Новые материалы для производства экологических боеприпасов и других областей применения

Настоящее изобретение относится к композиционным дисперсно-упрочненным материалам. Может использоваться для изготовления экологических боеприпасов, крючков для рыбной ловли, инерционных противовесов в автомобилях, экранов против рентгеновского и ионизирующего излучения, клюшек для гольфа, водопроводных труб и арматуры, и средств для электрических и магнитных применений. Материал содержит матрицу из сплава цинка с висмутом, цинка с алюминием, олова с висмутом, или олова с цинком и распределенные в ней дисперсные упрочняющие частицы ферровольфрама, оксида ферровольфрама, карбида ферровольфрама или их производных. Из композиционного материала изготавливают боеприпасы, например, типа дроби. Композиционный дисперсно-упрочненный материал обладает оптимальной плотностью и деформируемостью. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к новыми экологическим материалам типа ODS (Оксидная усиленная дисперсия или с дисперсией частиц), которые включают металлическую матрицу сплава, в которой распределена дисперсия усиливающих частиц, таких как ферровольфрам, и которые имеют оптимальные значения плотности и деформируемости для их использования в качестве экологических боеприпасов.

Известный уровень техники

Свинцовую дробь традиционно используют для охоты. Плотность является характеристикой, которая придает свинцовой дроби ее превосходные механические и баллистические свойства. Эта характеристика то, что делает очень трудным получение новых материалов для изготовления дроби, подходящих при указанном использовании для охоты.

Однако высокая токсичность свинца, которая означает непременное ухудшение окружающей среды, особенно в заболоченных местах, так же как отравлении большого числа разновидностей животных, создала потребность в развитии многих решений для смягчения этой серьезной проблемы.

Одним из заменителей свинца является сталь и, фактически, продают боеприпасы на основе этого материала. Однако это имеет серьезные недостатки, среди которых низкая плотность и ее большая твердость по отношению к свинцу, что с необходимостью подразумевает большее количество взрывчатого вещества, ограничивая, таким образом, оружие, которое может быть использовано.

В US 4,949,644 описана разработка оружейной дроби из висмута. Указанный материал имеет плотность, которая выше чем плотность стали, но меньше чем плотность свинца. Вместе с этой проблемой, висмут является очень хрупким материалом (механические свойства), что приводит к трещинам и разрушению дроби при ударе.

В US 5,264,022, US 5,527,376 и US 5,713,981 описана разработка оружейной дроби, содержащей двойной сплав железа и вольфрама в различных пропорциях (с процентным содержанием вольфрама 30-46%, 40-60% или 30-65%). Главным недостатком этого материала является его большая твердость, который приводит к повреждению оружейного ствола при каждом выстреле.

В US 4,949,645 описана разработка дроби из вольфрама и порошкообразного полимера (полиэтилен или силиконовый каучук, например). Проблема, свойственная этому материалу, в том, что пуля не проникает (в цель), потому что кинетическая энергия поглощена и рассеяна за счет собственной деформации.

В US 6,149,705 описана разработка дроби, включающей ядро порошка карбида вольфрама, который может также содержать такие элементы, как вольфрам или тантал, покрытое металлами, типа алюминия, висмута, меди, олова или цинка. Однако указанные боеприпасы имеют недостаток из-за слишком твердого ядра карбида вольфрама, из-за чего при нанесении удара по объекту охоты это производит перфорацию животного с выходом боеприпасов.

В документе GB 2211920 описана разработка дроби, состоящей из сплавов цинк-алюминий или цинк-олово, с возможными дополнениями других металлов, таких как медь, магний, кремний, щелочные или щелочноземельные металлы. Указанная дробь, однако, имеет низкую плотность по отношению к свинцу, что может привести к необходимости замены оружия.

В документе GB 2327113 А описана разработка дроби, состоящей из сплава висмут-олово, предпочтительно в пропорции, соответствующей эвтектической точке (45% Bi и 55% Sn), который также имеет недостатки в плане его плотности и твердости.

