EP2392891B1 - Legierung für einen Penetrator sowie Verfahren zur Herstellung eines Penetrators aus einer solchen Legierung - Google Patents

Legierung für einen Penetrator sowie Verfahren zur Herstellung eines Penetrators aus einer solchen Legierung Download PDF

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EP2392891B1
EP2392891B1 EP11004441.9A EP11004441A EP2392891B1 EP 2392891 B1 EP2392891 B1 EP 2392891B1 EP 11004441 A EP11004441 A EP 11004441A EP 2392891 B1 EP2392891 B1 EP 2392891B1
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tungsten
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    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to an alloy for a penetrator and further to a method for producing a penetrator.
  • a balancing projectile mainly tungsten alloys
  • cobalt Another important component of such heavy metal alloys is cobalt, which improves the mechanical properties.
  • cobalt may be considered carcinogenic.
  • US 3,150,971 relates to a high-temperature tungsten alloy, in particular for the production of rocket engines and gas turbines.
  • An alloy containing 50 to 95 wt% tungsten, 5 to 50 wt% niobium and one or more additives is proposed.
  • US 3,988,118 relates to a tungsten alloy with an addition of molybdenum in a proportion of 0.5 to 25 wt .-%. Molybdenum is said to bring about an improvement in mechanical properties, especially for high temperature moldings and tools.
  • US 2,977,225 relates to a Woflramlegieung that is highly resistant to oxidation at high temperatures, which is to be used for rocket engines and gas turbines.
  • the alloy consists of at least 45 wt .-% tungsten, 5 to 45 wt .-% chromium, 0.5 to 12 wt .-% aluminum and up to 40 wt .-% of various additional metals.
  • EP 0 323 628 relates to a tungsten alloy containing 88 wt .-% to 98 wt .-% tungsten, iron and nickel, and 0.25 wt .-% to 1.5 wt .-% of a grain size reducing additive material.
  • the alloy should be suitable for improving the performance of penetrators.
  • an alloy according to claim 1 which contains 90 wt .-% to 99 wt .-% tungsten, 0.02 wt .-% to 0.2 wt .-% yttrium and nickel and iron.
  • the invention is based on the finding that yttrium acts as a getter material for possible impurities such as C, O, S or P and leads to a lower contiguity of the tungsten grains, which increases the deformability of the alloy.
  • the properties necessary for use as a penetrator are obtained without having to use cobalt.
  • nickel and iron are in the ratio of 6: 4 to 9: 1. This value has proven to be particularly advantageous for the mechanical properties.
  • a penetrator consisting of the alloy is provided according to claim 4.
  • a method according to claim 5 for producing a penetrant of such alloy in which the alloying components are bonded together in a sintering process comprising four steps, namely a first holding step, a second holding step, a liquid phase and a vacuum annealing phase.
  • the alloy is mechanically deformed after sintering, whereby a work hardening is caused. This leads to a higher mechanical strength.
  • the alloy is annealed after strain hardening. This increases the deformability of the penetrator.
  • the yttrium is supplied in the form of Y-Ni powder.
  • the first holding phase lasts at temperatures of 750 ° C to 800 ° C between 30 min. and 60 min. This hold time is needed for the oxygen reduction by the hydrogen, since the Y-Ni alloy shows a strong Eutiktikum and passes at about 800 ° C in the liquid phase.
  • the liquid phase preferably lasts at temperatures of 1450 ° C to 1600 ° C between 30 min. and 120 min ..
  • the vacuum annealing preferably takes place at temperatures of 1100 ° C to 1300 ° C between 120 min. and 240 min.
  • An alloy which is particularly suitable for producing a penetrator contains as alloy constituents tungsten, yttrium, nickel and iron.
  • the proportion of tungsten in a preferred embodiment is 94.9 wt .-%.
  • Nickel is present at 3.5 wt%, iron at 1.5 wt%, and yttrium at 0.1 wt%.
  • All ingredients are in powder form with yttrium added in the form of Y-Ni powder.
  • the particle sizes of the powder are each about 4.5 microns.
  • the various components are mixed together, the mixing process takes a maximum of one hour. Since the particle size corresponds approximately to the tungsten grain size, homogeneous mixing of the powders is ensured.
