ПУЛЯ, НЕ СОДЕРЖАЩАЯ СВИНЦА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК F42B30/02 F42B12/74 

Настоящее изобретение относится в целом к метательным снарядам и более конкретно к метательным снарядам, не содержащим свинца.

Свинцовые метательные снаряды и свинцовая дробь, которые используются на стрельбищах в закрытых помещениях, оказывают, по мнению некоторых врачей, серьезное вредное воздействие на здоровье. Их заглатывание птицей, в особенности водоплавающей, создает, как считают, серьезные проблемы для дикой природы. В закрытых тирах озабоченность вызывают пары свинца, возникающие при испарении свинца со свинцовых пуль. Дорогостоящим является также удаление загрязненного свинцом песка, используемого в песочных ловушках в пулепоглотителе, поскольку свинец является вредным материалом. Извлечение свинца из песка для большинства дистанций стрельбы не является экономически оправданной операцией.

В связи с этим неоднократно предпринимались попытки предложить эффективные пули, не содержащие свинца.

Различия в плотности пуль одинаковых размеров обнаруживаются при использовании одинаковых зарядов в различиях длины траектории и различиях в силе отдачи огнестрельного оружия. Такие различия нежелательны, поскольку стрелку требуется траектория, соответствующая траектории свинцовой пули, так чтобы стрелок знал, куда прицеливаться, и отдача, соответствующая отдаче при стрельбе свинцовой пулей, так чтобы "ощущение" при стрельбе было таким же, как при стрельбе свинцовой пулей. Если эти различия траектории и отдачи достаточно велики, опыт, накопленный при практических стрельбах, теряет свою ценность, снижая точность при стрельбе свинцовыми пулями в полевых условиях.

Для изготовления нетоксичных пуль предлагались различные подходы. В патентах США 4027594 и 4428295, выданных заявителю, описана такая нетоксичная дробь. В обоих этих патентах описаны шарики, изготовленные из металлических порошков, причем одним из порошков является свинец. В патентах США 2995090 и 3193003 описаны пули для тира, изготовленные из железного порошка, небольшого количества свинцового порошка и термореактивной смолы. Оба эти типа пуль должны распадаться при ударе о мишень. Главным недостатком этих пуль является их плотность, которая значительно меньше плотности свинцовой пули. Хотя они не вполне свободны от свинца, состав этой дроби или пуль предусматривает снижение воздействия свинца. В патенте США 4881465 описан снаряд для стрельбы, изготовленный из свинца и ферровольфрама и также не вполне свободный от свинца. В патентах США 4850278 и 4939996 описан метательный снаряд, выполненный из керамического циркония, который также обладает плотностью, меньшей по сравнению со свинцом. В патенте США 4005660 описан другой подход, а именно: полиэтиленовая основа, которая заполняется порошком из металла, такого как висмут, тантал, никель и медь. Еще одним известным подходом является хрупкий метательный снаряд, выполненный из полимерного материала и заполненный металлом или оксидом металла. В патенте США 4949644 описана нетоксичная дробь, изготовленная из висмута или висмутового сплава. В патенте США 5088415 описана свинцовая дробь, покрытая пластмассой. Однако, как и в случае других примеров, рассмотренных выше, этот материал для стрельбы все же содержит свинец, который после удара о пулепоглотитель оказывается открытым для воздействия на окружающую среду. Применяются также плакированные свинцовые пули и свинцовые пули, покрытые пластиком, но их недостатком также является то, что при ударе о мишень свинец оказывается на поверхности, что создает проблемы с удалением использованных пуль.

Ни одна из перечисленных выше и предлагавшихся до сих пор пуль не оказалась приемлемой для широкого применения по причине издержек производства, различий в плотности, трудностей организации массового производства и тому подобного. В связи с этим требуется новый подход для получения метательных снарядов, предназначенных для стрельбы в цель или для охоты, в которых полностью отсутствует свинец и которые обладают баллистическими свойствами, аналогичными свойствам снарядов, изготовленных из свинца.

