FI109132B - SHS-tekniikalla valmistetun materiaalin käyttö luoti ja sirpalesuojamateriaali/murtosuojamateriaalina - Google Patents

Description

, 109132

SHS-TEKNIIKALLA VALMISTETUN MATERIAALIN KÄYTTÖ LUOTI-JA SIRPALESUOJAMATERIAALI/MURTOSUOJAMATERIAALINA

Keksinnön kohteena on keraamisesta aineesta 5 ja metallisesta sideaineesta SHS-tekniikalla valmistetun materiaalin käyttö luoti- ja sirpalesuojamateriaa-1i/murto-suoj amateriaalina.

Suojarakenteissa käytettävien materiaalien on kyettävä pysäyttämään erilaisia sirpaleita ja luoteja. 10 Lisäksi suojarakenne itsessään ei saa muodostaa vaarallisia sirpaleita tai ainakin ne on luotettavasti pysäytettävä muilla rakenteilla. Murtosuojamateriaa-leilta vaadittavat materiaaliominaisuudet ovat paljolti samat kuin luoti- ja sirpalesuojamateriaalien. Ma-15 teriaalien suuri kovuus on välttämätön, jotta materiaali ei ole työstettävissä esim. täyskovametallisilla porilla tai kulmahiomakoneen laikalla. Materiaalin sulamispisteen on oltava korkea, jotta esim. polttoleik-kaus olisi vaikeata. Edelleen materiaalin tulee olla 20 riittävän sitkeätä, jotta se ei murentuisi esim. hak- ·'. kaarnalla tai pilkkaamalla. Suojarakenteen suunnittelu iii<; edellyttää materiaalin kovuus- ja sitkeysominaisuuksi- ... en sekä kokonaisrakenteen optimointia kuhunkin käyttö- tarkoitukseen ja kutakin uhkakuvaa, kuten luotityyppi, *·’ ‘ 25 kaliiperi jne. vastaan.

Hakemuksessa tarkoitetaan termillä suojamate-riaali luoti- ja sirpalesuojamateriaalia/murtosuoja-• : materiaalia.

.*]·_ Entuudestaan tunnetaan teräksiin pohjautuvien 30 materiaalien ja ns. pehmeisiin materiaaleihin, kuten aramidikankaisiin tai niistä laminoituihin koviin ;· laattoihin perustuvien materiaalien käyttö suojamate- ·;··· riaalina.

Nämä nykyisin käytössä olevat suojarakenteet 35 ja -materiaalit on suunniteltu lähes poikkeuksetta tavanomaisia lyijyluoteja vastaan tai korkeintaan te-räsytimisiä panssariluoteja vastaan (AP-luodit Armor 109132

Piercing). Em. suojarakenteet ja -materiaalit eivät pysty pysäyttämään nykyaikaisia kovametalliytirnisiä AP-luoteja, joiden läpäisykyky perinteisiin panssari-luot eihin verrattuna on noin kaksinkertainen ja lyijy-5 luoteihin verrattuna kolminkertainen, kuin hyvin paksuina kerroksina. Ongelmana paksuissa kerroksissa on niiden suuri paino.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkohdat.

10 Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin kova ja sitkeä suojamateriaali. Lisäksi keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin kevyt ja helposti eri muotoisiksi ja kokoisiksi kappaleiksi valmistettava suoj amateriaali.

15 Keksinnölle on tunnusomaista se, mitä on esi tetty patenttivaatimuksessa 1.

Keksintö perustuu suoritettuun tutkimustyöhön, jossa tutkittiin SHS (Self-Propagating High-·;·. Temperature Synthesis) -tekniikalla valmistettuja ko- 20 vametallityyppisiä komposiittimateriaaleja ja jossa havaittiin, että ne soveltuvat ominaisuuksiltaan erin-··' omaisesti suojamateriaaleiksi.

