DE69828262T2

DE69828262T2 - Bleifreies schrott das mittels einer bindung mit flüssiger phase hergestellt wird

Info

Publication number: DE69828262T2
Application number: DE69828262T
Authority: DE
Inventors: W. Peter ROBINSON; Brian Mravic; E. Derek TYLER
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1997-01-17
Filing date: 1998-01-15
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: EP0953139B1; IL130946A; EP0953139A1; ES2230670T3; US5950064A; EP0953139A4; AU5910298A; IL130946A0; WO1998031981A1; DE69828262D1

Description

Diese Erfindung betrifft bleifreie Projektile wie ballistisches Schrot. Genauer werden Projektile mit einer Dichte, die derjenigen von Blei angenähert ist, durch Flüssigphasensintern oder Flüssigphasenverbinden geformt.
Blei ist das historische Material der Wahl für Projektile wie Geschosse und ballistisches Schrot. Blei ist ein sehr dichtes Material mit einer Raumtemperaturdichte von 11,35 g/cm³, wobei Raumtemperatur nominell 20°C beträgt. Die hohe Dichte ermöglicht es Projektilen auf der Basis von Blei, eine höhere kinetische Energie und ein genaueres Flugbild über lange Entfernungen beizubehalten als weniger dichte Materialien.
Blei ist ein für die Umwelt nicht wünschenswertes Material, insbesondere wenn das Schrot über Wasserläufen und Feuchtgebieten abgefeuert wird. Es besteht ein Bedarf an einem Projektil, das bleifrei und für die Umwelt annehmbar ist.
Ein bleifreies Schrot vereinigt ein Material mit einer größeren Dichte als derjenigen von Blei mit einem zweiten Material niedrigerer Dichte in einem Verhältnis, das wirksam ist, eine Dichte zu erzielen, die derjenigen von Blei angenähert ist. Das US-Patent Nr. 5 399 187 von. Mravic et al. offenbart ein gesintertes Gemisch aus Pulvern mit einem Bestandteil hoher Dichte, der aus der Gruppe Wolfram, Wolframcarbid und Ferrowolfram ausgewählt ist, und einem duktileren Bestandteil geringerer Dichte, der aus der Gruppe Zinn, Bismut, Zink, Eisen, Aluminium und Kupfer ausgewählt ist, wobei seine Offenbarung den Oberbegriff-Merkmalen der Ansprüche 1 und 13 entspricht. Die Pulver werden zusammengemischt, zu einer gewünschten Gestalt geformt, verdichtet und gesintert.
Festphasensintern, wie es von der American Society for Metals (Amerikanische Gesellschaft für Metalle) definiert wird, beinhaltet das Verbinden benachbarter Oberflächen in einer Masse von Teilchen durch molekulare oder atomare An ziehungskraft beim Erhitzen bei hohen Temperaturen unter der Schmelztemperatur jedes Bestandteils in dem Material. Gleichgültig, wie viel Verdichtungsdruck angewendet wird oder wie lang die Sinterzeit ist, wenn Wolfram oder Ferrowolfram ein Bestandteil des Pulvergemisches ist, ist es schwierig, durch Sintern 100% der theoretischen Dichte zu erreichen. Ein beträchtliches Volumen in der Größenordnung von 20 Vol.-% der verdichteten Masse sind Hohlräume oder ist Porosität, was die Dichte des gesinterten Projektils verringert.
Ein Weg zur Erzielung von 100% der theoretischen Dichte ist, eine homogene geschmolzene Legierung aus einem Metall höherer Dichte und einem Metall niedrigerer Dichte zu bilden. Das US-Patent Nr. 5 264 022 von Haygarth et al. offenbart ein Gemisch aus Eisen und 30 bis 45 Gew.-% Wolfram, das auf eine Temperatur von zwischen 1650°C und 1700°C erhitzt wird. Die geschmolzene Legierung wird dann durch einen Schussturm gegossen. Dies ist zwar wirksam zur Erzeugung eines Projektils mit 100% der theoretischen Dichte, aber die zum Erhitzen der Wolfram/Eisen-Legierung auf den Schmelzpunkt erforderliche Energie wirkt hemmend.
Ein anderer Weg besteht darin, das dichte Teilchenmaterial, das typischerweise eine sehr hohe Schmelztemperatur hat, in einem geschmolzenen Bad eines Metalls oder einer Metalllegierung mit niedrigerer Schmelztemperatur zu suspendieren. Das US-Patent Nr. 4 881 465 von Hooper et al. offenbart Schrot, das durch Suspendieren von Eisen-Ferrowolfram-Teilchenmaterial in einem geschmolzenen Bad aus einer Blei-Zinn-Antimon-Legierung mit niedriger Schmelztemperatur (unter 300°C) gebildet wird. Näherungsweise 25 bis 50 Gew.-% des Gemisches ist die niedrig schmelzende Legierung.
Das US-Patent Nr. 5 189 252 von Huffman et al. offenbart Schrot, das durch Suspendieren eines dichten Teilchenmaterials wie Wolfram oder abgereicherten Urans in einem Bad aus flüssigem Metall, das typischerweise Zinn ist, gebildet wird.
Das US-Patent Nr. 5 279 787 von Oltrogge offenbart Schrot, das durch Suspendieren eines dichten Teilchenmaterials wie Wolfram oder Tantal in einem Bad aus flüssigem Metall, das Zinn, Bismut oder eine Legierung wie Bismut-Zinn, Bismut-Antimon, Bismut-Zink und Zinn-Zink ist, gebildet wird. Von etwa 11 bis über 60 Gew.-% des Schrots ist der niedriger schmelzende Bestandteil. Das Oltrogge-Patent offenbart einen Gegenstromtiegel zur Bildung der geschmolzenen Suspension, weil sich das dichte Teilchenmaterial aus dem geschmolzenen Bad absetzt und dazu neigt, Schrot mit einer anisotropen Dichteverteilung zu bilden. Wenn das Schrot eine gleichmäßige Dichte hat, ergeben sich ungleichmäßige Schussbilder und ein nicht vorhersagbares Verhalten.
