PL216444B1 - Sposób i urządzenie do wytwarzania bezołowiowych elementów do pocisków amunicji strzeleckiej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do wytwarzania bezołowiowych elementów do pocisków amunicji strzeleckiej drogą prasowania na gorąco mieszanki proszków nietoksycznych metali. Sposób i urządzenie według wynalazku mają na celu wyeliminowanie toksycznego ołowiu z procesu produkcji amunicji strzeleckiej, zwłaszcza rdzeni do pocisków 9 x 19 mm Parabellum i części rdzeni do pocisków 5,56 x 45 mm, poprzez wprowadzenie materiałów bezołowiowych, głównie na bazie wolframu. Ma to ogromne znaczenie ekologiczne z uwagi na kumulowanie się ołowiu w kulochwytach strzelnic i możliwość jego przenikania do wód gruntowych.

W obecnie produkowanej amunicji strzeleckiej wykorzystuje się pociski płaszczowe zawierające rdzenie ołowiane, jak w przypadku pocisków 9 x 19 mm Parabellum, lub rdzenie stalowo-ołowiane, jak w przypadku pocisków 5,56 x 45 mm. Podejmowane dotychczas próby wyeliminowania ołowiu jako szkodliwego składnika amunicji strzeleckiej skupiały się na opracowaniu nietoksycznego materiału o dużej gęstości zbliżonej do gęstości ołowiu. Najczęściej są to spieki na bazie wolframu z fazą wiążącą z takich metali jak miedź, cynk, cyna i inne.

Z polskiego opisu zgłoszeniowego nr P-376201 wynalazku znany jest na przykład sposób wytwarzania elementów pocisków z materiałów bezołowiowych, który polega na tym, że metodami metalurgii proszków uzyskuje się wypraski o jednorodnym rozkładzie składników w mikrostrukturze materiału, przy czym mieszaniny proszkowe mogą zawierać dwa lub więcej składników. Drogą mieszania, prasowania na zimno i spiekania komponentów proszkowych, takich jak: proszek wolframu z dodatkiem proszku miedzi, aluminium, cynku, cyny lub innych, otrzymuje się wypraski najczęściej stanowiące jedynie półprodukty elementów o wymaganej dokładności wymiarów i kształtu. Udziały masowe składników mieszanek to przykładowo 60% redukowanego proszku wolframu o średniej wielkości cząstek 3 μm i 40% elektrolitycznego proszku miedzi o średniej wielkości cząstek 40 μm lub 75% redukowanego proszku wolframu o średniej wielkości cząstek 3 μm i 25% rozpylanego proszku cynku o średniej wielkości cząstek 63 μm albo 60% redukowanego proszku wolframu o średniej wielkości cząstek 3 μm i 40% rozpylanego proszku cyny o średniej wielkości cząstek 63 μm. Wypraski są prasowane pod ciśnieniem 600 MPa a następnie spiekane w odpowiednich warunkach, przykładowo w atmosferze zdysocjowanego amoniaku, w temperaturze 950°C przez 1 godzinę lub z fazą ciekłą w temperaturze 1150°C przez 1 godzinę. W ramach prowadzonych eksperymentów wykonane w tych warunkach mieszania, prasowania i spiekania rdzenie o kształcie zbliżonym do wewnętrznego profilu płaszcza pocisku tj. w kształcie walca, poddaje się obróbce mechanicznej, zwłaszcza kształt jego ostrołuku i następnie tak przygotowany rdzeń wtłacza się na zimno do płaszcza pocisku.

Z opisu patentowego US 6 981 996 znany jest sposób wytwarzania amunicji z materiału złożonego z dwóch składników, wolframu i cyny, w którym proszek wolframu zawiera cząstki mające kształt kulisty lub zbliżony do kulistego o średniej wielkości poniżej 100 μm, korzystnie 50 μm. Mieszanka proszkowa zawierająca 57% wagowych wolframu i 43% wagowych cyny jest prasowana na zimno ₃ i pozwala uzyskać po prasowaniu gęstość 11,32 g/cm³, zbliżoną do gęstości ołowiu. Kulisty kształt cząstek wolframu ułatwia zagęszczanie mieszanki podczas prasowania przy stosunkowo niskim ciśnieniu poniżej 250 MPa a nawet poniżej 210 MPa. Na sposób wytwarzania mieszanki wolfram-cyna dla amunicji bezołowiowej składają się: tworzenie mieszanki z proszku sferoidyzowanego wolframu i z proszku cyny a następnie prasowanie mieszanki przy ciśnieniu poniżej 250 MPa dla ukształtowania wypraski o gęstości co najmniej 99% gęstości teoretycznej.

