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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft bleifreie Zusammensetzungen für umweltfreundliche
("grüne") Munition. Spezieller
betrifft die Erfindung Wolfram-Zinn-Verbundstoffe, um Blei in Projektilen
wie Geschossen zu ersetzen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
mit Blei verbundenen Umwelt- und Gesundheitsrisiken haben zu einer
umfassenden Kampagne geführt,
um seine Nutzung bei vielen Anwendungen einschließlich bleihaltiger
Munition zu beseitigen. Insbesondere forcieren Regierungsanordnungen
einen Wechsel zu bleifreien Patronen in Handfeuerwaffenmunition
auf Grund anwachsender Bleivergiftungs-Probleme in Schussbereichen.
Toxischer, bleihaltiger Staub, der durch abgefeuerte Patronen entsteht,
stellt ein durch Luft übertragenes
Gesundheitsrisiko dar, wobei Blei, das seit Jahren aus den angesammelten,
verbrauchten Patronen ausgewaschen wurde, nun eine wesentliche Gefährdung der örtlichen
Wasserversorgung aufwirft.
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Über die
Jahre wurde eine Anzahl von Verbundmaterialien als Blei-Ersatz vorgeschlagen.
Die Verfahren zur Herstellung dieser Verbundstoffe beinhalten im
Allgemeinen das Mischen eines pulverisierten Materials mit einer
Dichte, die größer ist
als die von Blei, mit einem pulverisierten Bindemittel-Material
mit einer Dichte, die geringer ist als die von Blei. Die vermischten
Pulver werden dann gepresst, spritzgegossen oder stranggepresst,
um aus dem Verbundmaterial Rohlinge zu bilden. Damit das Verbundmaterial
akzeptable und beständige
ballistische Eigenschaften hat, sollte es nach dem Pressen porenfrei
(d. h. eine gemessene Dichte haben, die über 100% der theoretischen
Dichte beträgt)
und ohne mikroskopische Absonderungen der Komponenten sein. Außerdem wird
es bevorzugt, dass das Verbundmaterial eine Dichte und mechanische
Eigenschaften haben sollte, die denen von Blei ähnlich sind, so dass das Verbundmaterial
als ein Drop-In-Ersatz für
bleihaltige Munition in einem weiten Bereich von Anwendungen genutzt
werden kann.
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Am
wichtigsten ist es, dass das Verbundmaterial ausreichend verformbar
und geschmeidig sein sollte, so dass sich die Rohlinge aus dem Verbundmaterial
gleichmäßig verformen
und es ermöglichen, dass
das Verbundmaterial direkt in zugespitzte Geschossformen gepresst
wird oder die Kerne der ummantelten Projektile ausgefüllt werden.
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Um
eine Dichte zu erreichen, die der von Blei ähnlich ist, wurde Wolfram,
das eine Dichte von 19,3 g/cm3 hat, mit
Bindemittel-Materialien wie Nylon und Zinn kombiniert, um bleifreie
Projektile herzustellen. Die durch diese Verfahren hergestellten
Verbundstoffe sind jedoch entweder zu teuer in der Herstellung oder
sie besitzen eine oder mehrere der gewünschten Eigenschaften d. h.
Geschmeidigkeit, Verformbarkeit, Dichte usw. nicht.
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Spezieller
sind Wolfram-Nylon-Verbundstoffe wegen des hohen Wolframgehalts,
das benötigt wird,
um eine bleiähnliche
Dichte zu erreichen, um 50% teurer als Blei. Ferner beträgt selbst
beim höchsten
Wofframgehalt, das für
diese Verbundstoffe möglich
ist, etwa 96 Gew.-% W, die Dichte eines Wolfram-Nylon-Verbundstoffs
10,8 g/cm3 oder nur etwa 95% der von Blei.
