braucht.The nickel-titanium alloys allow a super elasticity of 8% elongation, which is a lot for metals; however, this type of alloy is very expensive. The two other alloy types mentioned above are cheaper, but only allow super elasticity of 2%, which is also a lot. If sheet metal layer 5 is used sparingly, the expensive type of alloy may well be justifiable in terms of cost, especially since the layer thickness for nickel-titanium alloys only needs to be about a quarter of the layers made of the other super-elastic alloys with otherwise comparable boundary conditions.
Hervorzuheben ist, daß die Lötungen als einfache Aktivlötungen ohne besondere Vorbehandlung in einem einzigen Arbeitsgang ausgeführt werden können. Das Lot wird ebenfalls in Folienform in die Fügestelle eingebracht und die Teile in der Reihenfolge Stahlblechlage 4, Folie für die stahlseitige Lötung 6′, Blech lage 5 aus Formgedächtnislegierung, weitere Lötfolie für die keramikseitige Lötung 6 sowie Keramiklage 3 aufeinandergeschichtet und in den evakuierbaren Lötofen gege ben. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang, daß durch das Löten die Blechlage 5 ohne Vorbehandlung in einer gewissen Randzone aufgrund des Hineindiffundierens von Lot in den Werkstoff der Zwischenlage legierungsmäßig leicht verändert und dadurch bereits die Formgedächtniseigenschaften empfindlich gestört werden können. Eine solche Randzone ginge also für die aus nutzbare Superelastizität bzw. Pseudoplastizität verloren, was unzweckmäßig wäre. Dieser Verlust müßte durch Wahl einer ent sprechend dickeren Wandstärke des Ausgangsmaterials berück sichtigt werden. Zweckmäßiger wäre es, ein solches Hineindif fundieren von Lot in die Formgedächtnislegierung durch galva nisches Auftragen einer metallischen Sperrschicht zu verhin dern. Hierzu wäre beispielsweise Silber in einer Lagenstärke von etwa 5 bis 10 µm geeignet; auch Niob, Gold oder Platin wä ren hierzu grundsätzlich verwendbar. Erwähnt sei ferner, daß - was heute möglich ist - ein solcher Legierungstyp von Formge dächtnislegierung ausgewählt werden muß, der die Löttempera turen insgesamt übersteht, ohne daß sich die Formgedächtnisei genschaft des Werkstoffes verliert. Zumindest bei kurzzeitigen Einwirkungen von 900°C im Bereich von etwa 2 Minuten bleibt die Formgedächtniseigenschaft der Blechlage 5 durchaus noch erhal ten. Hierbei sollte zumindest im Bereich oberhalb von 600° sehr rasch aufgeheizt und nach dem Reagieren des Lotes mit der Ke ramik auch sehr rasch wieder abgekühlt werden. Beispielsweise wurden beim Auflöten einer Lage aus Nickel-Titan- Formgedächtnislegierung auf Keramik beim Aufheizen bis 600°C aus Raumtemperatur etwa 90 Minuten gebraucht, wogegen die End aufheizung auf 850°C mit einer über drei mal schnelleren Auf heizgeschwindigkeit (20 Grad je Minute) in 12 Minuten erfolgte. Nach einer kurzen Haltezeit von etwa 10 Sekunden erfolgte einer Abkühlung in Raumtemperatur-Atmosphäre, wobei sich eine durch schnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit im Temperaturbereich zwischen 850 und 400°C von über 60 Grad je Minute einstellte; auch darunter verlangsamte sich die Abkühlungsgeschwindigkeit nur allmählich. Bei Ofenaufheizung des Werkstückes auf Löttem peratur im Vakuumofen mit Wärmeübertragung lediglich durch Strahlung sind die oben erwähnten Aufheizgeschwindigkeiten nur schwierig zu realisieren. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, die Aufheizung auf induktivem Wege mittels eines Forminduktors zu bewerkstelligen, wobei die geforderten Aufheizgeschwindig keiten keinerlei Schwierigkeiten bereiten. Nachdem das aufge lötete Keramikmaterial sich bei der induktiven Erwärmung nicht mit erwärmt und somit im wesentlichen bei Raumtemperatur ver harrt, kann dieses Temperaturgefälle nach erfolgter Reaktion des Lotes mit der Keramik zur Abkühlung durch Wärmeleitung mit herangezogen werden. Die Keramik ist bei induktiver Erwärmung nur oberflächennah erwärmt, wogegen die tiefer liegenden Kera mikschichten noch kühl sind. Die Abkühlung kann auch durch An blasen mit einem kalten Schutzgas, z. B. Formiergas beschleu nigt werden; in einer fortgeschrittenen Abkühlungsphase kann auch Wasser eingesetzt werden.It should be emphasized that the soldering can be carried out as simple active soldering without special pretreatment in a single operation. The solder is also introduced in foil form in the joint and the parts in the order of steel sheet layer 4 , foil for the steel-side soldering 6 ', sheet layer 5 made of shape memory alloy, further soldering foil for the ceramic-side soldering 6 and ceramic layer 3 are layered on top of each other and countered in the evacuable soldering furnace ben. It should be mentioned in this connection that the soldering of the sheet metal layer 5 without pretreatment in a certain