NO322647B1 - Blyfritt prosjektil - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt prosjektiler og mer spesielt prosje-tiler som er blyfrie.

Biyprosjektiler, blykuler og blyhagl som er brukt på innendørsbaner er av enkelte medisinske eksperter hevdet å utgjøre en markert helserisiko. Inntagning av fugler, særlig vannfugler, er videre hevdet å utgjøre et problem i naturen. Ved innendørs skytebaner utgjør blydamper på grunn av fordampet bly fra blykulen et problem. Avhendelse eller kasting av blyinneholdende sand anvendt i sandfeller i forbindelse med bakveggene ved innendørs skytebaner er også kostbare, fordi bly er et risikofylt materiale. Gjenvinning av bly fra sanden innebærer foranstaltninger som ikke er økonomisk overkommelige for skytebaner i sin alminnelighet.

Av denne grunn har det vært utført en rekke forsøk på fremstilling av tilfredsstillende blyfrie kuler.

Tetthets- eller tyngdeforskjellen mellom kuler med samme størrelse med samtidig bruk av samme ladning resulterer i forskjell i kulebanen på lange hold og også forskjell i våpen-rekyl. Slike forskjeller er uønskede fordi skytteren må ha en kulebane som svarer til kulebanen til en lydkule slik at skytteren kjenner sikte-punktet, og rekylen må også svare til rekylen når man skyter en blykule slik at "følelsen" ved skytingen er den samme som når man skyter med blykule. Hvis disse forskjeller i kulebane og rekyl er tilstrekkelig store, vil den erfaringen som oppnås ved skyteøvelsene degraderes istedenfor å forbedre nøyaktigheten når man skyter med en blykule på en utendørs skytebane.

Ulike fremstøt har blitt gjort for fremstilling av hagl som ikke er giftige. US-patent nr. 4.027.594 og 4.428.295 overdratt til søkeren, viser slike ikke-giftige hagl. Begge disse patentene viser kuler eller hagl fremstilt av metall-pulvere hvor ett av pulverne er bly. US-patent nr. 2.995.090 og 3.193.003 viser salongrifle-kuler fremstilt av jernpulver, en liten mengde blypulver, samt en termoherdende harpiks. Begge disse kulene er hevded å disintegrere ved treff mot målet. Hovedulempen med disse kulene er deres tetthet som er markert mindre enn den til en blykule. Selv om disse kulene ikke er fullstendig blyfrie, er komposisjonen av disse hagl eller kuler sammensatt med sikte på å redusere virkningen av blyet. US-patent nr. 4.881.465 viser en haglkule tåget av bly og jern-wolfram som heller ikke er blyfri. US-patentene nr.

4.850.278 og 4.939.996 viser et prosjektil laget av keramisk sirkonium som også har redusert tetthet sammenlignet med bly. US-patent nr. 4.005.660 viser en annen løsningstanke, nemlig å anvende en polyetylen-matriks som er fylt med et metall-pulver så som bismutt, tantal, nikkel og kobber. Et ytterligere forslag er å utvikle et skjørt prosjektil laget av et polymerisk materiale som er fylt med metall eller metall-oksid. US-patent nr. 4.949.644 viser en ikke-giftig hagl som er fremstilt av bismutt eller en bismutt-legering. Bismutt er imidlertid et så vidt lite tilgjengelig materiale at det er av begrenset bruksinteresse for prosjektiler. US-patent nr. 5.088.415 viser et plastbelagt blyhagl. Som nevnt i eksemplene ovenfor inneholder imidlertid også dette haglmaterialet bly, som ved treff mot målet vil bli blottlagt til omgivelsene. Metallbelagte blykuler og plastbelagte blykuler er også i bruk, de har den samme ulempe at ved treff mot målet vil blyet bli blottlagt, noe som forårsaker problemer i forbindelse med anvendte brukte kuler.

Ingen av tidligere kjente kuler henvist til ovenfor har vist seg kommersielt brukbare, enten på grunn av pris, vektdifferanser, vanskeligheter i forbindelse med masseproduksjon o.l. Følgelig er det behov for en ny tankegang eller idéløsning for å komme frem til et prosjektil for baneskyting eller jakt som er fullstendig fritt for bly og likevel oppviser ballistiske egenskaper som kan sammenlignes med bly.

Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved et blyfritt prosjektil, kjennetegnet ved en komprimert og sintret sammensatt skuddhagl som består vesentlig av første bestanddel med høy tetthet som er ferrowolfram-partikler blandet med partikler med en lavere tetthet til en andre bestanddel som er jern.

