Ueber die Ursachen der schnellen Abnutzung großer Geschütze. Von Ing. P. Siwy, Schöneberg-Berlin. Ueber die Ursachen der schnellen Abnutzung großer Geschütze. Mit der großartigen Entwicklung der modernen Schußwaffe, des großkalibrigen Geschützes, hat seine Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung keineswegs gleichen Schritt gehalten. Mit jeder Steigerung der ballistischen Leistung fand eine Abnahme der zulässigen Schüsse statt; ein 30,5 cm modernes Geschütz mit etwa 14000 m Mündungsenergie kann kaum mehr als 100 kriegsbrauchbare Schüsse abgeben; wenn hie und da höhere Angaben gemacht werden, so sind sie mit Vorsicht aufzunehmen und gestatten nur dann eine Beurteilung der Güte des Materials, wenn über Mündungsenergie und das Maß der Abnutzung einwandfreie Mitteilungen vorliegen. Bevor auf die tatsächlichen Ursachen näher eingegangen wird, sollen einige Erscheinungen angeführt werden, die mehr oder weniger bekannt sind, oder sich leicht beobachten lassen. 1. Werden in einem allseitig geschlossenen Stahlgefäß, welches nur eine verhältnismäßig enge Austrittsöffnung besitzt, mehrere Ladungen zur Entzündung gebracht, so daß die Pulvergase durch die Oeffnung austreten, so findet eine sichtbare Zunahme der Oeffnung statt; es ist dieselbe Stichflammenwirkung, die undichte Stellen an Verschlüssen, Zündlochstollen usw. erweitert. Die Erweiterung der Oeffnung findet jedoch nicht bei kleinen Ladungen statt, sondern erst dann, wenn der Druck eine solche Höhe erreicht hat, daß die damit zusammenhängende Temperatur der Pulvergase die Schmelztemperatur des Metalles überschritten hat. Wird an die Oeffnung ein längeres Rohr mit kreisförmiger Bohrung angesetzt, so erweitert sich auch diese; die Zunahme des Bohrungsdurchmessers ist in der Nähe des Verbrennungsraumes am größten und wird gegen die Mündung immer kleiner, weil die Temperatur der Pulvergase gegen die Mündung immer niedriger wird. Gleichzeitig erlangt das Material der Bohrung eine große Härte, wenn es aus härtbarem Stahl besteht. 2. Geschütze mit kleiner Leistung und großer Expansion, z.B. großkalibrige Mörser, zeigen eine geringe Zunahme des Bohrungsdurchmessers und vertragen 2 bis 3000 Schüsse; es stellt sich jedoch eine bedeutende Gefügeänderung der innersten Bohrungsschichte ein, wodurch die Konstruktion gefährdet ist; die Härtung tritt schon nach den ersten Schüssen ein. Als zutreffendes Beispiel kann ein 24 cm Mörser mit 2,5 kg Ladung gelten; dabei entfällt also auf 1 cm Umfang 0,033 kg Ladung, und die Zeit, während welcher sich das Geschoß im Rohr befindet und die als Maß für die Dauer der Einwirkung der Pulvergase auf das Seelenrohr gelten kann, beträgt etwa 0,006 Sek. 3. Mittlere Geschütze mit großer Leistung vertragen gegen 600 Schüsse, erleiden sowohl eine Zunahme des Bohrungsdurchmessers, als auch eine Gefügeänderung; die letztere ist insbesondere im rückwärtigen Teil bedeutend, wo wegen der großen Gasspannungen die künstliche Beanspruchung der Ruhe (Druckspannungen in Folge Schrumpfwirkungen) ziemlich hoch sein muß. Als Beispiel diene ein 15 cm Geschütz mit 13 kg Ladung, d. i. auf 1 cm Umfang 0,276 kg, dessen Geschoß zum Durcheilen der Bohrung 0,01 Sek. benötigt. 