JP2024502509A - 銃器及びその他の軍需品用プライマー - Google Patents

銃器及びその他の軍需品用プライマー Download PDF

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Abstract

【解決手段】プライマーは、基材に蒸着された金属酸化物と還元性金属(テルミット)の交互の層からなる層状テルミット被膜を含む。炭化物含有セラミック層は、金属酸化物と還元性金属の交互の層内に配置されている。【選択図】 図1

Description

<関連出願の相互参照>
本願は、2021年2月16日に出願された米国仮特許出願第63/150,017号、発明の名称「Primer for Firearms and Other Munitions」の利益を主張するものである。
本発明は、銃器及び軍需品用のプライマーに関する。より具体的には、炭化物含有セラミックの層を伴った、金属酸化物及び還元性金属を積層したプライマーが提供される。
銃器用カートリッジや、より大きい発射体用カートリッジ及び爆発物などの他の軍需品は、大抵の場合、プライマーによって点火される。現在利用可能なプライマー及び雷管は、黄銅製アンビルを有しており、アジ化鉛又はスチフニン酸鉛を含む銅又は黄銅合金製カップから作製される。カップの底部が撃針によって打たれると、プライマー材がカップの底部とアンビルとの間で押しつぶされ、プライマーチャージ(primer charge)を点火させる。その後、燃焼しているプライマーが、無煙火薬や爆発性物質などの別の可燃性物質に引火する。アジ化鉛及びスチフニン酸鉛は、それらの毒性と高い爆発性から危険である。加えて、現在の製造方法は非常に労働集約的であって、必要とされる手作業プロセスはコストを上昇させ、品質管理を維持することをより困難にしている。
高い発熱反応が必要とされる場合には、テルミットなどのエネルギー材料が現在使用されている。用途としては、切断、溶接、金属鉱石の精製、高性能爆薬の効果増強などがある。テルミット反応は金属酸化物と還元性金属の間で起こる。金属酸化物の例としては、La、AgO、ThO、SrO、ZrO、UO、BaO、CeO、B、SiO、V、Ta、NiO、Ni、Cr、MoO、P、SnO、WO、WO、Fe、CoO、Co、Sb、PbO、Fe、Bi、MnO、CuO、及びCuOなどが挙げられる。還元性金属の例としては、Al、Zr、Th、Ca、Mg、U、B、Ce、Be、Ti、Ta、Hf、及びLaが挙げられる。還元性金属はまた、上記の金属の合金又は金属間化合物の形態であってよい。
鉛の毒性を持たない材料から作られたプライマーが必要とされている。自動化プロセスに適した材料から作られたプライマーが更に必要とされている。撃針による打撃を通して点火に役立つ、さもなければテルミットの安定性から利益を得るような、エネルギー材料から作られたプライマーが更に必要とされている。
上記の要請は、テルミットプライマーによって満たされる。プライマーは、堆積面と背面とを有する基材を有する。金属酸化物と還元性金属の交互の層が基材に堆積される。金属酸化物と還元性金属の交互の層は、基材の背面に加えられた衝撃に反応して互いに反応するように構成されている。炭化物含有セラミック層は、金属酸化物と還元性金属の交互の層内に配置される。
上記の要請はまた、銃器用カートリッジによって満たされる。カートリッジは、前端部、後端部、及び中空内部を有するケーシングを備えている。カートリッジは、ケーシングの前端部に固定された弾丸と、中空内部に配置された推進剤と、ケーシングの後端部に固定されたプライマーとを有する。プライマーは推進剤と連絡している。プライマーは、堆積面と背面を有する基材を備えている。プライマーは更に、基材に蒸着された金属酸化物と還元性金属の交互の層を備えている。金属酸化物と還元性金属の交互の層は、基材の背面に加えられた衝撃に反応して互いに反応するように構成されている。プライマーは更に、金属酸化物と還元性金属の交互の層内に炭化物含有セラミック層を備える。
本発明のこれら及びその他の態様は、以下の説明及び図面を通してより明らかになるであろう。