Изобретение, подробно описанное ниже, относится в основном к не содержащей свинца пуле, представляющей собой твердое тело, состоящее из спеченного композиционного материала, включающего одну или несколько обладающих высокой плотностью составляющих, выбранных из группы, в которую входят карбид вольфрама, вольфрам, ферровольфрам и углеродный сплав, и вторую составляющую с более низкой плотностью, представленную в основном или материалом металлической матрицы, выбранным из группы, включающей олово, цинк, железо и медь, или материалом пластмассовой основы, выбранным из группы, включающей фенольные соединения, эпоксиды, диаллифталаты, акрилы, полистиролы, полиэтилен или полиуретаны. Кроме того, композиционный материал любого вида может включать металлический заполнитель, такой как железный или цинковый порошок. Пуля, являющаяся предметом настоящего изобретения, представляет собой твердое тело с плотностью не менее чем приблизительно 9 г/см³ (80% от плотности чистого свинца), а предел текучести при сжатии превышает приблизительно 31 МПа (4500 фунт/кв.дюйм).

Для достижения конкретных целей, таких как улучшение разрушаемости, возможно добавление в небольших количествах других составляющих. Так, например, в случае использования в качестве одной из составляющих композиционного материала железа возможно добавление углерода с целью получения в результате соответствующей термообработки крупной или ломкой микроструктуры. Возможно также добавление к составляющим металлической основы смазок и/или растворителей для улучшения характеристик текучести порошка, показателей его прессуемости, облегчения извлечения из матрицы и т.п.

Изобретение основывается на том факте, что ферровольфрам и другие перечисленные обладающие высокой плотностью и содержащие вольфрам материалы не только экономически приемлемы для использования при изготовлении пуль, но и на том, что они допускают, при условии особо тщательного металлургического и баллистического анализа, легирование в нужных объемах и при подходящих условиях, позволяющее получить не содержащие свинца пули.

Кроме того, изобретение исходит из осознания того факта, что баллистические характеристики могут быть определены наилучшим образом на основе практических стрельб, поскольку крайние значения ускорения, давления, температуры, сил трения, центробежного ускорения и сил замедления, осевые и боковые ударные усилия и поведение при столкновении с типичными для таких пуль препятствиями предъявляют чрезвычайно сложный комплекс требований к пулям, что делает их точное теоретическое прогнозирование практически невозможным.

Сущность изобретения можно будет лучше понять, обратившись к прилагаемым чертежам, на которых:
на фиг. 1 показана гистограмма плотностей порошковых компенсационных материалов,
на фиг. 2 показана гистограмма максимальных значений условных напряжений, достигаемых с этими порошковыми композиционными материалами,
на фиг. 3 показана гистограмма суммарного поглощения энергии образцом при деформации до 20% или разрушении,
на фиг. 4 показана гистограмма, демонстрирующая максимальное напряжение при деформации на 20% (или максимальной) пяти обычных пуль, и
на фиг. 5 показана гистограмма, демонстрирующая суммарное поглощение энергии при деформации на 20% или разрушении пяти обычных пуль с фиг .4.

Для получения удовлетворительной пули, не содержащей свинца, необходимо удовлетворение по меньшей мере шести (6) требований. Во-первых, пуля должна обеспечивать близкое соответствие величине отдачи свинцовой пули при выстреле, так чтобы стрелок испытывал ощущение, будто он выстрелил стандартной свинцовой пулей. Во-вторых, пуля должна обеспечивать получение траектории, близкой к траектории, т. е. к внешним баллистическим свойствам, свинцовой пули такого же калибра и веса, так чтобы практическая стрельба прямо соответствовала стрельбе в полевых условиях настоящими свинцовыми пулями. В-третьих, пуля не должна пробивать или повреждать обычный пулеуловитель из стального листа, применяемый в тирах, и не должна значительно рикошетировать. В-четвертых пуля должна оставаться целой при своем перемещении по каналу ствола и в полете. В-пятых, пуля не должна повреждать ствол огнестрельного оружия. В-шестых, стоимость пули должна быть в достаточной степени близка к стоимости других вариантов пуль.

