Table Of ContentWerkstoff-Forschung und -Technik
Herausgegeben von B. llschner
Band 7
R. Priimmer
Explosivverdichtung
pulvriger Substanzen
Grundlagen, Verfahren, Ergebnisse
Mit 64 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo 1987
Dr.-Ing. habil. Rolf Priimmer
Privatdozent, Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut ffir Werkstoffmechanik, Freiburg
Dr. rer. nat. Bernhard Ilschner
o. Professor, Laboratoire de Metallurgie Mecanique
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne/Schweiz
CIP-KurztiteIaufnahme der Deutschen Bibliothek:
Pnimmer, Rolf:
Explosivverdichtung pulvriger Substanzen: Grundlagen, Verfahren, Ergebnisse/R. Pnimmer.
- Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo: Springer, 1987.
(Werkstoff-Forschung und -Technik; Bd.7)
ISBN-13: 978-3-540-17029-7
NE:GT
ISBN-13: 978-3-540-17029-7 e-ISBN-13: 978-3-642-82903-1
DOl: 10.1007/978-3-642-82903-1
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Wort", Miinchen, wahrgenommen.
© Springer~Verlag Berlin Heidelberg 1987
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Datenerfassung: Mit einem System der Springer Produktions-Gesellschaft, Berlin;
Datenkonvertierung: Briihlsche Universitiitsdruckerei, GieBen;
2362/3020-543210
Geleitwort des Herausgebers
Die heutige, immer mehr durch Forschungsergebnisse gestiitzte und angeregte
Werkstofftechnik stellt einen engen Zusammenhang zwischen Werkstoffen mit
besonderen Eigenschaften einerseits sowie den Verfahren zu ihrer Fertigung und
Verarbeitung andererseits her. Diese beiden Gesichtspunkte treten auch im Pro
gramm der Reihe "Werkstoff-Forschung lind -Technik" hervor. So wird mit
vorliegendem Band eine zweifellos ungewohnliche, aber doch sehr interessante
Technologie vorgestellt: die Kompaktierung von Metallpulvern durch Explosions
wirkung, welche hinsichtlich des zeitlichen Ablaufs und der Richtung ihrer Druck
wellen kontrolliert und zunehmend auch vorausberechnet wird. Hier haben sich, wie
dieses Buch zeigt, bereits sehr interessante und innovative Ergebnisse bei der
Verdichtung von Pulvern ergeben, die bislang als nicht verarbeitbar galten. Dabei muB
die naheliegende Frage der Wirtschaftlichkeit auch unter dem Gesichtspunkt des
Fortfalls teurer Formgebungsmaschinen und der Einsparungen an Warme fiir lang
wierige Sinterprozesse gesehen werden. Neue Entwicklungen und Anwendungen sind
abzusehen: 1st nicht z. B. der Einsatz zum Nachverdichten anspruchsvoller GuB-und
Sinterteile, d. h. als eine schnelle Alternative zum isostatischen HeiBpressen, denkbar?
Das ExplosivschweiBen und das Sprengplattieren sind ohnehin erprobte Verfahren.
Der Autor dieses Buches ist aufgrund seiner langjahrigen eigenen Untersuchungen
einer der besten Kenner dieses Spezialgebietes. Er hat die Verfahren und ihre
wissenschaftlichen Grundlagen erstmalig in Buchform zusammengefaBt und eine klare
und iiberzeugende Darstellung gegeben. Herausgeber und Verlag hoffe n, daB der
vorliegende Band von "WFT" einen Beitrag zur Innovation im Bereich der Werk
stofftechnik leistet, indem er das interessante Verfahren der Explosivverdichtung
weiter bekannt macht und Anregungen ftir neue Entwicklungen vermittelt.
Lausanne, im Dezember 1986 B. Ilschner
Vorwort
Explosivstoffe werden vielfach - und voreilig - nur mit militiirischen Anwendungen in
Zusammenhang gebracht, obwohl sie durchaus zu friedlichen Zwecken eingesetzt
werden, wie z.B. im Tunnel-oder Bergbau. In den vergangenen Jahrzehnten haben sich
zusatzliche technische Anwendungen ergeben. Einen besonders starken Kontrast zu
der durch Alfred Nobel zum groBen Thema gewordenen Steinbruchtechnik - also
einem Trennverfahren - stellt die Anwendung in der Fiigetechnik, das Explosiv
schweiBen, dar.
In diese Kategorie gehOrt auch das Explosivverdichten pulvermetallurgisch
hergestellter PreBkorper. Mit dieser Verfahrenstechnik lassen sich Formkorper auch
aus neuartigen Werkstoffen herstellen, die bislang z. B. wegen ihrer Sprodigkeit als
nicht verarbeitbar galten. Fiir die Weiterentwicklung des Verfahrens ist von Bedeu
tung, daB Explosivstoffe in ihrer Handhabung zunehmend sicherer geworden sind und
der Investitionsaufwand vergleichweise gering ist. Ferner diirfte die zunehmende
Berechenbarkeit des Ablaufs und der Auswirkungen von Detonationen aufgrund der
Fortschritte der numerischen Mathematik den Einsatz dieser Technologie sehr
fOrdern. Ihre Grenzen liegen vor aHem in der Umweltbelastung durch die Druckwelle
selbst und durch die entstehenden gasfOrmigen Reaktionsprodukte.