Foretrukne utførelsesformer av det blyfrie prosjektilet er videre utdypet i

kravene 2 til og méd 7.

Oppfinnelsen som beskrives i detalj i den følgende tekst kan omfatte en i ut-gangspunktet blyfri kule som omfatter et kompakt legeme som består av et sintret komposittmateriale som har en eller flere høytetthets-bestanddeler av pulver-materiale utvalgt fra den gruppen som omfatter wolfram-karbid, wolfram, ferro-wolfram og karballoy, og en annen lavtetthets-bestanddel som består i det vesent-

i lige enten av et metallisk matriks-materiale utvalgt fra gruppen som består av tinn, sink, jern og kobber, eller et plastmatriks-materiale utvalgt fra gruppen som omfatter

fenoler, epoksier, dialylftalater, akryler, polystyrener, polyetylener eller polyuretaner. I tillegg kan komposittmateriale av begge typer inneholde et fyllmetall, så som jernpulver eller sinkpulver. En kule ifølge oppfinnelsen består av et kompakt legeme med en tetthet som er minst ca. 9 g/cm3 (80% av den til rent bly) og en flytegrensestyrke som under trykk er større enn 31 MPa (ca. 320 k/cm<2>).

Andre bestanddeler kan også tilsettes i små mengder for spesielle behov, så som en økning av skjørheten. Karbon kan f.eks. tilsettes hvis jern anvendes som en av kompositt-bestanddelene for å få en sprø eller skjør mikrostruktur etter egnede varmebehandlinger. Smøring og/eller oppløsningsmidler kan også tilsettes metallmatriks-komponentene for å øke pulverflyt-egenskapene, kompakteringsegen-skapene, forbedring av slipp-egenskapene i forbindelse med stanseverktøy o.l.

Oppfinnelsen er basert på den erkjennelse at ferromangan og andre høy-tetthets, manganinneholdende materialer som angitt ikke bare er økonomisk attraktive for kuler, men de kan også gjennom en spesielt grundig metallurgisk og ballistisk analyse, legeres i riktige mengder under riktige tilstander, slik at det fremkommer en fullstendig brukbar blyfri kule.

Oppfinnelsen er videre basert på den erkjennelse at ballistiske ytelser best kan måles på grunnlag av erfaringene fra faktiske skyteprøver, fordi grenseverdiene med hensyn til akselerasjon, trykk, temperaturer, friksjonskrefter, sentrifugalaks-elerasjon og fartsdempende krefter, slagkrefter både i aksiell og sideretningen, samt ytelser mot barrierer som er typiske når kule stoppes i praktisk bruk innebærer et ekstremt komplisert sett av kravene til en kule, noe som medfører at nøyaktige teoretiske forutsigelser i praksis er umulig.

Oppfinnelsen vil forstås bedre når den beskrives med henvisning til vedlagte tegning, hvor: Fig. 1 er et stolpediagram som viser tettheten til ulike pulverkompositt-materialer,

fig. 2 er et stolpediagram som viser maksimum teknisk spenning oppnådd med pulverkompositt-materialer,

fig. 3 er et stolpediagram som viser den totale energi absorbert av prøven under deformasjon til 20% av forlengelsen eller brudd,

fig. 4 er et stolpediagram som viser maksimum spenning ved 20% deformasjon (eller maksimum) av fem konvensjonelle kuler,

fig. 5 er et stolpediagram som viser den totale energi absorbert ved 20% deformasjon eller brudd av fem konvensjonelle kuler som vist på fig. 4.

Det foreligger minst seks krav som må oppfylles av en tilfredsstillende blyfri kule. For det første må kulen meget nær svare til rekylen av en blykule ved avfyring, slik at skytteren føler det som om han avfyrte en standard blykule. For det andre må kulen meget nær tilsvare kulebanen, dvs. den ytre ballistikken, av en blykule med samme kaliber og vekt, slik at øvelsesskytingen er direkte sammenlignbar med skyting på banen med en aktuell blykule. For det tredje må kulen ikke gjennom-trenge eller beskadige den normale stopp-bakplaten på mål- eller blinkområdet, og kulen må ikke rikosjettere i nevneverdig grad. Videre må kulen forbli inntakt under bevegelsen gjennom geværløpet og under flukten. For det femte må kulen ikke skade geværløpet. Og for det sjette må kulens pris være rimelig sammenlignet med andre alternativer.

For å møte de to første kravene, må den blyfrie kulen ha tilnærmet samme tetthet som bly. Dette betyr at kulen må ha en generell tetthet på ca. 11,3 g/cm3.

