EP2176434A1 - Fertigungsverfahren und stahl für schwere munitionshüllen - Google Patents

Fertigungsverfahren und stahl für schwere munitionshüllen

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EP2176434A1
EP2176434A1 EP08785062A EP08785062A EP2176434A1 EP 2176434 A1 EP2176434 A1 EP 2176434A1 EP 08785062 A EP08785062 A EP 08785062A EP 08785062 A EP08785062 A EP 08785062A EP 2176434 A1 EP2176434 A1 EP 2176434A1
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EP
European Patent Office
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steel
ammunition
plate
max
manufacturing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08785062A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Arrenbrecht
Walter Grimm
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Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Original Assignee
Rheinmetall Waffe Munition GmbH
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Publication date
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur
    • 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
    • C21D8/00—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • 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
    • C21D9/16—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for explosive shells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/38—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of manganese
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B5/00—Cartridge ammunition, e.g. separately-loaded propellant charges
    • F42B5/26—Cartridge cases
    • F42B5/28—Cartridge cases of metal, i.e. the cartridge-case tube is of metal

Definitions

  • the starting material for the production of heavy ammunition casings is round rolled or forged bar steel.
  • the casings are then made from this input material by machining operations.
  • a method for increasing the strength of tempering steel and use for producing a Suchzünder- submunition shell is disclosed in DE 39 18 700 C2.
  • the steel tempered here is 30CrNiMo8 tempered steel.
  • Conventional material for heavy ammunition shells is a tempering steel with largely isotropic material properties, in particular a 42CrMo4 or a 34CrMo4 steel, which are highly tempered, for example to tensile strength values above 1100 N / mm 2 .
  • the high strength should promote a low-deformation complex fracture structure when bursting. Practically, however, only a tough, plastic fracture structure arises under conventional conditions when a smooth ammunition casing bursts (FIG. 1a).
  • Brittle steels on the other hand, merely cause a bursting into a few main fractures (FIG. 1 b).
  • embrittling phases such as sulfur, bound as manganese sulfide, predominantly promotes the formation of longitudinally oriented fractures, without triggering the desired complex fracture behavior.
  • the invention has as its object to simplify this process and to show a steel which allows a simplification.
  • the object is achieved by the features of claim 1 and of claim 4.
  • Advantageous embodiments are shown in each of the subclaims.
  • the present invention is based on the idea of simplifying or thereby replacing the very complex production process by using a suitable, improved steel concept. It is a suitable steel material used, which combines the desired high-strength material properties in heavy ammunition shells with a complex, multi-part bursting behavior.
  • the proposal is to use a high-tempered steel with a transverse plate-like manganese sulphide phase, in particular the use of a manganese-chromium alloyed tempering steel with a transverse fiber structure.
  • Such a tempering steel is realized in that the steel plate, whose thickness is slightly larger than the production diameter of an ammunition shell, depending on the desired envelope size rolled as heavy plate or forged as a slab.
  • the steel used for this purpose has longitudinally oriented manganese sulphides.
  • the manganese sulfides are deformed in the longitudinal direction in addition to the main deformation in the transverse direction and finally take an elongated, plate-like shape.
  • the starting material is no longer taken from a round steel, but transverse to the deformation direction of the approximately rectangular steel plate, for example by sawing.
  • the square piece thus obtained is then turned round and machined in accordance with the drawing.
  • the plate-shaped manganese sulfides are arranged radially in high density. When bursting these manganese sulfides serve as natural breaking points and cause a four-part fracture behavior of the ammunition shell.
  • the ammunition casing produced by this manufacturing method has the desired many-part fracture behavior when bursting, without the need for further heat treatment or additional incorporation of predetermined break points, the bursting behavior of the ammunition casing corresponds to the desired multipartite fracture structure, which according to the prior art only could be brought about by predetermined breaking points. So can be dispensed with the introduction of predetermined breaking points.
  • FIG. 1 ac fracture behavior when bursting the ammunition shells according to the prior art
  • 1 d shows the fracture behavior when bursting the ammunition casing according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the position of the shell blanks in a steel plate and with reference to the direction of deformation of the manganese sulfides
  • Fig. 3 shows the radial arrangement of manganese sulfides in an ammunition shell in use.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the position of the shell blanks or preforms 1 in a steel plate 2. 3, the integrated manganese sulfides are characterized.
  • the steel plates 2, whose thickness is slightly larger than the production diameter of the shell 5, are rolled depending on the desired envelope size as a heavy plate or forged as a slab.
  • the width of the steel plates 2 corresponds to at least the length of an ammunition shell 5, preferably a multiple of these.
