RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 208489 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 380400 (22) Data zgłoszenia: 11.08.2006 (51) Int.Cl. C06B 45/04 (2006.01) C06B 33/00 (2006.01) F42B 8/14 (2006.01) (54) Sposób wytwarzania pocisków fragmentujących do ćwiczebnej amunicji strzeleckiej (43) Zgłoszenie ogłoszono: 18.02.2008 BUP 04/08 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.05.2011 WUP 05/11 (73) Uprawniony z patentu: WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA, Warszawa, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ANDRZEJ DĘBSKI, Feliksów, PL JACEK JANISZEWSKI, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Janusz Rybiński PL 208489 B1
2 PL 208 489 B1 Opis wynalazku Przedmiotem zgłoszonego wynalazku jest sposób wytwarzanie pocisków fragmentujących do ćwiczebnej amunicji strzeleckiej metodą spiekania reakcyjnego. Obecnie, zapotrzebowanie na amunicję strzelecką o ograniczonej strefie rażenia, tzn. fragmentującą się po uderzeniu w przeszkodę jest bardzo duże. Wynika to między innymi z potrzeby podwyższenia bezpieczeństwa strzelnic i stref wokół nich, poprzez wyeliminowane możliwości rażenia pociskami rykoszetującymi od elementów infrastruktury. Jest to także potrzeba wyeliminowania z budowy pocisków składników silnie zanieczyszczających środowisko, chodzi głównie o ołów. Amunicja tego typu, ze względu na cele szkolenia i poprawność działania broni, musi być jednak wyposażona w pociski, które pod względem balistyki będą zbliżone do amunicji bojowej, ale pozbawione zdolności do rykoszetowania i wyprodukowane ze składników ekologicznych. Znane pociski fragmentujące produkowane są głównie do amunicji pistoletowej, rzadziej stosowane są w nabojach karabinowych. Najczęściej są to pociski pozbawione płaszcza miedzianego, chodź spotyka się także rozwiązania fragmentujących pocisków płaszczowych. Pociski amunicji fragmentującej produkowane są zazwyczaj z materiałów kompozytowych, które składają się z materiału wypełniacza, najczęściej o dużej gęstości oraz z materiału wiążącego, zapewniającego spójność pociskowi, zarówno w przewodzie lufy, jak i na trajektorii lotu. Obecnie wyróżnia się kilka metod wytwarzania pocisków fragmentujących. Do najbardziej rozpowszechnionej należy zaliczyć technologię metalurgii proszków, prezentowaną np. w: J. Janiszewski, W. Furmanek, J. Kijewski: Badania technologiczne fragmentującego się pocisku pistoletowego, V Międzynarodowa Konferencja Uzbrojenia, Waplewo 2004, która pozwala otrzymać materiał kompozytowy o właściwościach fizycznych podobnych do materiałów stosowanych w amunicji tradycyjnej. Technologia ta ogólnie polega na prasowaniu w matrycy stalowej mieszanki proszkowej, której skład chemiczny jest tak dobrany, aby podczas kolejnej operacji procesu technologicznego, jakim jest spiekanie, otrzymać fazę kruchą, która zapewnia materiałowi pocisku wysoką zdolność do fragmentacji po uderzeniu w przeszkodę. W ten sposób na przykład produkuje się pociski fragmentujące z materiału spiekanego Cu-Sn. Inną, często stosowaną technologią wytwarzania pocisków fragmentujących jest metoda wtryskowego formowania proszków. Została ona np. przedstawiona w: B. Mravic et al.: Lead free Bullet, United States Patent 5 399 187, 1995; G. Belanger et al.: Frangible practice ammunition, United States Patent 5 237 930, 1993 oraz J. T. Abrams et al: Leadfree frangible bullets andprocess form making same, United States Patent 6 074 454, 2000. Jej istota polega na tym, że pocisk kształtowany jest na drodze wtryskiwania mieszanki proszkowo-polimerowej do specjalnie przygotowanej formy. Tworzywo sztuczne pełni rolę nie tylko lepiszcza zapewniającego odpowiednią wytrzymałość materiału kompozytowego, ale jest także fazą zapewniającą prawidłowy przebieg wypełnienia przestrzeni wtryskowej, a co za tym idzie decyduje o poprawności geometrycznej otrzymanego wyrobu. Tą technologią na przykład produkowane są pociski z materiału