Det tredje kravet, dvs. ikke penetrere eller beskadige normale bak- eller ryggplater av stål i målområdet, tilsier at kulen må enten 1) deformere ved spenninger eller belastninger som er lavere enn den som vil være tilstrekkelig til å penetrere eller alvorlig beskadige bakplaten, eller 2) deles opp i små biter ved lave spenninger, eller 3) både deformere og oppdeles ved lave spenninger.

Som et eksempel vil en typisk spesiell kule med vekt 10,3 g og kaliber 0,38 ha en kinetisk munningsenergi fra et 10,2 cm løp på 272 Joules og en tetthet på 11,35 g/cm<3>. Dette svarer til en energitetthet på 296 Joules/cm<3>. Den deformerbare blyfrie kulen ifølge oppfinnelsen må absorbere en tilstrekkelig andel av denne energien pr. volumenhet i form av "belastningsenergi", dvs. elastisk og plastisk energi, uten å overføre belastninger på ryggplaten som er større enn flytegrense-styrken til bløtt stål, dvs. ca. 310 MPa, med sikte på at kulen stopper uten å penetrere eller alvorlig beskadige fang- eller bakplaten ved blinken. I tilfellet med en skjør kule, henholdsvis en deformerbar skjør kule, må bruddbelastningen på kulen ligge lavere enn de belastninger som erfaringsmessig oppstår av kulen ved slaget mot bakplaten og under flyte-grensen til bløtt stål.

De krav at kulen forblir intakt idet den passerer gjennom løpet og at kulen ikke forårsaker uakseptabel løperosjon, er vanskeligere å definere. Faktiske skyte-prøver er normalt nødvendige for bestemmelse av disse verdiene. Det er imidlertid klart at kulen ifølge oppfinnelsen må belegges med metall eller plast, eller mantles på konvensjonell måte for beskyttelse av løpet.

Prisen på ferromangan er stort sett rimelig sammenlignet med andre høytett-hetsaltemativer, og dette gjelder også omkostningene ved hver av de alternativer som angis i vedlagte patentkrav.

Metallmatriks-kuler ifølge foretrukne utførelsesformer for oppfinnelsen vil bli produsert ved hjelp av pulver-metallurgiteknikk.

For mer skjøre materialer vil pulverne i de enkelte bestanddeler bli blandet, kompaktert under trykk til nær den endelige formen og vil sintres i denne tilstanden. Hvis kulene mantles, kan kompakteringen og sintringen utføres i mantelen. Alternativt kan kulene kompakteres og sintres før innskyvning i mantelen. Hvis kulene blir belagt vil beleggingen foregå etter kompaktering og sintring. Andelene av de ulike pulverne vil bestemmes av kravet til blandingene, for å tilveiebringe en avsluttende tetthet som tilnærmet svarer til den til bly. Ved denne formuleringen må den manglende mulighet til å eliminere all porøsitet tas med i betraktning og kompen-seres for ved en passende økning av andelen av den tyngre bestanddel, wolfram, ferro-wolgram, karbolloy eller wolfram-karbid eller blandinger av disse. Den optimale blandingen bestemmes ved en avveining av utgangsmaterialenes pris, samt kulens ytelser.

For mer duktile matriksmaterialer så som ovennevnte metaller, kan kulene fremstilles ved ovennevnte fremgangsmåte, eller alternativt kan kulene kompakteres til en stang- eller barreform ved bruk av konvensjonell presseteknikk eller ved iso-statisk pressing. Etter sintring kan barren eller stangen ekstruderes til vaierform for videre fremstilling av kuler ved hjelp av stansing eller smiing ved anvendelse av presser eller stanser, slik som anvendt ved konvensjonelle blykuler. Alternativt, dersom materialene er for sprø for slik fremstilling, kan konvensjonelle fremstillings-

prosesser anvendes for den endelige fremstilling av kulen.

Metallmatrikskuler kan gis en eventuell oppsprøings-behandling for å bedre skjørheten etter den avsluttende formingen. En jernmatrikskule med en tilleggstil-setning av karbon kan eksempelvis gjøres sprø ved hjelp av egnet varmebehandling. En tinnmatrikskule kan sprøgjøres ved hjelp av kjøling samt ved å holde den i et temperaturområde hvor en delvis transformering til alfa-tinn inntreffer. Denne metoden kan anvendes til nøyaktig kontroll av skjørhetsgraden.

Et tredje eksempel på sprøgjøring vil være å anvende utvalgte urenhetstilsetninger så som bismutt til en kobber-matrikskompositt-blanding. Etter fremstilling kan kulen oppvarmes til et temperaturområde hvor urenhetene erfaringsmessig fortrinnsvis opptrer ved kobberkorn-grensene hvorved materialet blir sprøere.