  • the fibers formed by Mangansulfidphasen obtained when using a pre-coated, slab-shaped starting body (steel plate 2) with high manganese sulfide content, from which now preforms 1 for the shell 5 are taken transversely to the deformation direction by sawing or the like.
  • the plate-shaped manganese sulfides 3 are arranged radially in high density (FIG. 3).
  • the embrittling sulfides are now located radially in the shell wall 4 and solve at bursting pressure in function of the ammunition shell 5 local bridge che, that is, when bursting the sulfides act as natural breaking points and cause a multipart fracture behavior of the ammunition shell 5 (Fig. 1d).
  • the steel to be tempered used is preferably produced with the following chemical composition:
  • molybdenum 0.15-0.25% molybdenum, as well as the balance of iron and unavoidable impurities.
  • Comparable steels have been used for some time under material no. 1.2312 for plastic molds (Stahl- Eisen- list, Verlag Stahl Eisen, Dusseldorf).
  • This manganese-chromium alloy steel or the steel plate 2 is preferably tempered directly after the forming to the desired strength, which is preferably in the range 900-1200 N / mm 2 .
  • the through-hardening of this manganese-chromium alloyed tempered steel is proven up to a plate thickness of approx. 400 mm and is therefore sufficient for all ammunition sizes.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Fertigungsverfahren für eine schwere Munitionshülle, bei welchem ein Stahl je nach gewünschter Hüllengröße als Grobblech gewalzt oder als Bramme geschmiedet wird. Dadurch entstehenden Stahlplatten (2), deren Dicke etwas größer als der Fertigungsdurchmesser einer Munitionshülle (5) ist. Der dafür verwendete Stahl hat längsorientierte Mangansulfide (3), welche durch die Umformung zur Stahlplatte (2) neben der Hauptumformung in Längsrichtung auch in Querrichtung verformt werden und eine längs gestreckte, plattenförmige Gestalt einnehmen. Das Vormaterial für die Hülle (5) wird quer zur Verformungsrichtung aus der in etwa rechteckigen Stahlplatte (2) entnommen. Das so erhaltene Vierkantstück wird anschließend rund gedreht und zeichnungskonform mechanisch bearbeitet.

Description

BESCHREIBUNG
Fertigungsverfahren und Stahl für schwere Munitionshüllen
Ausgangsprodukt für die Fertigung von schweren Munitionshüllen ist rund gewalzter oder geschmiedeter Stabstahl. Die Hüllen werden danach aus diesem Vormaterial durch spanabhebende Fertigungsgänge hergestellt.
Ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung von Vergütungsstahl und Verwendung zur Herstellung einer Suchzünder- Submunitionshülle wird mit der DE 39 18 700 C2 offenbart. Der hier vergütete Stahl ist der Vergütungsstahl 30CrNiMo8.
Herkömmlicher Werkstoff für schwere Munitionshüllen ist ein Vergütungsstahl mit weitgehend isotropen Werkstoffeigenschaften, wie insbesondere ein 42CrMo4- oder ein 34CrMo4- Stahl, die hoch vergütet werden, beispielsweise auf Zugfestigkeitswerte über 1100 N/mm2. Die hohe Festigkeit soll beim Bersten eine verformungsarme komplexe Bruchstruktur fördern. Praktisch entsteht jedoch unter herkömmlichen Bedingungen beim Zerbersten einer glatten Munitionshülle nur eine zähe, plastische Bruchstruktur (Fig. 1a).
Spröde Stähle hingegen bewirken lediglich ein Zerbersten in wenige Hauptbrüche (Fig. 1 b). Der Zusatz versprödender Phasen wie Schwefel, abgebunden als Mangansulfid, fördert ü- berwiegend die Entstehung längsorientierter Brüche, ohne dabei das gewünschte komplexe Bruchverhalten auszulösen.
Deshalb werden zur Realisierung des gewünschten spröden, vierteiligen Bruchverhaltens ergänzend und mit hohem Aufwand netzförmige Sollbruchstellen durch mechanischen Materialabtrag eingebracht (Fig. 1c). Dieser Fertigungsprozess ist sehr aufwändig.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diesen Prozess zu vereinfachen sowie einen Stahl aufzuzeigen, der eine Vereinfachung ermöglicht.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie des Patentanspruchs 4. Vorteilhafte Ausführungen sind jeweils in den Unteransprüchen aufgezeigt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, den sehr aufwändigen Fertigungspro- zess durch Verwendung eines geeigneten, verbesserten Stahlkonzepts zu vereinfachen bzw. dadurch zu ersetzen. Es wird ein geeigneter Stahlwerkstoff verwendet, der die gewünschten hochfesten Werkstoffeigenschaften bei schweren Munitionshüllen mit einem komplexen, vielteiligen Berstverhalten verbindet.