В US 5,877,437 описан способ получения пуль из композитного материала, который включает металлическую матрицу и металлические частицы. У этого типа материала возникают проблемы при ударе.

В WO 01/59399 раскрыт способ получения пуль и зарядов, основанных на материале, который включает конгломерат металла и/или частиц сплава, которые уплотнены системой с порошкообразным металлом. Главный недостаток этого способа состоит в характеристике материала этого типа, которая подразумевает необходимость использования высоких температуры плавления и давления для формования и получения конечных зарядов и пуль.

В US 6,536,352 раскрыт способ получения пуль из материала, который включает матрицу металлических частиц, связанных металлом с низкой точкой плавления для получения порошкообразного металлического продукта. Характеристики этого материала требуют использования высоких давлений при прессовании для формования и получения конечного продукта.

В ЕР 1457578 раскрыты экологические боеприпасы, выполненные из материала типа порошкообразного металла, который включает сферические частицы вольфрама, внедренные в оловянную матрицу, и способ производства указанных материалов, основанный на применении давлений ниже 250 МПа. Применение указанного давления означает дополнительные, высокие расходы.

Однако, несмотря на имеющиеся разработки, в данной области техники продолжает существовать необходимость обеспечить новые альтернативные материалы для изготовления экологических боеприпасов, предназначенных для охоты. Указанные материалы должны иметь оптимальную плотность, близкую к плотности свинца, так же как баллистические и механические свойства, подобные имеющимся в случае свинца, чтобы, с одной стороны, предотвратить ухудшение окружающей среды и с другой, избежать модификации конструкции широко распространенных патронов и взрывчатых веществ, которые используются для свинцовой дроби.

В пределах этих возможностей найдены материалы типа ODS (Оксидная усиленная дисперсия или с дисперсией частиц), где частицы с различными степенями окисления введены в металлическую матрицу сплава таким образом, что они уменьшают поверхностную энергию между частицами и матрицей. Таким образом, агрегат сохраняет механические характеристики, и его деформируемость без разрушения при ударе. Это означает, что они имеют преимущества перед композитными материалами, подобными материалам US 5,877,437, по отношению к ударному воздействию.

Неожиданно авторы настоящего изобретения обнаружили новый экологический материал типа ODS с дисперсией частиц, с плотностью, которая позволяет этому материалу заменять свинец в целом диапазоне баллистических и механических свойств, но без его токсичных эффектов. Боеприпасы, изготовленные из этого материала, имеют хорошие свойства относительно диапазона и передачи кинетической энергии при ударном воздействии благодаря его оптимальной деформируемости, таким образом преодолевая недостатки альтернативных свинцу материалов, используемых в настоящее время.

Указанный материал основан на матрице металлического сплава, в которой распределена дисперсия усиливающих частиц, металлическая матрица, состоящая из сплава цинка с висмутом, цинка с алюминием, олова с висмутом или олова с цинком, и дополнительно другие материалы с низкой температурой плавления, и усиливающих частиц из вольфрама или ферровольфра; также возможно укрепить матрицу частицами оксидов или карбидов вольфрама или ферровольфрама, или их любыми соединениями.

Состав этого нового материала вносит свой вклад в увеличение плотности сплава, не затрагивая его механических свойств, твердости, пластичности, деформируемости, инерции, и т.д., и также предоставляет этому материалу экологические свойства, которые позволяют его использовать в различных применениях, не загрязняя окружающей среды.

Описание чертежа

Степень деформируемости при ударе о стальную пластину с расстояния 20 м дроби, полученной из сплава олово-висмут с 22% предокисленного ферровольфрама, как усиливающей частицы; (а) дробь до выстрела, (b) дробь после выстрела.

Цель изобретения

Следовательно, целью настоящего изобретения является создание нового экологического материала типа ODS, который включает матрицу металлического сплава и дисперсию усиливающих частиц, распределенных в ней, с плотностью, изменяющейся между 7 и 14 г/см³ и оптимальной деформируемостью выше или равной 10%.