4. Große Geschütze mit großer Mündungsenergie zeigen nach einer geringen Anzahl von Schüssen eine bedeutende Zunahme des Bohrungsdurchmessers; nach 100 Schüssen ist aus diesem Grunde die Mündungsgeschwindigkeit des Geschosses so gesunken, daß das Geschütz kriegsunbrauchbar wird; die Gefügeänderung ist etwas geringer als im Fall 3; die Härtung stellt sich nach den ersten Schüssen ein. Hier sei angeführt ein 30,5 cm Rohr mit 130 kg Ladung, d. i. 1,36 kg auf 1 cm Umfang und 0,015 Sekunden Dauer der Geschoßbewegung im Rohr. Faßt man die Merkmale der vier Fälle zusammen, so ergibt sich folgendes Resultat; Die Zunahme des Bohrungsdurchmessers (Abnutzung) ist dort am größten, wo die größte Menge Pulvergase mit der größten Temperatur während der längsten Zeit auf die Einheit des Bohrungsumfanges einwirken kann. Die Gefügeänderung ist dort am bedeutendsten, wo die größte Anzahl von Schüssen mit der höchsten künstlichen Beanspruchung der Ruhe zusammentrifft; da sich die letztere nach dem Druck der Pulvergase richtet, so ist auch in diesem Falle die höchste Temperatur vorhanden. Die Härtung tritt immer bald ein, sobald das Seelenrohr aus härtbarem Material besteht. Die modernen Geschütze mit großer Leistung arbeiten mit Anfangsgasspannungen über 3000 at und Mündungsspannungen weit über 1000 at. Diese Pressungen erfordern eine künstliche Rohrkonstruktion, welche im ruhenden Seelenrohr eine tangentiale Druckbeanspruchung von annähernd 30 kg/qmm erzeugt. Diese Druckspannung bewahrt das Rohr beim Schuß vor zu großer Zugbeanspruchung; die letztere steigt bis etwa 30 kg/qmm. Der Beanspruchungswechsel zwischen – 30 bis + 30 kg/qmm, der einem Maschinenkonstrukteur als äußerst hoch erscheint, würde allein die Gefügeänderung des Seelenrohrs nicht bewirken; denn es gibt solche künstliche Konstruktionen für 7–10000 at (Huberpressen), bei welchen die Beanspruchung vielleicht zwischen – 50 bis + 70 kg/qmm wechselt und deren Seelenrohre viele Tausende von Beanspruchungen aushalten; allerdings wird für diese Konstruktionen ein widerstandsfähigeres Material verwendet als für Geschütze. Den Vorgang, der sich während des Schusses im Rohr abspielt, kann man in drei Perioden zerlegen: In der ersten Periode geht die vor dem Schuß vorhanden gewesene tangentiale Druckbeanspruchung nach Entzündung der Ladung und stattgefundener Spannungsentwicklung in der Bohrung in eine Zugbeanspruchung über. Dabei ist die innerste Schichte der sehr hohen Temperatur der Pulvergase ausgesetzt, während diese gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit von mehreren hundert Metern über die Metalloberfläche streichen. Sie üben also dieselbe Wirkung aus, wie eine Stichflamme; die schmelzende oberste Schichte wird weggefegt. Hat das Geschoß das Rohr verlassen (zweite Periode) und ist der innere Druck verschwunden, so stellt sich im Seelenrohr wieder die Druckbeanspruchung ein; wenn man jedoch in Betracht zieht, daß die innerste Schichte gegenüber dem übrigen Teil eine viel höhere Temperatur besitzt, da die Wärme noch nicht Zeit hatte, sich gleichmäßig auszubreiten, so wird man begreifen, daß die Druckbeanspruchung in diesem Augenblick viel größer sein muß, als in einem gleichmäßig erwärmten Rohre. Eine Nachrechnung auf Grund der Annahme eines sehr wahrscheinlichen Temperaturverlaufes ergibt eine weit über der Fließgrenze befindliche Druckbeanspruchung. Man kann an Rohren mit großer künstlicher Beanspruchung nach