  • the alloy is shaped into round bodies and then sintered.
  • the sintering takes place in four steps.
  • the first step is a hold phase, which lasts about 30 minutes at about 800 ° C.
  • the first hold phase is followed by a second hold phase, which lasts about 30 minutes at about 1350 ° C.
  • This is followed by liquid phase sintering, which takes about 30 minutes at around 1530 ° C and takes place in a dry hydrogen atmosphere.
  • the last step closes Vacuum annealing, which takes about 2 hours at about 1250 ° C.
  • the effect of yttrium is that it pulls oxygen from the alloy during sintering, which results in less contiguity of the tungsten grains, which in turn results in increased elongation of the alloy.
  • the sintering is followed by a mechanical deformation of the alloy, which consists in a round hammer. This causes strain hardening of the alloy. After work hardening, the alloy is heated at temperatures of 750 ° C to 950 ° C for a period of about 30 minutes. started.
  • the density of the alloy thus obtained is 18.0 g / cm 3 .
  • the tensile strength (Rm) of the alloy was at least 1380 MPa and the yield strength (Rp 0.2) was at least 1320 MPa.
  • the elongation at break was at least 4%.
  • the attached micrographs show in white the tungsten grains embedded in the alloy of nickel, iron and yttrium. Furthermore, precipitated impurities (in dark color) can be recognized. These consist mainly of oxygen, which was drawn from the alloy under the action of yttrium.
  • the said composition is an example which has proven to be advantageous in practice. From these values, it is possible to deviate within the following limits:
  • the proportion of yttrium should not be below 0.02% by weight, since otherwise the effectiveness as getter material is not sufficiently guaranteed.
  • Nickel and iron should be present in a ratio of between 6: 4 and 9: 1. In view of a high specific gravity, the tungsten content should not be less than 90% by weight.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Legierung für einen Penetrator und weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Penetrators.
  • Es ist bekannt, als Material für einen Penetrator, also ein Wuchtgeschoss, hauptsächlich Wolfram-Legierungen zu verwenden, so dass sich aufgrund des hohen spezifischen Gewichts eine gute Durchschlagskraft ergibt. Ein weiterer wichtiger Bestandteil solcher Schwermetall-Legierungen ist Cobalt, das die mechanischen Eigenschaften verbessert. Allerdings gilt Cobalt evtl. als Krebserregend.
  • US 3,150,971 betrifft eine Hochtemperatur-Wolframlegierung, insbesondere zur Herstellung von Raketentriebwerke und Gasturbinen. Eine Legierung enthaltend 50 bis 95 Gew.-% Wolfram, 5 bis 50 Gew.-% Niobium und eine oder mehrere Zusatzstoffe wird vorgeschlagen.
  • US 3,988,118 betrifft eine Wolframlegierung mit einem Zusatz von Molybdän in einem Anteil von 0,5 bis 25 Gew.-%. Molybdän soll eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften herbeiführen, insbesondere für Hochtemperatur-Formteile und Werkzeuge.
  • US 2,977,225 betrifft eine Woflramlegieung, die gegenüber Oxydation hochresistent bei hohen Temperaturen ist, welche für Raketentriebwerke und Gasturbinen eingesetzt werden soll. Die Legierung besteht aus mindestens 45 Gew.-% Wolfram, 5 bis 45 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 12 Gew.-% Aluminium und bis 40 Gew.-% diverser Zusatzmetalle.