Selv uten tilsetning av sprødannende tilsetninger kan skjørheten kontrolleres ved passende variasjoner med hensyn til sintringstid og/eller sintringstemperatur.

I forbindelse med matriksmaterialer av termoplast eller termoherdende plast, kan pulverne blandes som beskrevet ovenfor under anvendelse av de samme betraktninger med hensyn til masse og tetthet, og blandingen kan deretter direkte formes til avsluttende form ved hjelp av hvilken som helst kjent prosess som anvendes i forbindelse med polymer-teknologi så som injeksjonsstøping, over-føringsstøping osv.

Med hensyn til mantlede plastmatrikskuler kan kompaktering under varme utføres med komposittpulvere inne i mantelen. Alternativt kan pulverne kompakteres under anvendelse av trykk og varme for å danne pellets til bruk i denne prosessen.

Til slutt, for å beskytte geværløpet mot beskadigelse ved avfyring, må kulene mantles eller belegges med et bløtt metallbelegg eller plastbelegg. Beleggene for metallmatriks-kuler bør fortrinnsvis bestå av tinn, sink, kobber, messing eller plast. I tilfellet med plastmatrikskuler er plastbelegg foretrukket, og det. vil være ønskelig om plastmatriksen og belegget kan være av samme materiale. I begge tilfeller kan plast-beleggene påføres ved dypping, sprøyting, fluidiserte bad eller andre konvensjonelle plastbelegg-prosesser. Metallbelegg kan påføres ved elektroplattering, varme-dypping eller andre kjente beleggingsmetoder.

EKSEMPLER

A. Plastmatriks

Skjøre plastmatrisk-komposittkuler ble fremstilt av wolfram-pulver med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse på 6 mikron. Jernpulver ble tilsatt til wolfram-pulveret i mengder på 0,15 og 30 vekt%. Etter blanding med ett eller to polymer-pulvere, fenylformaldehyd (lucitt) eller polymetylmetakrylat (bakelitt) som fungerte som matriks, ble blandingene varme-kompaktert ved en temperatur innen området fra 140°C til ca. 177°C og et trykk på ca. 241 MPa til 276 MPa til sylinderform med diameter på 3,18 cm, hvilke deretter ble kuttet til rektangulære parallellpepider for trykkprøver og fallvekt-prøver. I alt seks prøver ble laget som vist i følgende Tabell I:

Kulematerialet tildannet på denne måten ble meget skjørt under kompre-sjonsprøven. Oppførsel ved fallvektprøven viste også stor skjørhet. Tetthetene i forhold til bly for disse prøvene er vist i følgende Tabell II.

Maksimumsbelastningen ved kompresjonsprøven og absorbert energi ved kompresjonsprøven for disse materialene er også vist i Tabell II. Maksimumsbelastningen før brudd var under 34,5 MPa, noe som er vel innenfor det ønskede område, for å unngå skade på fangplaten bak blinken.

Metallmatriks- kompositter

Fig. 1 viser tetthet i forbindelse med metallmatriks-kompositter fremstilt av wolframpulver, wolfram-karbidpulver og ferrowolfram-pulver blandet med et pulver av enten tinn, bismutt, sink, jern (med 3% karbon), aluminium eller kobber. Andelene var slik at de ville ha tettheten til bly dersom det ikke forekom noen porøsitet etter sintring. Pulverne ble kold-kompaktert til sylindere på ca. 12,5 mm under anvendelse av trykk på 690 MPa. De ble deretter sintret i to timer ved aktuelle temperaturer mens de var forseglet i poser av rustfritt stål. Sintringstemperaturene var henholdsvis 180°C, 251 °C, 350°C, 900°C, 565°C og 900°C. Fig. 2 viser de maksimale aksiale innvendige spenningene eller belast-ningene i forbindelse med kompresjonsprøvene. Fig. 3 viser den energi som ble absorbert opp til 20% total belastning (bortsett fra kobber-wolfram-prøven som nådde så høye innvendige spenninger at prøven ble avbrutt før 20% forlengelsen ble oppnådd). Alle materialene oppviste en viss plastisk deformasjon. Energiav-givelsene ved kompresjonsprøvene indikerte den forholdsvise duktiliteten eller . strékkbarheten, idet de mer energiabsorberende materialene var de mest duktile.

