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Dokumentenidentifikation DE102006025241A1 06.12.2007
Titel Verfahren zur Herstellung von Schmiedestahl für hoch beanspruchte Waffen, Rohr-Rohlinge sowie eine damit ausgerüstete Waffe
Anmelder Rheinmetall Waffe Munition GmbH, 40880 Ratingen, DE
Erfinder Arrenbrecht, Wolfgang, Dr., 41366 Schwalmtal, DE;
Grimm, Walter, 35606 Solms, DE
Vertreter Dietrich, B., Dipl.-Ing. (FH) Faching.f.SRW, Pat.-Ass., 40476 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 29.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006025241
Offenlegungstag 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse C22C 38/08(2006.01)A, F, I, 20060529, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C21D 9/12(2006.01)A, L, I, 20060529, B, H, DE   F41A 21/00(2006.01)A, L, I, 20060529, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird vorgeschlagen, eine Veränderung des Rohrmaterials als auch deren Anteile sowie ein aus dem Großkaliber bereits bekanntes, jedoch speziell angepasstes Herstellungsverfahren für Mittelkaliberrohre vorzunehmen. Es wird ein Lauf geschaffen, der nunmehr aus einem NiCrMoV-Stahl/Rohling besteht, welcher als Gussblock vor dem Schmieden im ESU-Verfahren umgeschmolzen wurde und die geschmiedeten Stäbe in einer Flüssigkeitsvergütung vergütet wurden. Dadurch wird ein Lauf für eine Maschinenkanone aufgezeigt, welcher die Qualität/Eigenschaften eines Großkaliberrohres besitzt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Kanonenrohrrohlinge für Maschinenkanonen insbesondere im Kaliberbereich 25–50 mm.

Standartwerkstoffe für derartig hoch belastete Maschinenkanonen sind warmfeste CrMoV-legierte Vergütungsstähle, wie der bisher gebräuchliche Stahl 32 CrMoV 12-10, Werkstoff-Nr. 1.7765 nach Stahl-Eisen-Liste (Verlag Stahleisen, Düsseldorf) für 30 mm Maschinenkanonen. Dieser Werkstoff erfüllt die Anforderungsmerkmale von hoher Streckgrenze (min. 950 N/mm2) bei hoher Warmfestigkeit bis 450° (min. 550 N/mm2) zur Erreichung einer ausreichend hohen Lebensdauer der Rohre.

Im Rahmen der Leistungssteigerung, Qualitätsverbesserung und Erhöhung des Sicherheitsstandards werden auch höhere Anforderungen an den Werkstoff als auch die Güte des Schmiederohlings gestellt. Diese resultieren aus den Entwicklungsmerkmalen wie erhöhte Gasdruckbelastung durch neue Munitionskonzepte, Induzierung von Eigenspannungen durch hydraulisches Aufweiten der Rohrinnenwand zur Verbesserung der Ermüdungslebensdauer, größere Anforderungen an die Zielgenauigkeit infolge erhöhter Mündungsgeschwindigkeiten der neuen Munitionen, gute Verchrombarkeit und Haltbarkeit der Chromschicht beim Beschuss und höheres Sicherheitspotential gegen Sprödbruch im Temperaturbereich –50 bis +80°C.

Die eingesetzte Stahl-Güte 32 CrMoV 12-10 hat zwar ein ausreichendes Potential zur Erfüllung der Festigkeitsanforderungen beispielsweise an eine neue 30 mm Maschinenkanone, verfehlen aber die Zielvorgaben bezüglich des geforderten Zähigkeitswertes. Weitere Unzulänglichkeiten des herkömmlichen Werkstoffes sind der geringe Reinheitsgrad bei der offenen Verschmelzung und die ausgeprägte Neigung zur Rohrverkrümmung infolge von Richteinspannung beim Beschuss.

Aus der DE 101 11 304 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Rohren für schwere Geschütze bekannt. Der in unterschiedlichen Zusammensetzungen hergestellte Vergütungsstahl wird gehärtet und angelassen, anschließend gebohrt und dann fertig bearbeitet. Dadurch wird erreicht, dass ein Maximum an Geradheit erreicht wird und die so gefertigten Rohre gegenüber herkömmlich gerichteten Rohren qualitativ überlegen sind. Bekanntlich werden jedoch an Großkaliberrohlinge andere Anforderungen gestellt, als an Mittelkaliberrohlinge. Mittelkaliberwaffen sind einer höheren Kadenz ausgesetzt, als Großkaliberwaffen.