  • EP 0 323 628 betrifft eine Wolframlegierung enthaltend 88 Gew.-% bis 98 Gew.-% Wolfram, Eisen und Nickel, sowie 0,25 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% eines die Korngröße reduzierenden Zusatzmaterials. Die Legierung soll zur Verbesserung der Leistung von Penetratoren geeignet sein.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Legierung vorzuschlagen, die für Penetratoren geeignet ist, jedoch auch ohne den Zusatz von Cobalt gute mechanische Eigenschaften hat, insbesondere hinsichtlich der Verformbarkeit.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Legierung gemäß Anspruch 1 vorgesehen, die 90 Gew.-% bis 99 Gew.-% Wolfram, 0,02 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% Yttrium sowie Nickel und Eisen enthält. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Yttrium als Gettermaterial für mögliche Verunreinigungen wie C, O, S oder P wirkt und zu einer geringeren Kontiguität der Wolframkörner führt, wodurch sich die Verformbarkeit der Legierung erhöht. Somit werden die für eine Verwendung als Penetrator notwendigen Eigenschaften erhalten, ohne dass Cobalt verwendet werden muss.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Nickel und Eisen im Verhältnis von 6:4 bis 9:1 stehen. Dieser Wert hat sich als besonders vorteilhaft für die mechanischen Eigenschaften herausgestellt.
  • Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen keine sonstigen Bestandteile außer Wolfram, Yttrium, Eisen und Nickel vorhanden sind.
  • Ein Penetrator bestehend aus der Legierung ist gemäß Anspruch 4 vorgesehen.
  • Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren gemäß Anspruch 5 zur Herstellung eines Penetrators aus solchen Legierung vorgesehen, bei dem die Legierungsbestandteile in einem Sinterverfahren miteinander verbunden werden, das vier Schritte enthält, nämlich einen ersten Halteschritt, einen zweiten Halteschritt, eine Flüssigphase und eine Vakuum-Glühphase. Dies ermöglicht, die Legierung mittels eines bewährten Verfahrens herzustellen.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Legierung nach dem Sintern mechanisch umgeformt wird, wodurch eine Kaltverfestigung hervorgerufen wird. Dies führt zu einer höheren mechanischen Festigkeit.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die Legierung nach dem Kaltverfestigen angelassen wird. Dies erhöht die Verformbarkeit des Penetrators.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Yttrium in der Form von Y-Ni-Pulver zugeführt wird.
  • Vorzugsweise dauert die erste Haltephase bei Temperaturen von 750°C bis 800°C zwischen 30 min. und 60 min. Diese Haltezeit wird zur Sauerstoffreduktion durch den Wasserstoff benötigt, da die Y-Ni-Legierung ein starkes Eutiktikum zeigt und bei etwa 800°C in die Flüssigphase übergeht.
  • Für die zweite Haltephase hat sich herausgestellt, dass sie vorzugsweise bei Temperaturen von 1150°C bis 1400°C zwischen 30 min. und 60 min. dauert.
  • Die Flüssigphase dauert vorzugsweise bei Temperaturen von 1450°C bis 1600°C zwischen 30 min. und 120 min..
  • Das Vakuum-Glühen dauert vorzugsweise bei Temperaturen von 1100°C bis 1300°C zwischen 120 min. und 240 min.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
    • Figur 1 ein erstes Schliffbild einer erfindungsgemäßen Legierung; und
    • Figur 2 ein zweites Schliffbild einer erfindungsgemäßen Legierung.
  • Eine Legierung, die insbesondere zur Herstellung eines Penetrators geeignet ist, enthält als Legierungsbestandteile Wolfram, Yttrium, Nickel und Eisen. Der Anteil des Wolfram beträgt bei einer bevorzugten Ausführungsform 94,9 Gew.-%. Nickel ist mit einem Anteil an 3,5 Gew.-% vorhanden, Eisen mit einem Anteil von 1,5 Gew.-%, und Yttrium mit einem Anteil von 0,1 Gew.-%. Alle Bestandteile liegen in Pulverform vor, wobei Yttrium in Form von Y-Ni-Pulver zugegeben wird. Die Partikelgrößen des Pulvers betragen jeweils rund 4,5 µm. Die verschiedenen Bestandteile werden miteinander gemischt, wobei der Mischvorgang maximal eines Stunde dauert. Da die Partikelgröße etwa der Wolframkorngröße entspricht, ist eine homogene Vermischung der Pulver gewährleistet. Nach dem Mischen wird die Legierung in die Form von Rundkörpern gebracht und anschließend gesintert.
