CH663455A5 - Rohr mit einer innenbeschichtung. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Rohr, insbesondere ein Waffenrohr, dessen Innenfläche mit einer dünnen Schicht aus einem harten Material versehen ist, um sie vor Verschleiss und Korrosion zu schützen und um die Reibung herabzusetzen.

Um die Haftfestigkeit und Abriebfestigkeit von im Vakuum aufgebrachten Schichten zu verbessern, wurden schon verschiedene Massnahmen ergriffen; z. B. ist es bekannt, dass auf manchen Unterlagen durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte Schichten besser haften als durch gewöhnliches Aufdampfen aufgebrachte. Auch die neueren Verfahren des ionenunterstützten Aufdampfens können angewendet werden, um eine erhöhte Haftfestigkeit zu erzielen.

Jedoch genügen alle diese bekannten Massnahmen nicht, wenn Schichten beim Gebrauch stärkerer und häufiger Beanspruchung durch Dehnung unterliegen, wie dies z.B. eben bei Waffenrohren während des Schusses der Fall ist.

Rohre mit beschichteter Innenfläche werden für die verschiedensten Zwecke angewandt und mit den verschiedensten Beschichtungsverfahren hergestellt, z.B. durch Einschmelzen (DE-OS 2 841 295, DE-OS 3 237 655) durch chemische Abscheidung aus der Gasphase (DE-OS 2718 148), durch Aufdampfen (US-PS 4 354456, US-PS 4407 712) oder durch Kathodenzerstäubung (DE-AS 2 820 301, DE-OS 2 655 942, DE-OS 2 729 286, DE-PS 976 529, DE-OS 3 150 591). Die Beschichtung von Waffenrohren wird nur selten ausdrücklich erwähnt, z.B. von Gibson (DE-PS 3 150 591) in Zusammenhang mit einem Kathodenzerstäubungsverfahren oder von Königer et al. (DE-PS 2 537 623) und von Meistrung et al. (DE-AS 2 809709).

Es wäre zweckmässig, Waffenrohre mit einer Innenbe-schichtung aus Hartstoffen zu versehen, um eine Verbesserung der Verschleiss- und Korrosionsbeständigkeit und eine Verringerung der Reibung zu erzielen. Trotzdem ist bisher keine erfolgreiche Innenbeschichtung dieser Art bekannt geworden. Der Grund dafür wurde bisher darin gesehen,

dass die Haftfestigkeit der Hartstoffschicht nicht ausreicht, ein Problem, das bei der tatsächlich angewandten Diffusionshärtung wegen der nicht vorhandenen inneren Grenzfläche von vornherein nicht auftritt.

In DE-AS 2 809 709 wird eine dicke (etwa 1,3 mm) mit thermischen Spritzverfahren auf einen Kern aufgebrachte Keramikschicht beschrieben, welche dann durch Aufschrumpfen eines Rohrs auf dieses übertragen wird. Eine so dicke Schicht hat natürlich eine hohe Eigenfestigkeit und ist deshalb nicht allein auf die Haftfestigkeit auf dem Substrat angewiesen, wie es bei den hier betrachteten dünnen (<10 Jim) Schichten der Fall ist. Man sollte eigentlich besser von einem eingesetzten Keramikrohr sprechen, das durch Spritzen hergestellt wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rohr mit einer innen aufgebrachten Schicht derart auszubilden, dass die Schicht bei Dehnung infolge hoher Drücke im Innern des Rohres und ggf. auch bei höheren Temperaturen während des Gebrauchs nicht abblättert. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Rohr mit einer innen aufgebrachten Schicht aus einem im Vergleich zum Rohr härteren Material, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schicht bei der vorgesehenen Einsatztemperatur in ihrer Fläche um mindestens A F/F = 1 x IO"3 gestaucht ist.

Dabei bezeichnet F die Fläche der Schicht und A F die Fläche, um welche die Schicht bei der Stauchung verkleinert wird; A F/F = 10 3 bedeutet also, dass die Fläche der Schicht um 1 Promille verkleinert wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die an der Rohrinnenseite aufgebrachten gestauchten Schichten fest haften, auch wenn Schichten aus demselben Material, die an sich auf gleiche Weise jedoch ohne Stauchung während des Aufbringens hergestellt wurden, bei späterer Dehnungsbeanspruchung sich leicht ablösen. Man kann vermuten, dass infolge der durch Risse entstandenen Kerben die Haftung der Schicht für reibende Beanspruchung, wie sie z.B. beim Schuss in Waffenrohren auftritt, stark herabgesetzt wird.