Для удовлетворения первых двух требований не содержащая свинца пуля должна обладать приблизительно такой же плотностью, как свинец. Это означает, что пуля должна иметь суммарную плотность около 11,3 г/см³.

Третье приведенное выше требование, не допускающее пробивания или повреждения обычных стальных пулеуловителей, применяемых в тирах, устанавливает, что пуля должна или (1) деформироваться при напряжениях, более низких, чем те, которые были бы достаточны для пробивания или серьезного повреждения пулеуловителя, или (2) разрушаться на мелкие частицы при низких напряжениях, или (3) и деформироваться, и разрушаться при низких напряжениях.

В качестве примера укажем, что типичная свинцовая специальная пуля 0,38 весом 158 гран (10,3 г или 0,0226 фунта) обладает при выстреливании из ствола длиной 10,2 см (4 дюйма) начальной кинетической энергией 272 Дж (200 фут-фунтов) и плотностью 11,35 г/см³ (0,41 фунт/куб.дюйм). Это соответствует плотности энергии 296 Дж/см³ (43600 дюйм-фунтов/куб.дюйм). Деформируемые не содержащие свинца пули, являющиеся предметом настоящего изобретения, должны поглощать достаточно этой энергии на единицу объема как энергии деформации (упругой и пластической) без создания в пулеуловителе напряжений, превышающих предел текучести рядовой стали, около 310 МПа (около 45000 фунт/кв.дюйм), так чтобы пуля останавливалась, не пробивая и не нанося серьезных повреждений пулеуловителю тира. В случае использования соответственно разрушающейся пули или деформируемой пули напряжение разрушения пули должно быть ниже напряжений, которые пуля испытывает при соударении с пулеуловителем тира и ниже предела текучести рядовой стали.

Труднее удовлетворить требования, согласно которым пуля должна оставаться неповрежденной после прохождения через канал ствола, не вызывая при этом излишнего износа канала. Обычно для определения этого показателя необходимо проведение пробных стрельб. Однако ясно, что пуля, являющаяся предметом настоящего изобретения, должна быть покрыта металлом или пластмассой или помещена в обычную рубашку для защиты канала ствола.

Стоимость ферровольфрама обычно выглядит приемлемой при сопоставлении с другими обладающими высокой плотностью альтернативными материалами, как и стоимость каждого из альтернативных материалов, перечисленных ниже в формуле изобретения.

Пули с металлической основой в соответствии с предпочтительными вариантами реализации настоящего изобретения должны изготавливаться с применением технологии порошковой металлургии.

В отношении более хрупких материалов порошки отдельных составляющих должны смешиваться, подвергаться прессованию с доведением изделия до практически конечных размеров и последующему спеканию этого изделия. Если пули помещают в рубашку, прессование может выполняться в рубашке со спеканием в ней. С другой стороны, пули могут подвергаться прессованию и спеканию до помещения в рубашку. Если на пули наносится покрытие, оно может быть нанесено после прессования и спекания. Пропорции содержания отдельных порошков должны соответствовать тем, которых требует правило аддитивности, чтобы получить конечную плотность, приблизительно равную плотности свинца. При определении состава необходимо учитывать невозможность полностью исключить пористость, которую следует компенсировать за счет соответствующего увеличения доли более плотной составляющей, вольфрама, ферровольфрама, углеродного сплава, карбида вольфрама или их смесей. Оптимальная смесь определяется исходя из взаимоотношения стоимости сырья и характеристик пули.

