JP5143555B2 - 生態学的弾薬を製造するための新規な材料及びその用途 - Google Patents

生態学的弾薬を製造するための新規な材料及びその用途 Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
（技術分野）
本発明は、フェロタングステンのような強化粒子（strengthening particle）の分散物が分配され、且つ、生態学的弾薬としてのその使用のために密度と変形能の最適値を有する金属合金マトリックスを含むODS(酸化物分散強化又は粒子分散（Oxide dispersion strengthened or with particle dispersion）)型の新規な生態学的材料（ecological material）に関する。
（背景技術）
狩猟活動において従来は鉛ペレットが用いられていた。密度は、優れた機械的性質と弾道特性を有する鉛ペレットを与える指数である。この指数は、前記狩猟活動に適したペレットを製造するための新規な材料を得ることを非常に難しくするものである。
しかしながら、特に湿地において、環境の定められた汚染を意味する鉛の高毒性、また、多くの動物種の中毒によって、この深刻な問題を緩和する複数の解決策を開発することが求められてきた。
鉛に代わるものの1つは鋼であり、実際に、この材料に基づいて弾薬が市場に出されている。しかしながら、それは低密度であり、鉛については硬度がより大きいという深刻な欠点を有し、それはより大量の爆発物を必ず意味し、それにより、使用し得る武器が制限される。
米国特許第4,949,644号においては、ビスマス発射ペレットの開発が記載されている。前記材料の密度は、鋼より高いが鉛より低い。この問題と共に、ビスマスは非常にもろい材料(機械的性質)であり、衝撃に対してペレットが破砕し崩壊する結果となる。
米国特許第5,264,022号、同第5,527,376号及び同第5,713,981号においては、鉄とタングステンの二元合金を異なる割合で(30-46％、40-60％、又は30-65％のタングステンの割合で)含有する発射ペレットの開発が記載されている。この材料の主な欠点は、硬度が大きいことであり、発砲される毎に武器の銃身が損傷する結果となる。
米国特許第4,949,645号においては、タングステンと粉末ポリマー(例えば、ポリエチレン又はシリコーンゴム)によって形成されるペレットの開発が記載されている。この材料による問題は、運動エネルギーがそれ自体の変形で吸収され消散されることから発射体が貫通しないということにある。
米国特許第6,149,705号においては、アルミニウム、ビスマス、銅、スズ又は亜鉛のような金属で被覆された、タングステン又はタンタルのような元素を含有することもできる炭化タングステン粉末のコアを含むペレットの開発が記載されている。しかしながら、前記弾薬は、炭化タングステンコアの過度の高硬度の欠点を有し、そのため、狩猟の対象物を撃つ際に、弾薬の放出によって動物に穿孔が生じる。
英国特許明細書第2211920号においては、銅、マグネシウム、シリコン、アルカリ金属又はアルカリ土類のような他の金属の添加が可能な亜鉛-アルミニウム合金又は亜鉛-スズ合金からなるペレットの開発が記載されている。しかしながら、前記ペレットは、鉛については密度が低く、武器を変えなければならない結果となり得る。
英国特許明細書第2327113 A号においては、スズ-ビスマス合金からなる、好ましくは共融点(45％のBiと55％のSn)の割合のペレットの開発が記載され、これもまた密度と硬度に関して欠点を有する。
米国特許第5,877,437号においては、金属マトリックスと金属粒子を含む複合材料から発射体を得るための方法が記載されている。この種類の材料は、衝撃についての問題を提示している。