Es ist auch bekannt, ein dichtes Teilchenmaterial wie Wolfram in einer Polymermatrix wie Polyethylen oder einem Silikongummi zu suspendieren, wie es in dem US-Patent Nr. 4 949 645 von Hayward et al. offenbart ist.
Es gibt daher einen Bedarf an bleifreiem Schrot und einem Verfahren zu seiner Herstellung, das nicht die Herstellungsprobleme des Stands der Technik hat.
Es ist die Hauptaufgabe der Erfindung, ein bleifreies Projektil bereitzustellen, das im Vergleich zu gesinterten Projektilen eine verringerte Porosität hat. Es ist ein Merkmal der Erfindung, dass die verringerte Porosität durch Flüssigphasensintern oder durch Flüssigphasenverbinden erzielt wird. Durch Halten des Bestandteils des Projektils, der die flüssige Phase bildet, bei weniger als 10 Gew.-% werden das Absetzen des dichten Bestandteils und eine anisotrope Dichteverteilung vermieden.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass bleifreie Projektile wie Geschosse und ballistisches Schrot mit einer Dichte ähnlich derjenigen von Blei gebildet werden. Die Projektile haben im Vergleich zu gesinterten Projektilen eine verringerte Porosität, wobei sich die Porosität 0 Vol.-% nähert. Eine verringerte Porosität erlaubt das Einbeziehen eines höheren Anteils eines duktilen Bestandteils in das Projektil, was sowohl die Formbarkeit während der Herstellung als auch die Verformbarkeit beim Auftreffen auf ein Ziel erhöht. Ein weiterer Vorteil von verringerter Porosität ist, dass die Menge an erforderlichem dichtem Bestandteil verringert wird. Da der dichte Bestandteil tendenziell kostspieliger ist, verringert dies die Kosten des Projektils.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung von Projektilen bereitzustellen. Es ist ein Merkmal der Erfindung, dass eine Projektil-Vorform entweder durch ein Chargenverfahren oder durch ein kontinuierliches Verfahren gebildet und dann mechanisch zu einer gewünschten Gestalt geformt wird. Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, dass die Verfahren Flüssigphasensintern unter Verwendung eines begrenzten Volumens einer flüssigen Phase einsetzen.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass diese Verfahren eine homogene Verteilung von Teilchenmaterial erzielen und die Dichte der Projektile ziemlich konstant bleibt. Ein Vorteil gleichmäßiger Dichte von einem Projektil zum nächsten ist, dass ein einheitlicheres Verhalten erzielt wird, wenn das Projektil abgefeuert wird.
Erfindungsgemäß wird ein Projektil zum Abfeuern aus einer Waffe, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Projektils, wie es in Anspruch 13 beansprucht ist, bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beansprucht. Ein Projektil der Erfindung weist eine integrale Masse aus Teilchenmaterial mit einer gewünschten Gestalt und einer Dichte, die 9,8 g/cm³ überschreitet, auf. Die integrale Masse enthält einen ersten teilchenförmigen Bestandteil, der eine Raumtemperaturdichte hat, die größer als 10 g/cm³ ist, einen zweiten teilchenförmigen Bestandteil, der eine Schmelztemperatur hat, die 400°C überschreitet, und ein Bindemittel. Das Bindemittel befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten teilchenförmigen Bestandteil und ist an sie gebunden. Das Bindemittel ist ein dritter Bestandteil, der eine Fließfähigkeitstemperatur hat, die geringer ist als die Schmelztemperatur sowohl des ersten als auch des zweiten Bestandteils. Mit Fließfähigkeitstemperatur ist die Temperatur gemeint, oberhalb der der dritte Bestandteil ausreichend flüssig ist, um leicht zwischen den ersten und den zweiten Bestandteil zu fließen. Der dritte Bestandteil ist ein Metall, und daher ist die Fließfähigkeitstemperatur gleich der Liquidustemperatur. Bevorzugt beträgt die Viskosität des Fluids bei einer gewünschten Verarbeitungstemperatur weniger als etwa 10^–3 Pa·s (10 Centipoise). Dieser dritte Bestandteil ist in einer Menge anwesend, die wirksam ist, den ersten und den zweiten Bestandteil zu verbinden, aber weniger als 10 Gew.-% der integralen Masse.
Eine erste Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des Projektils beinhaltet die Schritte des Vermischens eines Gemisches aus einem ersten Teilchenmaterial, einem zweiten Teilchenmaterial und einem dritten Teilchenmaterial, wobei das erste Teilchenmaterial eine Raumtemperaturdichte hat, die 10 g/cm³ überschreitet, das zweite Teilchenmaterial eine Schmelztemperatur über 400°C hat und das dritte Teilchenmaterial, das ein Metall ist, eine Fließfähigkeitstemperatur (Liquidustemperatur) hat, die niedriger ist als die Schmelztemperatur sowohl des ersten als auch des zweiten Teilchenmaterials. Der dritte Bestandteil ist in einer Menge anwesend, die wirksam ist, das erste und das zweite Teilchenmaterial zu verbinden, aber weniger als 10 Gew.-% des Gemisches. Das Gemisch wird dann in eine Form einer gewünschten Gestalt gepresst und dann auf eine Temperatur, die größer ist als die Fließfähigkeitstemperatur des dritten Teilchenmaterials, aber unter der Schmelztemperatur des zweiten Teilchenmaterials liegt, für eine Zeit erhitzt, die wirksam ist, dass sich das Gemisch zu einer Vorform verdichtet und fest wird. Diese Vorform wird dann mechanisch in eine gewünschte Projektilgestalt geformt.