Z opisu patentowego USA nr 5 399 187 znany jest sposób wytwarzania elementów pocisku z wieloskładnikowego materiału zawierającego ciężki składnik z grupy wolframu, węglików wolframu, stopów węglowych i żelazo-wolframu oraz drugi składnik jako spoiwo (lepiszcze), również stop metalu lub mieszankę tworzyw sztucznych. Jeden z wariantów tego znanego sposobu polega na:

a) mieszaniu gęstych proszków metali wybranych spośród wyżej wymienionych ciężkich składników lub ich mieszanki zawierającej wolfram, węglik wolframu, żelazowolfram, stop węglowy oraz drugiego, lekkiego proszku wybranego z grupy składającej się z cyny, cynku, aluminium, żelaza, miedzi, bizmutu lub ich mieszanki,

b) prasowaniu mieszanki proszków na kształt pocisku zbliżony do kształtu nominalnego,

c) spiekaniu proszków sprasowanych na taki kształt. W wyniku tego procesu uzyskuje się spie₃ kany przedmiot o gęstości przewyższającej 9 g/cm³ i granicy plastyczności mniejszej niż 310 MPa. Inny z wariantów tego znanego sposobu służy również do wytwarzania pocisków płaszczowych, przy czym najpierw spieka się rdzeń pocisku a następnie rdzeń wkłada się do płaszcza pocisku.

PL 216 444 B1

Z opisu patentowego USA nr 7 000 524 znany jest ponadto sposób wytwarzania pocisków małokalibrowej amunicji, w którym w temperaturze pokojowej wykonuje się wypraskę z mieszaniny proszku ciężkiego metalu i proszku lekkiego metalu i wprowadza się wypraskę do metalowego płaszcza, włączając wprasowywanie wypraski do płaszcza pocisku przy ciśnieniu wystarczającym do zapewnienia solidnego, dokładnego wypełnienia danej części płaszcza przez wypraskę. Wypraski wypełniają mniejszą objętość niż wewnętrzna objętość płaszcza, pozostawiając części wolne od wypełnienia. Przed wprasowywaniem wypraski, do płaszcza pocisku wprowadza się krążek o średnicy dokładnie równej wewnętrznej średnicy płaszcza, zaś część płaszcza od strony jego otwartego końca zagina się w kierunku do osi wzdłużnej płaszcza pocisku.

Ponadto, z opisu patentowego USA nr 6 607 692 znana jest matryca do prasowania na zimno rdzenia pocisku z mieszanki proszkowej, z której otrzymuje się walcowy kształt rdzenia. Matryca zawiera korpus matrycy z przelotowym otworem przystosowanym do prasowania mieszanki. Dno otworu matrycy jest zamknięte przez stempel dolny, zaś stempel górny jest prowadzony we wnętrzu otworu w celu sprasowania mieszanki w walcowy kształt rdzenia pocisku. Po uformowaniu rdzenia dolny stempel jest wyciągany z otworu matrycy a stempel górny wypycha sprasowany rdzeń z otworu, na zewnątrz matrycy. Rdzeń jest następnie wstawiany do otwartego od strony prowadzącej płaszcza pocisku i jest prasowany razem z płaszczem w celu uformowania części prowadzącej w kształcie ostrołuku.

Znanym z powszechnego stosowania urządzeniem do wtłaczania na zimno bezołowiowych rdzeni do płaszcza pocisków amunicji strzeleckiej jest również zwykła prasa do prasowania na zimno, wyposażona w stempel i w jednolitą, niedzieloną matrycę, która ma gniazdo o wymiarach i kształcie zewnętrznego profilu płaszcza pocisku.

Ze względu na niską prasowalność proszku wolframu rdzenie z jego spieków stwarzają duże trudności technologiczne: wymagają wysokich ciśnień prasowania, są twarde i kruche po spiekaniu i w związku z tym są mało podatne do wprasowania w płaszcz pocisku. Wykruszanie się małych fragmentów krawędzi rdzenia i zbyt luźne jego umocowanie w płaszczu powoduje odchylenie środka masy pocisku od jego osi symetrii i bywa powodem niedostatecznej stabilizacji pocisku podczas lotu oraz braku dostatecznej celności.

