EP1239257B1 - Verfahren zur Herstellung von Rohren für schwere Geschütze - Google Patents

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EP1239257B1
EP1239257B1 EP02002665A EP02002665A EP1239257B1 EP 1239257 B1 EP1239257 B1 EP 1239257B1 EP 02002665 A EP02002665 A EP 02002665A EP 02002665 A EP02002665 A EP 02002665A EP 1239257 B1 EP1239257 B1 EP 1239257B1
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Walter Grimm
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Buderus Edelstahl GmbH
Rheinmetall W&M GmbH
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Buderus Edelstahl GmbH
Rheinmetall W&M GmbH
Edelstahlwerke Buderus AG
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • C21D9/12—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes barrels for ordnance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41A—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS COMMON TO BOTH SMALLARMS AND ORDNANCE, e.g. CANNONS; MOUNTINGS FOR SMALLARMS OR ORDNANCE
    • F41A21/00—Barrels; Gun tubes; Muzzle attachments; Barrel mounting means
    • F41A21/20—Barrels or gun tubes characterised by the material
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2261/00—Machining or cutting being involved

Definitions

  • the invention relates to a method for producing cannon and gun barrels of caliber 105-120 mm.
  • the standard material for these products is steel 35NiCrMoV 12-5, material no. 1.6959, described in the steel-iron list of the publishing house Stahleisen, Düsseldorf and in the material data sheet "tubular steel for heavy guns" of the BWB.
  • the manufacturing process for cannon tube blanks includes the steps of open melting, casting raw blocks in suitable mold formats, forging the cannon tube blanks to an outer rough contour, annealing the forgings, pre-turning and predrilling the parts, hollow tempering (hardening and tempering to order stability), measuring the Delay in hardness or impact (maximum straightness deviation from the longitudinal axis in relation to the bearing points at the tube ends), mechanical straightening to ensure that it is free from impact and then relaxing approx. 30 ° C below the tempering temperature, quality checks and finishing to the delivery dimensions of the gun barrel blanks.
  • the work step is a qualitative problem in the conventional manufacturing process Targeting freedom from impact after the remuneration treatment because straightening does not achieve the straightness of the hole and plastic Residual stresses are induced. On the one hand, it is no longer technically possible a curved hole after straightening during subsequent boring to order size to straighten again and on the other hand remain despite the relaxation glow residual stresses in the material after straightening.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kanonen- und Geschützrohren der Kaliber 105 - 120 mm.
Standardwerkstoff für diese Produkte ist der Stahl 35NiCrMoV 12-5, Werkstoff-Nr. 1.6959, beschrieben in der Stahl-Eisen-Liste des Verlags Stahleisen, Düsseldorf und in dem Werkstoff-Leistungsblatt "Rohrstahl für schwere Geschütze" des BWB.
Der Herstellprozess für Kanonenrohr-Rohlinge umfasst dabei die Arbeitsschritte offene Erschmelzung, Abgießen von Rohblöcken in geeigneten Kokillenformaten, Schmieden der Kanonenrohr-Rohlinge auf äußere Grobkontur, Glühen der Schmiedestücke, Vordrehen und Vorbohren der Teile, Hohlvergüten (Härten und Anlassen auf Bestellfestigkeit), Messen des Härteverzugs bzw. Schlags (maximale Geradheitsabweichung von der Längsachse bezogen auf die Lagerstellen an den Rohrenden), mechanisches Richten auf Schlagfreiheit und anschließendes Entspannen ca. 30 °C unterhalb der Anlasstemperatur, Durchführung von Qualitätsprüfungen und Fertigbearbeitung auf Liefermaß der Kanonenrohr-Rohlinge.
Ein ähnliches Verfahren ist aus DE 1927822 bekannt.
Als qualitatives Problem stellt sich beim herkömmlichen Fertigungsverfahren der Arbeitsschritt Richten auf Schlagfreiheit im Anschluss an die Vergütungsbehandlung dar, weil durch das Richten die Geradheit der Bohrung nicht erreicht wird und plastische Eigenspannungen induziert werden. Zum Einen gelingt es technisch nicht mehr, eine nach dem Richten verkrümmte Bohrung beim nachfolgenden Aufbohren auf Bestellmaß wieder zu begradigen und zum Anderen verbleiben trotz Entspannungsglühung nach dem Richten noch Resteigenspannungen im Material. In der Praxis hat sich gezeigt, dass a) ungerade Bohrungen und Eigenspannungen a) zum Verzug bei der Fertigbearbeitung der Rohre führen, der nur durch weitere Richtoperationen ausgeglichen werden kann, b) durch Maßfehler infolge des Verzugs während der Bearbeitung Ausschuss entstehen kann und c) die Schussgenauigkeit (Systemfehler) wegen Geradheitsabweichungen in der Bohrung und freiwerdender Eigenspannungen beim Beschuss verschlechtert werden kann.
Als Ursache für den Härteverzug sind, wie die Untersuchungen im Rahmen der Erfindungstätigkeit gezeigt haben, drei Hauptmechanismen verantwortlich:
  • 1. Asymmetrische Temperaturverteilungen im Rohrrohling können entstehen durch ungleichmäßige Erwärmung, ungleichmäßige Ofentemperaturen oder ungleichmäßige Durchwärmung. Sie können beseitigt werden durch homogene Erwärmung und präzise Temperaturverteilung im Ofenraum - eine Kontrolle kann durch Thermoelemente am Stück erfolgen. Hierzu trägt ggf. auch das Drehen des Rohres während der gesamten Wärmebehandlung bei.
  • 2. Mechanisches Verziehen während der Erwärmung und Austenitisierung auf Härtetemperatur entsteht beim Durchbiegen im Fall horizontaler Erwärmung und bei starrer Aufhängung bei vertikaler Härtung infolge Biegemomentbildung durch Eigengewicht oder Horizontalbewegung beim Härten. Dieser Verzug kann vermieden werden durch hängendes (vertikales) Vergüten der Rohre mit kardanischer Aufhängung, so dass kein Biegemoment in den Rohren am Aufhängeende im Fall von horizontaler Bewegung entstehen kann.
  • 3. Asymmetrische Umwandlungsspannungen
    Beim Härten der vorgebohrten Rohrrohlinge wird durch Wasser-Beaufschlagung sowohl die äußere Oberfläche wie auch die Bohrung möglichst gleichmäßig abgekühlt. Bei Erreichen der Martensit-Start-Temperatur von ca. 350 °C im Werkstoff beginnt das austenitische Gefüge sich in das martensitische Härtungsgefüge umzuwandeln. Bei verzugsarmer Härtung erfolgt die Umwandlung über den gesamten Umfang gleichmäßig von außen (Oberfläche) nach innen und von innen (Bohrung) nach außen bis sich die Umwandlungsfronten treffen und der gesamte Rohrquerschnitt gehärtet ist. Liegen im Bauteil herstellungsbedingt die Kernseigerungen asymmetrisch vor, so beginnen die von der Bohrung ausgehenden Umwandlungsvorgänge entsprechend den unterschiedlichen lokalen Analysenlagen zwangsläufig zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Dies führt zu einer asymmetrischen Verteilung der Umwandlungsspannungen über den Rohrquerschnitt und damit zum Härteverzug.
    • In der Praxis der Herstellung von Kanonenrohren hat sich gezeigt, dass zwar der Umwandlungsbeginn an der äußeren Oberfläche in Umfangsrichtung symmetrisch erfolgt, nicht aber im Bereich der Bohrung. Die Ursache dafür liegt primär in der Asymmetrie der Bohrung bezogen auf die Achse des Rohblockes, bzw. bezogen auf die Erstarrungssymmetrie des Blockes
    (Bild 1:
    Lage des Rohres in Bezug auf den Rohblockquerschnitt und dessen Seigerungssymmetrie
    • a) zentrische Lage mit geringem Verzug beim Hohlvergüten
    • b) exzentrische Lage mit größerem Verzug beim Hohlvergüten).
    Durch nicht vollständig zu vermeidenden ungleichmäßigen Materialfluss sowie Abmessungstoleranzen (Versatz) beim Schmieden ist eine Exzentrizität der Bohrung, bezogen auf die ehemalige Blockachse, nicht immer zu vermeiden. Damit entstehen auch seigerungsbedingt asymmetrische Analysenkonzentrationen an der Bohrungsoberfläche als Ursache für ungleichmäßige Umwandlungsspannungen im RohrInneren und damit Verzug.
    Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Ungenauigkeiten und damit verbundenen Fertigungsschwierigkeiten zu vermeiden, und zur Lösung dieser Aufgabe wird das im Patentanspruch angegebene Verfahren vorgeschlagen. Die Besonderheit ist dabei das Vergüten der Rohr-Rohlinge ohne Bohrung (Vergütetes Vollrohr). Der maximale Verzug der außen vorgedrehten Rohlinge blieb bei diesem Verfahren konstant unter 10 mm. Das vorhandene Aufmaß der vergüteten Rohlinge erlaubt es, anschließend die Bohrung so einzubringen, dass am Ende eine exakte Zentrizität mit Bezug auf die Lagerstellen erreicht wird. Das Einbringen der Bohrung erfolgt auf modernen Tieflochbohrmaschinen und erfordert bei üblichen Festigkeiten von < 1300 N/mm2 keinen wesentlich höheren Aufwand gegenüber den herkömmlichen Arbeitsschritten Vorbohren in geglühtem Zustand (Festigkeit < 1000 N/mm2) und Fertigbohren nach dem Vergüten. Das bisher nach dem Vergüten notwendige mechanische Richten entfällt.
    Zur Sicherstellung einer einwandfreien Durchvergütung und ausreichender mechanischer Gütewerte sollte eine sogenannte "fette" Analysenlage entsprechend des jeweiligen Vergütungsquerschnittes eingestellt werden und durch temperatur- und verformungskontrolliertes Schmieden ein feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge eingestellt werden. Die dabei zu erzielenden mechanischen Gütewerte sind gleichwertig zu den Werten einer Hohlvergütung.
    Die Herstellung von Panzerkanonen aus vollvergüteten, ungerichteten Rohren hat gezeigt, dass bei der weiteren Verwendung ein Maximum an Geradheit erreicht wird und die so gefertigten Rohre herkömmlich gerichteten Teilen qualitativ überlegen sind.
    Dies ist in Bild 2 veranschaulicht, wo der Mittelwert des Schlags, d.h. der Abweichung von einer geraden Linie, der im erfindungsgemäßen Verfahren vorgedrehten und vorgebohrten Rohlinge neben den Mittelwerten von nach zwei herkömmlichen Verfahren hergestellten Rohlingen gezeigt ist.