Наконец, другой целью настоящего изобретения является изготовление экологических боеприпасов из указанного материала типа ODS.

Детальное описание изобретения

Настоящее изобретение дает новый экологический материал типа ODS, который включает металлическую матрицу сплава и дисперсию усиливающих частиц, распределенных в ней, с плотностью, которая изменяется между 7 и 14 г/см³, и оптимальной деформируемостью выше или равной 10%

В специфическом конкретном выполнении нового материала, являющегося целью изобретения, металлическая матрица состоит из сплава цинка с висмутом, цинка с алюминием, олова с висмутом или олова с цинком.

В предпочтительном конкретном выполнении металлическая матрица состоит из сплава цинка с висмутом с 1-29% висмута и 71-99% цинка, или сплава цинка с алюминием с 75-95% цинка и 5-25% алюминия; или сплава висмута с оловом с 71-99% висмута и 1-29% олова; или сплав цинка с оловом с 1-39% олова и 61-99% цинка, в этом случае без укрепления, или сплава цинка с оловом с 1-99% цинка и 99-1% олова, будучи в этом случае с укреплением, с весовыми процентами относительно полного веса сплавов.

В другом специфическом конкретном выполнении настоящего изобретения усиливающими частицами являются вольфрам, ферровольфрам, карбид вольфрама, карбид ферровольфрама, оксид вольфрама, оксид ферровольфрама или их производные.

Показано, что введение в дисперсию частиц вольфрама или ферровольфрама, которые были подвергнуты полному или частичному окислению до их включения в металлическую матрицу, также позволяет получить подходящий материал типа ODS для изготовления экологические боеприпасов, альтернативных боеприпасам на основе свинца.

В специфическом конкретном выполнении настоящего изобретения усиливающие частицы имеют диаметр между 1-500 µм.

В специфическом конкретном выполнении материала настоящего изобретения пропорция между металлической матрицей и дисперсией усиливающих частиц изменяется между 0 и 0,8.

В предпочтительном конкретном выполнении пропорция между металлической матрицей и частицами дисперсии следующая:

- матрица сплава цинка с висмутом / частицы вольфрама = 0-0,734,

- матрица сплава цинка с висмутом / частицы ферровольфрама=0-0,510

- матрица сплава цинка с алюминием / частицы вольфрама = 0-0,775

- матрица сплава цинка с алюминием / частицы ферровольфрама = 0-0,539

- матрица сплава висмута с оловом / частицы вольфрама = 0-0,597

- матрица сплава висмута с оловом / частицы ферровольфрама = 0-0,414

- матрица сплава олова с цинком / частицы вольфрама = 0-0,720

- матрица сплава олова с цинком / частицы ферровольфрама = 0-0,500

- матрица сплава цинка с висмутом / частицы оксида вольфрама = 0-0,634,

- матрица сплава цинка с висмутом / частицы оксида ферровольфрама = 0-0,550

- матрица сплава цинка с алюминием / частицы оксида вольфрама = 0-0,775

- матрица сплава цинка с алюминием / частицы оксида ферровольфрама = 0-0,560

- матрица сплава висмута с оловом / частицы оксида вольфрама = 0-0,650

- матрица сплава висмута с оловом / частицы оксида ферровольфрама = 0-0.430

- матрица сплава олова с цинком / частицы оксида вольфрама = 0-0,720

- матрица сплава олова с цинком / частицы оксида ферровольфрама = 0-0,520

- матрица сплава цинка с висмутом / частицы карбида вольфрама = 0-0,710,

- матрица сплава цинка с висмутом / частицы карбида ферровольфрама = 0-0,550

- матрица сплава цинка с алюминием / частицы карбида вольфрама = 0-0,710

- матрица сплава цинка с алюминием / частицы карбида ферровольфрама = 0-0,560

- матрица сплава висмута с оловом / частицы карбида вольфрама = 0-0,610

- матрица сплава висмута с оловом / частицы карбида ферровольфрама = 0-0,420

- матрица сплава олова с цинком / частицы карбида вольфрама = 0-0,740

- матрица сплава олова с цинком / частицы карбида ферровольфрама = 0-0,520.

