EP1715080A1 - Waffenrohr und Verfahren zur Beschichtung der inneren Oberfläche des Waffenrohres - Google Patents

Waffenrohr und Verfahren zur Beschichtung der inneren Oberfläche des Waffenrohres Download PDF

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EP1715080A1
EP1715080A1 EP06006655A EP06006655A EP1715080A1 EP 1715080 A1 EP1715080 A1 EP 1715080A1 EP 06006655 A EP06006655 A EP 06006655A EP 06006655 A EP06006655 A EP 06006655A EP 1715080 A1 EP1715080 A1 EP 1715080A1
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • 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
    • F41A21/22—Barrels which have undergone surface treatment, e.g. phosphating

Definitions

  • the invention relates to a weapon barrel, which is provided on its inner surface at least in a partial area with a protective layer.
  • the invention further relates to a method for coating the inner surface of the weapon barrel.
  • the invention has for its object to provide a weapon barrel, which is provided with a protective layer that is easy and inexpensive to apply, and does not dissolve even at high stress of the gun barrel from the base material of the gun barrel. Furthermore, a method for coating the inner surface of the gun barrel is to be disclosed with a protective layer.
  • the invention is based essentially on the idea of applying a protective layer to the inside of the weapon barrel by cold gas spraying.
  • all known refractory metals and their mixtures as well as ceramic materials can be used as a layer material.
  • the bonding of the coating material to the base material of the weapon barrel is effected by the high kinetic energy of the particles accelerated to supersonic velocity when hitting the base material. Similar to explosive plating, locally high pressures and strain rates occur. This creates, without thermal melting, a dense, firmly adhering protective layer of refractory material.
  • the invention has the great advantage that a firmly adhering erosion control layer can be produced in the weapon tubes without heat influence zones being formed or oxidation of the coating material occurring.
  • the respective coating material should have a sufficiently high ductility.
  • protective layers of tantalum have proven to be excellent, while protective layers of the relatively brittle molybdenum have appeared less suitable.
  • niobium, vandium or tungsten are available here.
  • the figure shows the longitudinal section of a part of a designated gun barrel of a tank gun.
  • the weapon barrel 1 is provided on its inner surface 2 in a portion 3 with a protective layer 4, for example of tantalum.
  • a recess 5 is made in the subregion 3 of the weapon barrel 1.
  • the protective layer 4 is then applied according to the invention by cold gas spraying.
  • a device 6 is inserted with a Laval nozzle 7 by means of a traversing device 15 in the interior 8 of the gun barrel 1.
  • the device 6 is connected via a first line 9 to a gas source 10.
  • the corresponding pressurized gas e.g., nitrogen
  • the coating material is supplied from a container 11 via a second line 12 of the device 6 as a powder and injected in front of the Laval nozzle 7 in the gas jet and accelerated by this to the inner surface 2 of the gun barrel 1 out.
  • Preferred particle velocity should be around 600 m / s.
  • gases in addition to nitrogen, bromine or helium at about 200 ° C can be used.
  • a planar coating of the inner surface 2 of the weapon barrel 1 in the portion 3 is achieved in that the device 6 and the weapon barrel 1 relative to each other perform a spiral movement.
  • the device 6 by means of the shuttle 15 both an axial and a rotational movement carry out.
  • the device 6 can also be displaced only axially by the traversing device 15 and the weapon barrel 1 can be rotated about its core axis 13 by a drive, not shown.
  • the layer thickness of the protective layer 4 to be applied initially to the inner surface 2 of the weapon barrel 1 must therefore be greater than the corresponding layer thickness of the protective layer 4 in the finished weapon barrel 1.
  • the layer thickness can be between 100 ⁇ m to 2 mm.
  • the size of the particles of the respective coating material can be about 25 microns.
  • the invention is not limited to the embodiment described above.
  • the application of the protective layer can extend both to partial areas and over the entire tube length.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Waffenrohr, das auf seiner inneren Oberfläche (2) mindestens in einem Teilbereich (3) mit einer Schutzschicht (4) versehen ist, sowie ein Verfahren zur Beschichtung der inneren Oberfläche des Waffenrohres.
Um zu erreichen, daß die Schutzschicht (4) auf einfache und kostengünstige Weise aufbringbar ist und sich auch bei hoher Beanspruchung des Waffenrohres (1) nicht von dem Grundwerkstoff des Waffenrohres löst, schlägt die Erfindung vor, die Schutzschicht (4) durch Kaltgasspritzen eines Refraktärmetalles auf die innere Oberfläche (2) des Waffenrohres (1) aufzubringen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Waffenrohr, das auf seiner inneren Oberfläche mindestens in einem Teilbereich mit einer Schutzschicht versehen ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Beschichtung der inneren Oberfläche des Waffenrohres.
  • Um eine längere Lebensdauer der in der Regel aus Stahl bestehenden Waffenrohre zu erhalten, ist es bekannt, die innere Oberfläche des jeweiligen Waffenrohres mit einer Schutzschicht aus z.B. galvanisch abgeschiedenem Hartchrom zu versehen. Es hat sich allerdings gezeigt, daß insbesondere beim Verschießen leistungsgesteigerter Munition die relativ spröde Hartchromschicht sich partiell von dem Waffenrohr ablösen kann. Dadurch ist der Grundwerkstoff des Waffenrohres in diesen Bereichen bei Schußabgabe den heißen Verbrennungsgasen direkt ausgesetzt und es tritt dort ein starker Erosionsverschleiß des Grundwerkstoffes auf.