Vorgesehen ist die Verwendung eines hoch vergüteten Stahls mit quer liegender plattenför- miger Mangansulfidphase, insbesondere die Verwendung eines Mangan- Chrom legierten Vergütungsstahls mit quer liegender Faserstruktur.
Realisiert wird ein derartiger Vergütungsstahl dadurch, dass die Stahlplatte, deren Dicke etwas größer als der Fertigungsdurchmesser einer Munitionshülle ist, je nach gewünschter Hüllengröße als Grobblech gewalzt oder als Bramme geschmiedet wird. Der dafür verwendete Stahl hat längsorientierte Mangansulfide. Durch die Umformung zu einer Platte werden die Mangansulfide neben der Hauptumformung in Längsrichtung auch in Querrichtung verformt und nehmen schließlich eine längs gestreckte, plattenförmige Gestalt ein. Das Vormaterial wird nun nicht mehr einem runden Stahl entnommen, sondern quer zur Verformungsrichtung aus der in etwa rechteckigen Stahlplatte, beispielsweise durch sägen. Das so erhaltene Vierkantstück wird anschließend rund gedreht und zeichnungskonform mechanisch bearbeitet. Im Wandquerschnitt der Munitionshülle sind die plattenförmigen Mangansulfide in hoher Dichte radial angeordnet. Beim Bersten dienen diese Mangansulfide als natürliche Sollbruchstellen und bewirken ein vierteiliges Bruchverhalten der Munitionshülle.
Die nach diesem Fertigungsverfahren hergestellte Munitionshülle weist das gewünschte viel- teilige Bruchverhalten beim Bersten auf, ohne dass eine weitere Wärmebehandlung oder ein zusätzliches Einarbeiten von Soll- Bruchstellen erforderlich ist, das Berstverhalten der Munitionshülle entspricht der gewünschten vielteiligen Bruchstruktur, die nach dem Stand der Technik nur durch Sollbruchstellen herbeigeführt werden konnte. So kann auch auf das Einbringen von Sollbruchstellen verzichtet werden.
Anhand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 a-c Bruchverhalten beim Zerbersten der Munitionshüllen nach dem Stand der Technik, Fig. 1 d das Bruchverhalten beim Zerbersten der erfindungsgemäßen Munitionshülle,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Lage der Hüllenrohlinge in einer Stahlplatte und Bezug zur Verformungsrichtung der Mangansulfide,
Fig. 3 die radiale Anordnung der Mangansulfide in einer Munitionshülle bei Anwendung.
In Fig. 1 a - c ist das Bruchverhalten herkömmlich hergestellter Munitionshüllen dargestellt, auf welche bereits in der Beschreibungseinleitung Bezug genommen wurde.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Lage der Hüllenrohlinge bzw. Vorstücke 1 in einer Stahlplatte 2. Mit 3 sind die eingebundenen Mangansulfide gekennzeichnet.
Die Stahlplatten 2, deren Dicke etwas größer ist als der Fertigungsdurchmesser der Hülle 5, werden je nach gewünschter Hüllengröße als Grobblech gewalzt oder als Bramme geschmiedet. Die Breite der Stahlplatten 2 entspricht dabei mindestens der Länge einer Munitionshülle 5, vorzugsweise einem mehrfachen dieser. Durch die Umformung zu einer Platte 2 werden die Mangansulfide 3 neben der Hauptumformung in Längsrichtung auch in Querrichtung verformt und nehmen schließlich eine längs gestreckte, plattenförmige Gestalt ein. Die Stahlplatte 2 wird direkt nach der Warmumformung auf Einsatzfestigkeit vergütet. Der vorgeschlagene Stahl gewährleistet dabei eine ausreichende Durchvergütung über den gesamten Querschnitt. Der Stahl bzw. die Stahlplatte 2 hat längsorientierte Mangansulfide 3 in großer Dichte. Die durch Mangansulfidphasen gebildeten Fasern erhält man bei Verwendung eines vor vergüteten, brammenförmigen Ausgangskörper (Stahlplatte 2) mit hohem Mangansulfid- Anteil, aus welchem nun Vorstücke 1 für die Hülle 5 quer zur Verformungsrichtung durch Sägen oder dergleichen entnommen werden.
Aufgrund des hohen Schwefelgehaltes ist der Stahl 2 trotz hoher Festigkeit leicht zerspanbar. Das aus der Stahlplatte 2 heraus gelöste Vierkantstück 1 wird in einem weiteren Fertigungsgang rund gesägt und zeichnungskonform mechanisch bearbeitet, d. h., die Abschnitte werden durch Drehen und Bohren auf die Maße mechanisch bearbeitet.