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Obwohl
weniger kostspielig als Wolfram-Nylon stößt man mit Wolfram-Zinn-Verbundstoffen
auf größere Probleme
beim Erreichen bleiähnlicher
Eigenschaften. Zum Beispiel beschreibt das US Patent Nr. 5 760 331
für Lowden
et al. einen Wolfram-Zinn (W-Sn)-Verbundstoff, der durch Vermischen
großer Wolframteilchen
(149 μm
oder größer) mit
einem Zinn-Pulver in einem Gewichtsverhältnis von Wolfram zu Zinn von
entweder 58/42 oder 70/30 hergestellt wird. Das vermischte Pulver
wurde bei Drücken im
Bereich von 140 bis 350 MPa komprimiert, um Rohlinge mit einer Dichte
im Bereich von 9,76 bis 11,49 g/cm3 zu bilden.
Die Druckfestigkeiten der Rohlinge reichen von 70 bis 137 MPa, wobei
die bedeutend höher
sind als die von Blei (etwa 20 MPa). Dies bedeutet, dass die Rohlinge
keine ausreichende Verformbarkeit haben würden, um direkt in die Geschossformen
gepresst zu werden oder sich gleichmäßig zu verformen, um den Kern
eines ummantelten Projektils auszufüllen. Darüber hinaus könnten die
Rohlinge nur auf etwa 89% (70/30 Gemisch) bis 92% (58/42 Gemisch)
der theoretischen Dichte gepresst werden, wobei dies bedeutet, dass
diese Rohlinge eine bedeutende Größe an Porenraum enthielten.
Das Vorhandensein einer bedeutenden Menge von Poren im Material
kann zu einer inhomogenen Dichte im Projektil führen, wobei sein ballistisches Verhalten
und speziell seine Genauigkeit beeinflusst werden kann. Darüber hinaus
könnte
die höchste Dichte
nur durch Pressen der Gemische bei Drücken von 280 MPa oder höher erreicht
werden. Das US Patent 5 847 313 offenbart ein W-Sn-Verbundmaterial
für Geschosse
mit einer hohen Dichte.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile nach dem Stand der
Technik zu vermeiden.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Wolfram-Zinn-Verbundstoff
mit mechanischen Eigenschaften bereitzustellen, die denen von Blei ähnlich sind.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Wolfram-Zinn-Verbundstoff
bereitzustellen, der bei niedrigen Pressdrücken vollständig verdichtet werden kann.
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Entsprechend
einer Ausführungsform
der Erfindung wird ein Wolfram-Zinn-Verbundmaterial für bleifreie
Munition bereitgestellt, das kugelartige Wolfram-Teilchen umfasst,
die in einer Zinn-Matrix eingebettet sind, wobei das Verbundmaterial
eine gemessene Dichte hat, die wenigstens 99% der theoretischen
Dichte des Verbundstoffs beträgt.
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Entsprechend
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein Wolfram-Zinn-Verbundstoff bereitgestellt, der bei
Drücken
von weniger als etwa 250 MPa vollständig verdichtet werden kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
elektronische Abtast-Mikrofotografie eines reduzierten Wolfram-Pulvers nach dem Stand
der Technik;
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2 eine
elektronische Abtast-Mikrofotografie eines in dieser Erfindung verwendeten,
kugelartigen Wolfram-Pulvers;
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3 eine
Fotografie eines aus dem Wolfram-Zinn-Verbundmaterial dieser Erfindung
hergestellten, geraden Kreiszylinders vor und nach der Anwendung
einer Druckkraft;
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4A eine
elektronische Abtast-Mikrofotografie, die eine Mikrostruktur des
Wolfram-Zinn-Verbundstoffs dieser Erfindung zeigt;
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4B eine
stärkere
Vergrößerung der
Mikrostruktur gemäß 4A;
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5A eine
elektronische Abtast-Mikrofotografie, die die Mikrostruktur eines
Wolfram-Zinn-Verbundstoffs zeigt, das mit einem reduzierten Wolfram-Pulver
nach dem Stand der Technik hergestellt ist;
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5B eine
stärkere
Vergrößerung der
Mikrostruktur gemäß 5A;
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6A eine
Fotografie einer 7,62 mm-Patrone;
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6B eine
vergrößerte Ansicht
einer gequetschten Spitze einer 7,62 mm-Patrone, die mit einem reduzierten
Wolfram-Pulver hergestellt ist;
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6C eine
vergrößerte Ansicht
einer gequetschten Spitze einer 7,62 mm-Patrone, die mit einem W-Sn-Verbundstoff
dieser Erfindung hergestellt ist.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird gemeinsam mit deren anderen und
weiteren Aufgaben, Vorteilen und Möglichkeiten ein Bezug zur folgenden
Offenbarung und den angefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den oben beschriebenen Zeichnungen hergestellt.
