DE3729780A1

DE3729780A1 - Verfahren zur steigerung der eindringleistung von p-ladungen durch optimierung des werkstoffes der einlage

Info

Publication number: DE3729780A1
Application number: DE19873729780
Authority: DE
Inventors: Eva Dr Poeschel; Heinrich Dr Winter; Karl-Heinz Dr Gruenthaler; Manfred Dr Schildknecht
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1987-09-05
Filing date: 1987-09-05
Publication date: 1993-05-19
Also published as: FR2686969A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Steigerung der Eindringleistung von projektilbildenden Ladungen (P-Ladungen). P-Ladungen sind Sprengladungsanordnungen, bei denen durch die Detonation des Sprengstoffes aus einer metallischen Belegung ein zusammenhängendes Projektil hoher kinetischer Energie ge bildet wird. Der derzeitige Stand der Technik ist in der Ver öffentlichung "Projektilbildende Ladungen" von Gustav Adolf Schröder, Ulrich Hornemann und Klaus Weimann im Jahrbuch der Wehrtechnik 16, Bernard & Graefe Verlag, Koblenz, 1986, be schrieben. Die Sprengladung besteht im allgemeinen aus einem zylindrisch geformten Sprengstoff 1 mit einer zur Zy linderachse senkrechten Abschußfläche, in die zentral die Zündkapsel 2 eingesetzt ist. Die dem Ziel zugewandte Seite wird von der Metallbelegung begrenzt, die bei projektil bildenden Ladungen die Form eines Flachkegels mit einem Spi tzenwinkel von mehr als 140°C oder der Form einer Kalotte 3 aufweist. Die Geschwindigkeit des gebildeten Projektils ist im wesentlichen vom Verhältnis der Masse des Belegungs elementes zur Masse der hinter dem Element anstehenden Spreng stoffmenge abhängig und wird näherungsweise durch die Gurney- Formel beschrieben V₁= A/√.

A ist eine die spezifische Energie des Sprengstoffs charakte risierende Größe, während K die Ladungskonfiguration berück sichtigt. µ ist die Masse des Bewegungselementes.

Nach dieser Formel wird die Geschwindigkeit des Projektils um so höher, je dünner die Belegung ist.

Auf der anderen Seite ist jedoch zu bedenken, daß die Wirkung eines so gebildeten Projektils im Ziel von der kinetischen Energie V² abhängt. Da die Optimierungsmöglich keiten von Ladungskonfiguration und Form der Einlage in zwischen weitgehend ausgeschöpft ist, bleibt für die Erhöhung der Wirkung im Ziel vor allem die Möglichkeit, Material höherer Dichte als Einlage zu verwenden und damit das V² zu erhöhen. In der deutschen Patentschrift 29 13 103 wird dement sprechend eine Einlage beschrieben, die aus einer Legierung besteht, die mindestens 20% Tantal enthält und eine Dichte aufweist, die größer ist als diejenige des Kupfers. Ziel der hier beschriebenen Erfindung ist die Steigerung der Eindring leistung von den Projektilen durch eine Anhebung der Dichte des für die Einlage eingesetzten Werkstoffes, bei möglichst hoher Duktilität sowie guter Festigkeit im Temperaturbereich bis ca. 500°C.

Bei der Auswahl geeigneter Metalle hoher Dichte von mehr als etwa 19 g/cm³ kommen die Edelmetalle aus Preisgründen nicht in Betracht; sieht man von der Verwendung von abgereichertem Uran ab, so bleibt nur das Wolfram übrig. Bei reinem Wolfram ist jedoch die geringe Duktilität bei Raumtemperatur ein Problem. Auf fehlende Duktilität ist es wahrscheinlich zurückzuführen, daß die in der oben genannten Patentschrift erwähnten Versuche mit einer wolframhaltigen Einlage keine Verbesserung der Eindringtiefe gegenüber Kupfereinlagen aufwiesen.

Gegenstand der Erfindung ist daher die Entwicklung eines für die Herstellung von Einlagen in P-Ladungen geeigneten duktilen und festen Werkstoffes auf der Basis von Wolfram mit einer Dichte von mehr als 14 g/cm³. Erfindungs gemäß wird das Problem durch die Herstellung eines Verbund werkstoffes auf der Basis von Wolfram gelöst. Die Erfindung nach Anspruch 1 beruht auf der Beobachtung, daß dünne Wolfram folien gemäß Anspruch 2 oder dünne Wolframdrähte gemäß Anspruch 5 gegenüber kompakteren Wolframkörpern eine für den Verwendungszweck hinreichende Duktilität aufweisen. Er findungsgemäß wird der Verbund der Folien oder Drähte zu Form stücken hinreichender Wandstärke gemäß den Ansprüchen 2, 3, 4 und 8 durch Zwischenschichten aus duktilen Metallen z. B. auf der Basis von Kobalt oder Nickel hergestellt.