  • Aus der DE 199 19 688 A1 und der DE 102 43 314 A1 ist es bekannt, hochschmelzende Schichtwerkstoffe auf die innere Oberfläche des Waffenrohres durch Auftragsschweißen aufzubringen. Als nachteilig hat sich bei diesen Waffenrohren erwiesen, daß bei dem Auftragsschweißen der Grundwerkstoff des Waffenrohres stark erwärmt und damit negativ beeinflußt wird.
  • Ferner ist aus der DE 199 26 246 A1 ein Waffenrohr bekannt, bei dem eine Schutzschicht durch Sprengplattieren auf die innere Oberfläche des Waffenrohres aufgebracht wird. Hierzu ist allerdings ein erheblicher verfahrensbedingter Aufwand erforderlich, um die beim Plattieren auftretenden Kräfte im Rohr aufzufangen. Außerdem treten häufig Bereiche mit einer schlechten Bindung zwischen Schutzschicht und Grundwerkstoff auf, so daß die Beschichtung in diesen Bereichen bei Schußabgabe abplatzen kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Waffenrohr anzugeben, welches mit einer Schutzschicht versehen ist, die einfach und kostengünstig aufbringbar ist, und die sich auch bei hoher Beanspruchung des Waffenrohres nicht von dem Grundwerkstoff des Waffenrohres löst. Ferner soll ein Verfahren zur Beschichtung der inneren Oberfläche des Waffenrohres mit einer Schutzschicht offenbart werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Waffenrohres durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
  • Die Erfindung beruht im wesentlichen auf dem Gedanken, durch Kaltgasspritzen eine Schutzschicht auf die Innenseite des Waffenrohres aufzubringen. Hierzu können alle bekannten Refraktärmetalle und deren Mischungen sowie keramische Werkstoffe als Schichtwerkstoff eingesetzt werden. Die Anbindung des Schichtwerkstoffes an den Grundwerkstoff des Waffenrohres erfolgt durch die hohe kinetische Energie der auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigten Teilchen beim Auftreffen auf das Grundmaterial. Ähnlich wie bei dem Sprengplattieren treten lokal hohe Drücke und Umformungsgeschwindigkeiten auf. Hierdurch entsteht, ohne thermisches Aufschmelzen, eine dichte, fest haftende Schutzschicht aus hochschmelzendem Material.
  • Die Erfindung weist also den großen Vorteil auf, daß eine fest haftende Erosionsschutzschicht in den Waffenrohren erzeugt werden kann, ohne daß Wärmeeinflußzonen gebildet werden oder eine Oxidation des Beschichtungswerkstoffes auftritt.
  • Außerdem besteht die Möglichkeit, durch Mischen unterschiedlicher Metallpulver Schutzschichten aus sogenannten Pseudolegierungen herzustellen. Hierbei handelt es sich um Metallmischungen, welche auf schmelzmetallurgischem Weg nicht herstellbar sind, weil die entsprechenden Metalle im schmelzflüssigen Zustand nicht mischbar sind, oder es zu unerwünschten Reaktionen wie Phasenausscheidung oder Versprödung kommt.
  • Ferner haben Versuche gezeigt, daß der jeweilige Beschichtungswerkstoff eine ausreichend hohe Duktilität besitzen sollte. So haben sich Schutzschichten aus Tantal als hervorragend erwiesen, während Schutzschichten aus dem relativ spröden Molybdän weniger geeignet erschienen. Auch Niob, Vandium oder Wolfram bieten sich hier an.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden Ausführungsbeispiel, welches anhand einer Figur erläutert wird.
  • Die Figur zeigt den Längsschnitt eines Teiles eines mit 1 bezeichneten Waffenrohres einer Panzerkanone. Das Waffenrohr 1 ist auf seiner inneren Oberfläche 2 in einem Teilbereich 3 mit einer Schutzschicht 4, beispielsweise aus Tantal, versehen.
  • Vor Durchführung der Beschichtung wird in den Teilbereich 3 des Waffenrohres 1 eine Ausnehmung 5 eingebracht. In diese Ausnehmung 5 wird anschließend die Schutzschicht 4 erfindungsgemäß durch Kaltgasspritzen aufgebracht. Hierzu wird eine Vorrichtung 6 mit einer Laval-Düse 7 mittels einer Verfahreinrichtung 15 in den Innenraum 8 des Waffenrohres 1 eingeschoben. Die Vorrichtung 6 ist dabei über eine erste Leitung 9 mit einer Gasquelle 10 verbunden. Das entsprechende unter Druck austretende Gas (z.B. Stickstoff) wird in der Laval-Düse 7 auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Der Beschichtungswerkstoff wird aus einem Behälter 11 über eine zweite Leitung 12 der Vorrichtung 6 als Pulver zugeführt und vor der Laval-Düse 7 in den Gasstrahl injiziert und durch diesen zur inneren Oberfläche 2 des Waffenrohres 1 hin beschleunigt. Bevorzugte Partikelgeschwindigkeit sollte rund 600 m/s betragen. Als Gase können neben Stickstoff auch Brom oder Helium bei ca. 200 °C verwendet werden.
  • Eine flächige Beschichtung der inneren Oberfläche 2 des Waffenrohres 1 in dem Teilbereich 3 wird dadurch erreicht, daß die Vorrichtung 6 und das Waffenrohr 1 relativ zueinander eine spiralförmige Bewegung ausführen. Hierzu kann beispielsweise die Vorrichtung 6 mit Hilfe der Verfahreinrichtung 15 sowohl eine axiale als auch eine rotatorische Bewegung durchführen. Ferner kann die Vorrichtung 6 durch die Verfahreinrichtung 15 auch nur axial verschoben und das Waffenrohr 1 durch einen nicht dargestellten Antrieb um seine Seelenachse 13 gedreht werden.
  • Nach dem Aufbringen der Schutzschicht 4 erfolgt eine mechanische Nachbearbeitung der Oberfläche 14 der Schutzschicht 4, da die Schutzschicht 4 eine relativ rauhe Oberfläche aufweist. Die zunächst auf die innere Oberfläche 2 des Waffenrohres 1 aufzutragende Schichtdicke der Schutzschicht 4 muß daher größer sein, als die entsprechende Schichtdicke der Schutzschicht 4 bei dem fertigen Waffenrohr 1. Die Schichtdicke kann zwischen 100 µm bis 2 mm liegen. Die Größe der Partikel des jeweiligen Beschichtwerkstoffes kann ca. 25 µm betragen.
  • Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann sich das Aufbringen der Schutzschicht sowohl auf Teilbereiche als auch über die gesamte Rohrlänge erstrecken.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Waffenrohr
    2
    innere Oberfläche
    3
    Teilbereich
    4
    Schutzschicht
    5
    Ausnehmung
    6
    Vorrichtung
    7
    Laval-Düse
    8
    Innenraum
    9
    erste Leitung
    10
    Gasquelle
    11
    Behälter
    12
    zweite Leitung
    13
    Seelenachse
    14
    Oberfläche
    15
    Verfahreinrichtung