При более пластичных материалах основы, таких как упомянутые выше металлы, пули могут изготавливаться с помощью упомянутого процесса или, в другом варианте, спрессованы в стержни или заготовки с использованием техники обычного или изостатического прессования. После спекания стержни или заготовку можно подвергнуть волочению с получением проволоки для изготовления пуль методом штамповки с использованием пуансонов и матриц, как это делается в случае обычных свинцовых пуль. С другой стороны, если материалы слишком хрупки для такой производственной технологии, для получения пуль могут быть использованы обычные производственные процессы.

Пули на металлической основе могут быть подвергнуты различным видам охрупчивающей обработки с целью повышения их разрушаемости после придания окончательной формы. Так, например, пуля с железной основой, имеющая углеродную добавку, может быть охрупчена с помощью подходящего метода термообработки.

Пуля с оловянной основой может быть охрупчена путем охлаждения и выдерживания в диапазоне температур, при котором происходит частичное превращение в альфа-олово. Этот метод допускает точный контроль степени разрушаемости.

Третий пример охрупчивания заключается в возможности использования добавления определенных примесей, таких как висмут, к композиционному составу с медной основой. После изготовления пулю можно нагреть до диапазона температур, при котором примесь собирается предпочтительно по границам зерен меди, охрупчивая их.

Кроме того, даже без охрупчивающих добавок разрушаемость можно контролировать путем варьирования должным образом времени и/или температуры спекания.

В случае применения в качестве материалов основы термопластов или термореактивных материалов порошки следует смешивать так, как описано выше, с учетом тех же соображений относительно массы, плотности и состава, что и при непосредственной формовке конечного изделия с помощью любого из обычных процессов, применяемых в области технологии полимеров, таких как литьевое формование, литьевое прессование и т.д.

В случае пуль с пластмассовой основой в рубашке прессование с нагревом должно выполняться при помещении композиционного порошка в рубашке. С другой стороны, порошки могут быть подвергнуты прессованию с использованием давления и тепла для получения гранул для применения в таких процессах.

И, наконец, для того чтобы защитить канал ствола от повреждения в процессе стрельбы, пуля должна быть помещена в рубашку или покрыта мягким металлическим или пластмассовым покрытием. Покрытием для пуль с металлической основой могут предпочтительно служить олово, цинк, медь, латунь или пластмасса. В случае пуль с пластмассовой основой предпочтительным может быть пластмассовое покрытие и наиболее желательно, чтобы в качестве пластмассовой основы и покрытия использовался один и тот же материал. В обоих случаях пластмассовые покрытия могут наноситься методом погружения, напыления, в псевдоожиженном слое или посредством другого обычного процесса нанесения пластмасс. Металлические покрытия могут наноситься методом электролитического плакирования, горячего погружения или другим обычным способом нанесения покрытия.

Примеры
A. Пластмассовая основа
Разрушаемые композиционные пули с пластмассовой основой изготовили из вольфрамового порошка со средним размером частиц 6 мкм. К вольфрамовому порошку в количестве 0, 15 и 30 весовых процентов добавили железный порошок. После смешивания с одним из двух полимерных порошков, фенилформальдегидом (люцит) или полиметилметалкрилатом (бакелит), служащим основой, смеси подвергали горячему прессованию при температуре в диапазоне от приблизительно 149^oC до приблизительно 177^oC (300^oF - 350^oF) и давлении около 241 МПа - 276 МПа (35-40 фунт/кв. дюйм) с получением цилиндров диметром 3,18 см (1,25 дюйма), которые нарезали затем на прямоугольные параллелепипеды для испытаний на сжатие и испытаний на удар. Всего приготовили шесть (6) образцов, как показано в таблице 1 ниже.

Полученные таким образом пули оказались очень хрупкими при испытаниях на сжатие. При испытаниях на удар они также оказались очень хрупкими. Плотность этих образцов по сравнению с плотностью свинца приведена в таблице 2:
Максимальное напряжение при испытании на сжатие и энергия, поглощенная при испытании на сжатие, также приведены в таблице 2. Максимальное напряжение до разрушения была менее 34,5 МПа (5 тыс.фунт/кв.дюйм), что хорошо соответствует нужному диапазону, не допускающему повреждения пулеуловителя.