Eine zweite Ausführungsform des Herstellungsverfahrens beinhaltet denselben Vermischungs-Schritt, aber das Gemisch wird dann in einen ersten Raum mit einem ersten Durchgangskanal einer ersten Querschnittsfläche und mit einem offenen Vorderende zugeführt. Das Gemisch wird dann kontinuierlich durch das offene Vorderende in einen zweiten Raum, der einen zweiten Durchgangskanal einer zweiten Querschnittsfläche hat, wobei die zweite Querschnittsfläche kleiner als die erste Querschnittsfläche ist, extrudiert. Das Gemisch wird dann auf eine Temperatur, die größer ist als die Fließfähigkeitstemperatur des dritten Teilchenmaterials, aber unter der Schmelztemperatur des zweiten Teilchenmaterials liegt, für eine Zeit erhitzt, die wirksam ist, dass sich das Gemisch zu einer Stange verdichtet und fest wird. Diese Stange wird dann mechanisch zu dem Projektil geformt.
Die oben angegebenen Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen, die folgen, deutlicher.
1 zeigt in Schnittdarstellung ein ballistisches Schrot, das erfindungsgemäß geformt wurde.
2 ist ein Blockschema eines ersten Verfahrens zur Herstellung der Projektile der Erfindung.
3 ist ein Blockschema eines zweiten Verfahrens zur Herstellung der Projektile der Erfindung.
4 ist eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Projektilen nach dem in 3 veranschaulichten Verfahren.
5 ist eine Schnittdarstellung eines Raumteils der Vorrichtung von 4.
6 veranschaulicht ein Schneidwerkzeug für die in 4 veranschaulichte Vorrichtung in Draufsicht von vorne.
7 und 8 veranschaulichen grafisch einen Vorteil des Verfahrens der Erfindung, wenn ein teilchenförmiger Bestandteil Ferrowolfram ist.
9 und 10 veranschaulichen grafisch einen Vorteil des Verfahrens der Erfindung, wenn ein teilchenförmiger Bestandteil Wolfram ist.
Das Verfahren der Erfindung ist zur Herstellung irgendeines Projektils, das aus einer Waffe abgefeuert wird, geeignet. Das Projektil soll eine Dichte haben, die mindestens etwa gleich oder größer als 9,8 g/cm³, die Dichte von Bismut, ist, und typischerweise ist die Dichte etwa 11,35 g/cm³, die Dichte von Blei. In einer Ausführungsform ist die Dichte größer als diejenige von Blei für eine verbes serte lineare Energieübertragung. In dieser Ausführungsform beträgt die Dichte zwischen 12 g/cm³ und 14 g/cm³.
Bevorzugt haben die Projektile der Erfindung eine Dichte von zwischen 10 g/cm³ und 13 g/cm³, und am meisten bevorzugt liegt die Dichte zwischen 11 g/cm³ und 13 g/cm³, wobei alle Dichten bei Raumtemperatur sind. Zu typischen Projektilen gehören ballistisches Schrot, Geschosse, Penetrator Rods und Nadelgeschosse.
1 veranschaulicht in Schnittdarstellung ein erfindungsgemäß geformtes ballistisches Schrot 10. Das ballistische Schrot 10 ist eine integrale Masse aus Teilchenmaterial, das ausreichend verbunden ist, um sich wie eine einzige Vorrichtung zu verhalten. Während sich das ballistische Schrot beim Auftreffen auf ein Ziel verformen wird und zerbrechen kann, kann das ballistische Schrot beim Abfeuern aus der Waffe verformt werden, bleibt aber intakt.
Das ballistische Schrot 10 enthält ein erstes Teilchenmaterial 12, das eine größere Dichte als 10 g/cm³ hat. Zu geeigneten Materialien für das erste Teilchenmaterial gehören Ferrowolfram, Wolframcarbid, Wolfram und andere Wolframlegierungen. Zu anderen geeigneten Materialien für den ersten teilchenförmigen Bestandteil gehören Tantal, abgereichertes Uran, Molybdän und Legierungen davon. Materialien, die materiell aus, diesen Metallen bestehen, wie Oxide, Carbide und Nitride, können ebenfalls verwendet werden.
Ferrowolfram (typischerweise 70 bis 80 Gew.-% Wolfram und Rest Eisen) und andere Eisen-Wolfram-Legierungen sind wegen relativ niedriger Kosten im Vergleich zu Wolfram-Metallen und anderen Legierungen auf Wolframbasis am meisten bevorzugt. Ferrowolfram ist auch ferromagnetisch, was die Säuberung der Umgebung mit Magneten erleichtert.
Zwischen dem ersten Teilchenmaterial 12 ist ein zweites Teilchenmaterial 14 verteilt, das eine Schmelztemperatur oberhalb von etwa 400°C, und bevorzugt oberhalb von etwa 500°C, hat und duktil ist. Mit duktil ist gemeint, dass das zweite Teilchenmaterial bei Raumtemperatur unter Zug- oder Druckspannung um mehr als 20% in der Länge verformt (gedehnt oder zusammengedrückt) werden kann, ohne zu brechen. Zu geeigneten Materialien für das zweite Teilchenmaterial gehören Zink, Eisen, Kupfer und Legierungen davon. Je höher der Anteil duktiler Bestandteile in dem Projektil, desto weniger wahrscheinlich ist es, dass das Projektil während des Abfeuerns aus einer Waffe zerbricht, und desto wahrscheinlicher ist es, dass sich das Projektil beim Auftreffen auf ein Ziel verformt. Verformung beim Auftreffen auf ein Ziel ist wünschenswert, um die kinetische Energie des Projektils zu verteilen und die Durchdringung einer schusssicheren Weste zu vermeiden. Bevorzugt enthält das Projektil mindestens 40 Gew-% duktile Bestandteile.