Diese Bindemetalle können entweder in Form von Folien zwischen die Wolframfolien oder Netze gelegt werden oder nach einem der üblichen Beschichtungsverfahren auf die Oberfläche des Wolf rams aufgebracht werden. Der endgültige Verbundwerkstoff ent steht dann aus Verdichten unter hohem Druck der so herge stellten Pakete.

Weiterhin können auch Wolframkörner gemäß Anspruch 10 in eine Matrix aus einem duktilen Metall eingelagert werden, wobei allerdings eine kritische Korngröße von 50 µ nicht über schritten werden sollte. Die Wolframkörner können zunächst mit einer Schicht des Bindemetalls umhüllt und dann unter Druck zu dichten Formkörpern verarbeitet werden. Ein anderer Her stellungsweg für den Verbundwerkstoff besteht darin, Wolfram pulver und Pulver des Bindemetalls zu mischen und diese Mischung dann zu verpressen.

Schließlich kann der Verbundwerkstoff auf der Basis von Granu laten hergestellt werden, bei denen infolge des Herstellungs verfahrens die Legierungselemente bereits in jedem Granulat kern in feindisperser Mischung vorliegen. Als Ausgangsstoffe für die Herstellung der Granulate eignen sich Wolframate des Bindemetalls oder Mischungen von Ammoniummetawolframat und einem Salz des Bindemetalles z. B. NiSO₄. Beispiel 5 be schreibt, wie aus diesen Ausgangssubstanzen Legierungen her gestellt werden, bei denen die Korngröße der Teilchen von Wolfram und Bindemetalle auf Werte von unter 1 µm reduziert werden kann.

Im folgenden werden die Verfahren zur Herstellung von Ein lagen für P-Ladungen aus diesen duktilen Verbundwerkstoffen auf der Basis von Wolfram anhand von Beispielen näher be schrieben.

Beispiel 1

Duktile Wolframfolien mit einer Dicke von 25 bis 200 µm wurden auf galvanischen Wege, etwa in einem Watt′schen Bad, mit Nickel in einer Dicke von 2,5 bis 80 µm überzogen; aus diesen Folien wurden Ronden mit einem Durchmesser von etwa 100 mm ausgestanzt. Zur Herstellung einer Schale für eine P-Ladung von etwa 6 mm Dicke wurden dann ca. 150 Folien mit einer Dicke von ca. 40 µm, entsprechend einer Wolframfolie einer Dicke von 30 µm mit einem beidseitigen Nickelüberzug von 5 µm Dicke, übereinander gestapelt und kalt mit einem Druck von 2 bis 3 kbar vorgepreßt; dieses Paket wurde in einen evakuierten Stahlblechbehälter eingebracht und heißisostatisch bei Tempe raturen bis 1000°C unter einem Druck bis zu 2 kbar zu einer völlig dichten, kreisförmigen ebenen Platte gepreßt. Diese Platte wurde im Anschuß daran im Gesenk und/oder durch Fließ drücken zu einer schalenförmigen Einlage umgeformt.

Beispiel 2

Duktile Wolframdrähte mit einem Durchmesser von 15 bis 100 µm wurden zu einem engen Netz gewebt. Aus diesem Wolframdrahtnetz wurden Ronden mit einem Durchmesser von etwa 100 mm gestanzt; beim Übereinanderstapeln wurde auf jede Wolframdrahtnetzronde eine Ronde aus Nickelfolie einer Stärke von 2,5 bis 40 µm eingelegt. Zur Erzielung eines besonders dichten Gefüges erwies es sich als Vorteil, das Wolframdrahtnetz vor dem Ausstanzen der Ronden zu walzen. Zur Herstellung einer Schale für eine P-Ladung von etwa 6 mm Dicke wurden dann ca. 200 Wolframdrahtnetzronden mit einer Wolframdrahtstärke von ca. 25 µm und ca. 200 Ronden einer Nickelfolie mit einer Dicke von etwa 15 µm übereinandergestapelt und kalt unter einem Druck von 2 bis 3 kbar vorgepreßt; das resultierende Paket wurde in einen evakuierten Stahlblechbehälter eingebracht und heiß isostatisch bei Temperaturen bis 1000°C unter einem Druck bis zu 2 kbar zu einer dichten, kreisförmigen ebenen Platte gepreßt. Diese Platte wurde im Anschuß daran im Gesenk und/oder durch Fließdrücken zu einer schalenförmigen Einlage umgeformt.