edge zone due to the diffusion of solder into the material of the intermediate layer changes slightly in alloy and the shape memory properties can already be disturbed thereby. Such an edge zone would therefore be lost for the usable superelasticity or pseudoplasticity, which would be inappropriate. This loss would have to be taken into account by choosing a correspondingly thicker wall thickness of the starting material. It would be more appropriate to prevent such a diffusion of solder into the shape memory alloy by electroplating a metallic barrier layer. For example, silver in a layer thickness of about 5 to 10 μm would be suitable for this; niobium, gold or platinum could also basically be used for this. It should also be mentioned that - what is possible today - such an alloy type of shape memory alloy must be selected that survives the soldering temperatures overall without losing the shape memory property of the material. At least with short-term exposure to 900 ° C in the range of about 2 minutes, the shape memory property of the sheet layer 5 is still preserved th. This should be heated up very quickly at least in the range above 600 ° and very quickly after the solder has reacted with the ceramic be cooled down again. For example, when soldering a layer of nickel-titanium shape memory alloy to ceramic, it took about 90 minutes to heat up to 600 ° C from room temperature, whereas the final heating to 850 ° C with an over three times faster heating rate (20 degrees per minute) Took 12 minutes. After a short holding time of about 10 seconds, cooling took place in a room temperature atmosphere, with an average cooling rate in the temperature range between 850 and 400 ° C. of over 60 degrees per minute; even below that, the rate of cooling slowed slowly. When the workpiece is heated to soldering temperature in a vacuum furnace with heat transfer only by radiation, the above-mentioned heating speeds are difficult to achieve. For this reason, it is expedient to accomplish the heating inductively by means of a form inductor, the required heating speeds not causing any difficulties. After the soldered-on ceramic material does not heat up during inductive heating and thus remains essentially at room temperature, this temperature gradient can be used after cooling of the solder with the ceramic for cooling by heat conduction. With inductive heating, the ceramic is only heated close to the surface, whereas the lower ceramic layers are still cool. The cooling can also by blowing with a cold protective gas, e.g. B. Accelerated forming gas; in an advanced cooling phase, water can also be used.
Da als Werkstoff für die Stahlblechlage 4 vorzugsweise ein vergüteter, legierter Stahl verwendet wird, sollte die Löttem peratur bei der Verlötung dieses Stahles nicht höher als 500°C betragen, damit dieser Stahl nicht seine Härte verliert. Ande rerseits muß bei der Verlötung der Keramiklage eine Temperatur von über 800°C wenigstens kurzzeitig eingehalten werden, damit die für eine Lötung erforderliche Reaktion mit dem Keramik werkstoff zustandekommt. Deshalb wird vorteilhafterweise die Keramiklage 3 mit der Blechlage 5 aus Formgedächtnislegierung mit einem Hartlot 6, beispielsweise mit einem Silber-Titan-Lot durchgeführt, das bei 850°C schmilzt, wogegen die Stahlblech lage 4 mit der Formgedächtnislegierung mittels eines hoch schmelzenden Weichlotes 6′ verlötet wird. Geeignete Lote hier für sind z. B.:As preferably used as the material for the steel sheet layer 4, a quenched and tempered steel, alloy steel is used, the temperature should be Löttem in the soldering of this steel is not higher than 500 ° C, so that steel does not lose its hardness. On the other hand, a temperature of over 800 ° C must be maintained at least briefly when soldering the ceramic layer so that the reaction required for soldering with the ceramic material occurs. Therefore, the ceramic layer 3 is advantageously carried out with the sheet metal layer 5 made of shape memory alloy with a hard solder 6 , for example with a silver-titanium solder, which melts at 850 ° C., whereas the steel sheet layer 4 is soldered to the shape memory alloy by means of a high-melting soft solder 6 ' becomes. Suitable solders here for z. B .:
- - Zinn/Antimon-Lot (95 : 5) mit einer Schmelztemperatur von 240°C,- Tin / antimony solder (95: 5) with a melting temperature of 240 ° C,
- - Zinn/Silber-Lot (90 : 10) mit einem Schmelzbereich von 220 bis 300°C,- Tin / silver solder (90:10) with a melting range of 220 up to 300 ° C,
- - Blei/Silber-Lot (97 : 3) mit einer Schmelztemperatur von 305°C oder - Lead / silver solder (97: 3) with a melting temperature of 305 ° C or
- - Blei/Indium-Lot (96 : 4) mit einer Schmelztemperatur von 325°C.- Lead / indium solder (96: 4) with a melting temperature of 325 ° C.