Ein Bindemittel 16 ist zwischen dem ersten Teilchenmaterial 12 und dem zweiten Teilchenmaterial 14 vorhanden und an das erste Teilchenmaterial und das zweite Teilchenmaterial gebunden. Das Bindemittel 16 ist entweder ein dritter Bestandteil oder eine Legierung des dritten Bestandteils und mindestens eines der Bestandteile erstes Teilchenmaterial und zweites Teilchenmaterial. Der dritte Bestandteil ist ein Metall. „Metall" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist so zu verstehen, dass es metallische Legierungen umfasst.
Das Metall oder die metallische Legierung hat eine Liquidustemperatur, die geringer ist als die Schmelztemperatur entweder des ersten Bestandteils oder des zweiten Bestandteils. Bevorzugt beträgt die Liquidustemperatur des dritten Bestandteils weniger als 500°C. Zu bevorzugten dritten Bestandteilen gehören Zinn, Zink, Bismut, Antimon oder eine Legierung davon.
Um das Absetzen des ersten Teilchenmaterials 12 und des zweiten Teilchenmaterials 14 in dem dritten Bestandteil, wenn sich der dritte Bestandteil in einem flüssigen Zustand befindet, zu minimieren, ist der dritte Bestandteil in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% der integralen Masse anwesend. Es muss jedoch eine zur Bindung des ersten und des zweiten Bestandteils ausreichende Menge des dritten Bestandteils anwesend sein. Typischerweise ist der dritte Bestandteil in einer Menge von 3 bis 7 Gew.-% anwesend. Wenn der dritte Bestandteil flüssig ist, umgibt er das erste Teilchenmaterial 12 und das zweite Teilchenmaterial 14 und hält es mechanisch fest. Bevorzugt reagiert der dritte Bestandteil, wenn er flüssig ist, chemisch entweder mit dem ersten Bestandteil 12, dem zweiten Bestandteil 14 oder mit Oxidschichten darauf, um zwischen ihnen eine Legierung oder eine chemische Bindung zu bilden.
Als ein Beispiel, Zink schmilzt bei 420°C und würde einen Teil des Eisens aus dem Teilchenmaterial lösen, um mit dem Eisen eine intermetallische Verbindungslegierung zu bilden, die dann wieder fest werden würde.
Wenn ein Teil des Bindemittels 16 bei der Verarbeitungstemperatur flüssig bleibt, dann wird das Verfahren als Flüssigphasensintern bezeichnet. Wenn das gesamte Bindemittel eine Schmelztemperatur oberhalb der Verarbeitungstemperatur hat und bei der Verarbeitungstemperatur nichts von dem Bindemittel geschmolzen bleibt, dann wird das Verfahren als Übergangsflüssigphasensintern bezeichnet. „Flüssigphasensintern", wie es in der vorliegenden Erfindung beansprucht wird, umfasst Übergangsflüssigphasensintern.
Tabelle 1 veranschaulicht einen Vorteil des Flüssigphasensinterns mit einer Porosität von nahe 0 Vol.-% im Vergleich zu Festphasensintern, das typischerweise eine Porosität von etwa 20 Vol.-% hat. Der Gewichtsprozentsatz des ersten Teilchenmaterials, FeW oder W, der zur Erzielung einer Dichte gleich derjenigen von Blei erforderlich ist, wird von etwa 75% auf etwa 50% verringert. Da das erste Teilchenmaterial dazu neigt, der teuerste Bestandteil des Projektils zu sein, stellt diese Verringerung eine beträchtliche Kostenersparnis dar. Tabelle 1 Zusammensetzung zur Erzielung derselben Dichte wie Blei

HDPE: Hartpolyethylen, T_f ≈ 250°C
GL: Natronkalkglas, T_f ≈ 1000°C

HDPE oder GL enthaltende Zusammensetzungen werden in der vorliegenden Erfindung nicht beansprucht.
Von Tabelle 1 sind die folgenden bevorzugte Zusammensetzungen, in Gew.-%, wenn das Projektil eine Dichte ähnlich derjenigen von Blei haben soll:
Ferrowolfram etwa 45% bis 70%;
Kupfer etwa 35% bis 50%; und
der Rest ein dritter, als Bindemittel wirkender Bestandteil, der ausgewählt ist aus der aus Zinn, Zink, Bismut und Legierungen davon bestehenden Gruppe.
Ferrowolfram etwa 55% bis 70%;
Eisen etwa 30% bis 45%; und
der Rest ein dritter, als Bindemittel wirkender Bestandteil, der ausgewählt ist aus der aus Zinn, Zink, Bismut und Legierungen davon bestehenden Gruppe.
Wolfram etwa 39% bis 55%;
Kupfer etwa 44% bis 57%; und
der Rest ein dritter, als Bindemittel wirkender Bestandteil, der ausgewählt ist aus der aus Zinn, Zink, Bismut und Legierungen davon bestehenden Gruppe.
Wolfram etwa 50% bis 64%;
Eisen etwa 35% bis 45%; und
der Rest ein dritter, als Bindemittel wirkender Bestandteil, der ausgewählt ist aus der aus Zinn, Zink, Bismut und Legierungen davon bestehenden Gruppe.
Eine erste Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der Projektile ist im Blockschema in 2 veranschaulicht. Ein teilchenförmiges Gemisch aus erstem Bestandteil, zweitem Bestandteil und drittem Bestandteil wird miteinander vermischt 18, um ein homogenes Gemisch zu bilden. Typischerweise hat das erste Teilchenmaterial eine maximale axiale Länge von zwischen etwa 1 und 1000 μm und bevorzugt zwischen etwa 3 und 500 μm. Das zweite Teilchenmaterial hat eine maximale axiale Länge von zwischen etwa 1 und 500 μm und bevorzugt zwischen etwa 20 und 200 μm, und das dritte Teilchenmaterial hat eine maximale axiale Länge von zwischen etwa 1 und 500 μm und bevorzugt zwischen etwa 20 und 200 μm.