’ ‘ Keksinnön mukaisesti käytettävä SHS- ,· : tekniikalla valmistettu suojamateriaali perustuu ke- : : : 25 raamiseen aineeseen ja metalliseen sideaineeseen. SHS- tekniikalla valmistettu suojamateriaali on kovametal- : lityyppinen komposiittimateriaali, joka sisältää kovia * · keraamipartikkeleita sekä niitä sitovaa metallista sideainetta. Keraaminen aine voi olla titaanikarbidi : 30 TiC, titaaniboridi TiB, titaanidiboridi TiB2 ja/tai titaanikarbidi-alumiinioksidi TiC-Al203. Tavallisesti keraaminen aine on titaanikarbidi TiC tai titaanikar-bidi-alumiinioksidi TiC-Al203.

Metallinen sideaine voi olla mikä tahansa 35 sitkeä metalli. Tavallisesti metallinen sideaine on konstruktiomateriaalikäyttöön soveltuva 4., 5., 6., 8., 9., 10., 11. ja/tai 12. sivuryhmän metalli, 1., 2.

3 109132 ja/tai 13. pääryhmän metalli ja/tai näiden seos ja/tai yhdiste, kuten titaani Ti, zirkonium Zr, niobium Nb, kromi Cr, molybdeeni Mo, rauta Fe, koboltti Co, nikkeli Ni, kupari Cu, sinkki Zn, litium Li, beryllium Be, 5 magnesium Mg ja/tai alumiini Ai ja/tai näiden seos ja/tai yhdiste. Metallisena sideaineena käytetään edullisesti kromia, kobolttia, molybdeeniä, rautaa, nikkeliä, alumiinia ja/tai näiden seoksia ja/tai yhdisteitä.

10 Keksinnössä termillä SHS-kovametalli tarkoi tetaan SHS-tekniikalla valmistettua suojamateriaalia, joka perustuu titaanikarbidiin TiC, titaaniboridiin TiB, titaanidiboridiin TiB2 ja/tai titaanikarbidi-alumiinioksidiin TiC-Al203 ja metalliseen sideainee-15 seen.

SHS-tekniikalla valmistetun suojamateriaalin koostumus valitaan sekä käyttöominaisuuksien että hinnan mukaan. Käyttöominaisuuksiin vaikuttavat tarvitta-·;·_ va suojauskyky, eli kovuus ja sitkeys, paino, viimeis- 20 teltävyys jne. ja hintaan suojamateriaalin ja rakenteen kustannukset. Kova, sitkeä ja kevyt suojamateri-aali on esim. TiC-Ni-pohjainen SHS-kovametalli. Kevyitä materiaaleja ovat myös SHS-kovametallit, joissa ke-: · raamina on titaanikarbidi-alumiinioksidi, esim. TiC- : : : 25 Al203-Al- tai TiC-Al203-Fe-pohjaiset kovametallit. Vii meksi mainitut ovat myös hinnaltaan edullisia, sillä : niiden valmistuksessa voidaan käyttää edullisia lähtö- I · aineita, kuten maalipigmenttiä Ti02, hiilipölyä, alumiinia ja/tai rautajauhetta.

: 30 Eräässä sovellutuksessa keksinnön mukainen suoj amateriaali on TiC-Ni-pohjainen SHS-kovametalli, esim. TiC-NiMo- ja/tai TiC-CoNi-pohjainen SHS-kovametalli.

Eräässä toisessa sovellutuksessa keksinnön 35 mukainen suoj amateriaali on TiC-Al203-pohj ainen SHS-kovametalli, esim. TiC-Al203-Al- tai TiC-Al203-Fe-pohjainen SHS-kovametalli.

4 109132

Sideaineen pitoisuus suojamateriaalissa on välillä 1-60 p-% käyttötarkoituksesta riippuen. Suo-jamateriaalit, joiden sideainepitoisuus on pieni ovat kovempia ja niiden murtumissitkeys on pienempi kuin 5 materiaalien, joiden sideainepitoisuus on suuri. Sideaineen pitoisuus on tavallisesti 15 - 50 p-%, edulli-j sesti 20 - 40 p-%.