Falls es gelingt, neue, noch höher schmelzende Weichlote zu entwickeln, wären auch diese anwendbar; in ähnlicher Weise wäre es auch denkbar, extrem niedrig schmelzende Hartlotlegierungen zu verwenden, falls solche einmal bekannt werden sollten, wobei die Verarbeitungstemperatur dieser Lote unter 500°C liegen müßte, um mit ihnen ohne Einbuße von Festigkeit auch vergüteten Stahl verlöten zu können. Unvergüteter Stahl kann selbstver ständlich bei höheren Temperaturen verlötet werden, wobei al lerdings dessen Festigkeit geringer ist, als die von vergütetem Stahl.If it succeeds to add new, even higher melting soft solders develop, these would also be applicable; would be similar it is also conceivable to use extremely low-melting brazing alloys to be used if such should become known, whereby the processing temperature of these solders is below 500 ° C would also have to be remunerated with them without sacrificing strength To be able to solder steel. Unrefined steel can self-ver are soldered constantly at higher temperatures, al However, its strength is less than that of tempered Stole.
Bei der Keramiklage wird vorzugsweise eine schlagfeste Keramik, und zwar bevorzugt eine Siliziumnitrid-Keramik verwendet, die sich als besonders schlagfest und zäh erwiesen hat, die aber einen besonders niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten von nur 3×10-6 je Grad hat und demgemäß bei Temperaturände rungen sich nur etwa um 27% der Temperaturdehnung von Stahl mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten von 11×10-6 je Grat ausdehnt.In the ceramic layer, an impact-resistant ceramic is preferably used, preferably a silicon nitride ceramic, which has proven to be particularly impact-resistant and tough, but which has a particularly low coefficient of thermal expansion of only 3 × 10 -6 per degree and accordingly changes in temperature only about 27% of the thermal expansion of steel with a thermal expansion coefficient of 11 × 10 -6 per burr.
Zum Nachweis der Stabilität der erfindungsgemäßen Lötverbindung wurde eine quadratische Platte mit einer Seitenlänge von 20 mm und folgendem Schichtenaufbau angefertigt:To demonstrate the stability of the solder joint according to the invention was a square plate with a side length of 20 mm and the following layer structure:
- - 4 mm starke Keramikplatte aus Siliziumnitrid,- 4 mm thick ceramic plate made of silicon nitride,
- - Aktivlotfolie (Silber-Titan), 0,2 mm stark,- Active solder foil (silver-titanium), 0.2 mm thick,
- - Nickel/Titan-Formgedächtnislegierung (50/50-Atomprozent) , 0,3 mm stark,- Nickel / titanium shape memory alloy (50/50 atomic percent), 0.3 mm thick,
- - Aktivlotfolie (Silber-Titan), 0,2 mm stark und- Active solder foil (silver-titanium), 0.2 mm thick and
- - Stahlblechlage, 2 mm stark, niedrig gekohlter Baustahl.- Sheet steel layer, 2 mm thick, low carbon construction steel.