Композиционные материалы с металлической основой
На фиг. 1 показаны плотности, достижимые при использовании композиционных материалов с металлической основой, полученных из порошка вольфрама, порошка карбида вольфрама или порошка ферровольфрама, смешанного с порошком олова, висмута, цинка, железа (с 3% углерода), алюминия или меди. Пропорции должны быть подобраны таким образом, чтобы плотность полученного материала соответствовала плотности свинца без учета пористости, оставшейся после спекания. Порошки в холодном состоянии подвергли прессованию в цилиндры диаметром в 1/2 дюйма (12,7 мм) под давлением 690 МПа (100 тыс.фунт/кв.дюйм). Затем их в течение двух часов подвергали спеканию при соответствующей температуре, поместив в герметически закрытые капсулы из нержавеющей стали. Температуры спекания (в градусах Цельсия) составила соответственно 180, 251, 350, 900, 565, 900 соответственно.

На фиг. 2 показаны максимальные осевые внутренние напряжения, достигнутые при испытании на сжатие. На фиг. 3 показана энергия, поглощенная до достижения общей деформации величиной 20% (за исключением порошковой заготовки из меди и вольфрама, которая достигла таких высоких внутренних напряжений, что испытание было прекращено до достижения 20% деформации). Все указанные материалы демонстрируют определенную пластическую деформацию. Величина поглощения энергии в ходе испытания на сжатие является показателем относительной пластичности, когда наиболее пластичными оказываются материалы, поглощающие больше энергии.

Даже наиболее пластичные образцы, такие как композиционные материалы на основе олова и висмута, демонстрируют некоторое разрушение в процессе испытания на сжатие в связи с возникновением бочкообразности и вызванными этим вторичными растягивающими напряжениями. При ударном испытании с использованием или 326 Дж (240 фут-фунт) или 163 Дж (120 фут-фунт) получаются аналогичные, но несколько преувеличенные по сравнению с наблюдаемыми при испытании на сжатие результаты.

Контрольные примеры
На фиг. 4 показаны для сравнения свинцовая заготовка, две стандартных пули 38 калибра и две выпускаемые промышленностью пули из композиционных материалов с пластмассовой основой, подвергнутые испытанию на сжатие. На фиг. 4 показано, что максимальные напряжения в свинцовой заготовке и свинцовых пулях были значительно меньше напряжений в пластиковых пулях. Однако все они были примерно того же порядка, что и напряжения, достигнутые в образцах с металлической основой и в не содержащих железа образцах с пластмассовой основой. На фиг. 5 показано поглощение энергии этими материалами. Полученные значения в целом меньше, чем у образцов с металлической основой, показанных на фиг. 3, и гораздо выше, чем у ломких образцов с пластмассовой основой.

Все эти материалы подвергаются значительной деформации при ударном испытании на 326 Дж (240 фут-фунт). Свинцовые образцы не разрушаются, в то время как пули с пластмассовой основой - разрушаются.

Пули из композиционных материалов с рубашкой
В качестве другого примера производили штамповку пуль 38 калибра с металлической и пластмассовой основой и составами, указанными в таблице 3, внутри стандартных латунных рубашек (колпачков глубокой вытяжки) с толщиной стенки от 0,25 мм (0,010 дюйма) до 0,64 мм (0,025 дюйма). Образцы с пластмассовой основой ("люцит" или "бакелит", обозначенные в таблице как код 1 и код 2) подвергали прессованию при температуре, указанной в первом примере. Образцы с металлической основой (коды 3 - 11) прессовали при комнатной температуре и подвергли спеканию так, как описано выше, когда они были помещены в рубашку.