W znanych dotychczas metodach prasowania na zimno występują trudności z kształtowaniem części o przekroju stożkowym lub ostrołukowym. Podczas prasowania na zimno mieszanka proszkowa na bazie wolframu nie da się wprasować do płaszcza pocisku, ponieważ taki materiał jest bardzo porowaty i wymaga zastosowania ogromnych ciśnień przekraczających wytrzymałość płaszcza. Również spiekanie mieszanki w odpowiednio wysokiej temperaturze 950°C jest niemożliwe przy temperaturze rekrystalizacji materiału płaszcza, na przykład dla mosiądzu wynoszącej 250°C. Dodatkowo przy takim swobodnym spiekaniu nie wzrasta gęstość spiekanego materiału.

Sposób wytwarzania bezołowiowych elementów do pocisków amunicji strzeleckiej według wynalazku, z mieszanki co najmniej dwóch składników w postaci proszków nietoksycznych metali, z których co najmniej jeden składnik ma wysoką temperaturę topnienia i co najmniej jeden składnik ma niską temperaturę topnienia, charakteryzuje się tym, że mieszankę proszkową prasuje się na gorąco bezpośrednio do płaszcza pocisku w podgrzewanej matrycy, w temperaturze powyżej temperatury topnienia niskotopliwego składnika mieszanki, przy ciśnieniu zagęszczającym mieszankę do gęstości porównywalnej z gęstością ołowiu. Wysokotopliwym składnikiem mieszanki proszkowej jest proszek wolframu korzystnie w ilości 80% składu mieszanki a niskotopliwym składnikiem jest proszek stopu eutektycznego cyna-cynk w ilości korzystnie 20% składu mieszanki. Stop eutektyczny cyna-cynk zawiera korzystnie 9% wagowych cyny i 91% wagowych cynku. Proces prasowania na gorąco odbywa się w temperaturze powyżej 199°C i poniżej 240°C, przy ciśnieniu nie przekraczającym 100 MPa.

W alternatywnym rozwiązaniu wysokotopliwym składnikiem mieszanki proszkowej jest proszek wolframu korzystnie w ilości 80% składu mieszanki a niskotopliwym składnikiem jest proszek cyny w ilości korzystnie 20% składu mieszanki, zaś proces prasowania na gorąco odbywa się w temperaturze 232°C-240°C, przy ciśnieniu nie przekraczającym 100 MPa. W obu alternatywnych rozwiązaniach ₃ po prasowaniu gęstość mieszanki proszkowej jest porównywalna z gęstością ołowiu i wynosi 11,3 g/cm³.

Urządzenie do wytwarzania bezołowiowych elementów do pocisków amunicji strzeleckiej według wynalazku, zawierające przesuwny stempel, matrycę i gniazdo o wymiarach i kształcie zewnętrznego profilu płaszcza pocisku, charakteryzuje się tym, że jego matryca jest dzielona i składa się z matrycy dolnej mającej gniazdo płaszcza pocisku i z matrycy górnej mającej przesuwny stempel, przy czym matryca dolna jest wyposażona w element grzejny. Elementem grzejnym matrycy dolnej

PL 216 444 B1 jest grzałka opaskowa. W jednym z wariantów wykonania dolna matryca ma gniazdo o wymiarach i kształcie zewnętrznego profilu płaszcza znanego pocisku 9 x 19 mm Parabellum, zaś w drugim wariancie wykonania dolna matryca ma gniazdo o wymiarach i kształcie zewnętrznego profilu płaszcza znanego pocisku 5,56 x 45 mm. Głębokość gniazda w dolnej matrycy jest mniejsza od wysokości osadzonego w nim płaszcza pocisku, zaś matryca górna ma przelotowy, dwustopniowy otwór ze stożkiem zasypowym, usytuowany w osi gniazda płaszcza pocisku, przy czym otwór o większej średnicy jest równy wymiarowo cylindrycznej części płaszcza pocisku wystającej z gniazda w dolnej matrycy.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia wytwarzanie bezołowiowych elementów do pocisków amunicji strzeleckiej, zwłaszcza rdzeni do pocisków 9 x 19 mm Parabellum i części rdzeni do pocisków 5,56 x 45 mm, szczególnie takich, które posiadają kształt stożkowy lub ostrołukowy, bardzo trudny do wykonania znanymi sposobami prasowania na zimno. Materiałem zastępującym ołów jest korzystnie mieszanka proszków wolframu i stopu eutektycznego cyny i cynku lub proszków wolframu i cyny, w proporcjach, które po prasowaniu zapewniają odpowiednią gęstość porównywalną do gęstości ołowiu.