SHS-menetelmä perustuu erittäin eksotermiseen reaktioon, jossa raaka-ainejauheet reagoivat keske-10 nään, kun reaktio on sytytetty jostain kohdasta esimerkiksi sähkövastuksen tai hitsausliekin avulla. Reaktion eteneminen sytytyksen jälkeen ei vaadi ulkoista energiaa. Reaktiossa syntyy hetkellisesti erittäin korkea lämpötila, jolloin useimmat metallit ja osa ke-15 raameista on sulassa tilassa. Reagoineesta seoksesta saadaan tiivis kappale, kun seos puristetaan muottiin sen ollessa vielä kuuma ja plastisessa tilassa. SHS-menetelmässä ei tarvita erillisiä muodonanto- ja sint-... rausvaiheita. Menetelmällä on mahdollista valmistaa ‘ _ 20 halutun muotoisia ja kokoisia kappaleita, esim. kaare via ja monimutkaisen muotoisia. Lisäksi menetelmässä on mahdollista käyttää raaka-aineina edullisia ja helposti saatavissa olevia kaupallisia jauheita. SHS-: : menetelmää on kuvattu esim. julkaisussa Lintula P. ja : 25 Ruuskanen P., Wear and Corrosion Resistant Metal Mat rix Composites Produced by Self-Propagating High-: Temperature Synthesis (SHS) , Proceedings of the 5th Eu- ./ ropean conference on Advanced Materials and Processes / and Applications, vol. 1, s. 347-350, 1997.

V 30 SHS-tekniikalla valmistettuja suojamateriaa- : lia voidaan käyttää ns. gradienttirakenteissa ja ker- rosrakenteissa. Gradienttirakenteissa ja kerrosraken-teissa suojamateriaalin koostumus ja kovuus vaihtele-vat rakenteen paksuuden funktiona.

35 Gradienttirakenteessa kovuus vaihtelee suoja- materiaalin paksuuden funktiona ilman terävää rajapin- 5 109132 taa. Materiaalin kovuuden muutos saadaan aikaan muuttamalla metallisen sideaineen pitoisuutta.

Eräässä sovellutuksessa suojamateriaali valitaan siten, että materiaalin kovuus pinnalla on erit-5 täin suuri ja materiaali muuttuu taustaa kohden sitke-ämmäksi, so. suojamateriaalin sideainepitoisuus on pinnalla pieni ja se kasvaa syvyyden kasvaessa. Gra-dienttirakenteita valmistetaan edullisesti TiC-Ni-pohjaisista SHS-kovametalliyhdistelmistä.

10 Kerrosrakenne muodostuu erilaisista suojama teriaalin kerroksista. Erilaiset kerrokset muodostetaan suojamateriaaleista, joiden metallisen sideaineen ja/tai keraamisen aineen koostumus vaihtelee.

Eräässä sovellutuksessa materiaalin pinnassa 15 on erittäin kova pintakerros, esim. TiC-Ni-pohjainen SHS-kovametalli, ja taustamateriaali on kevyempää TiC-Al203-pohjaista SHS-kovametallia, esim. SHS- kovametallia, jossa metallisena sideaineena on rautaa tai alumiinia.

' t 20 Sovellutuksilla, jossa gradientti- ja kerros- rakenteilla aikaansaadaan pintaan erittäin kova kerros, pystytään murskaamaan, deformoimaan tai poikkeut-| tamaan suunnastaan myös luodin kova me tai linen ydin ja : : täten tuhoamaan sen tunkeutumiskyky. Sitkeämpi kevyt 25 taustarakenne pysäyttää pintakerroksesta irronneet sirpaleet ja kovametalliytimen jäänteet.

. ; Keksinnön mukaisesti käytettävä SHS- < · tekniikalla valmistettu suojamateriaali voidaan kiinnittää erilaisiin suojamateriaaleihin ja/tai -raken-\· 30 teisiin, kuten muihin SHS-kovametalleihin, keraamei- : hin, metallilevyihin, sirpalepaneeleihin, kuitukompo- siittirakenteisiin, kuten aramidikankaisiin ja poly-meerikuitukankaisiin esim. polyeteeniin ja/tai muihin vastaaviin materiaaleihin ja/tai rakenteisiin. Yhdis-35 tämällä SHS-kovametalleja muihin SHS-kovametalleihin ja muihin suojamateriaaleihin saadaan aikaan kokonais- 6 109132 rakenteita, joiden materiaalit täyttävät hyvin suojarakenteissa käytettävien materiaalien vaatimukset.