Этими пулями стреляли в ящик с опилками, используя при этом заряд пороха +P и подвергая их воздействию в канале ствола давления, превышающего 138 МПа (20000 фунт/кв. дюйм). Изучение и взвешивание образцов до и после выстреливания показало, что пули с железной, медной и цинковой основой не теряют веса и материала с конца композиционного сердечника, подвергающегося воздействию горячих газов в канале ствола. Изучение микроструктуры показало, что после выстреливания внутренние трещины обнаруживаются только в пулях из чистого висмута.

Этими пулями стреляли также в стандартный пулеуловитель из стального листа толщиной 5,1 мм (0,2, дюйма), твердостью по Бринелю 327 и под углом встречи 45 градусов при расстоянии, типичном для стрельбы из пистолета в закрытом тире. Ни одна из пуль не повредила пулеуловитель и не срикошетировала.

В то время как изобретение описано выше и ниже со ссылками на предпочтительные варианты реализации и конкретные примеры, очевидна возможность внесения многочисленных изменений, модификаций и варьирования материалов, компоновки деталей и операций без отклонения от существа изобретения, приведенного здесь. В соответствии с этим существо и широкий объем прилагаемой формулы изобретения должны охватывать все такие изменения, модификации и варианты, которые может представить себе специалист в данной области после прочтения описания.

Изобретение относится к области вооружений и может быть использовано для получения летательных снарядов, в частности пуль, не содержащих свинца. Не содержащая свинца пуля из композиционного материала включают тяжелую составляющую, выбранную из группы, включающей вольфрам, карбид вольфрама, углеродный сплав и ферровольфрам, и вторую связующую составляющую, представленную или металлическим сплавом, или пластмассовой смесью. Экологически чистая в отношении содержания вредных веществ пуля, не содержащая свинца, обладает баллистическими свойствами, присущими стандартным пулям из свинца. 2 c. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

1. Пуля, не содержащая свинца, выполненная из композиционного материала, содержащего перемешанную смесь, отличающаяся тем, что перемешанная смесь содержит обладающую высокой плотностью первую порошковую составляющую, выбранную из группы, состоящей из карбида вольфрама, ферровольфрама и их смеси, и обладающую более низкой плотностью вторую порошковую составляющую, выбранную из группы, состоящей из олова, цинка, алюминия, железа, меди, висмута и их смесей, причем плотность пули превышает 9 г/см³ и пуля деформируется или разрушается при напряжении пластического течения менее 310 МПа. 2. Пуля, не содержащая свинца, выполненная из композиционного материала, содержащего перемешанную смесь, отличающаяся тем, что перемешанная смесь содержит обладающую высокой плотностью первую порошковую составляющую, выбранную из группы, состоящей из карбида вольфрама, ферровольфрама, углеродного сплава и их сплавов, и обладающую низкой плотностью вторую порошковую составляющую, выбранную из группы, состоящей из термореактивных и термопластических пластмасс, причем плотность пули превышает 9 г/см³ и пуля деформируется или разрушается при напряжении пластического течения менее 310 МПа. 3. Пуля по п.2, отличающаяся тем, что вторая порошковая составляющая выбрана из группы, состоящей из фенольных соединений эпоксидов, диаллилфталатов, акрилов, полистиролов, полиэтиленов и полиуретанов. 4. Пуля по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в качестве третьей составляющей полимерное связующее, а композиционный материал прессуется. 5. Пуля по п.1, отличающаяся тем, что композиционный материал является спеченным. 6. Пуля по п.1, отличающаяся тем, что композиционный материал является спрессованным и спеченным. 7. Пуля по п.2, отличающаяся тем, что смесь является спрессованной. 8. Пуля по любому из пп.1, 2 или 4, отличающаяся тем, что она покрыта рубашкой из материала, выбранного из группы, включающей олово, цинк, медь, латунь и пластмассу. 9. Пуля по п. 8, отличающаяся тем, что в качестве рубашки выбрана пластмасса.