Unter den in neuerer Zeit bekannt gewordenen Verfahren weist das Explosiv
verdichten den groBten innovativen Charakter auf. Es schien deshalb angebracht, die
Aktivitaten auf diesem Gebiet in dem vorliegenden Buch zusammenzufassen. Ent
halten sind eigene, zum Teil noch nicht veroffentlichte Arbeiten, die wahrend meiner
Tatigkeit in der Fraunhofer-Gesellschaft seit 1970 entstanden sind. Andererseits sind
Ergebnisse wichtiger Forschungsgruppen im Ausland beriicksichtigt, insbesondere in
den USA, der UdSSR und in Japan. Meinen FachkoHegen, denen ich vorwiegend auf
intemationalen Tagungen, insbesondere der HERF-Tagung (High Energy Rate
Forming Conference) begegnete, danke ich fUr wertvolle Diskussionen. Nur der
intemationale Erfahrungsaustausch war es, welcher mich in die Lage versetzte, in
einigen Kapiteln kritisch zusammenzufassen.
Die Darstellung des Buches solI dem Neuling die Moglichkeiten des Explosiv
verdichtens und dem Experten den innovativen Charakter dieses reizvollen For
schungsgebietes vermitteln. Der Verdichtungsvorgang per se wird in seinen kom
plizierten physikalischen und metallkundlichen Zusammenhangen abgehandelt.
Dariiber hinaus wird auch eingegangen auf die durch eine Explosivverdichtung erst
ermoglichte und entwicklungstechnisch bedeutungsvolle Synthese neuer Werkstoffe
und Werkstoffzustiinde.
VIII
Bei der Gestaltung des Buchmanuskriptes waren anregende Gesprache und wert
volle RatschHige hilfreich, wofiir ich an dieser Stelle besonders den Herren Pro
fessoren Macherauch und Thummler danken mochte. FUr eine Vielzahl von Experi
menten haben die Herren Sprengmeister Muller, Miihlich und Kugel in dankens
werter Weise zur Verfiigung gestanden.
Freiburg, im Dezember 1986 R. Prummer
Inhaltsverzeichnis
1 Einleituog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Bekannte Vedahren der technischen Anwendung von Explosivstoffen 3
2.1 Historischer Uberblick 3
2.2 Explosivumformen 4
2.3 ExplosivschweiBen 5
2.4 Explosivschneiden 6
2.5 Explosivhiirten. . 7
2.6 Explosivverdichten 8
3 Erzeugung und Ausbreituog von Sto8wellen 11
3.1 Erzeugung von StoBwellen. . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.1 Erzeugung von StoBwellen durch Kollision von Festkorpem 11
3.1.2 Erzeugung von StoBwellen durch Explosivstoffe 12
3.2 Ausbreitung von StoBwellen . . . . . . '. . . . . . . . 13
3.2.1 StoBwelleninterferenzen . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.2 Reflexion von StoBwellen an freien Oberfliichen und starken Wiinden 14
3.2.3 Divergierende und konvergierende StoBwellen 14
3.2.4 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4 Sto8wellen in Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.1 Die Zustandsgleichungen stoBwellenbeanspruchter Festkorper . . . . 18
4.2 Die Zustandsgleichungen stoBwellenbeanspruchter pulvriger Substanzen 21
4.3 Quantitative Charakterisierung von Explosivstoffen zur
StoBwellenerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.4 Werkstoffveriinderungen in Festkorpem aufgrund einer
StoBwelleneinwirkung. . . . . . 27
4.4.1 Die Versetzungsbildung . . . . . 27
4.4.1.1 Kubisch fliichenzentrierte Metalle . 28
4.4.1.2 Kubisch raumzentrierte Metalle . 28
4.4.2 Die Zwillingsbildung . . . . . . 28
4.4.2.1 Kubisch fliichenzentrierte Metalle . 28
4.4.2.2 Kubisch raumzentrierte Metalle 29
4.4.2.3 Hexagonale Metalle. . . . . 29
4.4.3 Die Bildung von Punktfehlem . 29
X
4.4.4 Die Phasenumwandlungen . 29
4.4.5 Die StoBwellenerwarmung . 32
5 HersteUung explosivverdicbteter Pre8Unge 33
5.1 Der Verdichtungsvorgang 33
5.1.1 Bedeutung der StoBwellenfront . 33
5.1.2 Kennzeichnende Parameter 38
5.1.3 Modellierung mit Hilfe der Methode der finiten Differenzen 45
5.1.4 Explosiv-HeiB-Pressen (REP) 46
5.2 Temperaturentwicklung . 48
5.3 Bindemechanismen . 52
5.3.1 Explosives VerschweiBen 52
5.3.2 ReibschweiBen . 53
5.3.3 Explosives Fliissigphasen-Sintem 54
5.3.4 Bedeutung der Bindemechanismen, 58
6 Eintlu8 des Dmcks auf die mechanischen Eigenscbaften
explosivverdichteter Pre8Unge . 60
6.1 Metalle . 60
6.2 Keramische Werkstoffe 61
6.3 Metallische Glaser 62