Was den Grad der erfoderlichen Stauchung der Schicht angeht, ist zu berücksichtigen, in welchem Masse das Rohr durch die Verformung beim späteren Gebrauch einer Dehnung unterliegt. Die prozentuelle Stauchung der Schicht sollte mindestens gleich gross, zweckmässigerweise aber etwas grösser als.die prozentuelle Dehnung, die beim Gebrauch auftritt, gewählt werden, um Rissebildung durch Überdehnung der Schicht mit Sicherheit zu vermeiden.

Bei Schiessversuchen an Waffenrohren mit verschiedenartigen dünnen Hartstoff-Innenbeschichtungen erwies sich überraschenderweise, dass tatsächlich nur dann eine verbesserte Verschleissbeständigkeit erzielt werden konnte, wenn die Schichten unter einer genügend grossen Druckspannung (Kompression) standen, und zwar mussten die Schichten, wie gesagt, in ihrer Fläche um mindestens A F/F = 1/1000 gestaucht sein. Dies stand in Widerspruch zu den bisherigen Ergebnissen von Abreissversuchen, bei denen dünne Schichten mit geringen Spannungen eine höhere Haftfestigkeit zeigten. Man kann aus diesen Ergebnissen schliessen, dass nicht die Haftfestigkeit der Schicht an sich der begrenzende Faktor ist, da diese durch die Erfindung ja wesentlich verbessert werden konnte.

Vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung besonders in jenen Fällen, in denen die aufzubringenden Schichten selbst nicht genügend duktil sind und deshalb schon bei geringer Überdehnung reissen.

Die mit Schiessversuchen mit Rohren gemäss Erfindung erhaltenen experimentellen Ergebnisse sind in Einklang mit der folgenden Modell Vorstellung: Schichten, die um den angegebenen Betrag oder mehr gestaucht sind, werden beim Schuss und der dabei auftretenden Aufblähung des Rohrs nicht auf Zug beansprucht sondern vielmehr von der durch die Stauchung hervorgerufenen Druckspannung entlastet. Infolge dieser vorübergehenden Entlastung wird die Haftfestigkeit der Schicht während des Schusses sogar eher verbessert. Es entstehen keine Brüche und Risse in der Schicht, solange sie unter Druckspannung steht. Dies dürfte zur Standfestigkeit der Schicht wesentlich beitragen.

Es gibt verschiedene bekannte Verfahren zur Herstellung von gestauchten Schichten wie sie bei der Erfindung benötigt werden. Bei Schichtmaterialien mit - im Vergleich zum Rohr - kleinerem Wärmedehnungskoeffizienten kann man eine Stauchung der Schicht durch erhöhte Temperatur während der Beschichtung erreichen:

A F/F = 2 A 1/1 = 2 (a Substrat - Ct Schicht )ÀT

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

663 455

Es hat sich allerdings gezeigt, dass dieses bekannte Verfahren zur Erzielung der benötigten Schichtstauchung zwar wesentlich beitragen kann, in vielen Fällen jedoch allein nicht für eine genügende Stauchung ausreicht. Das Rohr darf nämlich während der Beschichtung nicht so heiss gemacht werden, dass der Stahl seine Härte verliert. Die Temperatur bei der Beschichtung wird dehalb etwa gleich der Anlasstemperatur gewählt, z.b. 550°C. Beim Schuss wird das Rohr wieder erhitzt, und es darf am Ort der Schicht ähnliche Temperaturen wie während der Beschichtung erreichen. Die gleichzeitig durch den Überdruck beim Schuss bewirkte Dehnung des Rohrs führt, wie erläutert, zur Entlastung der Stauchungsspannung und letzteres verhindert das Aufreissen der Schicht.

Neuerdings sind weitere Vakuumbeschichtungsverfahren bekannt geworden, bei denen eine stärkere Kompression des Schichtmaterials durch die Einwirkung energiereicher Ionen erzielt wird. Es wird in diesem Zusammenhang auf folgende Literaturstellen verwiesen:

J.A. Thornton et al., Thin Solid Films 64 (1979) 111

J.A. Thornton et al., J.Vac. Sei. Technol. 14 (1977) 164

D.W. Hoffmann et al., J. Vac. Sei. Technol. 17 (1980) 380 und 425

M.R. Gaertner et al., US-PS 4 256 780

Zur Aufbringung der Schichten können die bekannten Verfahren und Anordnungen für die Innenbeschichtung von Rohren verwendet werden. Eine Vorrichtung zum Behandeln der Innenwand eines Rohres, welche sich besonders eignet zu einer Beschichtung unter erhöhter Temperatur und unter Ionenbeschuss, ist in Schweizer Patent-Nr. 659 346-0 beschrieben.