składającego się z proszku miedzi i nylonu. Sposoby wytwarzania spieków ceramiczno-metalowych polegają na przygotowaniu mieszanki proszków bazowych, składających się z metalicznego proszku osnowy i proszku fazy ceramicznej. Następnie formowanie kształtu gotowego wyrobu i spiekania w fazie stałej, bądź z udziałem fazy ciekłej w atmosferze ochronnej, aż do uzyskania połączenia dyfuzyjnego. W końcowym etapie często stosuje się obróbki wykańczające takie jak: obróbki cieplne, nasycanie olejami, żywicami lub niżej topliwymi metalami. Taka technologia jest z powodzeniem wykorzystywana w produkcji materiałów ceramiczno-metalowych i węglików spiekanych. Większość takich wyrobów charakteryzuje się dużą kruchością, którą w przypadku węglików można zmniejszyć poprzez infiltrację metalami. Badania technologiczne wykazały, że zmniejszenie kruchości można osiągnąć stosując fazy ceramiczne o wysokiej dyspersji. Wytwarzane poprzez mechaniczne rozdrabnianie fazy ceramicznej wykazują wielkość cząstek w zakresie od kilkunastu do kilkudziesięciu μm. Istnieją również sposoby wytwarzania faz drobniejszych, lecz w tym przypadku występuje silna tendencja do zbijania się cząstek fazy ceramicznej w konglomeraty wielu cząstek. Utrudnia to proces mieszania i podwyższa ryzyko niejednorodnego rozkładu. Sposobem na przezwyciężenie tych trudności jest wytwarzanie faz ceramicznych bezpośrednio wewnątrz spieku podczas procesu spiekania, nazywanego spiekaniem reakcyjnym. Podstawową zaletą spiekania reakcyjnego jest możliwość uzyskania bardzo drobnej fazy ceramicznej równomiernie rozmieszczonej w osnowie, bowiem jej wydzielenie następuje w wyniku reakcji chemicznych zachodzących podczas spiekania. W tej technologii skład wstępnej mieszanki proszko-
PL 208 489 B1 3 wej, której nadajemy kształt gotowego wyrobu różni się od składu uzyskanego w wyniku spiekania. Mieszanki proszków są tak dobierane, aby znalazły się w nich, w odpowiednich proporcjach, substraty planowanej reakcji chemicznej. Niebagatelne znaczenia ma też zapewnienie dobrego kontaktu pomiędzy reagentami, dlatego najczęściej jeden z nich bierze udział w spiekaniu w fazie ciekłej. Ponadto, w wyniku zachodzącej reakcji pojawiają się dodatkowe efekty cieplne, które należy uwzględnić planując temperaturę spiekania. W większości przypadków podczas spiekania reakcyjnego wydziela się dodatkowe ciepło, co powoduje konieczność obniżenia temperatury spiekania, tak, aby uniknąć ryzyka stopienia wsadu. Fazą ceramiczną, której wytworzenie jest stosunkowo proste jest AI 2 O 3, ponieważ powstaje w wyniku utleniania aluminium. Ponadto, ze względu na niską temperaturę topnienia tego metalu można łatwo zaplanować procesy spiekania w fazie ciekłej, co pozwoli na dobry kontakt reagentów. Źródłem tlenu w tego typu kompozycjach mogą być powłoki tlenkowe znajdujące się na powierzchni proszków stanowiących osnowę spieku, np. proszki żelaza, miedzi i niklu. Dodatkowo, w składzie mieszanki może znaleźć się proszek tlenku metalu, którego obecność jest pożądana z innych względów, np. dla podwyższenia gęstości wyrobu. Warunkiem, który należy zapewnić jest odpowiednia relacja pomiędzy entalpią swobodną dodawanego tlenku, a AI 2 O 3 warunkującą zachodzenie reakcji chemicznej. Zastosowanie podczas spiekania odpowiednich atmosfer ochronnych może ułatwić przebieg reakcji. W związku z tym, istotą wynalazku jest sposób wytwarzania pocisków fragmentujących do ćwiczebnej amunicji strzeleckiej, z mieszanki trzech składników w postaci proszków, z których jeden z nie toksycznego metalu stanowi osnowę, drugi jest proszkiem łatwo redukowalnego tlenku metalu, a trzeci jest proszkiem reaktywnego niskotopliwego metalu i służy do redukcji składnika tlenkowego. Mieszankę proszkową uzyskaną przez wymieszanie składników proszkowych, poddaje się prasowaniu matrycowemu pod ciśnieniem umożliwiającym uzyskanie wypraski w kształcie gotowego pocisku, a następnie spieka reakcyjnie w temperaturze, w której zachodzi