Claims (4)

  1. Waffenrohr, das auf seiner inneren Oberfläche (2) mindestens in einem Teilbereich (3) mit einer Schutzschicht (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Schutzschicht (4) um eine durch Kaltgasspritzen hergestellte Beschichtung handelt.
  2. Waffenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (4) aus einem Refraktärmetall, einer Mischung aus unterschiedlichen Refraktärmetallen oder einem keramischen Werkstoff besteht.
  3. Waffenrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Waffenrohr (1) mindestens auf seiner der Schutzschicht (4) zugewandten Seite aus Stahl und die Schutzschicht (4) aus Tantal besteht.
  4. Verfahren zur Beschichtung mindestens eines Teilbereiches der inneren Oberfläche eines Waffenrohres, insbesondere mit einem Beschichtungswerkstoff zur Vermeidung von Erosionen, mit den Merkmalen:
    a) der Beschichtungswerkstoff wird durch Kaltgasspritzen auf die innere Oberfläche des Waffenrohres aufgebracht;
    b) hierzu wird in dem Innenraum des Waffenrohres eine Vorrichtung mit einer Laval-Düse angeordnet, welche ein Gas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, wobei der Beschichtungswerkstoff als Pulver vor der Düse in den Gasstrahl injiziert und mit diesem auf die innere Oberfläche des Waffenrohres hin beschleunigt wird;
    c) die Vorrichtung wird relativ zum Waffenrohr bewegt, so daß sich eine flächige Beschichtung der inneren Oberfläche mit dem Beschichtungswerkstoff ergibt.
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