Auf dieses Verfahren aufbauend stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung für Rohre im Mittelkaliberbereich mit höherer Kadenz sowie ein entsprechendes Rohr aufzuzeigen, das auch den neuen Anforderungen gerecht wird.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1, 7 sowie 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, ähnlich der Rohre des Großkaliberbereiches, eine Veränderung des Rohrmaterials als auch deren Anteile sowie ein aus dem Großkaliber bereits bekanntes, jedoch speziell angepasstes Herstellungsverfahren für Mittelkaliberrohre vorzusehen. Obwohl zu berücksichtigen ist, dass ein Rohr für das Mittelkaliber in funktionalem Gebrauch einer höheren Dauerbelastung ausgesetzt ist, als das bei Großkalibern bekannt ist, fließt bei den weiteren Überlegungen auch die Anforderung an diese Mittelkaliberwaffen mit ein, dass der so genannte Erstschuss einer Mittelkaliber- bzw. Schnellfeuerwaffe in der Praxis die notwendige Treffergenauigkeit erbringen soll. Daher ist bei der Wahl des Rohrmaterials auch zu berücksichtigen, dass das Waffenrohr für Einzelschuss als auch für Hochkadenz auszulegen ist. Entsprechend wird vorgeschlagen, dass das neue zum Tragen kommende Werkstoffkonzept auf Basis eines elektro-schlacke-umgeschmolzen und hängend-rotierend vergüteten NiCrMoV-Stahles zu entwickeln, welches damit sogar dem Stahl den für großkalibrige Waffen bekannten Stahl 35NiCrMoV 12-5, Werkstoff-Nr. 1.6959 weitestgehend entspricht. Dieser Stahl wurde bisher für hochkadent arbeitende Maschinenkanonen insbesondere wegen der hohen Warmfestigkeits-Anforderungen an das Rohr nicht verwendet.

Die Praxis hat zudem gezeigt, dass dieser Stahl in modifizierter Form in Verbindung mit erhöhter Vergütungsfestigkeit den geforderten Warmfestigkeitswerten entspricht. Gleichzeitig besitzt dieser neue NiCrMoV-Stahl aufgrund seiner martensitischen Gefügestruktur im Gegensatz zum baintischen CrMoV-Stahl ein deutlich erhöhtes Zähigkeitspotential. Aufgrund der hohen Zähigkeit können die geforderten Sicherheitsanforderungen bis –50°C erfüllt werden.

Das mit dem neuen Verfahren hergestellte Rohr zeichnet sich dadurch aus, dass eine höhere Streckgrenze erreicht wird (ca. 1050 N/mm2). Des Weiteren weist das Rohr eine ausreichend hohe Kerbschlag- und Bruchzähigkeit bis –50°C auf und besitzt eine ausreichend hohe Warmfestigkeit bis +50°C. Der hohe Reinheitsgrad (KO-Wert max. ca. 12) ist ein weiterer Vorteil. Die Herstellung des Kanonenrohr-Rohlings erfolgt ohne Richteigenspannungen, d.h., das Vergüten erfolgt ohne nachfolgende Richtoperation.

Ein Verfahren zur Herstellung von Kanonenrohr-Rohlingen für Maschinenkanonen im bevorzugten Kaliberbereich zwischen 25–50 mm zeichnet sich durch nachfolgende Zusammensetzung aus:

0,25–0,50,% Kohlenstoff

max. 0,60 % Silizium

mac. 1,00 % Mangan

max. 0,010 % Phosphor

max. 0,010 % Schwefel

1,00–1,40 % Chrom

2,00–4,00 % Nickel

0,30–0,70 % Molybdän

0,10–0,30 Vanadium

max. 0,05 % Aluminium

und Rest aus Eisen und üblichen (unvermeidbaren) Verunreinigungen,

wobei die Rohlinge aus Umschmelzstahl oder aus offen erschmolzenem Stahl mit hohem Reinheitsgrad hergestellt werden.

Als bevorzugt hat sich folgende Zusammensetzung des Vergütungsstahls erwiesen:

0,30–0,35,% Kohlenstoff

max. 0,40 % Silizium

0,4–0,70 % Mangan

max. 0,005 % Phosphor

max. 0,005 % Schwefel

1,00–1,40 % Chrom

2,50–3,3 % Nickel

0,50–0,60 % Molybdän

0,10–0,20 Vanadium

max. 0,03 % Aluminium

und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen.

Zur Sicherstellung der hohen Anforderungen an den Reinheitsgrad wird der Stahl bevorzugt im Gusszustand nach dem ESU-Verfahren (Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren) umgeschmolzen. Die damit verbundene hohe Gefüge-Homogenität (durch bessere Seigerung) ist die Basis für das verzugsarme Vergüten, welches mittels Öl- oder Wasserabkühlung in vertikaler Tauchrichtung durchgeführt wird. Die als Stab geschmiedeten Rohlinge werden dabei durch die vertikale Flüssigkeitsvergütung auf Streckgrenzen > 1000 N/mm2 angelassen. Während der Vergütungsbehandlung rotieren die Stäbe permanent um ihre Achse oder werden mechanisch permanent um ihre Achse gedreht. Die mechanische Bearbeitung erfolgt ohne vorherige Richtoperation.