国際出願第01/59399号においては、電力供給金属システムによって圧縮される金属及び/又は合金粒子の集塊を含む材料に基づく弾丸と発射体を得るための方法が定義されている。この方法の主な欠点は、最終的な発射体と弾丸を成形し達成することができる高溶融温度と圧力を用いる必要を意味する材料の種類の特性にある。
米国特許第6,536,352号においては、粉末金属製品を得るために低融点の金属が結合した金属粒子のマトリックスを含む材料から弾丸を得るための方法が記載されている。この材料の特徴は、最終製品を成形し達成するために高圧縮圧の使用を必要とすることである。
欧州特許第1457578号においては、スズマトリックスに吸収されたタングステンの球状粒子を含む粉末金属型の材料によって形成される生態学的な弾薬及び250Mpa未満の加圧に基づく前記材料の製法が記載されている。前記圧力の使用は、追加の大きい出費を意味する。
しかしながら、現在の開発にもかかわらず、当該技術の状態においては、狩猟活動を意図した生態学的な弾薬を製造する新規な代替材料を提供することが依然として求められている。前記材料は、一方では、環境の汚染を予防し、もう一方では、現在の薬包の設計及び鉛ペレットに用いられる爆発物の変更を避けるために鉛に近い最適密度並びに鉛と現在利用可能なものと同様の弾道特性及び機械的性質を有しなければならない。
これらの可能性の範囲内で、粒子とマトリックス間の界面エネルギーを減少させるように酸化の異なる程度を有する粒子が金属合金マトリックスに導入される、ODS(酸化物分散強化又は粒子分散)型の材料が見られる。従って、単位は、機械的特性と、衝撃で崩壊しない変形能を維持する。このことは、衝撃に関して、米国特許第5,877,437号のような複合材料より有利であることを意味する。
驚くべきことに、本発明者らは、粒子が分散した、全範囲の弾道において鉛を置き換えることを可能にする密度と機械的性質を有し、毒性作用を含まない、ODS型の新規な生態学的な材料を発見した。この材料から製造される弾薬は、最適変形能のために衝撃に対する運動エネルギーの範囲と透過に関連して良好な特性を有し、それによって、今のところ用いられている鉛に対する代替材料の欠点が克服される。
前記材料は、強化粒子が分散する金属合金マトリックスに基づき、金属マトリックスが亜鉛とビスマスの合金、亜鉛とアルミニウムの合金、スズとビスマスの合金又はスズと亜鉛の合金、及び任意に低溶融温度の他の材料からなり、強化粒子がタングステン又はフェロタングステンであり; タングステン又はフェロタングステン酸化物又は炭化物、又はこれらのあらゆる化合物の粒子でマトリックスを補強することも可能である。
この新規な材料の組成物は、硬度、可鍛性、変形能、慣性等の機械的性質に影響せずに合金の密度を高めることに関与するとともに環境を汚染させずに異なる用途での使用を可能にする生態学的な特性を与える。
（発明の目的）
それ故、本発明の目的は、7〜14g/cm3で変動する密度と10％以上の最適変形能を有する、金属合金マトリックス及びその中に分配される強化粒子の分散物を含む新規なODS型生態学的材料に提供することである。
最後に、本発明の他の目的は、前記ODS型材料から製造される生態学的弾薬である。
本発明は、金属合金マトリックス及びその中に分配された強化粒子の分散物を含む新規なODS型生態学的な材料であって、7〜14g/cm3で変動する密度と10％以上の最適変形能を有する前記材料を提供する。
本発明の目的の新規な材料の具体的な実施態様においては、金属マトリックスは、亜鉛とビスマス、亜鉛とアルミニウム、スズとビスマス又はスズと亜鉛の合金によって構成される。
好ましい実施態様においては、金属マトリックスは、合金の全質量に対する質量パーセントの1-29質量％のビスマスと71-99質量の鉛による亜鉛とビスマスの合金、又は75-95質量％の亜鉛と5-25質量％のアルミニウムによる亜鉛とアルミニウムの合金; 又は71-99質量％のビスマスと1-29質量％のスズによるビスマスとスズの合金; 又は1-39質量％のスズと61-99質量％の亜鉛による亜鉛とスズの合金、この場合には強化されていない合金、又は1-99質量％の亜鉛と99-1質量％のスズによる亜鉛とスズの合金、この場合には強化されている合金によって構成される。
