DE10111304C2

DE10111304C2 - Verfahren zur Herstellung von Rohren für schwere Geschütze

Info

Publication number: DE10111304C2
Application number: DE10111304A
Authority: DE
Inventors: Walter Grimm; Wolfgang Arrenbrecht
Original assignee: Buderus Edelstahl GmbH; Rheinmetall W&M GmbH; Edelstahlwerke Buderus AG
Current assignee: Buderus Edelstahl GmbH; Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2021-03-10
Also published as: ES2230400T3; ATE280938T1; US20020124716A1; EP1239257A1; US6652680B2; DE50201374D1; EP1239257B1; DE10111304A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kanonen- und Ge schützrohren der Kaliber 105-120 mm.

Aus der DE 924 757 ist es bekannt, Geschützrohre aus niedrig legiertem Vergü tungsstahl herzustellen und durch Härten und Anlassen zu vergüten. Heute ist Stan dardwerkstoff für diese Produkte der Stahl 35NiCrmOV 12-5, Werkstoff-Nr. 1.6959, beschrieben in der Stahl-Eisen-Liste des Verlags Stahleisen, Düsseldorf und in dem Werkstoff-Leistungsblatt "Rohrstahl für schwere Geschütze" des BWB. Der Herstellprozess für Kanonenrohr-Rohlinge umfasst dabei die Arbeitsschritte offe ne Erschmelzung, Abgießen von Rohblöcken in geeigneten Kokillenformaten, Schmieden der Kanonenrohr-Rohlinge auf äußere Grobkontur, Glühen der Schmie destücke, Vordrehen und Vorbohren der Teile, Hohlvergüten (Härten und Anlassen auf Bestellfestigkeit), Messen des Härteverzugs bzw. Schlags (maximale Gerad heitsabweichung von der Längsachse bezogen auf die Lagerstellen an den Rohren den), mechanisches Richten auf Schlagfreiheit und anschließendes Entspannen ca. 30°C unterhalb der Anlasstemperatur, Durchführung von Qualitätsprüfungen und Fertigbearbeitung auf Liefermaß der Kanonenrohr-Rohlinge.

Als qualitatives Problem stellt sich beim herkömmlichen Fertigungsverfahren der Ar beitsschritt Richten auf Schlagfreiheit im Anschluss an die Vergütungsbehandlung dar, weil durch das Richten die Geradheit der Bohrung nicht erreicht wird und plasti sche Eigenspannungen induziert werden. Zum Einen gelingt es technisch nicht mehr, eine nach dem Richten verkrümmte Bohrung beim nachfolgenden Aufbohren auf Be stellmaß wieder zu begradigen und zum Anderen verbleiben trotz Entspannungsglü hung nach dem Richten noch Resteigenspannungen im Material. In der Praxis hat sich gezeigt, dass a) ungerade Bohrungen und Eigenspannungen zum Verzug bei der Fertigbearbeitung der Rohre führen, der nur durch weitere Richtoperationen aus geglichen werden kann, b) durch Maßfehler infolge des Verzugs während der Bear beitung Ausschuss entstehen kann und c) die Schussgenauigkeit (Systemfehler) wegen Geradheitsabweichungen in der Bohrung und freiwerdender Eigenspannungen beim Beschuss verschlechtert werden kann.

Als Ursache für den Härteverzug sind, wie die Untersuchungen im Rahmen der Er findungstätigkeit gezeigt haben, drei Hauptmechanismen verantwortlich:

1. Asymmetrische Temperaturverteilungen im Rohrrohling können entstehen durch ungleichmäßige Erwärmung, ungleichmäßige Ofentemperaturen oder ungleich mäßige Durchwärmung. Sie können beseitigt werden durch homogene Erwär mung und präzise Temperaturverteilung im Ofenraum - eine Kontrolle kann durch Thermoelemente am Stück erfolgen. Hierzu trägt ggf. auch das Drehen des Roh res während der gesamten Wärmebehandlung bei.
2. Mechanisches Verziehen während der Erwärmung und Austenitisierung auf Här tetemperatur entsteht beim Durchbiegen im Fall horizontaler Erwärmung und bei starrer Aufhängung bei vertikaler Härtung infolge Biegemomentbildung durch Ei gengewicht oder Horizontalbewegung beim Härten. Dieser Verzug kann vermie den werden durch hängendes (vertikales) Vergüten der Rohre mit kardanischer Aufhängung, so dass kein Biegemoment in den Rohren am Aufhängende im Fall von horizontaler Bewegung entstehen kann.
3. Asymmetrische Umwandlungsspannungen
Beim Härten der vorgebohrten Rohrrohlinge wird durch Wasser-Beaufschlagung sowohl die äußere Oberfläche wie auch die Bohrung möglichst gleichmäßig ab gekühlt. Bei Erreichen der Martensit-Start-Temperatur von ca. 350°C im Werk stoff beginnt das austenitische Gefüge sich in das martensitische Härtungsgefüge umzuwandeln. Bei verzugsarmer Härtung erfolgt die Umwandlung über den ge samten Umfang gleichmäßig von außen (Oberfläche) nach innen und von innen (Bohrung) nach außen bis sich die Umwandlungsfronten treffen und der gesamte Rohrquerschnitt gehärtet ist. Liegen im Bauteil herstellungsbedingt die Kernseige rungen asymmetrisch vor, so beginnen die von der Bohrung ausgehenden Um wandlungsvorgänge entsprechend den unterschiedlichen lokalen Analysenlagen zwangsläufig zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Dies führt zu einer asymmetri schen Verteilung der Umwandlungsspannungen über den Rohrquerschnitt und damit zum Härteverzug.