図1は、層状テルミット構造、炭化物含有セラミック層、及びプライマーの不動態化被膜の側断面図である。
図2は、代替的な層状テルミット構造、一対の炭化物含有セラミック層、及びプライマーの不動態化被膜の側断面図である。
図3は、別の代替的な層状テルミット構造、炭化物含有セラミック層、及びプライマーの不動態化被膜の側断面図である。
図4は、図1~3のプライマー材料と共に使用されるカップの側断面図である。
図5は、図4のプライマーカップを使用しているカートリッジの側断面図である。
同じ符号は、図面全体を通して同様の要素を示す。
図1~3を参照すると、プライマー構造10が示されている。プライマー構造10は基材12に堆積される。プライマー構造は、層状テルミット被膜14と、層状テルミット被膜14内の1又は複数の炭化物含有セラミック層16と、不動態化被膜18とを含む。
図示されている例の基材12は、黄銅、銅、軟鋼、及び/又はステンレス鋼のような材料から作られた可鍛ディスクであって、層状テルミット被膜14が堆積される堆積面20と、背面22(図4)とを有する。基材12は、後述するように、背面22への撃針の打撃が層状テルミット被膜14及び炭化物含有セラミック層16を点火させるように十分に薄く且つ可鍛性を有しているが、プライマー構造10の製造を容易にし、且つプライマー構造10で作られているプライマーをカートリッジケース、弾薬、改良プライマーカップ、又は後述するような他の場所内に固定するためには十分に厚い。好ましい基材の厚さは約0.005インチ乃至約0.1インチであり、より好ましくは約0.01インチ乃至約0.025インチである。
層状テルミット被膜14は、金属酸化物と還元性金属の交互の層を含む(明確さのために少数の層のみが図示されている)。金属酸化物の例としては、La、AgO、ThO、SrO、ZrO、UO、BaO、CeO、B、SiO、V、Ta、NiO、Ni、Cr、MoO、P、SnO、WO、WO、Fe、CoO、Co、Sb、PbO、Fe、Bi、MnO、CuO、及びCuOなどが挙げられる。還元性金属の例としては、Al、Zr、Th、Ca、Mg、U、B、Ce、Be、Ti、Ta、Hf、及びLaが挙げられる。金属酸化物及び還元性金属は、プライマーを含むカートリッジが使用される銃器の銃身に損傷を引き起こす可能性のある反応生成物を避けることによって、摩耗やその他の損傷に抵抗するように選択されることが好ましい。このような金属酸化物と還元性金属の組合せの一例には、酸化第二銅及びマグネシウムがある。
金属酸化物層及び還元性金属層の各々の厚さは、金属酸化物及び還元性金属の割合が、両方とも発熱反応によって実質的に消費されることを確実にするものであるように決定される。一例として、CuOで作られた金属酸化物層とMgで作られた還元性金属層の場合、化学反応は、「CuO+Mg->Cu+MgO+熱」となる。故に、この反応には、1モルのMg(重さ24.305グラム/モル)ごとに、1モルのCuO(重さ79.5454グラム/モル)が必要とされる。CuOの密度は6.315g/cmであり、マグネシウムの密度は1.74g/cmである。故に、1モルのCuOの体積は12.596cmとなる。同様に、1モルのMgの体積は13.968cmとなる。故に、図示の例では、金属酸化物の各層は、対応する還元性金属の層とほぼ同じ厚さであるか、僅かに薄い。他の金属酸化物と還元性金属が選択される場合には、それら金属酸化物と還元性金属の相対的な厚さも同様に決定することができる。
層状テルミット被膜14の図1及び図2に図示された例は、基材12に直接堆積された初期点火部24と、初期点火部24に堆積された二次点火部26とに分けられる。初期点火部24の図示された例は金属酸化物28及び還元性金属30の層を含んでおり、それらは、二次点火部26内の金属酸化物32及び還元性金属34の層よりも薄い。図示の例では、金属酸化物28と還元性金属30の層の各対の厚さは、好ましくは約20nm乃至約100nmの間であり、図示の例では約84nmの層の対の厚さを有する。図示の例では、金属酸化物層32と還元性金属層34の各対の厚さは約100nmより厚い。層が薄いと燃焼が速くなり、点火が容易になるが、層が厚いと燃焼速度が遅くなる。初期点火部24内の薄い層28,30は、物理的衝撃に対してより敏感であって、それにより、基材12の背面22への撃針の打撃に応答して点火し、更には二次点火部26を点火させることが容易になる。二次点火部26内のより厚い層32,34は、よりゆっくりと燃焼し、無煙火薬、爆薬、又は他の所望の点火可能物質の点火の信頼性を高める。層状テルミット被膜14の図示した例の総厚は、約25μm乃至約1,000μmである。