reakcja pomiędzy drugim i trzecim składnikiem mieszanki z wydzieleniem fazy ceramiczno-tlenkowej ułatwiającej fragmentację. W przypadku, jeżeli kształt gotowego pocisku jest zbyt skomplikowany, aby możliwe było uzyskanie wypraski metodą prasowania matrycowego, dopuszcza się prasowanie wypraski o kształcie cylindrycznym, a po spiekaniu reakcyjnym obróbkę mechaniczną, w celu nadania ostatecznego kształtu gotowego pocisku. Mieszanka proszkowa stosowana do wytwarzania fragmentujących pocisków amunicji ćwiczebnej składa się z trzech składników, z których podstawowym, stanowiącym osnowę pocisku, jest proszek Cu, korzystnie w ilości od 80% do 96%, drugim jest proszek łatwo redukowalnego tlenku metalu, korzystnie WO 3 lub Cr 2 O 3 w ilości od 2% do 10% i trzecim proszek reaktywnego, łatwo topliwego metalu, korzystnie Al lub Mg w ilości od 2% do 10%. Spiekanie mieszanki proszkowej do wytwarzania fragmentujących pocisków amunicji ćwiczebnej odbywa się metodą spiekania reakcyjnego, w temperaturze powyżej temperatury topliwości składnika redukującego Al lub Mg. Wytwarzanie pocisków do amunicji strzeleckiej według wynalazku daje szereg korzyści: eliminuje ryzyko rażenia rykoszetami na strzelnicach i w strefach ochronnych wokół nich, eliminuje występowanie i gromadzenie się w kulochwytach materiałów szkodliwych dla środowiska (głównie ołowiu) oraz obniża koszty produkcji pocisków. Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania, w którym fig. 1 przedstawia ogólny proces technologiczny, fig. 2 i fig. 3 prezentują obrazy mikrostruktury. Różnicę pomiędzy budową tradycyjnych spieków ceramiczno-metalowych a otrzymaną według zastrzeżonego sposobu przedstawiają fig. 4 i fig. 5, a rezultat badań dynamicznych prezentuje fig. 6. Istotę zgłoszonego wynalazku wyjaśnia dokładnie przedstawiony poniżej przykład. P r z y k ł a d r e a l i z a c j i Osnową spiekanych pocisków był proszek miedzi, ponieważ posiada stosunkowo wysoką gęstość, charakteryzuje się dobrą prasowalnością, jest dostępny i tani. Aby materiał posiadał wyższą gęstość, na dodatek tlenkowy użyto WO 3, w ilości 10%, ponieważ po redukcji wydzieli się z niego wolfram podwyższający gęstość pocisków. Z kolei składnikiem, z którego powstanie faza ceramiczna AI 2 O 3 był proszek aluminium. W sumie zaplanowane reakcje zachodzące podczas spiekania przedstawiały się następująco: WO 3 + Al AI 2 O 3 + W 3CuO + 2Al Al 2 O 3 + 3Cu 2Al + 3/2O 2 Al 2 O 3
4 PL 208 489 B1 Wszystkie reakcje przebiegają z wydzieleniem ciepła, które podwyższa temperaturę spiekania. Z tego powodu zastosowano temperaturę 700 C, czyli niższą niż w tradycyjnych spiekach na bazie miedzi. Proces spiekania przeprowadzono w atmosferze zdysocjowanego amoniaku zawierającej azot i wodór. Zastosowanie takiej atmosfery wynikało z faktu, że zaprogramowano dodatkowe reakcje na powierzchni spieku, takie jak: WO 3 + H 2 W + H 2 O CuO + H 2 Cu+ H 2 O które powodowały wydzielenie na powierzchni czystych metali (w tym przypadku głównie Cu). W ten sposób zostanie ograniczona ilości tlenków na powierzchniowej warstwie spieku, co jest korzystne z punktu widzenia oddziaływania pocisku na przewód lufy. Duża zawartość fazy ceramicznej przy powierzchni mogłaby spowodować nadmierne zniszczenie przewodu lufy. Pociski ze spieku ceramiczno-metalowego na osnowie miedzi wykonano zgodnie procesem technologicznym, którego przebieg przedstawiono schematycznie na fig. 1. Otrzymane pociski ze spieku przecięto osiowo i wypolerowano w celu ujawnienia ich struktury za pomocą mikroskopu optycznego NOEPHOT 21. Ponadto, na przełomie badanych materiałów wykonano obserwacje za pomocą mikroskopu skaningowego. W wyniku tych badań otrzymano obrazy mikrostruktury, które przedstawiają fig. 2. i fig. 3. W strukturze spieku widoczna jest osnowa z miedzi (jasne pola), wydzielony pomiędzy nimi tlenek Al 2 O 3 (faza szara) oraz pory (pola czarne). Faza tlenkowa ma charakter siatki, co szczególnie dobrze jest widoczne na obrazach