Beispiel 3

Duktile Wolframdrähte mit einem Durchmesser von 15 bis 100 wurden zu einem enggewebten Netz verarbeitet. Aus diesem Wolf ramdrahtnetz wurden Ronden von etwa 100 mm Durchmesser gestanzt. Diese Ronden wurden in einen aus Wolframpulver und einem organischen Lösungsmittel hergestellten Schlicker getaucht und getrocknet. Zur Herstellung einer schalenförmigen Einlage von etwa 6 mm Wandstärke wurden dann etwa 150 Ronden (bei einem Wolframdrahtdurchmesser von etwa 300 µm) über einandergestapelt und kalt unter einem Druck von etwa 3 kbar vorgepreßt. Das resultierende Paket wurde in einen evakuierten Stahlblechbehälter eingebracht und bei Temperaturen bis 1000°C unter einem Druck von bis zu 2 kbar zu einer dichten, kreis förmigen ebenen Platte gepreßt. Diese Platte wurde im Anschluß daran im Gesenk und/oder durch Fließdrücken zu einer schalen förmigen Einlage umgeformt.

Beispiel 4

Feinkörniges (Korngröße 10 µm) Wolframpulver (90 Gew.-%) wurde mit Kupferpulver (7 Gew.-%) und Nickelpulver (3 Gew.-%) vermengt und unter einem Druck von ca. 2 bis 5 kbar zu Scheiben einer Dicke von etwa 9 mm kalt vorgepreßt und unter Schutzgas bei etwa 800°C vorgesintert. Die vorgesinterten Scheiben wurden dann in Stahlblech eingemantelt und evakuiert. Durch isostatisches Heißpressen bei Temperaturen um 1200°C und einem Druck von etwa 2 kbar resultierten dichte (17g/cm³) und feste (79 kp/mm²) Scheiben mit einer Dicke von 6,5 mm, welche dann im Gesenk und/oder durch Fließdrücken zu schalenförmigen Einlagen für P-Ladungen verarbeitet wurden.

Beispiel 5

Die besten Resultate (Dichte 17,5g/cm³, Zugfestigkeit 120 kp/mm² und Dehnung 23%) wurden durch Verarbeitung von Pulvern erzielt, welche durch Wasserstoff-Reduktion von Wolframaten des Bindemetalles, etwa Nickelwolframat, oder durch Co-Reduktion von Ammoniummetawolframat und einem Salz des Bindemetalles wie Nickelsulfat gewonnen wurden. Das Nickelmetawolframat Ni₆H₂W₁₂O₄₀ kann mit Wasserstoff direkt zu einem Pulver aus sehr feinen Wolfram- und Nickelteilchen einer Korngröße von weit unter 1 µm reduziert werden. Zur Herabsetzung des Nickelanteiles kann dieses Pulver mit feinen Wolframpulvern vermischt werden. Aus gemeinsamen Lösungen von Wolframsalzen wie Ammoniummetawolframat und Salzen des Binde metalles wie NiSO₄ lassen sich insbesondere durch Zerstäuben bei Temperaturen von etwa 800°C zu einem Aerosol feine Partikel aus homogen ineinander verteilten Salzen der Legierungskomponenten herstellen, welche bei Temperaturen von 950 bis 1200°C im Wasserstoffstrom zum Metall reduziert werden. Diese Pulver weisen eine derart hohe Sinteraktivität auf, daß ein Festphasensintern möglich wird.

Aus einem auf die oben beschriebene Weise hergestellten Pulver aus extrem feinen Wolframteilchen und ähnlich feinen Nickel teilchen, welche homogen ineinander verteilt sind, wurde durch Kaltpressen ein scheibenförmiger, runder Formkörper mit einem Durchmesser von 100 mm hergestellt. Die Gründichte lag bereits bei etwa 12 g/cm³. Dieser Formkörper wurde in einen evaku ierten Stahlblechbehälter eingebracht und anschließend heiß isostatisch bei Temperaturen bis zu 1000°C unter einem Druck von bis zu 2 kbar gepreßt. Diese Scheibe wurde dann im Gesenk und/oder durch Fließdrücken zu einer schalenförmigen Einlage für eine P-Ladung umgeformt.