  • Das Sintern erfolgt in vier Schritten. Der erste Schritt ist eine Haltphase, die bei etwa 800°C rund 30 min dauert.. An die erste Haltephase schließt sich eine zweite Haltephase an, die bei etwa 1350°C rund 30 min dauert. Darauf folgt das Flüssigphasensintern, das bei rund 1530°C etwa 30 min dauert und in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre stattfindet. Als letzter Schritt schließt sich ein Vakuum-Glühen an, das bei etwa 1250°C rund 2 h dauert. Die Wirkung des Yttriums besteht darin, dass es beim Sintern den Sauerstoff aus der Legierung zieht, wodurch eine geringere Kontiguität der Wolframkörner erreicht wird, was wiederum eine erhöhte Dehnung der Legierung nach sich zieht.
  • An das Sintern schließt sich eine mechanische Umformung der Legierung an, die in einem Rundhämmern besteht. Dadurch wird eine Kaltverfestigung der Legierung bewirkt. Nach dem Kaltverfestigen wird die Legierung bei Temperaturen von 750°C bis 950°C für eine Dauer von rund 30 min. angelassen.
  • Die Dichte der auf diese Weise erhaltenen Legierung beträgt 18,0 g/cm3. Bei Raumtemperatur und einer Belastungsgeschwindigkeit von 5 mm/min ergab sich eine Zugfestigkeit (Rm) der Legierung von mindestens 1380 MPa und die Dehngrenze (Rp 0,2) von mindestens 1320 MPa. Die Bruchdehnung betrug mindestens 4 %.
  • In den beigefügten Schliffbildern sind in weiß die Wolframkörner zu sehen, die in die Legierung aus Nickel, Eisen und Yttrium eingebettet sind. Weiterhin sind ausgeschiedene Verunreinigungen (in dunkler Farbe) zu erkennen. Diese bestehen größtenteils aus Sauerstoff, der unter der Wirkung des Yttriums aus der Legierung gezogen wurde.
  • Die genannte Zusammensetzung ist ein Beispiel, das sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen hat. Von diesen Werten kann innerhalb der folgenden Grenzen abgewichen werden: Der Anteil des Yttriums sollte nicht unterhalb von 0,02 Gew.-% liegen, da ansonsten die Wirksamkeit als Gettermaterial nicht ausreichend gewährleistet ist. Nickel und Eisen sollten in einem Verhältnis zueinander vorhanden sein, das zwischen 6:4 und 9:1 liegt. Im Hinblick auf ein hohes spezifisches Gewicht sollte der Wolfram-Anteil nicht unter 90 Gew.-% liegen.

Claims (12)

  1. Legierung für einen Penetrator, enthaltend 90 Gew.-% bis 99 Gew.-% Wolfram, 0,02 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% Yttrium sowie Nickel und Eisen, wobei bei Raumtemperatur und einer Beiastungsgeschwindigkeit von 5 mm/min, die Legierung eine Zugfestigkeit (Rm) von mindestens 1380 MPa, eine Dehngrenze (Rp0,2) von mindestens 1320 MPa und eine Bruchdehnung von mindestens 4 % besitzt.
  2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Nickel und Eisen im Verhältnis von 6:4 bis 9:1 stehen.
  3. Legierung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen keine sonstigen Bestandteile vorhanden sind.
  4. Penetrator, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche besteht.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Penetrators aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsbestandteile in einem Sinterverfahren miteinander verbunden werden, das vier Schritte enthält, nämlich eine ersten Halteschritt, einen zweiten Halteschritt, eine Flüssigphase und eine Vakuum-Glühphase, wobei nach dem Sinterverfahren die Legierung mechanisch umgeformt wird, wodurch eine Kaltverfestigung hervorgerufen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nach dem Kaltverfestigen angelassen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass unter einer trockenen Wasserstoffatmosphäre gesintert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Haltephase bei Temperaturen von 750°C bis 800°C zwischen 30 min. und 60 min. dauert.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haltephase bei Temperaturen von 1150°C bis 1400°C zwischen 30 min. und 60 min. dauert.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigphase bei Temperaturen von 1450°C bis 1600°C zwischen 30 min. und 120 min. dauert.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum-Glühen bei Temperaturen von 1100°C bis 1300°C zwischen 120 min. und 240 min. dauert.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Yttrium in der Form von Y-Ni-Pulver zugeführt wird.
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