本発明の他の具体的な実施態様においては、強化粒子は、タングステン、フェロタングステン、炭化タングステン、フェロ炭化タングステン、タングステン酸化物、フェロタングステン酸化物又はこれらの誘導体である。
金属マトリックスに添加する前に全体の又は部分的な酸化を受けたタングステン又はフェロタングステン粒子の分散物を組込むことにより、適切なODS型材料が鉛に基づくものに代わる生態学的な弾薬を製造するために得られることを可能にすることが証明された。
本発明の具体的な実施態様においては、強化粒子は1-500μｍの直径を有する。
本発明の材料の他の具体的な実施態様においては、金属マトリックスと強化粒子の分散物との間の割合は、0〜0.8で変動する。
好ましい実施態様においては、金属マトリックスと分散物の粒子との間の割合は、以下の通りである。
- 亜鉛とビスマスの合金のマトリックス/タングステン粒子 = 0-0.734、
- 亜鉛とビスマスの合金のマトリックス/フェロタングステン粒子= 0-0.510
- 亜鉛とアルミニウムの合金のマトリックス/タングステン粒子 = 0-0.775
- 亜鉛とアルミニウムの合金のマトリックス/フェロタングステン粒子 = 0-0.539
- ビスマスとスズの合金のマトリックス/タングステン粒子 = 0-0.597
- ビスマスとスズの合金のマトリックス/フェロタングステン粒子 = 0-0.414
- スズと亜鉛の合金のマトリックス/タングステン粒子 = 0-0.720
- スズと亜鉛の合金のマトリックス/フェロタングステン粒子 = 0-0.500
- 亜鉛とビスマスの合金のマトリックス/タングステン酸化物粒子 = 0-0.634、
- 亜鉛とビスマスの合金のマトリックス/フェロタングステン酸化物粒子 = 0-0.550
- 亜鉛とアルミニウムの合金のマトリックス/タングステン酸化物粒子= 0-0.775
- 亜鉛とアルミニウムの合金のマトリックス/フェロタングステン酸化物粒子 = 0-0.560
- ビスマスとスズの合金のマトリックス/タングステン酸化物粒子 = 0-0.650
- ビスマスとスズ合金のマトリックス/フェロタングステン酸化物粒子 = 0-0.430
- スズと亜鉛の合金のマトリックス/タングステン酸化物粒子 = 0-0.720
- スズと亜鉛の合金のマトリックス/フェロタングステン酸化物の粒子 = 0-0.520
- 亜鉛とビスマスと合金のマトリックス/タングステン炭化物粒子 = 0-0.710、
- 亜鉛とビスマスの合金のマトリックス/フェロタングステン炭化物粒子 = 0-0.550
- 亜鉛とアルミニウムの合金のマトリックス/タングステン炭化物粒子 = 0-0.710
- 亜鉛とアルミニウムの合金のマトリックス/フェロタングステン炭化物粒子 = 0-0.560
- ビスマスとスズの合金のマトリックス/タングステン炭化物粒子 = 0-0.610
- ビスマスとスズの合金のマトリックス/フェロタングステン炭化物粒子 = 0-0.420
- スズと亜鉛の合金のマトリックス/タングステン炭化物粒子 = 0-0.740
- スズと亜鉛の合金のマトリックス/フェロタングステン炭化物粒子 = 0-0.520。
強化粒子を組込むことにより、それらが硬度、可鍛性、射撃特性等に影響せずに合金の密度を増大することに関与するので、新規な材料が最適値の密度及び鉛と同様の機械的性質と狩猟用特性で得られることを可能にする。更に、良好な変形能のために衝撃の間の運動エネルギーの範囲と透過に相対して良好な特性を有し、前記衝撃時の崩壊が避けられる。