Das homogene Gemisch wird dann in eine Form einer gewünschten Gestalt gepresst 20. Die Form kann die Gestalt des Projektils haben, wie eines spitzbogenförmigen Geschosses, eines Penetrator Rods oder runden ballistischen Schrots. Alternativ hat die Form die Gestalt einer Zwischen-Vorform wie eines zylindrischen Blocks.
Das gepresste Gemisch wird dann auf eine Temperatur erhitzt 22, die größer ist als die Fließfähigkeitstemperatur (Liquidustemperatur) des dritten Teilchenmaterials, aber kleiner ist als die Schmelztemperatur des zweiten Teilchenmaterials. Typische metallische dritte Bestandteile und ihre Schmelztemperaturen sind:
Typische Schmelztemperaturen für das zweite Teilchenmaterial sind:
Eine Temperatur von zwischen etwa 300°C und 500°C ist wirkungsvoll für den Schritt des Erhitzens 22, wenn der dritte Bestandteil Zinn oder Bismut ist. Ein Temperaturbereich von etwa 450°C bis 600°C ist wirkungsvoll, wenn der dritte Bestandteil Zink ist.
Das Gemisch wird für eine Zeit, die wirksam ist, dass sich das Gemisch zu einer Vorform verdichtet und fest wird, bei der Temperatur gehalten. Für Übergangsflüssigphasensintern ist dies eine Zeit, die wirksam ist, dass sich der gesamte dritte Bestandteil mit dem ersten oder zweiten Bestandteil legiert und fest wird. Für Flüssigphasensintern oder Flüssigphasenverbinden ist dies eine Zeit, die wirksam ist, dass der geschmolzene dritte Bestandteil den ersten und zweiten Bestandteil umgibt und ggf. chemisch mit dem ersten und zweiten Bestandteil reagiert. Typischerweise liegt diese Zeit in der Größenordnung von etwa 0,1 bis etwa 10 min.
Das verdichtete Gemisch wird dann abgekühlt und die Vorform zu der endgültigen Gestalt eines Projektils geformt 24. Wenn die Form eine gewünschte Gestalt nahe der Gestalt des Projektils, nahe der Endgestalt, hat, kann der Formungsschritt 24 wenig mehr als chemisches oder mechanisches Polieren, um restliche Grate zu entfernen und scharfe Ecken abzurunden, erfordern. Wenn die Form eine Zwischen-Vorform formt, wie eine Stange, wird die Vorform dann in Stücke einer gewünschten Länge, die mechanisch zu dem Projektil geformt werden, geteilt. Beispielsweise wird die Stange typischerweise in zylindrische Bestandteile aufgeschnitten, die mechanisch, wie durch Schmieden, zu rundem ballistischem Schrot verformt werden.
Anstelle des in 2 veranschaulichten Chargenverfahrens kann auch ein kontinuierliches Verfahren verwendet werden, wie es in dem Blockschema in 3 veranschaulicht wird. Erstes Teilchenmaterial, zweites Teilchenmaterial und drittes Teilchenmaterial werden wie oben beschrieben miteinander vermischt 18. Das vermischte Gemisch wird dann in einen ersten Raum mit einem ersten Durchgangskanal, einer ersten Querschnittsfläche und einem offenen Vorderende zugeführt 26. Das Gemisch wird kontinuierlich durch das offene Vorderende in einen zweiten Raum, der einen zweiten Durchgangskanal einer zweiten Querschnittsfläche hat, extrudiert 28. Die zweite Querschnittsfläche ist kleiner als die erste Querschnittsfläche, bevorzugt flächenmäßig um etwa 20% bis 80% und am meisten bevorzugt flächenmäßig um etwa 40% bis 60%. Diese Verringerung in der Querschnittsfläche macht das Gemisch von Pulvern wirkungsvoll fest.
In dem zweiten Raum wird das Gemisch auf eine Temperatur, die wirksam ist, das dritte Teilchenmaterial fließfähig zu machen, aber unter der Schmelztemperatur des ersten oder zweiten Teilchenmaterials erhitzt 22. Die Länge des zweiten Raums ist diejenige, die notwendig ist, um das Gemisch für eine Zeit, die wirksam ist, dass sich das Gemisch zu einer Stange verdichtet und fest wird, bei einer erhöhten Temperatur zu halten. Bevorzugt beträgt diese Zeit von etwa 1 bis etwa 15 s.
Wenn Übergangsflüssigphasensintern verwendet wird, wird die Stange dann zu Vorformen einer gewünschten Größe geschnitten und mechanisch zu Projektilen geformt 24. Wenn Flüssigphasensintern oder Flüssigphasenverbinden verwendet wird, wird zwischen dem Erhitzungsschritt 22 und dem Formungsschritt 24 ein Kühlschritt 30 zwischengeschaltet, um sicherzustellen, dass die Stange zu einer integralen Masse fest geworden ist.
4 veranschaulicht in Schnittdarstellung eine Vorrichtung 40 zur Herstellung der Stange, die in dem kontinuierlichen Verfahren, das in 3 veranschaulicht ist, verwendet wird. Die Vorrichtung 40 hat einen Pulvertrichter 42 zum Einbringen des vermischten Gemisches von Teilchenmaterial in den ersten Raum 44. Entlang der Längsachse 46 gesehen hat der erste Raum 44 einen ersten Durchgangskanal einer ersten Querschnittsfläche 48. In 5 ist zwar eine runde Querschnittsfläche veranschaulicht, aber es können auch andere Querschnittsformen wie Quadrate, Rechtecke und andere Polyeder verwendet werden. Die Querschnittsform 48 wird so gewählt, dass das Ausmaß des zur Herstellung des Projektils erforderlichen mechanischen Formens minimiert wird.