SHS-tekniikalla valmistetun suojamateriaalin etuna on sen kovuus ja sitkeys. Lisäksi näiden ominai-5 suuksien sekä materiaalista muodostettavan kokonaisrakenteen muunneltavuus ja optimointi erilaisiin käyttötarkoituksiin ja erilaisia uhkia vastaan on helppoa. Edelleen keksintö mahdollistaa huomattavan painon säästön suojarakenteissa, sillä kovaa ja sitkeää suo-10 jamateriaalia ei tarvita niin suuria paksuuksia kuin tunnettuja materiaaleja. Erityisesti kovametalliytimi-siä luoteja vastaan keksinnön mukaisilla materiaaleilla saavutetaan merkittävä painon säästö. Edelleen keksinnön ansiosta halutun muotoisten ja kokoisten kappa-15 leiden valmistus kuhunkin käyttötarkoitukseen on helppoa. Lisäksi keksinnön etuna on taloudellisuus, koska suoja-materiaalin valmistuksessa SHS-tekniikalla ei tarvita erillisiä muodonanto- ja sintrausvaiheita. Li-... säksi raaka-aineet ovat edullisia ja helposti saata- ' . 20 vissa olevia kaupallisia jauheita.

Seuraavassa keksintöä kuvataan yksityiskoh-taisemmin esimerkkien avulla viitaten oheiseen kuvaan, *"·’ jossa : : kuva 1 esittää SHS-tekniikalla valmistettujen : 25 TiC-pohjaisten kovametallien kovuuksia ja sitkeyksiä, ja : kuva 2 esittää SHS-tekniikalla valmistetun I | · > TiC-pohjaisen kovametallin ja kaupallisten keraamien ;* sitkeysarvoj a.

, 30 Esimerkki 1

Kokeessa tutkittiin metallisen sideaineen koostumuksen ja pitoisuuden vaikutusta SHS-tekniikalla valmistettujen TiC-pohjaisten kovametallien kovuuksiin ja sitkeyksiin. Kovuus mitattiin Vickers-kovuutena 1 35 kg painolla (HVI) ja sitkeys mitattiin IF (Indentation

Fracture) - menetelmällä. Kokeessa käytettiin metallisena sideaineena nikkelin ja molybdeenin seosta eri 7 109132 sideainepitoisuuksilla sekä koboltin, kromin ja nikkelin seosta. Tulokset on esitetty kuvassa 1.

Kuten kuvasta 1 nähdään TiC-NiMo SHS-kovametalli, jonka sideainepitoisuus on pienempi, on 5 kovempi ja sen murtumissitkeys on pienempi kuin vastaavan suuremman sideainepitoisuuden omaavan TiC-NiMo-pohjaisen SHS-kovametallin.

Kuvassa 2 on esitetty SHS-tekniikalla valmistetun TiC-NiMo-pohjaisen kovametallin ja kaupallisten 10 keraamien sitkeysarvoja. Pylvään tumma osa kuvaa vaihtelua eri koostumuspitoisuuden tai valmistajan välillä. Keraamien sitkeysarvot on kerätty kaupallisista esitteistä.

Kuvasta 2 nähdään, että TiC-NiMo-pohjaisen 15 SHS-kovametallin murtumissitkeys on suurempi kuin kaupallisten keraamien murtumissitkeys.

Esimerkki 2

Koeammunnoissa tutkittiin TiC-Ni- ja TiC-Al203-Fe- pohjaisten SHS-kovametallien (=SHS-20 materiaali) ja niistä muodostettujen yhdistelmäraken-teiden ominaisuuksia luoti- ja sirpalesuojamateriaali-na sekä verrattiin niitä panssariteräksen ominaisuuk-siin. Kokeessa käytettiin i · a) kovametalliytimistä 7.62x51 AP-luotia Carl- ; 25 Gustaf, jonka läpäisykyky on suurin 7.62 rynnäk kökiväärin patruunoista, . , : b) vastaavaa kovametalliytimistä 7.62x39 kaliiperin . / luotia (AP 411), ja c) P-80 7.62x51 teräsytimistä panssariluotia.