Også de mest duktile eller strekkbare prøvene så som tinn og bismuttmatriks-komposittene oppviste en viss sprekking under kompresjonsprøven på grunn av hull eller hvelvdannelse, og sekundære strekkspenninger som kan oppstå på grunn av dette. Ved fallvekt-prøver under anvendelse av enten 326 Joules eller 163 Joules ble oppførselen lignende, men en forsterkning av det som ble observert under kompresjons-prøven.

Kontrolleksempler

Fig. 4 viser til sammenligning en blyklump, to standard 38 kaliber kuler, to kommersielle plastmatriks-komposittkuler som trykkprøves. Fig. 4 viser at maksi-mumspenningene i blyklumpen og blykulene var bemerkelsesverdig mindre enn de til plastkuler. Alle var imidlertid av samme størrelsesorden sammenlignet med dem som forelå ved metallmatriks-eksemplene i forbindelse med de jernfrie plastmatriks-prøvene. Fig. 5 viser den absorberte energi for disse materialene. Verdiene er generelt mindre enn dem som forelå ved metallmatriks-prøvene vist i fig. 3, og mye høyere enn dem som forelå ved de skjøre plastmatriks-prøvene.

Alle de nevnte materialene deformerte markert ved 326 Joules fallvektprøven. Blyprøvene sprakk ikke i motsetning til plastmatriks-kulene.

Mantlede komposittkuler

I et annet eksempel ble 38 kaliber metallmatriks-kuler og plastmatriks-kuler med den sammensetning som angis i Tabell III fabrikkert inne i standard messing-mantler (dyptrukne kopper) ved en veggtykkelse som varierte fra 0,25 mm til 0,64 mm. Plastmatriks-prøvene ("Lucitt" eller "Bakelitt" angitt under kode 1 og kode 2 i tabellen) ble kompaktert ved temperaturene angitt i det første eksemplet. Metall-matriksprøvene (kode 3-11) ble kompaktert ved romtemperatur og sintret som beskrevet ovenfor, mens de var innelukket i mantlene.

Disse kulene ble avfyrt i en boks med sagflis under anvendelse av en +P kruttladning, idet de ble utsatt fortrykk som overskred 138 MPa mens de var i løpet. Undersøkelse og veiing av prøvene før og etter avfyring avslørte at jernmatriks-, kobbermatriks- og sinkmatriks-kulene ikke mistet noen vekt fra den enden av kom-posittkjernen som hadde blitt eksponert til de varme gassene i løpet.

Mikrostruktur-undersøkelser viste videre at bare rene bismutt-kuler hadde innvendige sprekker etter avfyring.

Disse kulene ble deretter avfyrt ved en standard stålplatestopper som var 5,1 mm tykk, hardhet på 3,28 Brinell og en anslagsvinkel på 45°, samt en avstand som er typisk i forbindelse med innendørs pistolskytebaner. Ingen av disse kulene skadet bakplaten eller rikosjetterte.

Mens oppfinnelsen her er beskrevet ovenfor og under henvisning til vedlagte foretrukne utførelsesformer og spesifikke eksempler, vil det være innlysende at mange endringer, modifikasjoner og variasjoner med hensyn til materialer, an-ordning av deler og trinn, kan gjøres uten at en forlater rammen for oppfinnelsen. Følgelig, den ånd og den brede rammen som omfattes av vedlagte krav har til hensikt å omfatte alle slike endringer, modifikasjoner og variasjoner som kan til-veiebringes av en fagmann på området etter å ha lest nærværende fremstilling.

Claims (7)

1. Blyfritt prosjektil, karakterisert ved: en komprimert og sintret sammensatt skuddhagl som består vesentlig av første bestanddel med høy tetthet som er ferrowolfram-partikler blandet med partikler med en lavere tetthet tit en andre bestanddel som er jern.

2. Blyfritt prosjektil ifølge krav 1, karakterisert ved at det videre innbefatter et polymer-bindemiddel.

3. Blyfritt prosjektil ifølge krav 2, karakterisert ved at nevnte polymer-bindemiddel er valgt fra gruppen bestående av akryler og polystyrener.

4. Blyfritt prosjektil ifølge krav 1, karakterisert ved at det er belagt med en mantel valgt fra gruppen bestående av tinn, sink, kopper, messing og plast.

5. Blyfritt prosjektil ifølge krav 4, karakterisert ved at det er belagt med en messingmantel.

6. Blyfritt prosjektil ifølge krav 3, karakterisert ved a t det er belagt med en mantel valgt fra gruppen bestående av tinn, sink, kopper, messing og plast.

7. Blyfritt prosjektil ifølge krav 6, karakterisert ved at. nevnte mantel er plast.