Введение усиливающих частиц позволяет получать новый материал с оптимальными значениями плотности и с механическими и потребительскими свойствами, подобными свойствам свинца, так как они вносят свой вклад в увеличение плотности сплава, не затрагивая его твердость, пластичность, баллистику, и т.д. Дополнительно, обладает хорошими свойствами по отношению к уровню и передаче кинетической энергии во время ударного воздействия благодаря его хорошей деформируемости, которая предотвращает его разрушение при указанном ударе.

Таким образом, в специфическом конкретном выполнении настоящего изобретения, используя сплав олово-висмут с 22% предокисленного ферровольфрама в качестве усиливающих частиц, возможно получить плотности выше, чем плотность свинца, порядка 10,2 г/см³. К тому же деформационные свойства при ударе улучшены (чертеж).

К тому же, новый материал типа ODS настоящего изобретения может содержать металл, выбираемый из сурьмы, олова, меди, цинка и железа.

Применение указанных металлов позволяет усовершенствовать и оптимизировать свойства нового материала настоящего изобретения в производстве, например, экологических боеприпасов, особенно дроби, по сравнению со свинцовой дробью.

В специфическом конкретном выполнении новый материал настоящего изобретения содержит указанный металл в пропорции от 0,05 до 10 мас.% по отношению к полному весу металлического сплава.

В предпочтительном конкретном выполнении новый материал настоящего изобретения содержит сурьму в пропорции 0,1-6 мас.% по отношению к полному весу металлического сплава.

В другом предпочтительном конкретном выполнении новый материал настоящего изобретения содержит олово в пропорции 0,1-5 мас.% по отношению к полному весу металлического сплава.

В другом предпочтительном выполнении новый материал настоящего изобретения содержит медь в пропорции 0,1-2 мас.% по отношению к полному весу металлического сплава.

В предпочтительном выполнении новый материал настоящего изобретения содержит цинк в пропорции 0,1-5 мас.% по отношению к полному весу металлического сплава.

В предпочтительном выполнении новый материал настоящего изобретения содержит железо в пропорции 0,1-5 мас.% по отношению к полному весу металлического сплава.

Указанный экологический материал, благодаря своему составу, не вредит окружающей среде, демонстрируя высокое сопротивление химической коррозии в контакте с водой, которое вместе с его механическими свойствами твердости, пластичности, деформируемости и т.д. позволяет использовать его в других применениях.

В контексте настоящего применения термин "боеприпасы" включает любой тип боеприпасов, которые могут быть использованы в оружии, предназначенном для охоты, таких как, например, дробь, пули, картечь, оружейный выстрел, и т.д.

В предпочтительных выполнениях настоящего изобретения экологические боеприпасы, изготовленные из этого нового материала, являются дробью.

Наконец, другой отличительной особенностью изобретения является то, что настоящее применение обеспечивает экологические боеприпасы, предпочтительно дробь, изготовленную из материала, типа ODS, раскрытого выше.

В предпочтительном выполнении указанная дробь имеет магнитные свойства. Это случай дроби, изготовленной из материала типа ODS, в котором металлическая усиливающая дисперсия выполнена из ферровольфрама. Указанная дробь особенно удобна, по отношению к ее локализации и сбору в местах охоты, где она была использована при использовании соответствующего устройства, которое содержит, например, магнит.

Размеры дроби, которая может быть изготовлена, используя новый материал с дисперсией частиц, включает размеры свинцовой дроби, доступной на рынке и любые другие необходимые, чтобы быть приспособленными к баллистическим свойствам для различных типов оружия. В общем, размеры и формы изготовленной дроби будут зависеть от заряда и оружия, которое желательно использовать.

Новый материал позволяет достичь механические и баллистические свойства, подобные свойствам свинца, при более низких плотностях, чем плотность этого химического элемента и его сплавов, используемых в боеприпасах для охоты. Эти свойства внутренней и внешней баллистики означают, что нет необходимости в модификации конструкции существующего огнестрельного оружия. К тому же, плотность материала позволяет применять атмосферное, или очень невысокое давление, так же как низкие температуры плавления для их производства, что существенно с точки зрения энергосбережения.