    Claims (3)

    1. Verfahren zur Herstellung von Rohren für schwere Geschütze im Kaliberbereich 105 mm und größer aus Vergütungsstahl, bestehend
      aus 0,20 - 0,50 Gew.% Kohlenstoff,
      max. 1,0 Gew.% Silizium,
      max. 1,0 Gew.% Mangan,
      max. 0,03 % Phosphor
      max. 0,03 % Schwefel
      max. 0,1 % Aluminium
      max. 2 % Chrom
      max. 4 % Nickel
      max. 1 % Molybdän,
      max. 0,5 % Vanadin,
      und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen, wobei Schmiedestücke aus offen erschmolzenem Blockguss außen vorgedreht werden und dadurch gekennzeichnet, dass die dadurch erhaltenen Rohlinge zunächst gehärtet und angelassen und anschließend gebohrt und dann fertig bearbeitet werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergütungsstahl der Zusammensetzung:
      0,30 - 0,40 % Kohlenstoff,
      0,15 - 0,35 % Silizium,
      0,40 - 0,70 % Mangan,
      max. 0,015 % Phosphor,
      max. 0,010 % Schwefel,
      max. 0,015 % Aluminium,
      1,0 - 1,40 % Chrom,
      0,35 - 0,60 % Molybdän,
      2,50 - 3,50 % Nickel,
      0,08 - 0,20 % Vanadin,
      und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen verwendet wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergütungsstahl der Zusammensetzung:
      0,30 - 0,35 % Kohlenstoff,
      0,15 - 0,20 % Silizium,
      0,60 - 0,70 % Mangan,
      max. 0,010 % Phosphor,
      max. 0,005 % Schwefel
      max. 0,015 % Aluminium
      1,20 - 1,35 % Chrom,
      3,30 - 3,50 % Nickel,
      0,45 - 0,55 % Molybdän,
      0,15 - 0,20 % Vanadin,
      max. 0,12 % Kupfer,
      max. 0,015 % Zinn,
      und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen verwendet wird.
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