Es wird nun wieder auf 4 Bezug genommen, worin das Pulvergemisch durch ein offenes Vorderende 50 des ersten Raums 44 in einen zweiten Raum 52 mit einem zweiten Durchgangskanal einer zweiten Querschnittsfläche, die kleiner ist als die Querschnittsfläche 48 des ersten Raums, extrudiert wird. Die zweite Querschnittsfläche kann zwar irgendeine gewünschte Gestalt haben, um den kontinuierlichen Transport vermischter Pulver zu erleichtern, aber die Querschnittsgestalt des zweiten Raums ist bevorzugt dieselbe Gestalt, wenn auch von kleinerer Größe, wie bei dem ersten Raum. Zusätzlich ist bevorzugt ein verjüngter Übergangsbereich 54 zwischen dem ersten Raum 44 und dem zweiten Raum 52 vorhanden.
Der zweite Raum 52 enthält Heizeinrichtungen 56, um die Temperatur des Gemisches auf eine Temperatur, die größer ist als die Fließfähigkeitstemperatur des dritten Teilchenmaterials, aber unter der Schmelztemperatur des zweiten Teilchenmaterials liegt, für eine Zeit, die wirksam ist, dass sich das Gemisch zu einer Stange verdichtet und fest wird, zu erhöhen. Wenn Übergangsflüssigphasensintern verwendet wird, dann wird die Stange kontinuierlich von einem Ende 57 der Vorrichtung 40 extrudiert und die sich bewegende Stange von einer Schnellsäge in gewünschte Längen geschnitten.
Wenn Flüssigphasensintern oder Flüssigphasenverbinden verwendet wird, ist an dem zweiten Raum 52 ein Kühlbereich 58 wie Röhren, die ein zirkulierendes Kühlmittel wie Wasser enthalten, angebracht, um das fest gewordene Gemisch auf eine Temperatur, die wirksam ist, die Stange als eine integrale Masse zu formen, zu kühlen.
Die Bewegung der Pulver durch die Vorrichtung 40 wird durch irgendeine geeignete Einrichtung bewirkt. Wie in 4 veranschaulicht, bewegt sich ein sich hin und her bewegender Kolben 60 periodisch zwischen einer hinteren Stellung und einer vorderen Stellung 60', wobei er die Pulver nach vorne in den Übergangsbereich 54 und den zweiten Raum 52 drängt. Dann bewegt sich der sich hin und her bewegende Kolben 60 zurück zu der ersten Stellung, um zu erlauben, dass mehr von dem vermischten Pulvergemisch aus dem Pulvertrichter 42 in den ersten Raum 44 fällt. Typischerweise bewegt sich der Kolben in der Größenordnung von etwa 4 bis 60 Mal pro Minute zwischen den Stellungen 60 und 60' hin und her.
Alternativ kann auch statt eines Pulvertrichters 42 und eines sich hin und her bewegenden Kolbens 60 ein kontinuierlicher Einspeisemechanismus wie eine Förderschnecke, wie sie typischerweise zum Extrudieren von Polymeren verwendet wird, verwendet werden.
Bei einer anderen Alternative ist ein Schneidwerkzeug 61 an dem Ende 57 der Vorrichtung 40 befestigt. Das Schneidwerkzeug, das in 6 in Draufsicht von vorne veranschaulicht ist, hat eine in Abschnitte geteilte Scheidewand 63, die sich zyklisch öffnet und schließt, wobei sie die extrudierte Stange in Pellet-Abschnitte trennt. Die Bewegung der in Abschnitte geteilten Scheidewand kann mechanisch, elektrisch oder elektronisch angetrieben werden. Insbesondere wenn der dritte Bestandteil noch teilweise flüssig ist, ist die Kraft, die zur Teilung der Stange erforderlich ist, minimal. Es kann irgendein geeignetes Mittel verwendet werden, um die Stange auf eine gewünschte Größe und Gestalt zu schneiden. Zu derartigen Mitteln gehören Abscheren mit einem sich drehenden Messer, eine Schere und ein Hindurchgehen-Lassen durch einen Satz strukturierter Metallwalzen.
Die Vorteile der Flüssigphasensinterverfahren der Erfindung werden aus den Beispielen, die folgen, deutlicher werden.
BEISPIELE
Auf der Basis der Annahme, dass Festphasensintern zu einer Porosität von etwa 20 Vol.-% führt und dass Flüssigphasensintern 0% Porosität erreicht, wurde die Dichte einer gesinterten Masse als eine Funktion der Kupfermenge, die notwendig ist, um in einem Kupfer-Ferrowolfram-Verbundmaterial eine Dichte gleich derjenigen von Blei zu erzielen, berechnet, und sie ist grafisch in 7 veranschaulicht. Referenzlinie 62 gibt die Dichte von Blei an, 11,35 g/cm³. Referenzlinie 64 zeigt, dass für Festphasen-gesintertes Cu-FeW weniger als 20 Gew.-% der integralen Masse Kupfer sein kann, während der Rest Ferrowolfram sein muss. Dieses Verhältnis erhöht die Kosten des Projektils signifikant und verringert die Duktilität.
Referenzlinie 66 veranschaulicht, dass für ein Flüssigphasen-gesintertes Projektil, das 5 Gew.-% Zinn oder Zink enthält, ein Kupfergehalt von etwa 45 Gew.-% erforderlich ist, was den Gewichtsprozentbeitrag des Ferrowolframs auf weniger als 50% verringert. Noch weniger Ferrowolfram ist erforderlich, wenn das dritte Teilchenmaterial Bismut ist, wie durch Referenzlinie 68 veranschaulicht. Da jedoch Bismut, anders als Zinn oder Zink, spröde ist, trägt Bismut nicht zur Duktilität des Projektils bei.