7 Eintlu8 des Dmcks auf die Substruktur verdichteter Pre8Unge 64
7.1 Metalle . 65
7.2 Keramische Werkstoffe 67
8 Aktiviemng des Sintervorganges und der Reaktivitiit Bach einer
Sto8weUenbehandlung 70
9 Sto8weUen-Synthesen 73
9.1 Chemische Reaktionen in Gemengen 73
9.2 Durch Phasenumwandlungen erzielte neue Stoffzustande . 74
9.2.1 Die Diamantsynthese . 76
9.2.2 Synthese von kubischem Bornitrid 77
10 Zusammenfassende Bewertung 79
10.1 Statische und dynamische Verdichtung - ein Vergleich . 79
10.2 Besonderheiten des Explosivverdichtens 83
10.3 Prinzipielle Probleme der Halbzeug-Fertigung 83
11 Zusammenfassung 85
12 Liste der hiiufig benutzten Symbole 88
13 Literaturhinweise 89
Sachverzeichnis . 99
1 Einleitung
Das Verpressen von Pulvem und porosen Substanzen ist ein Verfahrensschritt in der
Pulvermetallurgie und in der keramischen Industrie. Es werden Formkorper erzielt,
welche nach einer anschlieBenden Warmebehandlung unterhalb der Schmelztempera
tur, dem Sintem, mehr oder weniger ihre Restporositat verlieren und damit ausrei
chende Festigkeitswerte erlangen. So werden die hochschmelzenden Metalle Wolfram,
Molybdan und Tantal sowie die reaktiven Metalle Titan, Zirkonium und Hafnium
weitgehend nach dem Sinterverfahren gefertigt. Sonderkeramische Werkstoffe wie
Oxide, Karbide, Nitride und Boride bzw. deren Mischungen auch mit Metallpulvern,
werden nahezu ausschlieBlich auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt.
Die Nachteile der Schmelzmetallurgie, das Auftreten von Gefiigefehlem wie
GuBlunker, Seigerungen und Grobkombildung konnen in der Pulvermetallurgie
vermieden werden. Homogene Gefiigezustande, die beim Verdiisen von Metallschmel
zen zu Pulvern entstehen, fiihren nach dem Verpressen und Sintem zu Formkorpern
nicht nur mit homogenen und isotropen Gefiigezustanden, sondem auch mit
verbesserten mechanischen Eigenschaften.
Neben den bekannten Verfahren, wie dem Pressen in einer Matrize, dem
hydrostatischen Pressen, dem HeiBpressen und dem heiBisostatischen Pressen (HIP)
ist das explosive Pulverpressen weniger bekannt.
In der vorliegenden Arbeit werden die Grundprinzipien des explosiven Pulverpres
sens beschrieben. Dabei wird vor allem auf das Direktverfahren des Explosivverdich
tens eingegangen, das sich dadurch auszeichnet, daB der von Explosivstoffen
entwickelte Detonationsdruck direkt auf das Pulver einwirkt. Beim explosiven
Pulververdichten ist eine sich im Pulver mit hoher Geschwindigkeit ausbreitende
StoBwelle die ortliche und zeitliche Grenze zwischen Pulver und verdichtetem
Material. Die entscheidenden Parameter, wie Art und Menge des anzuwendenden
Explosivstoffes, werden untersucht.
Die in der Regel bei der detonativen Umsetzung von Explosivstoffen entstehenden
sehr hohen Driicke fUhren zu PreBlingen mit nahezu 100 % der theoretischen Dichte.
Ein weiteres Merkmal des Verfahrens ist ferner, daB gleichzeitig hohe Energiebe
trage in den PreBling eingebracht werden. Gegeniiber den statischen Verfahren der
Pulververdichtung besteht somit beim Explosivverdichten die Moglichkeit, den
Sinterprozess zu aktivieren oder bei einer Reihe von Pulvertypen durch voriibergehend
auftretende lokale Aufschmelzungen der Oberflachenbereiche der Pulverteilchen
einen PreBling zu erzielen, bei dem sich eine nachtragliche Sinterbehandlung eriibrigt
und dessen mechanische Eigenschaften denen eines gesinterten Korpers sogar
iiberlegen sind.
2
Auch das reaktive Pressen von Pulvergemischen und die Herstellung von
Hochdruckphasen bestimmter Werkstoffe durch die Einwirkung hoher dynamischer
Driicke auf Pulver der reinen Substanzenoder Gemische ist moglich. Hierzu werden
Beispiele aufgezeigt.
Der Beschreibung des eigentlichen Explosivpressens geht eine kurze Ubersicht
fiber die sonst gebriiuchlichtln in den letzten Jahrzehnten entwickelten Verfahren der
explosiven Werkstoftbearbeitung voraus. Die im Zusammenhang mit dem Explosiv
verdichten wichtigsten GesetzmiiBigkeiten der Erzeugung und des Ausbreitungsver
haltens von StoBwellen sowie deren Wirkung auf Materie werden erliiutert.