Im Wandquerschnitt der Munitionshülle 5 sind die plattenförmigen Mangansulfide 3 in hoher Dichte radial angeordnet (Fig. 3). Die versprödend wirkenden Sulfide befinden sich nun radial in der Hüllenwand 4 und lösen bei Berstdruck in Funktion der Munitionshülle 5 lokale Brü- che aus, d. h., beim Bersten fungieren die Sulfide als natürliche Sollbruchstellen und bewirken ein vielteiliges Bruchverhalten der Munitionshülle 5 (Fig. 1d).
Der zur Verwendung kommende zu vergütende Stahl wird vorzugsweise mit folgender chemischer Zusammensetzung hergestellt:
0,30 bis 0,60 % Kohlenstoff max. 1 ,0% Silizium max. 2,0% Mangan max. 0,05% Phosphor
0,03 bis 0,25% Schwefel max. 2,0% Chrom max. 0,5% Molybdän sowie Rest aus Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Als bevorzugt innerhalb dieser Bereiche hat sich die nachfolgende Zusammensetzung gezeigt:
0,35 bis 0,45 % Kohlenstoff
0,30 bis 0,60% Silizium
1 ,40 bis 1 ,60% Mangan max. 0,035% Phosphor
0,05 bis 0,10% Schwefel
1 ,80 bis 2,10% Chrom
0,15 bis 0,25% Molybdän sowie Rest aus Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Vergleichbare Stähle werden seit längerer Zeit unter Werkstoff- Nr. 1.2312 für Kunststoffformen geführt (Stahl- Eisen- Liste, Verlag Stahl Eisen, Düsseldorf).
Dieser Mangan- Chrom legiert Stahl bzw. die Stahlplatte 2 wird vorzugsweise direkt nach dem Umformen auf die gewünschte Festigkeit vergütet, die vorzugsweise im Bereich 900 - 1200 N/mm2 liegt. Die Durchvergütung dieses Mangan- Chrom legierten Vergütungsstahls ist bis ca. 400 mm Plattendicke nachgewiesen und somit für alle Munitionsgrößen ausreichend.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Fertigungsverfahren zur Herstellung eines Stahls bzw. von Stahlplatten mit folgenden Schritten:
Stahlplatten (2) werden je nach gewünschter Größe als Grobblech gewalzt oder als Bramme geschmiedet, wobei
- durch die Umformung zu einer Platte (2) darin befindliche Mangansulfide (3) neben der Hauptumformung in Längsrichtung auch in Querrichtung verformt werden und eine längs gestreckte, plattenförmige Gestalt einnehmen.
2. Fertigungsverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl bzw. die Stahlplatte (2) vorzugsweise direkt nach dem Umformen auf die gewünschte Festigkeit vergütet wird.
3. Fertigungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit im Bereich von 900 - 1200 N/mm2 liegt.
4. Stahl für die Nutzung zur Fertigung einer schweren Munitionshülle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den Merkmalen:
- 0,30 bis 0,60 % Kohlenstoff max. 1 ,0% Silizium max. 2,0% Mangan
- max. 0,05% Phosphor
- 0,03 bis 0,25% Schwefel
- max. 2,0% Chrom max. 0,5% Molybdän sowie Rest aus Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
5. Stahl nach Anspruch 4, mit den Merkmalen:
- 0,35 bis 0,45 % Kohlenstoff
- 0,30 bis 0,60% Silizium
- 1 ,40 bis 1 ,60% Mangan
- max. 0,035% Phosphor
- 0,05 bis 0, 10% Schwefel - 1 ,80 bis 2,10% Chrom
- 0,15 bis 0,25% Molybdän
- sowie Rest aus Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
6. Munitionshülle (5), hergestellt nach dem Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 sowie einem Stahl nach einem der Ansprüche 4 oder 5, mit den Merkmalen:
- aus den Stahlplatten (2) werden Vorstücke (1) für die Hülle (5) quer zur Verformungsrichtung durch Sägen oder dergleichen entnommen, im Wandquerschnitt der Munitionshülle (5) sind plattenförmigen Mangansulfide (3) in hoher Dichte radial angeordnet, wobei die versprödend wirkenden Mangansulfide (3) sich radial in der Hüllenwand (4) befinden, durch die bei Berstdruck in Funktion der Munitionshülle (5) lokale Brüche ausgelöst werden.
7. Munitionshülle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der zu fertigenden Stahlplatten (2) etwas größer ist als der Fertigungsdurchmesser der Hülle (5) ist, wobei die Breite der Stahlplatten (2) dabei mindestens der Länge der Munitionshülle (5), vorzugsweise einem mehrfachen dieser, entspricht.
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