den ersten Schüssen eine interessante Erscheinung beobachten; man bemerkt auf der Metalloberfläche ganz feine Aederchen, die sich bei Vergrößerung als Grate darstellen; ein Beweis, daß das Material tatsächlich zum Fließen gekommen ist und sich auf diese Weise Raum verschafft hatte. Die Ueberbeanspruchung tritt bei jedem Schuß nicht vielleicht nur einmal auf, sondern da das Rohr in eine zur Rohrachse konzentrische Schwingungsbewegung versetzt wird, entspricht einem einzigen Schuß eine bedeutende Anzahl von Beanspruchungswechseln. In der zweiten Periode findet also eine nachteilige Gefügeänderung der innersten Bohrungsschichte auf einige Millimeter Tiefe statt. Nun kommt eine dritte Periode, die sehr wesentlich an dem Zerstörungswerk mitarbeitet. Die innerste heiße Schichte wird durch das umgebende, kalte Metall plötzlich abgekühlt und erlangt dadurch eine große Härte, so daß sie nur für die besten Werkzeuge angreifbar wird. Die Folge dieser Härtung ist eine Sprödigkeit des Materials, wodurch dieses für darauffolgende Beanspruchungswechsel sehr wenig widerstandsfähig wird; es treten haarförmige Risse auf, die dem weiteren Verderben gute Angriffspunkte bieten. Das Material der innersten Schichte eines mit vielen Schüssen belegten Rohres besitzt keine Festigkeit, keinen metallischen Klang mehr; tiefe, ausgebrannte Risse, in welchen ganz feine Eisenkristalle zu beobachten sind, verleihen ihm ein mattes brüchiges Aussehen. Wenn man nun an eine Bekämpfung dieser schwachen Seite der Geschütze denkt, so möchte man die Frage vorerst als Materialfrage behandeln. Nun wurden bereits zahllose Versuche mit den verschiedensten Stahlsorten gemacht, ohne daß man zufriedenstellende Ergebnisse erreicht hätte. Es ist aus der vorhergehenden Darstellung leicht zu ersehen, daß ein kohlenstoffarmer, verhältnismäßig weicher Kohlenstoffstahl noch am bebten sein dürfte, weil er schwer schmelzbar, nicht besonders härtbar ist, also auch nicht so spröde wie harter Stahl wird; auch ist er leichter in guter, gleichmäßiger Beschaffenheit herstellbar. Er wird deswegen heute fast allgemein für Seelenrohre verwendet. Der für die Bemäntelung sehr gern verwendete Nickelstahl wird für Seelenrohre nicht gern genommen, weil er neben anderen nachteiligen Eigenschaften sehr zu örtlichen Ausbrennungen neigt, welche das Rohr oft nach wenigen Schüssen unbrauchbar machen können. Da nun Materialwahl nicht zur befriedigenden Lösung führte, so suchte man nach einem konstruktiven Ausweg, leider ohne Erfolg. Man brachte Geschosse mit allmählich zunehmenden Durchmessern der Geschoßbänder zur Verwendung, um die Geschwindigkeitsabnahme aufzuheben. Das war nicht praktisch, weil eine Verwechslung der Geschosse nicht ausgeschlossen war. Versuche, statt des Seelenrohrs ein dünnes Futterrohr ohne künstliche Pressung, welches leicht ausgewechselt werden konnte, zu verwenden, schlugen fehl, weil ein solches Futterrohr gar keine Widerstandsfähigkeit besaß. Man kann ein verbrauchtes Geschütz wieder vollkommen herstellen, wenn man es zerlegt, und ein neues Seelenrohr einzieht. Das ist aber heute noch kostspielig und langwierig; hier müßte die Konstruktion einsetzen und ein einfaches, verhältnismäßig billiges Verfahren ausbilden, welches die regelrechte Auswechslung eines Seelenrohres in kurzer Zeit ermöglichen würde.