Zaprasowanie mieszanki do mosiężnego płaszcza pocisku odbywa się na gorąco, po upłynnieniu składnika niskotopliwego: cyny lub mieszaniny eutektycznej cyny i cynku. Podczas prasowania na gorąco z taką fazą ciekłą, gdzie zachodzi jednoczesne działanie temperatury i ciśnienia, mieszanka proszkowa jest plastyczna i nie wymaga stosowania dużego ciśnienia, gdyż wypełnia dokładnie wnętrze płaszcza pocisku. Dzięki temu ciśnienie prasowania jest niższe niż przy prasowaniu na zimno a wypełnienie płaszcza jest jednorodne, czego wymaga dobra stabilizacja pocisku na torze lotu. Niewielkie ciśnienie występujące w procesie prasowania na gorąco pozwala na wykorzystanie dzielonej matrycy, co w przypadku prasowania na zimno jest niedopuszczalne, gdyż przy dużych naciskach, niezbędnych do prasowania na zimno, część materiału wpływa w szczelinę podziałową i powoduje rozszczelnienie gniazda matrycy.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój wzdłużny urządzenia do wytwarzania bezołowiowych rdzeni do pocisków amunicji strzeleckiej 9 x 19 mm Parabellum a fig. 2 przedstawia przekrój wzdłużny urządzenia do wytwarzania bezołowiowych części rdzeni do pocisków amunicji strzeleckiej 5,56 x 45 mm.

Jak pokazano na rysunku, fig. 1 i fig. 2, urządzenie według wynalazku ma postać prasownika, który składa się z matrycy dzielonej na dwie części: matrycę dolną 1, 7 i matrycę górną 2, 11 przy czym matryca górna 2, 11 ma przesuwny stempel 3, zaś matryca dolna 1, 7 ma w osi stempla 3 gniazdo 4, 8 płaszcza 6, 9 pocisku oraz ma na zewnętrznej powierzchni obwodowej element grzejny 5 w postaci grzałki opaskowej. Matryca dolna 1 ma gniazdo 4 o wymiarach i kształcie zewnętrznego profilu płaszcza 6 pocisku 9 x 19 mm Parabellum. W drugim wariancie wykonania dolna matryca 7 ma gniazdo 8 o wymiarach i kształcie zewnętrznego profilu płaszcza 9 ze stalową częścią 10 rdzenia pocisku 5,56 x 45 mm. W każdym wariancie wykonania wynalazku głębokość gniazda 4, 8 w dolnej matrycy 1, 7 jest mniejsza od wysokości osadzonego w nim płaszcza 6, 9 pocisku. Matryca górna 2, 11 ma przelotowy, dwustopniowy otwór ze stożkiem zasypowym 12 usytuowany w osi gniazda 4, 8 płaszcza 6, 9 pocisku, przy czym odcinek otworu o większej średnicy jest równy wymiarowo cylindrycznej części płaszcza 6, 9 pocisku, wystającej z gniazda 4, 8 w dolnej matrycy 1, 7.

Sposób wytwarzania bezołowiowych elementów do pocisków amunicji strzeleckiej za pomocą urządzenia według obu wariantów wykonania wynalazku polega na tym, że w pierwszym wariancie jego wykonania w gnieździe 4 dolnej matrycy 7 umieszcza się płaszcz 6 pocisku 9 x 19 mm Parabellum wytwarzanego dotychczas z rdzeniem ołowianym, zaś w drugim wariancie rozwiązania w gnieździe 8 dolnej matrycy 7 umieszcza się płaszcz 9 ze stalową częścią 10 rdzenia pocisku 5,56 x 45 mm wytwarzanego dotychczas z rdzeniem stalowo-ołowianym. Na wystającą z gniazda 4, 8 cylindryczną część płaszcza 6, 9 pocisku zakłada się górną matrycę 2, 11 ze stożkiem zasypowym 12. Następnie zasypuje się naważkę proszkową, której masa powinna być ważona razem z płaszczem 6, 9 pocisku i prasuje się stemplem 3 na prasie mechanicznej lub hydraulicznej. Górną matrycę 2, 11 wraz z płaszczem 6, 9 pocisku i zaprasowanym rdzeniem 13 lub częścią 14 rdzenia wyjmuje się z gniazda 4, 8 w dolnej matrycy 1, 7, po czym wypycha się płaszcz 6, 9 z zaprasowanym elementem 13, 14 z górnej matrycy 2, 11 za pomocą stempla 3.