8 veranschaulicht grafisch, dass ein ähnlicher Anstieg der Menge an erforderlichem Eisen erreicht wird, wenn das Projektil Ferrowolfram als den ersten Bestandteil und Eisen als den zweiten Bestandteil hat. Nur etwa 15 Gew.-% Eisen kann anwesend sein, wenn Festphasensintern verwendet wird, wie durch Referenzlinie 70 veranschaulicht wird. Über 30% Eisen kann verwendet werden, wenn Flüssigphasensintern mit 5% Zinn oder Zink angewendet wird, wie durch Referenzlinie 72 veranschaulicht. Über 40% Eisen kann verwendet werden, wenn Flüssigphasensintern mit 5% Bismut angewendet wird, wie durch Referenzlinie 74 veranschaulicht.
In 9 zeigt Referenzlinie 76, dass für Festphasensintern eines Gemisches von Kupfer/Wolfram-Teilchenmaterial der maximale Kupfergehalt etwa 35 Gew.-% beträgt, um eine Dichte gleich derjenigen von Blei zu erzielen. Bei Flüssigphasensintern wird ein Kupfergehalt über etwa 45% erhalten, wenn der dritte Bestandteil 5% Zinn oder Zink ist, Refererzlinie 78. Der Kupfergehalt nähert sich 50 Gew.-%, wenn der dritte Bestandteil Bismut ist, Referenzlinie 80.
10 veranschaulicht grafisch, dass der Eisengehalt für ein Gemisch aus Eisen/Wolfram-Teilchenmaterial ein Maximum von etwa 22% hat, wenn Festphasensintern angewendet wird, Referenzlinie 82. Der Eisengehalt überschreitet 35 Gew.-%, wenn Flüssigphasensintern mit 5% Zinn oder Zink, Referenzlinie 84, oder mit 5% Bismut, Referenzlinie 86, angewendet wird.
Aus den 7 bis 10 sind die Folgenden bevorzugte Zusammensetzungen, in Gew.-%, wenn das Projektil für eine verbesserte lineare Energieübertragung eine höhere Dichte als diejenige von Blei haben soll:
Ferrowolfram etwa 55% bis 75%;
Kupfer etwa 20% bis 40%; und
der Rest ein dritter, als Bindemittel wirkender Bestandteil, der ausgewählt ist aus der aus Zinn, Zink, Bismut und Legierungen davon bestehenden Gruppe.
Ferrowolfram etwa 68% bis 85%;
Eisen etwa 10% bis 35%; und
der Rest ein dritter, als Bindemittel wirkender Bestandteil, der ausgewählt ist aus der aus Zinn, Zink, Bismut und Legierungen davon bestehenden Gruppe.
Wolfram etwa 50% bis 70%;
Kupfer etwa 25% bis 45%; und
der Rest ein dritter, als Bindemittel wirkender Bestandteil, der ausgewählt ist aus der aus Zinn, Zink, Bismut und Legierungen davon bestehenden Gruppe.
Wolfram etwa 50% bis 70%;
Eisen etwa 20% bis 40%; und
der Rest ein dritter, als Bindemittel wirkender Bestandteil, der ausgewählt ist aus der aus Zinn, Zink, Bismut und Legierungen davon bestehenden Gruppe.
Das erste Teilchenmaterial und das zweite Teilchenmaterial wurden zwar als verschiedene Materialien beschrieben, aber es ist innerhalb des Umfangs der Erfindung, dasselbe Material sowohl für das erste Teilchenmaterial als auch für das zweite Teilchenmaterial zu verwenden, wenn der einzige Bestandteil sowohl das Erfordernis einer Dichte von größer als 10 g/cm³ als auch einer Schmelztemperatur von oberhalb 1000°C erfüllt. Zu derartigen Einzelbestandteilsmaterialien gehören Molybdän, Wolfram und Legierungen davon.
Es ist offenkundig, dass erfindungsgemäß ein bleifreies Projektil mit einer niedrigeren Porosität, als sie durch Festphasensintern erreicht wird, bereitgestellt wurde, das die hierin vorstehend dargelegten Aufgaben, Zwecke und Vorteile voll erfüllt.

Claims

Projektil (10) zum Abfeuern aus einer Waffe, aufweisend eine integrale Masse aus Teilchenmaterial, die eine gewünschte Gestalt hat, eine Dichte von mindestens 9,8 g/cm³ hat, und die enthält: einen ersten teilchenförmigen Bestandteil (12) mit einer Raumtemperatur-Dichte, die größer als etwa 10 g/cm³ ist, einen zweiten teilchenförmigen Bestandteil (14) mit einer Schmelztemperatur oberhalb von etwa 400°C, und einen dritten Bestandteil (16), der ein Metall ist, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bestandteil (16) zwischen dem ersten (12) und dem zweiten (14) teilchenförmigen Bestandteil vorhanden und an den ersten (12) und zweiten (14) teilchenförmigen Bestandteil flüssigphasengesintert ist, wobei der dritte Bestandteil (16) eine Liquidustemperatur unter der Schmelztemperatur des zweiten teilchenförmigen Bestandteils (14) hat, wobei der dritte Bestandteil (16) in einer Menge von derjenigen, die wirksam ist, den ersten (12) und zweiten (14) teilchenförmigen Bestandteil zu binden, bis zu etwa 10 Gew.-% der integralen Masse anwesend ist.
Projektil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (10) im wesentlichen besteht aus: etwa 45 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% Ferrowolfram; etwa 35 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Kupfer; und einer Menge eines dritten Bestandteils (16), die wirksam ist, das Ferrowolfram und das Kupfer zu binden, wobei der dritte Bestandteil (16) ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zinn, Zink, Bismut, Legierungen und Gemischen davon besteht.
Projektil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (10) im wesentlichen besteht aus: etwa 55 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% Ferrowolfram; etwa 30 Gew.-% bis etwa 45 Gew.-% Eisen; und einer Menge eines dritten Bestandteils (16), die wirksam ist, das Ferrowolfram und das Eisen zu binden, wobei der dritte Bestandteil (16) ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zinn, Zink, Bismut, Legierungen und Gemischen davon besteht.