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Das
Wolfram-Pulver, das im Allgemeinen in Verfahren nach dem Stand der
Technik zur Herstellung bleifreier Munition verwendet wird, ist
ein reduziertes Pulver, das gemäß 1 aus
unregelmäßig geformten
Wolfram-Teilchen besteht. Ein typisches reduziertes Wolfram-Pulver
ist ein Typ M70, das von OSRAM SYLNANIA Inc. aus Towanda, PA, hergestellt
wird. Auf Grund der wechselseitigen Beeinflussung zwischen den Teilchen
sind höhere
Drücke,
größer als
etwa 275 MPa erforderlich, um durch Verwendung reduzierter Pulver
vollständig
verdichtete Teile herzustellen. Während der Kompaktierung tritt
zwischen den unregelmäßigen Teilchen
eine Brückenbildung
auf, so dass ein stärkerer
Druck erforderlich ist, um die Brückenbildung zu durchbrechen
und das Zinn in die Poren zu zwängen.
Die hohen Pressdrücke
und die niedrige Fließbarkeit
der reduzierten Pulver machen es schwierig, komplexe Projektilformen und
ummantelte Patronen direkt zu bilden. Die vollständige Verdichtung, wie sie
hier verwendet wird, bedeutet, dass die gemessene Dichte mindestens 99%
und besser mindestens 99,5% der theoretischen Dichte beträgt.
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Das
Wolfram-Zinn-Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung nutzt ein
kugelartiges Wolfram-Pulver. Gemäß 2 besteht
das kugelartige Wolfram-Pulver aus Wolfram-Teilchen mit einer kugelförmigen oder
nahezu kugelförmigen
Form. Vorzugsweise haben die Wolfram-Teilchen eine durchschnittliche
Teilchengröße von weniger
als 100 μm. Die
Teilchen haben besser eine durchschnittliche Teilchengröße von 50 μm. (MICROTRAC
M100 Teilchengrößen-Analysator)
Das kugelartige Pulver wird durch Mitreißen der unregelmäßigen Teilchen
eines reduzierten Wolfram-Pulvers in einem Edelgasstrom und durch
Hindurchführen
der Teilchen bei hoher Geschwindigkeit durch eine Hochtemperatur-Plasmakanone
hergestellt. Die ungleichmäßigen Teilchen schmelzen
zumindest teilweise, wenn sie durch die Plasmakanone geführt werden,
so dass sie geschmolzene Tröpfchen
bilden. Diese Tröpf chen
kühlen
rasch ab, wenn sie die Plasmakanone verlassen, was im Wesentlichen
kugelförmige
Wolfram-Teilchen zur Folge hat. Ein bevorzugtes, kugelartiges Wolfram-Pulver
für die
Verwendung im W-Sn-Verbundmaterial dieser Erfindung hat eine relativ
enge Verteilung von Teilchengrößen. Insbesondere
wird es bevorzugt, dass die Verteilung der Teilchengröße eine Standardabweichung
von nicht mehr als etwa 20 μm der
Teilchengröße haben
sollte. Eine Zusammensetzung von 57 Gewichtsprozenten (Gew.-%) Wolfram und
43 Gew.-% Zinn, d. h. 57/43 W-Sn, wird bevorzugt, um eine Dichte
zu erreichen, die nahe der Dichte von Blei (11,34 g/cm3)
ist, wenn der Verbundstoff vollständig verdichtet ist. Die theoretische
Dichte für einen
57/43 W-Sn-Verbundstoff beträgt
11,32 g/cm3.