In der Praxis der Herstellung von Kanonenrohren hat sich gezeigt, dass zwar der Umwandlungsbeginn an der äußeren Oberfläche in Umfangsrichtung symmetrisch erfolgt, nicht aber im Bereich der Bohrung. Die Ursache dafür liegt primär in der A symmetrie der Bohrung bezogen auf die Achse des Rohblockes, bzw. bezogen auf die Erstarrungssymmetrie des Blockes (Bild 1).

Durch nicht vollständig zu vermeidenden ungleichmäßigen Materialfluss sowie Ab messungstoleranzen (Versatz) beim Schmieden ist eine Exzentrizität der Bohrung, bezogen auf die ehemalige Blockachse, nicht immer zu vermeiden. Damit entstehen auch seigerungsbedingt asymmetrische Analysenkonzentrationen an der Bohrungs oberfläche als Ursache für ungleichmäßige Umwandlungsspannungen im Rohr- Inneren und damit Verzug.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Ungenauigkeiten und damit verbundenen Fertigungsschwierigkeiten zu vermeiden, und zur Lösung dieser Auf gabe wird das im Patentanspruch angegebene Verfahren vorgeschlagen.

Die Be sonderheit ist dabei das Vergüten der Rohr-Rohlinge ohne Bohrung (Vergütetes Voll rohr). Der maximale Verzug der außen vorgedrehten Rohlinge blieb bei diesem Ver fahren konstant unter 10 mm. Das vorhandene Aufmaß der vergüteten Rohlinge er laubt es, anschließend die Bohrung so einzubringen, dass am Ende eine exakte Zentrizität mit Bezug auf die Lagerstellen erreicht wird. Das Einbringen der Bohrung erfolgt auf modernen Tieflochbohrmaschinen und erfordert bei üblichen Festigkeiten von < 1300 N/mm² keinen wesentlich höheren Aufwand gegenüber den herkömmli chen Arbeitsschritten Vorbohren in geglühtem Zustand (Festigkeit < 1000 N/mm²) und Fertigbohren nach dem Vergüten. Das bisher nach dem Vergüten notwendige mechanische Richten entfällt.

Zur Sicherstellung einer einwandfreien Durchvergütung und ausreichender mechani scher Gütewerte sollte eine sogenannte "fette" Analysenlage entsprechend dem je weiligen Vergütungsquerschnitt eingestellt werden und durch temperatur- und ver formungskontrolliertes Schmieden ein feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge eingestellt werden. Die dabei zu erzielenden mechanischen Gütewerte sind gleichwertig zu den Werten einer Hohlvergütung.

Die Herstellung von Panzerkanonen aus vollvergüteten, ungerichteten Rohren hat gezeigt, dass bei der weiteren Verwendung ein Maximum an Geradheit erreicht wird und die so gefertigten Rohre herkömmlich gerichteten Teilen qualitativ überlegen sind.

Dies ist in Bild 2 veranschaulicht, wo der Mittelwert des Schlags, d. h. der Abwei chung von einer geraden Linie, der im erfindungsgemäßen Verfahren vorgedrehten und vorgebohrten Rohlinge neben den Mittelwerten von nach zwei herkömmlichen Verfahren hergestellten Rohlingen gezeigt ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Rohren für schwere Geschütze im Kaliberbereich 105 mm und größer aus Vergütungsstahl, bestehend
aus 0,20-0,50 Gew.-% Kohlenstoff,
max. 1,0 Gew.-% Silizium,
max. 1,0 Gew.-% Mangan,
max. 0,03% Phosphor
max. 0,03% Schwefel
max. 0,1% Aluminium
max. 2% Chrom
max. 4% Nickel
max. 1% Molybdän,
max. 0,5% Vanadin,
und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen, wobei Schmiedestücke aus offen erschmolzenem Blockguss außen vorgedreht werden und die dadurch er haltenen Rohlinge zunächst gehärtet und angelassen und anschließend gebohrt und dann fertig bearbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergütungsstahl der Zusammensetzung:
0,30-0,40% Kohlenstoff,
0,15-0,35% Silizium,
0,40-0,70% Mangan,
max. 0,015% Phosphor,
max. 0,010% Schwefel,
max. 0,015% Aluminium,
1,0-1,40% Chrom,
0,35-0,60% Molybdän,
2,50-3,50% Nickel,
0,08-0,20% Vanadin,
und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergütungsstahl der Zusammensetzung:
0,30-0,35% Kohlenstoff,
0,15-0,20% Silizium,
0,60-0,70% Mangan,
max. 0,010% Phosphor,
max. 0,005% Schwefel
max. 0,015% Aluminium
1,20-1,35% Chrom,
3,30-3,50% Nickel,
0,45-0,55% Molybdän,
0,15-0,20% Vanadin,
max. 0,12% Kupfer,
max. 0,015% Zinn,
und Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen verwendet wird.