Mit dem neuen Stahl für ein Mittelkaliberrohr ist zudem eine bessere Autofrettage möglich (das Rohr wird warmfester – bis 500°C). Dadurch kann das Rohr selbst besser Eigenspannungen aufnehmen, wodurch das Druckaufnahmevermögen des Rohres erhöht wird.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung von Kanonenrohr-Rohlingen für Maschinenkanonen mit

– 0,25–0,50,% Kohlenstoff

– max. 0,60 % Silizium

– mac. 1,00 % Mangan

– max. 0,010 % Phosphor

– max. 0,010 % Schwefel

– 1,00–1,40 % Chrom

– 2,00–4,00 % Nickel

– 0,30–0,70 % Molybdän

– 0,10–0,30 Vanadium

– max. 0,05 % Aluminium

– und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

– 0,30–0,35,% Kohlenstoff

– max. 0,40 % Silizium

– 0,4–0,70 % Mangan

– max. 0,005 % Phosphor

– max. 0,005 % Schwefel

– 1,00–1,40 % Chrom

– 2,50–3,3 % Nickel

– 0,50–0,60 % Molybdän

– 0,10–0,20 Vanadium

– max. 0,03 % Aluminium

– und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohlinge aus Umschmelzstahl oder aus offen erschmolzenem Stahl mit hohem Reinheitsgrad hergestellt werden. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussblöcke vor dem Schmieden im ESU-Verfahren umgeschmolzen werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die geschmiedeten Stäbe Flüssigkeitsvergütung, beispielsweise vertikal im Öl- oder Wasser, vergütet werden. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe während der Vergütungsbehandlung permanent um ihre Achse rotieren oder mechanisch gedreht werden. Rohling für den Lauf einer Maschinenkanone gekennzeichnet durch einen Vergütungsstahl mit

– 0,25–0,50,% Kohlenstoff

– max. 0,60 % Silizium

– mac. 1,00 % Mangan

– max. 0,010 % Phosphor

– max. 0,010 % Schwefel

– 1,00–1,40 % Chrom

– 2,00–4,00 % Nickel

– 0,30–0,70 % Molybdän

– 0,10–0,30 Vanadium

– max. 0,05 % Aluminium

– und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen als NiCrMoV-Stahl.
Rohling nach Anspruch 7 gekennzeichnet durch einen Vergütungsstahl mit

– 0,30–0,35,% Kohlenstoff

– max. 0,40 % Silizium

– 0,4–0,70 % Mangan

– max. 0,005 % Phosphor

– max. 0,005 % Schwefel

– 1,00–1,40 % Chrom

– 2,50–3,3 % Nickel

– 0,50–0,60 % Molybdän

– 0,10–0,20 Vanadium

– max. 0,03 % Aluminium

– und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen als NiCrMoV-Stahl.
Rohling nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gussblock vor dem Schmieden im ESU-Verfahren umgeschmolzen und die geschmiedeten Stäbe in einer Flüssigkeitsvergütung vergütet werden. Maschinenkanon mit wenigstens einem Lauf bestehend aus NiCrMoV-Stahl. Maschinenkanone nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der NiCrMoV-Stahl vor dem Schmieden im ESU-Verfahren umgeschmolzen und die geschmiedeten Stäbe in einer Flüssigkeitsvergütung vergütet sind Maschinenkanone nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lauf aus einem NiCrMoV-Stahl besteht mit

– 0,25–0,50,% Kohlenstoff

– max. 0,60 % Silizium

– mac. 1,00 % Mangan

– max. 0,010 % Phosphor

– max. 0,010 % Schwefel

– 1,00–1,40 % Chrom

– 2,00–4,00 % Nickel

– 0,30–0,70 % Molybdän

– 0,10–0,30 Vanadium

– max. 0,05 % Aluminium

– und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen
Maschinekanone nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lauf aus einem NiCrMoV-Stahl besteht mit

– 0,30–0,35,% Kohlenstoff

– max. 0,40 % Silizium

– 0,4–0,70 % Mangan

– max. 0,005 % Phosphor

– max. 0,005 % Schwefel

– 1,00–1,40 % Chrom

– 2,50–3,3 % Nickel

– 0,50–0,60 % Molybdän

– 0,10–0,20 Vanadium

– max. 0,03 % Aluminium

– und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen.
Maschinekanone nach einem Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität/Eigenschaften des neuen Rohres dem eines Großkaliberrohres entsprechen.






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