Projektil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (10) im wesentlichen besteht aus: etwa 39 Gew.-% bis etwa 55 Gew.-% Wolfram; etwa 44 Gew.-% bis etwa 57 Gew.-% Kupfer; und einer Menge eines dritten Bestandteils (16), die wirksam ist, das Wolfram und das Kupfer zu binden, wobei der dritte Bestandteil (16) ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zinn, Zink, Bismut, Legierungen und Gemischen davon besteht.
Projektil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (10) im wesentlichen besteht aus: etwa 50 Gew.-% bis etwa 64 Gew.-% Wolfram; etwa 35 Gew.-% bis etwa 45 Gew.-% Eisen; und einer Menge eines dritten Bestandteils (16), die wirksam ist, das Wolfram und das Eisen zu binden, wobei der dritte Bestandteil (16) ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zinn, Zink, Bismut, Legierungen und Gemischen davon besteht.
Projektil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (10) im wesentlichen besteht aus: etwa 55 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-% Ferrowolfram; etwa 20 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% Kupfer; und einer Menge eines dritten Bestandteils (16), die wirksam ist, das Ferrowolfram und das Kupfer zu binden, wobei der dritte Bestandteil (16) ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zinn, Zink, Bismut, Legierungen und Gemischen davon besteht.
Projektil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (10) im wesentlichen besteht aus: etwa 68 Gew.-% bis etwa 85 Gew.-% Ferrowolfram; etwa 10 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-% Eisen; und einer Menge eines dritten Bestandteils (16), die wirksam ist, das Ferrowolfram und das Eisen zu binden, wobei der dritte Bestandteil (16) ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zinn, Zink, Bismut, Legierungen und Gemischen davon besteht.
Projektil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (10) im wesentlichen besteht aus: etwa 50 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% Wolfram; etwa 25 Gew.-% bis etwa 45 Gew.-% Kupfer; und einer Menge eines dritten Bestandteils (16), die wirksam ist, das Wolfram und das Kupfer zu binden, wobei der dritte Bestandteil (16) ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zinn, Zink, Bismut, Legierungen und Gemischen davon besteht.
Projektil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil (10) im wesentlichen besteht aus: etwa 50 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% Wolfram; etwa 20 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% Eisen; und einer Menge eines dritten Bestandteils (16), die wirksam ist, das Wolfram und das Eisen zu binden, wobei der dritte Bestandteil (16) ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zinn, Zink, Bismut, Legierungen und Gemischen davon besteht.
Projektil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bestandteil (16) in einer Menge von etwa 3% bis etwa 7% anwesend ist.
Projektil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das ballistisches Schrot ist.
Projektil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das ein Geschoss ist.
Verfahren zur Herstellung eines Projektils (10) zum Abfeuern aus einer Waffe, folgende Schritte aufweisend: Vermischen (18) eines Gemisches aus einem ersten Teilchenmaterial (12), einem zweiten Teilchenmaterial (14) und einem dritten Teilchenmaterial (16), wobei das erste Teilchenmaterial (12) eine erste Raumtemperatur-Dichte hat, das zweite Teilchenmaterial (14) eine zweite Raumtemperatur-Dichte, die geringer als die erste Raumtemperatur-Dichte ist, und eine Schmelztemperatur über 400°C hat, und das dritte Teilchenmaterial (16) ein Metall ist; Pressen (20) des Gemisches in eine Form einer gewünschten Gestalt; dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Teilchenmaterial (16) eine Liquidustemperatur unter der Schmelztemperatur des zweiten Teilchenmaterials (14) hat, wobei das dritte Teilchenmaterial (16) in einer Menge, die wirksam ist, das erste (12) und das zweite (14) Teilchenmaterial zu binden, bis zu etwa 10 Gew.-% des Gemisches zugegeben wird; das Gemisch auf eine Temperatur, die größer ist als die Liquidustemperatur des dritten Teilchenmaterials (16), aber unter der Schmelztemperatur des zweiten Teilchenmaterials (14) liegt, erhitzt wird (22) für eine Zeit, die wirksam ist, dass sich das Gemisch zu einer Vorform verdichtet und fest wird; und die Vorform mechanisch zu dem Projektil (10) geformt wird (24).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Form wirksam ist, das Gemisch in die Gestalt des Projektils (10) zu pressen (20).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Form wirksam ist, das Gemisch in die Gestalt eines zylindrischen Blocks zu pressen (20).
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des mechanisch Formens (24) das Trennen des zylindrischen Blocks in zylindrische Bestandteile und dann das mechanisch Verformen der zylindrischen Bestandteile, um kugelförmiges ballistisches Schrot zu bilden, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Pressens (20) beinhaltet Zuführen (26) des Gemisches in einen ersten Raum (44) mit einem ersten Durchgangskanal einer ersten Querschnittsfläche (48), wobei der Raum (44) ein offenes Vorderende (50) hat; und kontinuierlich Extrudieren (28) des Gemisches durch das offene Vorderende (5) in einen zweiten Raum (52) mit einem zweiten Durchgangskanal einer zweiten Querschnittsfläche, die geringer ist als die erste Querschnittsfläche (48) und dass die Vorform eine Stange ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Querschnittsfläche so gewählt wird, dass sie flächenmäßig 20 bis 80% kleiner ist als die erste Querschnittsfläche (48).
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des mechanisch Formens (24) das Schneiden der Stange in zylindrische Bestandteile und dann das mechanisch Verformen der zylindrischen Bestandteile, um kugelförmiges ballistisches Schrot zu bilden, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schneidwerkzeug die Stange in die zylindrischen Bestandteile trennt (61), während sich die Stange bei einer Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur des dritten Bestandteils (16) befindet.