* V 30 Kohdan a) luoti pysäytettiin rakenteella, jonka neliöpaino on 84 kg/m2 (SHS-materiaali 38,6 + Fe 46,8 kg/m2) . 470 HB panssariterästä olisi tarvittu 195 kg/m2.

Kohdan b) luoti pysäytettiin rakenteella, 35 jonka neliöpaino on 45 kg/m2 (SHS-materiaali 37,2 + Ai 8,1 kg/m2) ja rakenteella, jossa aramidikangaspakan (2x21 kerrosta, 9,2 kg/m2) päällä oli 54 kg/m2 SHS- 8 109132 materiaali. 470 HB panssariterästä olisi tarvittu 119 kg/m2.

Kohdan c) luoti pysäytettiin rakenteella, jossa 6,0 mm paksu SHS-kiekko oli panssariteräksen 5 (500HB) päällä, neliöpaino on 31 + 47 = 78 kg/m2, ja rakenteella, jossa aramidikangaspakan (2x21 kerrosta, 9,2 kg/m2) päällä oli 31 kg/m2 SHS-materiaali. Ensimmäisellä rakenteella tausta pullistui vain 0,5 mm, joten luoti olisi pysähtynyt huomattavasti kevyemmällä 10 rakenteella.

Kevyt TiC-Al203-Fe- pohjainen SHS-kovametalli soveltui myös hyvin teräsytimisten panssariluotien ja normaalien lyijyluotien luoti- ja sirpalesuojamateri-aaliksi.

15

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitettyjä sovellutusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaati-musten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puit- ' 20 teissä.

’ » · * : ·

* t I

t « • * * * * * »

» I

Claims (11)

1. Keraamisesta aineesta ja metallisesta sideaineesta SHS-tekniikalla valmistetun materiaalin käyttö luoti- ja sirpalesuojamateriaali/murto- 5 suojamateriaalina.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että keraaminen aine on ti-taanikarbidi TiC, titaaniboridi TiB, titaanidiboridi TiB2 ja/tai titaanikarbidi-alumiinioksidi TiC-Al203.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen käyt tö, tunnettu siitä, että metallinen sideaine on 4., 5., 6., 8., 9., 10., 11. ja/tai 12. sivuryhmän metalli, l., 2. ja/tai 13. pääryhmän metalli ja/tai näiden seos ja/tai yhdiste, tavallisesti Ti, Zr, Nb, Cr,

15 Mo, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Li, Be, Ai, ja/tai Mg ja/tai näiden seos ja/tai yhdiste.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että metallinen side-•j*. aine on Cr, Co, Mo, Fe, Ni, Ai, ja/tai näiden seos 20 ja/tai yhdiste.

... 5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukai nen käyttö, tunnettu siitä, että keraaminen aine on titaanikarbidi ja metallinen sideaine on nikkeli ‘ ' tai nikkelipohjainen seos. ·,· ·' 25

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukai nen käyttö, tunnettu siitä, että keraaminen aine ; *,· titaanikarbidi-alumiinioksidi ja metallinen sideaine > on alumiini ja/tai rauta.

# 7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukai- ·* 30 nen käyttö, tunnettu siitä, että metallisen side- aineen pitoisuus on 1 - 60 p-%, tavallisesti 15 - 50 p-%, edullisesti 20 - 40 p-%. *

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että suojamateriaalin 35 koostumus ja kovuus muuttuvat suojamateriaalin paksuuden funktiona. 10 109132

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että metallisen sideaineen pitoisuus vaihtelee suojamateriaalin paksuuden funktiona.

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen 5 käyttö, tunnettu siitä, että metallisen sideaineen ja/tai keraamisen aineen koostumus vaihtelee suo-jamateriaalin paksuuden funktiona.

11. Jonkin patenttivaatimuksista 1-10 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että materiaali on 10 kiinnitetty muihin SHS-kovametalleihin ja/tai muihin suojamateriaaleihin ja/tai -rakenteisiin, kuten kerää-meihin, metallilevyihin, sirpalepaneeleihin ja/tai kui-tukomposiittirakenteisiin, kuten aramidikankaisiin ja/tai polyeteenikuitukankaisiin. 15 i · • · MM > » t t • I » · II* » t ( I < · > » « f * · I I » • f · • t » » > I I · > < I * 11 109132