1. Экологичный дисперсно-упрочненный материал, который включает металлическую матрицу сплава, выполненную из сплава цинка с висмутом, цинка с алюминием, олова с висмутом или олова с цинком, и распределенные в ней дисперсные упрочняющие частицы, выполненные из ферровольфрама, карбида ферровольфрама, оксида ферровольфрама или их производных, характеризующийся тем, что плотность материала находится между 7-14 г/см³, деформируемость равна или более 10% и соотношение между матрицей из металлического сплава и дисперсными упрочняющими частицами находится между 0 и 0,8.

2. Экологичный материал по п.1, характеризующийся тем, что матрица состоит из металлического сплава с 1-29 мас.% висмута и 71-99 мас.% цинка или сплава с 75-95 мас.% цинка и 5-25 мас.% алюминия, или сплава с 71-99 мас.% висмута и 1-29 мас.% олова, или сплава с 1-99 мас.% цинка и 99-1 мас.% олова.

3. Экологичный материал по п.1 или 2, характеризующийся тем, что диаметр упрочняющих частиц находится между 1-500 мкм.

4. Экологичный материал по п.3, характеризующийся тем, что соотношение между матрицей из металлического сплава и дисперсными упрочняющими частицами составляет:
матрица сплава цинка с висмутом / частицы ферровольфрама между 0 и 0,510,
матрица сплава цинка с алюминием / частицы ферровольфрама между 0 и 0,539,
матрица сплава висмута с оловом / частицы ферровольфрама между 0 и 0,414,
матрица сплава олова с цинком / частицы ферровольфрама между 0 и 0,500,
матрица сплава цинка с висмутом / частицы оксида ферровольфрама между 0 и 0,550,
матрица сплава цинка с алюминием / частицы оксида ферровольфрама между 0 и 0,560,
матрица сплава висмута с оловом / частицы оксида ферровольфрама между 0 и 0,430,
матрица сплава олова с цинком / частицы оксида ферровольфрама между 0 и 0,520,
матрица сплава цинка с висмутом / частицы карбида ферровольфрама между 0 и 0,550,
матрица сплава цинка с алюминием / частицы карбида ферровольфрама между 0 и 0,560,
матрица сплава висмута с оловом / частицы карбида ферровольфрама между 0 и 0,420,
матрица сплава олова с цинком / частицы карбида ферровольфрама между 0 и 0,520.

5. Экологичный материал по п.1, характеризующийся тем, что сплав металлической матрицы дополнительно содержит металл, выбранный из сурьмы, олова, меди, цинка и железа.

6. Экологичный материал по п.5, характеризующийся тем, что он включает указанный металл в количестве от 0,05 до 10 мас.% по отношению к общему весу металлического сплава.

7. Экологичный материал по п.6, характеризующийся тем, что он включает сурьму в количестве 0,1-6 мас.% по отношению к общему весу металлического сплава.

8. Экологичный материал по п.6, характеризующийся тем, что он включает олово в количестве 0,1-5 мас.% по отношению к общему весу металлического сплава.

9. Экологичный материал по п.6, характеризующийся тем, что он включает медь в количестве 0,1-2 мас.% по отношению к общему весу металлического сплава.

10. Экологичный материал по п.6, характеризующийся тем, что он включает цинк в количестве 0,1-5 мас.% по отношению к общему весу металлического сплава.

11. Экологичный материал по п.6, характеризующийся тем, что он включает железо в количестве 0,1-5 мас.% по отношению к общему весу металлического сплава.

12. Экологичный боеприпас, изготовленный из дисперсно-упрочненного материала по любому из пп.1-11.

13. Экологичный боеприпас по п.12, характеризующийся тем, что боеприпас представляет собой дробь.

14. Экологичный боеприпас по п.13, характеризующийся тем, что дробь имеет магнитные свойства.