図1及び図2のテルミット被膜14の図示された例は、初期点火部24内の全ての層28,30について概ね均一な厚さを示している。同様に、二次点火部26内の層32,34内でも、概ね均一な厚さを示している。他の例としては、厚さの異なる金属酸化物層と還元性金属層が挙げられる。例えば、図3は、基材12からの層の距離に概ね比例して増加するテルミット層を有するプライマー構造10を示す(明確にするために少数の層のみを示す)。基材12に近い層36及び層38の厚さは、例えば約20nm乃至約100nmのように小さい。層40及び層42の厚さは増加している。基材12から更に遠い層44及び層46の厚さは、層40及び層42よりも大きい。不動態化被膜18に隣接しており、基材12から最も遠い層48と層50は最も厚い層であり、厚さは約100nmより厚い。先と同様に、層状テルミット被膜の図示した例の総厚は約25μmから約1,000μmの間である。このようなテルミット被膜は、基材12の近くでは迅速に点火し、基材12から遠く、無煙火薬、爆薬、又は他の着火性物質の近くでは比較的ゆっくりと燃焼するという本質的に同じ利点をもたらす。このように厚さが徐々に増加する場合、初期点火部と二次点火部との間に明確な境界は存在しなくてよく、明確な境界は本発明の機能に必須ではない。
別の例では、金属酸化物及び還元性金属の全ての層の厚さは約100nm未満であってよく、また、金属酸化物及び還元性金属の全ての層を消費するために必要とされる時間は、従来の推進薬及び爆発物を点火するために、単に金属酸化物及び還元性金属の層の数を増加させることによって十分に長くされてよい。
層状テルミット被膜14の他の例は、異なる温度下で堆積される層28、層30、層32、層34、又は層36、層38、層40、層42、層44、層46、層48、層50を含んでよく、その結果、各層は、隣接する層よりも十分に高い又は十分に低い温度下で堆積され、層状テルミット被膜内で温度が均一化されると、層状テルミット被膜14内に熱膨張及び収縮応力を誘発する。このような膨張及び収縮応力は、物理的衝撃による点火に対する感度を増大させると予想される。
不動態化層18は層状テルミット被膜14を覆い、層状テルミット被膜14内の金属酸化物及び還元性金属を保護する。不動態化層18の一例は窒化シリコンである。代替的な不動態化層18は、例えばアルミニウムやクロムなど、自己不動態化する反応性金属から作ることができる。このような金属の表面に酸化物が形成されると、酸化物は自己密閉する。故に、金属の露出面が酸化物で完全に覆われると、酸化物の形成は停止する。
炭化物含有セラミック層16は、テルミット層14内に配置される。図示されている例では、1つの炭化物含有セラミック層16が、テルミット被膜14の頂部までの距離の約1/3にわたって配置されている。その他の例では、炭化物含有セラミック層16は、テルミット被膜14の下部、中央部、頂部、底部、又は上部のその他の場所など、テルミット被膜14の他の場所に配置されてよい。幾つかの例では、テルミット被膜14全体にわたって異なる場所に配置された炭化物含有セラミック層16の複数の層が含まれてよい。1つの層又は2つの層が図示されているが、3つ以上の層が利用されてよい。炭化物含有セラミック層16の厚さは、金属酸化物層又は還元性金属層よりも厚く、図示の例では約100nm乃至約2μmである。炭化物含有セラミック層16の他の例では、約500nm乃至約1μmの厚さであってよい。