従って、本発明の具体的な実施態様においては、強化粒子として22％のプレオキサイド処理フェロタングステンを有するスズ-ビスマス合金を用いて、10.2g/cm3程度の、鉛より大きい密度を得ることが可能である。更に、衝撃時の変形能の特性が改善される(図1)。
更に、本発明の新規なODS型材料は、アンチモン、スズ、銅、亜鉛及び鉄より選ばれる金属を含むことができる。
前記金属を用いることにより、本発明の新規な材料の特性が鉛ペレットと比較して、例えば、生態学的弾薬、特にペレットの製造において増強され最適化されることを可能にする。
具体的な実施態様においては、本発明の新規な材料は、前記金属を金属合金の全質量に対して0.05〜10質量％の割合で含む。
好ましい実施態様においては、本発明の新規な材料は、アンチモンを金属合金の全質量に対して0.1-6質量％の割合で含む。
他の好ましい実施態様においては、本発明の新規な材料は、スズを金属合金の全質量に対して0.1-5質量％の割合で含む。
他の好ましい実施態様においては、本発明の新規な材料は、銅を金属合金の全質量に対して0.1-2質量％の割合で含む。
他の好ましい実施態様においては、本発明の新規な材料は、金属合金の全質量に対して0.1-5質量％の割合で亜鉛を含む。
他の好ましい実施態様においては、本発明の新規な材料は、鉄を金属合金の全質量に対して0.1-5質量％の割合で含む。
前記生態学的な材料は、その組成物の特性によって、環境を汚染せず、水と接触させた化学腐食に対する耐性が高く、硬度、可鍛性、変形能等の機械的性質と共に、種々の用途に用いることを可能にする。
本出願の関連において、“弾薬”という用語は、狩猟活動を意図した武器において使用し得るあらゆる種類の弾薬、例えば、ペレット、弾丸、鹿弾、銃弾等を含む。
本発明の好ましい実施態様においては、この新規な材料から製造される生態学的な弾薬は、ペレットである。
最後に、本発明の他の態様においては、本出願は、上記の材料、ODS型から製造された生態学的な弾薬、好ましくはペレットを提供する。
好ましい実施態様においては、前記ペレットは、磁気的性質を有する。このことは、ODS型材料によって製造されるペレットの場合であり、金属強化分散物はフェロタングステンから製造される。前記ペレットは、例えば、磁石を組込んでいる適切なデバイスの使用によって用いられた狩猟地域におけるそれらの局在と収集に関しては特に有利である。
粒子分散による新規な材料を用いて製造され得るペレットのサイズは、市販された鉛ペレットのサイズ、異なるタイプの武器の弾道の特性に調整されることが必要であるあらゆる他のサイズを含む。一般に、製造されるペレットのサイズと形は、発射体や用いるのに要求される武器に左右される。
新規な材料は、機械的性質と弾道特性が鉛と同様に狩猟用の弾薬に用いられるこの化学元素やその合金より低い密度で得られることを可能にする。内部と外部の射撃特性のこれらの性質は、現在の小火器の設計において改変をすることが不必要なことを意味する。更に、材料の密度は、大気圧、又はかなりの減圧、また、製造用の低溶融温度の使用を可能にし、エネルギーの観点から実質的な節約を意味する。
強化粒子として22％の予備酸化処理フェロタングステンを有するスズ-ビスマス合金から得られるペレットの20m離れたところの鋼板に対する衝撃の変形能の程度;(a) 発射されていないペレット、(b)発射されたペレット。

Claims (15)

  1. 亜鉛とビスマス、亜鉛とアルミニウム、スズとビスマス又はスズと亜鉛の合金から構成される金属合金マトリックス、及び、フェロタングステン、フェロタングステン炭化物、フェロタングステン酸化物又はそれらの誘導体から製造される、その中に分配される強化粒子の分散物を含むODS型生態学的材料であって、7-14g/cm3の密度と10％以上の変形能を有し、該金属合金マトリックスが構造上の孔を欠いていることを特徴とする、前記ODS型生態学的材料。