z mikroskopu elektronowego fig. 3. Istotną różnicę pomiędzy budową tradycyjnych spieków ceramiczno-metalowych a otrzymanymi według zastrzeżonego sposobu, obrazują kolejne przykłady - fig. 4 i fig. 5. W spiekach dotychczas stosowanych (fig. 4) fazy tlenkowe-ceramiczne są rozłożone równomiernie w materiale i zainicjowane pęknięcie jest propagowane przez obszary zarówno ceramiczne, które są kruche, jak i przez fazę metaliczną wykazującą pewne cechy plastyczne. W takim przypadku, fragmentacja jest utrudniona. W pociskach wytworzonych według zgłaszanego do ochrony sposobu spiekania reakcyjnego, wytworzona faza ceramiczna ma postać siatki (fig. 5) i pęknięcia propagują się tylko poprzez fazę ceramiczną. Taki sposób zdecydowanie ułatwia fragmentację pocisku po uderzeniu w przeszkodę. Z przedstawionych powyżej rysunków wynika, że pociski wytworzone według zgłoszonego do ochrony sposobu będą wykazywały większą zdolność do fragmentacji po uderzeniu w przeszkodę, gdyż występujące wydzielenia ceramiczne stanowiące fazę kruchą będą ogniskami propagacji pęknięć, co potwierdzają próby strzelaniem. Do badań dynamicznych wykonano pociski, których kształt zbliżony był do pocisku amunicji pistoletowej 9 x 18 mm Makarowa. Celem tych badań było sprawdzenie wytrzymałości pocisków na obciążenia dynamiczne występujące podczas strzału oraz ocenienie, w sposób jakościowy, zdolności pocisków do fragmentacji po uderzeniu w stalową blachę o grubości 1 mm. Badania te przeprowadzono w ten sposób, że w odległości 25 m od urządzenia miotającego umieszczono tarczę stalową, za którą w odległości 1 m ustawiono arkusz kartonu (tzw. świadek). Dzięki takiemu układowi, na pierwszej tarczy stalowej stwierdzano czy pocisk nie uległ fragmentacji po wylocie z lufy, z kolei na drugiej tarczy oceniano zdolność do fragmentacji po uderzeniu w stalową blachę. Regularny okrągły otwór na tarczy stalowej oznaczał brak naruszenia spójności pocisku, natomiast małe i rozproszone perforacje powstałe w papierowej tarczy interpretowano jako wysoką zdolność do fragmentacji. Fig. 6 przedstawia otwory wykonane w tarczy stalowej oraz perforacje powstałe od odłamków pochodzących ze sfragmentowanego pocisku. W wyniku przeprowadzonych strzelań potwierdzono, że pociski wykonane z opracowanych spieków ceramiczno-metalicznych zachowują spójność w czasie lotu do tarczy i fragmentują się na drobne odłamki, które w tarczy papierowej tworzą liczne małe perforacje. Duże otwory w tarczy papierowej przedstawione przez fig. 6 są efektem odłamków powstałych z tarczy stalowej.
PL 208 489 B1 5 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wytwarzania pocisków fragmentujących do ćwiczebnej amunicji strzeleckiej, z mieszanki co najmniej trzech składników w postaci proszków, z których jeden z nietoksycznego metalu stanowi osnowę, drugi jest proszkiem łatwo redukowalnego tlenku metalu, a trzeci jest proszkiem reaktywnego niskotopliwego metalu i służy do redukcji składnika tlenkowego, znamienny tym, że mieszankę proszkową uzyskaną przez wymieszanie składników proszkowych, poddaje się prasowaniu matrycowemu pod ciśnieniem umożliwiającym uzyskanie wypraski w kształcie gotowego pocisku i spieka wykorzystując metodę spiekania reakcyjnego w temperaturze, w której zachodzi reakcja pomiędzy drugim i trzecim składnikiem mieszanki z wydzieleniem fazy ceramiczno-tlenkowej ułatwiającej fragmentację pocisku. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do wytwarzania fragmentujących pocisków amunicji ćwiczebnej stosuje się mieszankę proszkową, która składa się z co najmniej trzech składników, z których podstawowy, stanowiący osnowę pocisku, jest proszek Cu, korzystnie w ilości od 80% do 96%, drugim jest proszek łatwo redukowalnego tlenku metalu korzystnie, WO 3 lub Cr 2 O 3 w ilości od 2% do 10% i trzecim proszek reaktywnego, łatwo topliwego metalu, korzystnie Al lub Mg w ilości od 2% do 10%.
6 PL 208 489 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)