炭化物含有セラミックは、隣接する還元性金属及び金属酸化物の点火によって点火したときに、(テルミット反応生成物と比較して)比較的大きい粒子を銃器カートリッジの推進剤又はその他の発火性若しくは爆発性材料に発射する傾向を考慮して選択される。例えば、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化ケイ素などのセラミック、炭化アルミニウム(金属‐セラミック複合体であるが、本明細書では炭化物含有セラミックとみなす)、及びそれらの組合せが挙げられる。複数の炭化物含有セラミック層が存在する場合、異なる炭化物含有セラミック層は同じ炭化物含有セラミックで構成されてよく、又は、異なる炭化物含有セラミックで構成されてもよい。これらの炭化物(又は、他の適切な炭化物)が点火すると、酸化第二銅からの酸素との反応により二酸化炭素が形成される。このガス生成は、テルミットの反応生成物及び炭化物含有セラミックの反応生成物を、推進剤又は他の発火性若しくは爆発性材料へと押し出すのに役立つ。炭化物含有セラミックと酸素の反応によって生じる大きく高温の粒子は、推進剤又は他の発火性若しくは爆発性材料の確実な点火を保証するのに十分な時間、燃え続ける。
プライマー構造10の幾つかの例は、各炭化物含有セラミック層16の上下に接着層17を含んでよい。図示されている例では、接着層17はチタン又はクロムから作られている。幾つかの例では、ニッケルが接着層として使用されてよい。図示の例の接着層17の厚さは、約5nm~約10nmである。
層状テルミット被膜14は、スパッタリング又は物理蒸着によって作製することができる。特に、高出力インパルスマグネトロンスパッタリングにより、テルミット被膜14を迅速に生成することができる。別の選択肢として、2012年10月30日にKevin R.Coffeyらに発行された米国特許第8,298,358号と、2013年6月18日にKevin R.Coffeyらに発行された米国特許第8,465,608号とに記載されている特定の製造方法は、交互層間の酸化物の形成を抑制するように金属酸化物層及び還元性金属層を交互に堆積させるのに適しており、両特許の開示全体は参照により本明細書に明示的に組み込まれる。Coffey博士の方法は、交互の金属酸化物層と還元性金属層の間の界面が実質的に金属酸化物を含まないことを可能にし、又は、還元性金属酸化物が存在する場合、界面を形成する還元性金属酸化物層の厚さが約2nm未満、或いは1nm未満になることを可能とする。多くの例では、界面は十分に薄いため、高分解能透過型電子顕微鏡による検出では界面の大部分は測定できない。高温及び/又は低温下で金属酸化物及び還元性金属の個々の層を堆積させることは任意選択的に採用することができ、これらの層が室温に戻ると層状テルミット被膜14内の他の層に対して膨張/収縮応力を生成して、それによって撃針の打撃に対するプライマー10の感度を高める。所望であれば、リソグラフィを使用して、材料の堆積が望ましくない基材12の領域において各層の望ましくない部分を除去して、プライマー構造10で被覆されることが意図されている部分のみを残すことができる。
層状テルミット被膜14はまた、回転ドラムを使用する蒸着装置を使用して製造できる。そのようなシステムは、2014年6月24日にR.DeVitoに発行された米国特許第8,758,580号、1999年3月9日にJ.W.Seeserらに発行された米国特許第5,897,519号、及び1989年8月16日にM.A.Scobeyらによって発明され公開された欧州特許第0,328,257号の特許又は公開出願に記載されており、それらの全ての開示全体は参照により本明細書に明示的に組み込まれる。回転ドラムシステムを使用することで、異なる材料からなる異なる層を成膜するために、基材を異なるチャンバー間で迅速に移動させることができる。ある例では、あるチャンバーは還元性金属の蒸着に使用され、他のチャンバーは金属酸化物の蒸着に使用され、更に他のチャンバーは炭化物含有セラミックの蒸着に使用される。4つのチャンバーシステムでは、他のチャンバーを使用して、炭化物含有セラミックの上下に付着層を堆積させてよい。