Dieses gelötete Verbundplättchen wurde aus Raumtemperatur her aus in flüssigem Stickstoff abgeschreckt und anschließend durch Liegenlassen bei Raumtemperatur wieder erwärmt. Es hat diesen Abschreckvorgang dank der zwischengelöteten Blechlage 5 aus Formgedächtnislegierung schadlos überstanden. Eine gleichartige Vergleichsprobe, jedoch ohne die Zwischenlage aus Formgedächt nislegierung war nach dem Abschreckversuch vollständig beschä digt; die Keramiklage war vollständig abgeplatzt. Es sind par allel zur Lötfuge verlaufende muschelartige Materialabplatzungen aus der Keramikplatte heraus zu beobachten gewesen.This soldered composite plate was quenched from room temperature in liquid nitrogen and then reheated by leaving it at room temperature. It survived this quenching process without damage thanks to the soldered sheet metal layer 5 made of shape memory alloy. A similar comparative sample, but without the intermediate layer made of shape memory alloy, was completely damaged after the quenching attempt; the ceramic layer was completely chipped. Shell-like material flaking from the ceramic plate running parallel to the solder joint has been observed.
Dank der zwischengelöteten Blechlage 5 kann die Keramiklage 3 mittelbar mit einer Stahlblechlage 4 verlötet werden, wobei eine eigenspannungsarme und dauerhafte, hochfeste Verbindung zustande kommt. Die durch den Aufprall eines Projektils 2 auf die Keramiklage auseinanderbrechenden Teile der Keramiklage werden Dank der Lötung sicher zusammengehalten, so daß die Ke ramiklage 3 trotz zahlreicher Anrisse und oberflächennaher Werkstoffabplatzungen in der Lage ist, das Projektil 2 wirksam abzubremsen. Die darunter befindliche Stahlblechlage 4 nimmt aufgrund ihrer Duktilität Formänderungsarbeit auf und trägt dadurch zu einem Verzögern des Projektiles 2 bei. Nach einem ersten Einschuß ist die Schutzpanzerung ohne weiteres in der Lage, einen dicht benachbarten zweiten Einschuß ebenfalls wirksam aufzufangen.Thanks to the intermediate soldered sheet metal layer 5 , the ceramic layer 3 can be soldered indirectly to a steel sheet layer 4 , a low-stress and permanent, high-strength connection being achieved. The parts of the ceramic layer that break apart due to the impact of a projectile 2 on the ceramic layer are held together securely thanks to the soldering, so that the ceramic layer 3 is able to effectively brake the projectile 2 despite numerous cracks and near-surface material flaking. Due to its ductility, the sheet steel layer 4 underneath takes up deformation work and thereby contributes to retarding the projectile 2 . After a first shot, the protective armor is readily able to effectively catch a closely adjacent second shot.
Anstelle eines dreilagigen Schichtenaufbaus ist es auch denk bar, eine noch größere Lagenzahl vorzusehen. Zweckmäßigerweise kann hierbei eine Keramiklage mit einer metallischen Lage ab wechseln, wobei diese unterschiedlichen Lagen miteinander hart verlötet sind. Allerdings sollte auch bei einer derartigen er höhten Lagenzahl darauf geachtet werden, daß eine Keramiklage stets nur mittelbar mit einer Stahllage, oder - was auch ohne weiteres denkbar wäre - mit einer Lage aus hochfestem Alumini umblech verlötet ist; es muß stets zwischen einer Keramiklage und einer Stahl- bzw. Aluminiumlage eine Blechlage 5 aus Form gedächtnislegierung zum Abbau der thermisch bedingten Eigen spannungen zwischengelötet werden, damit die Lötung auf den größeren Flächen dauerhaft ist.Instead of a three-layer structure, it is also conceivable to provide an even larger number of layers. A ceramic layer can expediently alternate with a metallic layer, these different layers being brazed to one another. However, even with such an increased number of layers, care should be taken to ensure that a ceramic layer is only ever indirectly soldered to a steel layer, or - which would also be easily conceivable - to a layer of high-strength aluminum; it must always be between a ceramic layer and a steel or aluminum layer, a sheet metal layer 5 made of memory alloy to reduce the thermally induced inherent stresses, so that the soldering is permanent on the larger areas.