Claims

1. Verfahren zur Steigerung der Eindringleistung von projek tilbildenden Ladungen (P-Ladungen) bestehend aus einer vor wiegend zylindrischen Sprengladung (1), begrenzt auf einer Seite durch eine senkrecht zur Zylinderachse orientier ten kreisförmigen Fläche, in deren Zentrum die Zündkapsel (2) angebracht ist und einer stumpfkegeligen oder kar lottenförmigen metallischen Einlage (3) an der anderen Endfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagen aus einem Verbundwerkstoff auf der Basis von Wolfram herge stellt werden, der eine Dichte von mindestens 14 g/cm³, eine Zugfestigkeit bei 500°C von mindestens 50 kp/mm² und eine Dehnung unter gleichen Bedingungen von min destens 20% aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff auf der Basis von Wolfram aus Lagen von Wolframfolien im Dickenbereich von 25 bis 200 µm herge stellt wird, die beidseitig mit einem Bindemetall auf der Basis von Kupfer, Nickel, Kobalt, Eisen oder Palladium mit einer Dicke von 2,5 bis 80 µm beschichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff auf der Basis von Wolfram aus Lagen von Wolframfolien im Dickenbereich von 25 bis 200 µm herge stellt wird und zwischen die Wolframfolien Folien aus den Bindemetallen Kupfer, Nickel, Kobalt, Eisen oder Palladium eingelegt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframfolien auf elektrochemischem oder stromlosem Weg mit dem Bindemetall beschichtet werden oder die Ab scheidung aus der Gasphase nach dem CVD-Verfahren erfolgt (Chemical Wapor Deposition).

5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff auf der Basis von Wolfram aus Lagen von Wolframdrahtnetzen aufgebaut wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframdrahtnetze mit einem Drahtdurchmesser von 15 bis 100 µm mit einem Bindemetall auf der Basis von Kobalt, Nickel, Kupfer, Palladium oder Eisen beschichtet werden oder das Bindemetall in Form von Folien oder Pulvern in solchen Mengenverhältnissen eingebracht wird, daß sich die Mindest dichte nach Anspruch 1 ergibt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhaltung der Rotationssymmetrie die Lagen aus Wolfrarndrahtnetzen in unterschiedlicher Orientierung mit einander kombiniert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen aus Wolframfolien oder Wolframdrahtnetzen mit den Schichten oder Folien aus Bindemetall, kompaktiert und durch Pressen, vorzugsweise durch kaltisostatisches Pressen und/oder heißisostatisches Pressen zu Einlagen für P-Ladungen weiterverarbeitet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff aus Lagen von Wolframdrahtnetzen und Wolframpulver, dessen Körner mit Kobalt, Nickel, Kupfer, Palladium oder Eisen als Bindemetall umhüllt sind, kompaktiert und anschließend auf sprengtechnischem Wege verdichtet wird.

10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus Wolframkörnern einer Korngröße von weniger als 50 µm besteht, welche in einer Matrix auf der Basis von Kupfer, Kobalt, Nickel, Eisen oder Palladium eingebettet sind.

11. Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes nach An spruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Wolframkörner mit einer Korngröße von weniger als 50 µm elektrochemisch stromlos oder durch Abscheiden aus der Dampfphase (CVD) mit einem Bindemetall auf der Basis von Kupfer, Nickel, Kobalt, Eisen oder Palladium beschichtet werden und im Anschluß daran auf pulvermetallurgischem Wege, insbesondere durch kalt- und/oder heißisostatisches Pressen zu dichten und duktilen Formkörpern verarbeitet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Wolframpulver einer Korngröße von weniger als 50 µm mit einem Pulver einer Korngröße von weniger als 30 µm des Bindemetalls vermischt wird und dieses Gemisch zu Formkör pern verpreßt wird, welche im Anschluß daran bei Tempera turen um den Schmelzpunkt des Bindemetalles zu dichten Form körpern gesintert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff auf der Basis von Granulaten her gestellt wird, die durch Wasserstoff-Reduktion von Wolframaten des Bindemetalles, wie Nickelwolframat Ni₆H₂W₁₂O₄₀ oder durch CO-Reduktion von Wolframver bindungen, wie Ammoniummetawolframat mit Anteilen an Verbindungen des Bindemetalles, wie NiSO₄ hergestellt oder durch Sprühtrocknung von wäßrigen Lösungen dieser Verbindungen und gemeinsamer Reduktion im Wasserstoff strom in einer Größe von etwa 50 µm hergestellt werden, aus welchen durch Kaltpressen Körper mit einer Dichte von mehr als 8 g/cm³ entstehen, die nach dem Sintern unter Wasserstoff oder Stickstoff bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Bindemittels zu dichten, hoch festen und hochduktilen Einladungen für P-Ladungen verar beitet werden.