一例では、2乃至4つのチャンバーを用い、1つのチャンバーにつき2つのターゲットが使用されてよい。各チャンバー内の雰囲気条件は維持され、基材からの分離を維持しながらドラムの近くに延びるバッフルによってシステムの他の部分から隔離される。それによって、基材が配置されたドラムを回転させることによって基材がチャンバー間で移動され得る一方で、複数の層を堆積するプロセスを通して、各チャンバーの正しい圧力及び雰囲気条件が維持される。加えて、還元性金属を堆積させるために利用されるチャンバー内の不活性ガス、例えばアルゴンの圧力は、金属酸化物を堆積させるために利用されるチャンバー内の圧力よりも高くてよく、これにより、還元性金属チャンバー内への酸素の進入が抑制される。故に、異なる材料の層の間で各チャンバーをポンプダウンする必要性が回避され、堆積プロセスが高速化される。
金属酸化物28,30、還元性金属32,34、及び炭化物含有セラミック16の全ての層が堆積されると、上述の方法の何れかを使用して、不動態化層18が層状テルミット被膜14に堆積されてよい。
図4は、プライマー構造10を利用したプライマー52の例を示している。基材12の図示された例は、上面54を有するディスクであって、上面54は、堆積面20が配置される凹部56を規定する。ディスク52の縁部は、大径部58と小径部60を含んでおり、その間にレッジ(ledge)62が形成されている。プライマー構造10は、上述のように、凹部56内の面20上に堆積される。その後、ディスク(基材)12がカップ64内に配置されて、完全なプライマーが形成される。カップ64は、上端部68及び下端部70を有する側壁66を含む。下端部70は内向きの突出部72を含んでおり、突出部72は、レッジ62とディスク12の小径部60に接するような大きさで構成されている。ディスク12が上端部68を通してカップ64内に挿入され、次に下端部70に対して所定位置に配置されると、ディスク12がカップの下端部70から外方へと通り出ることは阻止される。ディスク12は、その後、ディスクの上面54に係合する内向き突起74によってカップ64内に保持されてよい。内向き突起74は、壁66の外側部分に対して内向きにパンチングして凹部76を形成することによって形成されてよい。幾つかの例では、更に又は代替的に接着剤を利用して、ディスク12をカップ64内に保持してよい。
図5を参照すると、プライマー52は、その後、従来の銃器用カートリッジ78内に配置されてもよい。カートリッジ78は、一般的な形態を有するケーシング80を含む。ケーシング80は、弾丸84をその中に保持するように構成された前端部82を含む。ケーシング80はまた、カートリッジ78の抜き取りを補助するための溝86とレント(rent)88とを有する後端部84を含む。ケーシング80の中空中央部92内には推進剤90がある。ケーシング82の後端部84は、プライマー用ポケット94と、プライマー用ポケット94と中空中央部92との間に延びる点火口96とを画定している。撃針で面22を打つと、プライマー材10が点火して、反応生成物が点火口96を通って、弾丸84を発射する推進剤92に入る。
別の例では、プライマー構造10は、Timothy MohlerとDaniel Yatesによって発明され、2020年12月24日に公開された米国特許出願公開第2020/0400415号明細書(その開示全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる)に開示されている、プライマーの堆積点火材料として使用することができる。
図示された例は銃器カートリッジのためのものであるが、プライマー構造10は、大砲のためのものなどのより大きな発射体カートリッジのために、或いは、その起爆機構の一部としてプライマーを利用する手榴弾や他の爆発物などの他の軍需品のために使用することができる。