Do prasowania na gorąco wykorzystuje się mieszanki proszkowe na bazie wolframu z dodatkami metali niskotopliwych takich jak cyna, cynk i innych, z wyłączeniem metali toksycznych takich jak kadm. Mieszanka powinna być tak dobrana, aby po prasowaniu w ustalonych dla niej warunkach, jej ₃ gęstość była zbliżona do gęstości ołowiu wynoszącej 11,34 g/cm³. Przykładem takich mieszanek są

PL 216 444 B1 ich następujące składy: 80% proszku wolframu i 20% proszku stopu eutektycznego cyny i cynku oraz 80% proszku wolframu i 20% cyny. Proces prasowania odbywa się w urządzeniu z dzieloną matrycą, której dolna część 1, 7 jest wyposażona w element grzejny 5 w postaci grzałki opaskowej, zapewniający stabilizowaną temperaturę wyższą od temperatury topnienia niskotopliwego składnika mieszanki. Zakres temperatur prasowania dla mieszanki 80% wolframu i 20% eutektyki cyna-cynk wynosi 199°C240°C a dla mieszanki z zawartością 80% proszku wolframu i 20% proszku cyny wynosi 232°C240°C. Ze względu na obecność fazy ciekłej wymagane ciśnienie prasowania jest niższe od ciśnienia prasowania w fazie stałej i nie przekracza 100 MPa. Dzięki temu prasowanie może być wykonane na prostych prasach mechanicznych lub hydraulicznych.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania bezołowiowych elementów do pocisków amunicji strzeleckiej, z mieszanki co najmniej dwóch składników w postaci proszków nietoksycznych metali, z których co najmniej jeden składnik ma wysoką temperaturę topnienia i co najmniej jeden składnik ma niską temperaturę topnienia, znamienny tym, że mieszankę proszkową prasuje się na gorąco bezpośrednio do płaszcza pocisku w podgrzewanej matrycy, w temperaturze powyżej temperatury topnienia niskotopliwego składnika mieszanki, przy ciśnieniu zagęszczającym mieszankę do gęstości porównywalnej z gęstością ołowiu.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wysokotopliwym składnikiem mieszanki proszkowej jest proszek wolframu korzystnie w ilości 80% składu mieszanki a niskotopliwym składnikiem jest proszek stopu eutektycznego cyna-cynk w ilości korzystnie 20% składu mieszanki.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stop eutektyczny cyna-cynk zawiera korzystnie 9% wagowych cyny i 91% wagowych cynku.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że proces prasowania na gorąco odbywa się w temperaturze powyżej 199°C i poniżej 240°C, przy ciśnieniu nie przekraczającym 100 MPa.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wysokotopliwym składnikiem mieszanki proszkowej jest proszek wolframu korzystnie w ilości 80% składu mieszanki a niskotopliwym składnikiem jest proszek cyny w ilości korzystnie 20% składu mieszanki.
6. 6. Sposób według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że proces prasowania na gorąco odbywa się w temperaturze 232 - 240°C, przy ciśnieniu nie przekraczającym 100 MPa.
7. 7. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 4 albo 5 albo 6, znamienny tym, że po prasowaniu ₃ gęstość mieszanki proszkowej jest porównywalna z gęstością ołowiu i wynosi 11,3 g/cm³.
8. 8. Urządzenie do wytwarzania bezołowiowych elementów do pocisków amunicji strzeleckiej, zawierające przesuwny stempel, matrycę i gniazdo o wymiarach i kształcie zewnętrznego profilu płaszcza pocisku, znamienne tym, że jego matryca jest dzielona i składa się z matrycy dolnej (1, 7) mającej gniazdo (4, 8) płaszcza (6, 9) pocisku i z matrycy górnej (2, 11) mającej przesuwny stempel (3), przy czym matryca dolna (1, 7) jest wyposażona w element grzejny (5).
9. 9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że elementem grzejnym (5) matrycy dolnej (1, 7) jest grzałka opaskowa.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że dolna matryca (1) ma gniazdo (4) o wymiarach i kształcie zewnętrznego profilu płaszcza (6) znanego pocisku 9 x 19 mm Parabellum.
11. 11. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że dolna matryca (7) ma gniazdo (8) o wymiarach i kształcie zewnętrznego profilu płaszcza (9) znanego pocisku 5,56 x 45 mm.
12. 12. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że głębokość gniazda (4, 8) w dolnej matrycy (1, 7) jest mniejsza od wysokości osadzonego w nim płaszcza (6, 9) pocisku.
13. 13. Urządzenie według zastrz. 8 albo 12, znamienne tym, że matryca górna (2, 11) ma przelotowy, dwustopniowy otwór ze stożkiem zasypowym (12), usytuowany w osi gniazda (4, 8) płaszcza (6, 9) pocisku, przy czym odcinek otworu o większej średnicy jest równy wymiarowo cylindrycznej części płaszcza (6, 9) pocisku wystającej z gniazda (4, 8) w dolnej matrycy (1, 7).