Es ist auch denkbar, daß die Blechlage 5 aus Formgedächtnisle gierung nicht nur die Funktion des Eigenspannungsabbaus im Be reich der Hartlötung, sondern auch die Funktion der tragenden metallischen Lage innerhalb der Schutzpanzerung übernimmt, wo bei jedoch die Blechlage aus Formgedächtnislegierung entspre chend stark dimensioniert sein müßte. Mit Rücksicht auf die hohen Kosten dieser Legierung wird man jedoch bestrebt sein, diesen Werkstoff möglichst sparsam zu verwenden und tragende Funktionen tunlichst durch andere preisgünstigere Werkstoffe übernehmen zu lassen. Allerdings sei hervorgehoben, daß die Formgedächtnislegierungen aufgrund ihrer extrem hohen Dehnfä higkeit besonders gut geeignet sind, hohe Verformungen und demgemäß hohe Verformungsarbeit aufzunehmen, was zum Verzögern des aufprallenden Projektils besonders wichtig ist. Es wäre demgemäß durchaus denkbar, eine zweilagige ballistische Schutzpanzerung aus einer Keramiklage und aus einer relativ starken Blechlage aus Formgedächtnislegierung aufzubauen.It is also conceivable that the sheet metal layer 5 from shape memory alloy not only takes on the function of residual stress reduction in the area of brazing, but also takes on the function of the supporting metallic layer within the protective armor, where, however, the sheet metal layer made of shape memory alloy should be dimensioned accordingly . In view of the high costs of this alloy, however, efforts will be made to use this material as sparingly as possible and to have load-bearing functions taken over by other less expensive materials wherever possible. However, it should be emphasized that the shape memory alloys are particularly well suited to absorb high deformations and, accordingly, high deformation work due to their extremely high extensibility, which is particularly important for retarding the impacting projectile. Accordingly, it would be quite conceivable to build up a two-layer ballistic protective armor from a ceramic layer and from a relatively strong sheet metal layer made of shape memory alloy.
Als weitere Alternativformen für Schutzpanzerungen der in Rede stehenden Art wäre es denkbar, mehrere Keramiklagen innerhalb der Schutzpanzerung vorzusehen, die jeweils unter Zwischen schaltung einer relativ starken Blechlage aus Formgedächtnis legierung miteinander hart verlötet sind. Hierbei wäre es si cher von Vorteil, die Stärke der einzelnen Keramiklagen von außen nach innen abnehmen zu lassen und dafür die SMA- Metallagen von außen nach innen zunehmen zu lassen. In Richtung zur Außenseite 7 hin soll die Härte der ballistischen Schutzpanzerung überwiegen die vor allen Dingen durch die Ke ramikplatten und deren Härte bewirkt wird, wogegen in Richtung zur gegenüberliegenden Innenseite hin das Verformungsvermögen und das Arbeitsaufnahmevermögen der Schutzpanzerung zunehmen soll, die durch die zwischengelöteten Metallagen bewirkt wird.As further alternative forms for protective armor of the type in question, it would be conceivable to provide a plurality of ceramic layers within the protective armor, each of which is brazed to one another with the interposition of a relatively strong sheet metal layer made of shape memory. It would be an advantage to have the thickness of the individual ceramic layers decrease from the outside to the inside and to have the SMA metal layers increase from the outside to the inside. Towards the outside 7 , the hardness of the ballistic protective armor should predominate, which is primarily caused by the ceramic plates and their hardness, whereas towards the opposite inside, the deformability and the ability to work of the protective armor, which is caused by the soldered metal layers, should increase becomes.
Die ballistische Schutzpanzerung kann in Schalenform ausgebil det sein, so daß z. B. Schutzhelme oder auch Panzerungen für Gebäudetüren oder Fahrzeugwandungen und Fahrzeugtüren daraus hergestellt werden können. Werden mehrere kleine Platten etwa von Handtellergröße schuppenartig zu einem beweglichen Belag zusammengestellt, so kann ein solcher Belag in eine Schußweste eingenäht werden, die auf dem Leib getragen werden kann.The ballistic protective armor can be designed in the form of a shell det be so that z. B. hard hats or armor for Building doors or vehicle walls and vehicle doors made from them can be produced. If there are several small plates from palm-sized to a movable covering put together, such a coating can be in a shot vest sewn in, which can be worn on the body.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4031550A DE4031550A1 (en) | 1990-10-05 | 1990-10-05 | Ballistic armour material for helmet - comprises plate or shell of ceramic layer soldered to layer of shape memory alloy for walls and vehicles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4031550A DE4031550A1 (en) | 1990-10-05 | 1990-10-05 | Ballistic armour material for helmet - comprises plate or shell of ceramic layer soldered to layer of shape memory alloy for walls and vehicles |
Publications (2)
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