  2. 金属合金マトリックスが、合金の全質量に対する質量パーセントで、1-29質量％のビスマスと71-99質量％の亜鉛による亜鉛とビスマスの合金; 又は75-95質量％の亜鉛と5-25質量％のアルミニウムによる亜鉛とアルミニウムの合金; 又は71-99質量％のビスマスと1-29質量％のスズによるビスマスとスズの合金、又は1-99質量％の亜鉛と99-1質量％のスズによる亜鉛とスズの合金、によって構成されることを特徴とする、請求項1記載のODS型生態学的材料。
  3. 強化粒子の直径が1-500μｍであることを特徴とする、請求項1又は2記載のODS型生態学的材料。
  4. 金属合金マトリックスと強化粒子との間の割合が0より大きく0.8以下の間で変動することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のODS型生態学的材料。
  5. 金属マトリックスと強化粒子の分散物との間の割合が
    - 亜鉛とビスマスの合金のマトリックス/フェロタングステン粒子 = 0より大きく0.510以下、
    - 亜鉛とアルミニウムの合金のマトリックス/フェロタングステン粒子 = 0より大きく0.539以下、
    - ビスマスとスズの合金のマトリックス/フェロタングステン粒子 = 0より大きく0.414以下、
    - スズと亜鉛の合金のマトリックス/フェロタングステン粒子 = 0より大きく0.500以下、
    - 亜鉛とビスマスの合金のマトリックス/フェロタングステン酸化物粒子 = 0より大きく0.550以下、
    - 亜鉛とアルミニウムの合金のマトリックス/フェロタングステン酸化物粒子 = 0より大きく0.560以下、
    - ビスマスとスズの合金のマトリックス/フェロタングステン酸化物粒子 = 0より大きく0.430以下、
    - スズと亜鉛の合金のマトリックス/フェロタングステン酸化物粒子 = 0より大きく0.520以下、
    - 亜鉛とビスマスの合金のマトリックス/フェロタングステン炭化物粒子 = 0より大きく0.550以下、
    - 亜鉛とアルミニウムの合金のマトリックス/フェロタングステン炭化物粒子 = 0より大きく0.560以下、
    - ビスマスとスズの合金のマトリックス/フェロタングステン炭化物粒子 = 0より大きく0.420以下、
    - スズと亜鉛の合金のマトリックス/フェロタングステン炭化物粒子 = 0より大きく0.520以下、
    であることを特徴とする、請求項4記載のODS型生態学的材料。
  6. アンチモン、スズ、銅、亜鉛及び鉄より選ばれる金属を含むことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のODS型生態学的材料。
  7. 前記金属を金属合金の全質量に対して0.05-10質量％の割合で含むことを特徴とする、請求項6記載のODS型生態学的材料。
  8. アンチモンを金属合金の全質量に対して0.1-6質量％の割合で含むことを特徴とする、請求項7記載のODS型生態学的材料。
  9. スズを金属合金の全質量に対して0.1-5質量％の割合で含むことを特徴とする、請求項7記載のODS型生態学的材料。
  10. 銅を金属合金の全質量に対して0.1-2質量％の割合で含むことを特徴とする、請求項7記載のODS型生態学的材料。
  11. 亜鉛を金属合金の全質量に対して0.1-5質量％の割合で含むことを特徴とする、請求項7記載のODS型生態学的材料。
  12. 鉄を金属合金の全質量に対して0.1-5質量％の割合で含むことを特徴とする、請求項7記載のODS型生態学的材料。
  13. 請求項1-12記載のODS型材料から製造された生態学的弾薬。
  14. ペレットであることを特徴とする、請求項13記載の生態学的弾薬。
  15. 前記ペレットが磁気的性質を有することを特徴とする、請求項14記載の生態学的弾薬。
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