Beispielsweise wurden Schichten aus Titannitrid, Titankarbid, Titanborid und Wolframkarbid auf die Innenseite von Rohren aufgebracht. Allgemein eignen sich Boride, Karbide und Nitride der Übergangsmetalle aus der 4. bis 6. Gruppe des Periodensystems. Bei der Aufbringung der Schichten im Rahmen der Erfindung können die bekannten unterstützenden Massnahmen zur Erzielung einer guten Haftfestigkeit zusätzlich angewendet werden, z.B. eine gute vorherige Reinigung der Rohrinnenwand, vorausgehende Entgasung durch Erhitzung oder Elektronenbeschuss, Weg-stäubung der obersten Schicht durch kathodische Ätzung, Anwendung einer elektrischen Vorspannung an der zu beschichtenden Fläche während des Aufbringens der Schicht u.a. mehr.

Zur Messung der Schichtstauchung wurden folgende Verfahren entwickelt:

5

1. Ein starrer Probekörper wird zuerst mit einer Chromschicht versehen, deren Dicke etwas grösser als diejenige der anschliessend aufgebrachten Hartstoffschicht sein sollte. Der fertig beschichtete Probekörper wird in Kunstharz einge-lo bettet und angeschliffen, so dass die Schichten im Querschnitt sichtbar werden. Der Schliff wird während 50 Sekunden in 18%-iger Salzsäure behandelt, um die Chromschicht aufzulösen. Unter dem Mikroskop zeigt sich danach an Stelle der Chromschicht ein Graben, in dem sich die abge-ls löste Hartstoffschicht wellenförmig ausbreitet. Aus der Amplitude und der Wellenlänge der sinusförmigen Schliffkante der Schicht kann man auf bekannte Weise, die lineare Stauchung A 1/1 berechnen. Die Stauchung der Fläche hat den doppelten Zahlen wert : A F/F = 2 A 1 /1. Falls der Spalt 20 zu dünn ist und deshalb keine volle Entspannung der Schicht zulässt, misst man einen zu kleinen Wert für die Stauchung. Da die Stauchung gemäss der Lehre dieser Erfindung grösser als A F/F = 1/1000 sein muss, kann diese Bedingung trotzdem einwandfrei geprüft werden.

25 2. Ein beschichteter Probekörper wird an zwei gegenüberliegenden Enden eingespannt und durch Kraftanwendung langsam gedehnt, bis die Hartstoffschicht reisst. Letzteres kann z.B. mit Hilfe eines Mikroskops oder eines Mikrophons festgestellt und die dazu benötigte Dehnung A 1/1 gemessen 30 werden. Da die Hartstoffschicht wesentlich spröder ist als der Stahl, darf man annehmen, dass sie schon bei der geringsten Dehnung reisst. Die gemessene Dehnung ist also gleich oder nur unwesentlich grösser als die Stauchung der Hartstoffschicht.

35 3. An einem beschichteten Probekörper wird die Härte der Hartstoffschicht mit Hilfe des Vickers-Prüfverfahrens bei verschiedener Last gemessen. Dabei zeigt sich, dass der Diamant schon bei einer Last p > 0 scheinbar keinen Eindruck hinerlässt. Man erkennt dies am besten daran, dass das 40 Quadrat der Diagonale d des Eindrucks, aufgetragen als Funktion der Last p, einen Kurvenverlauf zeigt, der für d2 = 0 einen positiven, endlichen Wert p* aufweist. Eine Zuordnung dieses Messwertes p* zu einer bestimmten Schichtstauchung ist mit Hilfe der unter Punkt 1 und 2 45 beschriebenen Messmethoden möglich.

B

Claims (2)

663455 PATENTANSPRÜCHE

1. Rohr mit einer innen aufgebrachten Schicht aus einem im Vergleich zum Rohr härteren Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht bei der vorgesehenen Einsatztemperatur in ihrer Fläche um mindestens

A F/F = 1.10"3 gestaucht ist.

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht bei der Anlasstemperatur des zur Herstellung des Rohrs verwendeten Stahls in ihrer Fläche um mindestens

A FF = 1.10'3 gestaucht ist.