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Die
Verwendung von kugelartigem Wolfram-Pulver bei der Herstellung des
W-Sn-Verbundstoffs
verbessert die Fließbarkeit
des Pulvergemisches und verringert die wechselseitigen Beeinflussungen
von Teilchen zu Teilchen während
der Kompaktierung, wobei dadurch die Verdichtung verbessert wird.
Dadurch wird es möglich,
vollständig
verdichtete Teile bei wert niedrigeren Pressdrücken zu erreichen. Zum Beispiel
reicht der Druck, der erforderlich ist, um eine vollständig dichte,
symmetrische Form wie einen geraden Kreiszylinder herzustellen, von
etwa 275 MPa bis etwa 400 MPa für
ein Wolfram-Zinn-Pulvergemisch, das das übliche, reduzierte Wolfram-Pulver enthält. Die
gleiche Form kann auf die vollständige
Dichte bei Drücken
von weniger als etwa 250 MPa und besser weniger als etwa 210 MPa gepresst
werden, wenn ein kugelartiges Wolfram-Pulver verwendet wird. Die
verbesserte Pressbarkeit macht es möglich, komplexere Formen wie Geschosse
auf eine annähernde
Endform zu pressen, wobei dadurch die Herstellungskosten verringert werden.
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Zusätzlich zum
Erreichen der vollständigen Verdichtung
bei niedrigen Drücken
verformt sich das Wolfram-Zinn-Verbundmaterial dieser Erfindung gleichmäßig und
hat eine geringe Druckfestigkeit, vorzugsweise weniger als 50 MPa.
Dies ist beim Pressen von Teilen auf eine annähernde Endform wichtig und
ist besonders wünschenswert
bei der Herstellung von ummantelter Munition, wo der W-Sn-Verbundstoff
fließen
muss, um die Poren im Kern des Projektils zu füllen. 3 veranschaulicht die
im Wesentlichen gleichförmige
Verformung eines geraden Kreiszylinders, der aus einem 57/43 Wolfram-Zinn-Verbundstoff
dieser Erfindung gebildet ist. Der Zylinder wird vor und nach der
Anwendung einer Druckkraft gezeigt. Wenn die Druckkraft angewendet wurde,
beulte sich der Zylinder in der Nähe seines Mittelpunktes in
einer im Wesentlichen gleichförmigen
Weise radial nach außen.
Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ist eine gleichmäßige Verformung
für W-Sn-Verbundstoffe,
die mit reduzierten Wolfram-Pulvern nach dem Stand der Technik hergestellt
wurden, nicht typisch. Wenn zum Beispiel ein ähnlicher Test an einem 57/43
W-Sn-Verbundstoff durchgeführt
wurde, der reduziertes W-Pulver enthält, begann der Zylinder auf
Grund seiner niedrigeren Geschmeidigkeit zu brechen und zu einer
Seite zu rutschen, wenn die Druckkraft angewendet wurde.
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4A–B und 5A–B sind
elektronische Abtast-Mikrofotografien der Mikrostruktur von zwei gebrochenen
Wolfram-Zinn-Verbundstoffen. In 4A und 4B wird
die Mikrostruktur eines 57/43 Wolfram-Zinn-Verbundstoffs dieser
Erfindung gezeigt. Die kugelartigen Wolfram-Teilchen sind in der
Zinn-Matrix klar ersichtlich. Noch wichtiger ist, wie die Mikrofotografien
zeigen, dass die kugelartigen Wolfram-Teilchen ihre Form selbst
nach dem Pressen beibehalten haben. Es wird angenommen, dass dies
ein Hauptgrund dafür
ist, warum der W-Sn-Verbundstoff dieser Erfindung mechanische Eigenschaften
besitzt, die denen von Blei näher
kommen. Dies soll einen Gegensatz zu 5A und 5B bilden,
die die Mikrostruktur eines 57/43 Wolfram-Zinn-Verbundstoffs zeigen, der mit unregelmäßigem, reduziertem
Wolfram-Pulver hergestellt ist. Die unregelmäßigen Wolfram-Teilchen im Verbundstoff
haben erhebliche wechselseitige Beeinflussungen von Teilchen zu
Teilchen zur Folge, wenn der Verbundstoff komprimiert wird. Man
nimmt an, dass dies eine ungleichmäßige Verteilung von Spannungen
im Verbundstoff verursacht, die wahrscheinlich der Grund dafür sind,
warum der Verbundstoff eher bricht als sich gleichmäßig zu verformen.