従って、本発明は、従来のプライマーの毒性又は他の安全性の問題を有しない材料から作られたプライマーを提供する。プライマーは自動化に適した方法で簡単に製造できる。このプライマーは、テルミットの安定性を利用する一方で、少なくとも従来のプライマーの信頼性を提供する。一次点火部及び二次点火部のテルミット層の厚さを調整することによって、また、膨張/収縮応力を任意選択的に生成することによって、プライマーの感度を調整し、特定の用途に合わせることができる。炭化物含有セラミック層の位置及び厚さも、特定の用途に合わせて調整することができる。本発明のプライマーは銃器カートリッジだけでなく、大砲、手榴弾、その他の爆発物や軍需品などの発射体にも有用である。プライマーの一例は、従来のプライマー用に設計された空間に収まる。
上述の実施形態に対する様々な変更は、本明細書から当業者には明らかであろう。例えば、プライマーの形状は、円形、正方形、長方形であってよく、又は、完全に異なる形状を有してよく、面取りされた縁部を有しても有さなくてもよく、又は、プライマーの何れかの側に面取りされた縁部を有してよい。プライマーは、従来型のプライマー用ポケットに適合してよく、非従来型のプライマー用ポケットに適合してもよい。故に、本発明は、その精神又は本質的な属性から逸脱することなく、他の特定の形態で実施されてよい。開示された特定の実施形態は、例示のみを意図するものであって、本発明の範囲を限定するものではない。明細書ではなく添付の特許請求の範囲が参照されて、本発明の範囲が示されるべきである。

Claims (10)

  1. 堆積面及び背面を有する基材と、
    前記基材に堆積された金属酸化物と還元性金属の交互の層であって、前記金属酸化物と還元性金属の交互の層は、前記基材の背面に加えられる衝撃に応答して互いに反応するように構成されている、金属酸化物と還元性金属の交互の層と、
    前記金属酸化物と還元性金属の交互の層内にある炭化物含有セラミック層と、
    を備えるプライマー。
  2. 前記炭化物含有セラミック層は、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化アルミニウム、炭化ケイ素、又はそれらの組合せである、請求項1に記載のプライマー。
  3. 前記炭化物含有セラミック層は約100nm~約2μmの厚さを有する、請求項1に記載のプライマー。
  4. 更に、前記炭化物含有セラミック層と、前記炭化物含有セラミック層に直接隣接する金属酸化物層又は還元性金属層の各々との間に接着層を含む、請求項1に記載のプライマー。
  5. 前記接着層はチタン、クロム、及びニッケルの何れかである、請求項4に記載のプライマー。
  6. 銃器用カートリッジであって
    前端部、後端部、及び中空内部を有するケーシングと、
    前記ケーシングの前端部に固定された弾丸と、
    前記中空内部に配置された推進剤と、
    前記ケーシングの後端部内に固定されたプライマーと、
    を備えており、
    前記プライマーは推進剤と連絡しており、前記プライマーは、
    堆積面及び背面を有する基材と、
    前記基材に堆積された金属酸化物と還元性金属の交互の層であって、前記金属酸化物と還元性金属の交互の層は、前記基材の背面に加えられる衝撃に応答して互いに反応するように構成されている、金属酸化物と還元性金属の交互の層と、
    前記金属酸化物と還元性金属の交互の層内にある炭化物含有セラミック層と、
    を備える、銃器用カートリッジ。
  7. 前記炭化物含有セラミック層は、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化アルミニウム、炭化ケイ素、又はそれらの組合せである、請求項5に記載の銃器用カートリッジ。
  8. 炭化物含有セラミック層が約100nm~約2mhiの厚さを有する、請求項5に記載の銃器用カートリッジ。
  9. 更に、前記炭化物含有セラミック層と、前記炭化物含有セラミック層に直接隣接する金属酸化物層又は還元性金属層の各々との間に接着層を含む、請求項5に記載の銃器用カートリッジ。
  10. 前記接着層はチタン、クロム、及びニッケルの何れかである、請求項9に記載の銃器用カートリッジ。
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