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Ein
weiterer wichtiger Vorteil des W-Sn-Verbundstoffs dieser Erfindung
sind die bedeutend niedrigeren Drücke, die zum Stauchen von Teilen
benötigt werden.
Insbesondere müsse
Teile mit komplexen Formen ohne die Trennnähte hergestellt werden, die bei
der üblichen
PM-Pulver-Verfestigung typischerweise vorhanden sind. Dies erfordert
ein Stauchen des Teils von einer vorgeformten Pille oder eines Pulver-Gemisches. Wenn ein
reduziertes W-Pulver verwendet wird, ist ein Druck erforderlich,
der 675 MPa übersteigt,
um einen Teil mit einer vorgeformten Pille zu stauchen.
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Dieser
Druck sinkt auf 550 MPa bei Verwendung einer vorgeformten Pille,
die aus dem W-Sn-Verbundstoff dieser Erfindung hergestellt ist. Ähnlich dazu
erfordert das Stauchen von Teilen mit Pulver-Gemischen, die aus
reduzierten W-Pulvern hergestellt sind, Drücke in der Größenordnung
von 900 MPa. Die notwendigen Drücke
werden auf etwa 650 MPa für
Pulver-Gemische verringert, die mit kugelartigen Wolfram-Pulvern
hergestellt sind. Auf Grund der niedrigeren Formungsdrücke wird
eine geringere Werkzeugabnutzung erwartet.
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6A–C veranschaulichen
den niedrigeren Stauchdruck für
den W-Sn-Verbundstoff dieser Erfindung. Es wurden zwei 7,62 mm-Patronen
durch Pressen vorgeformter Pillen aus einem 57/43 W-Sn-Verbundstoff
bei 670 MPa hergestellt. Ein Beispiel einer 7,62 mm-Patrone wird
in 6A gezeigt. Die eine Patrone wurde aus einem W-Sn-Verbundstoff hergestellt,
der ein kugelartiges W-Pulver gemäß dieser Erfindung enthält. Die
andere Patrone wurde aus einem Verbundstoff hergestellt, der ein
reduziertes W-Pulver enthält.
Beide Patronen wurden einer Flachstauchprüfung unterzogen, in der die
Patronen durch Anwenden einer Druckkraft auf die Spitzen auf die
gleiche Höhe
komprimiert wurden.
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6B ist
eine vergrößerte Ansicht
der gequetschten Spitze der 7,62 mm-Patrone, die mit dem reduzierten
W-Pulver hergestellt wurde. 6C ist eine
vergrößerte Ansicht
der gequetschten Spitze der 7,62 mm-Patrone, die mit dem W-Sn-Verbundstoff
dieser Erfindung hergestellt wurde. In der gequetschten Spitze der
Patrone, die mit dem reduzierten Pulver hergestellt wurde, sind
zahlreiche große Risse
sichtbar, wogegen nur einige unbedeutende Risse in der gequetschten
Spitze der Patrone auftreten, die mit dem W-Sn-Verbundstoff dieser
Erfindung hergestellt wurde. Dies veranschaulicht, dass eine stärkere Geschmeidigkeit
und Verformbarkeit bei niedrigeren Stauchdrücken bei Verwendung des W-Sn-Verbundstoffs
dieser Erfindung erreicht werden können.
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Während gezeigt
und beschrieben wurde, was gegenwärtig als bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung betrachtet werden, wird für den Fachmann offensichtlich,
dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen dann vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung
abzuweichen, wie er in den angefügten
Ansprüchen
definiert ist.