易碎金属弹头、弹药及制造这类制品的方法

摘要

易碎金属制品,如弹头(10)及其制造方法。该易碎金属制品是由金属颗粒及金属或类金属粘合剂材料的混合物形成的,将该混合物压制成所需形状,加热到高于形成至少一种金属间化合物所需温度,但低于因烧结而粘结金属颗粒的温度,及低于颗粒中的金属和金属或类金属粘合剂材料形成大量可延性合金的温度的温度,然后将其冷却。在将这类制品制成弹头(10)时,它们有足够的强度以在开火时保持其完整性,但因冲击而解裂成粉末,并且是无铅的。

说明书

相关的申请

本发明是于1998年4月22日申请的，序号为09/063,924的美国专利申请的分案申请。

背景技术

本发明涉及易碎的金属制品，尤其是涉及在打靶和/或训练应用中特别有用的易碎的弹头。因其不含铅和易碎性(破碎)的特性有利于室内和室外射击用。这类用途方面的易碎弹头是公知的。它们的特征在于使用被压实入弹头的金属粉末，该弹头有足够的强度，以致在发射过程中能保持其整体性，同时在其与有足够大的质量和刚性的固体目标相撞时就破碎。

常规的高密度、铸造的、锻造的、镀铜或包铜的铅弹也用于室内靶场及用于训练。为保护射手不受跳弹的伤害，通常用“弹头阱”以阻止射弹及任何产生的碎片伤及射手。此外，可用橡胶或某种其它发射体吸收材料覆盖靶场的墙或训练设施，以阻止意外弹出的弹头碎片。因此建造和维护室内打靶/训练场地耗资不菲。还有，即使采用弹头阱和墙上的跳弹吸收材料，因某种原因，跳弹仍会意外地损坏这种系统并伤及射手。

发射铅弹使进入大气中的铅粉尘弥散在空中。这需要有精密的换气系统，而且还可能需要用进行血液监测程序的个人操作设备以测定其血液中的含铅量。积累的废铅弹头及弹头碎片必须正确处置，而有关处置含铅废物的管理工作增加了复杂。因此，铅粉尘的产生及废铅弹及碎片的积累引起环境方面的关注，并造成潜在的严重危害健康的问题。

对于用作弹头的不含铅材料进行了长期的研究。取代弹药中的铅的一个问题是取代材料必须足够地重，以使采用这种弹头的弹药在用于自动或半自动武器中时将能使该武器正确地循环(cycle)。

使自动或半自动武器实现完满的循环工作能力的关键性问题是弹药能递给循环机构的能量。对于某些类型的武器，这种能量是靠膨胀气体回推弹壳而传递的。对某些其它的武器，利用反冲，而对又一些武器，则与高压气体有关，通过枪管内的小孔到达循环轻武器的机构。

所有轻武器设计成具有产生某种压力-时间关系特性的弹头和发射剂(火药)的功能。采用较轻的弹头，若传递的能量过低，以致不能给予该机构以进行循环所必须的能量，则在半自动或自动武器的工作过程中将产生问题。虽然可采用辅助的发射剂或不同类型的发射剂以增加能量，但不希望如此，因为这种训练弹的特点明显不同于具有常规弹头和发射剂的弹药。

此外，为取代弹头中的铅，所选的材料应有足够大的比重，以便使所形成的弹头质量可与市售的发射剂相匹配。为开发无铅弹药就要开发特定的发射剂或其它组分这在经济上是不可行的。

还有，无铅的训练弹药当其冲击硬表面时应碎成小颗粒。单个颗粒重量太轻，以致不足以携带构成危险的能量。另一方面，这类弹头应该十分牢固以承受射击时所产生的高加速度，有足够的延展性，以保证枪管中的来复线，有足够的耐久性以保留政府部门所要求的鉴别由来复线的雕刻。

采用树脂类粘合剂与金属粉末组合的实践和训练用弹，通常不能令人满意，因为其脆性难以控制，强度不足，增加了武器枪管的污染、缩短枪管使用寿命，以及不能保存或留下经枪管射出的来复线雕刻标记。

本发明简述

因此，本发明的目的在于提供一种易碎金属弹头及其制备方法，它们基本上排除了现有技术的一种或多种限制和缺点。

本发明的其它特点和优点将在下文述及，部分地可从下文的陈述中得知，或通过本发明的实施而得知。通过说明书、其权利要求书以及附图中特别指出的制品和方法将对本发明的目的和优点更清楚。

为达到这些和其它的优点，按本发明的目的，当具体而广义地说明时，本发明旨在提供一种易碎金属弹头及其制造方法。该弹头包括许多金属颗粒及脆性粘合剂。优选的脆性粘合剂主要由至少一种由金属颗粒和一种粘合剂材料形成的金属间化合物构成的。该粘合剂材料是一种金属，或是一种类金属物质，它们在处理温度下形成脆性粘合剂，所述处理温度低于该金属颗粒粘结的温度，低于该金属颗粒的金属和粘合剂材料形成大量可延性合金的温度而高于粘合剂材料和金属颗粒形成至少一种金属间化合物的温度，该化合物将金属颗粒粘结成一种粘合性的易碎的制品。按照制备该制品的方法，将金属颗粒及粉状粘合剂材料压制成该金属制品的形状，将其加热到处理温度，加热时间要足以形成至少一种金属间化合物，再将其冷却，以形成易碎金属弹头。

在本发明的另一方面，该金属颗粒是选自铜、铁、镍、金、银、铅、铬及其合金的金属或金属基的合金；优选是铜和铜基合金，而粘合剂材料主要是选自锡、锌、镓、锗、硅、砷、铝、铟、锑、铅、铋及其合金，优选是锡和锡基合金。

另一个实施方案是一种易碎金属弹头，它是由许多未经烧结的金属颗粒和至少一种粘结该金属颗粒的金属间化合物粘合剂以形成金属弹头。

在该实施方案的另一方面，该粘合剂具有多孔脆性材料的显微组织，而采用这种粘合剂的经最后处理的产品的横向抗裂强度低于13000psi。由于该粘合剂的脆性断裂而使具有这种性能的易碎弹头破碎成许多颗粒，从而这种碎裂吸收了弹头的大部分动能。

在另一实施方案中，本发明是制造易碎金属弹头的方法，它包括的步骤有：形成含金属颗粒，如铜和铜合金，及金属粘合剂材料的混合物，金属粘合剂材料包括处理成与该金属颗粒中的金属形成金属间化合物的金属和合金，如锡和锡合金。该混合组合物在处理温度下处理成脆性粘合剂。所述处理温度低于金属颗粒的结合温度，低于该金属颗粒中的金属和金属粘合剂材料大量形成可延性合金的温度，但高于该金属和该金属粘合剂材料形成至少一种金属间化合物所需的温度。将该混合物压制成有一定形状的生压块，将该压块加热到处理温度其加热时间要足以形成有效量的至少一种金属间化合物，从而形成成型的金属预制品，然后使该成形预制品降至室温，结果形成该金属制品。

按该实施方案的一个方面，该成型生压块的尺寸(变化)是在该碎性金属制品尺寸的0.2％之内。

按本发明方法的另一实施方案，该生压块的尺寸变化在该碎性金属弹头尺寸的0.2％之内。

应理解的是，上述的一般陈述和下文的详细陈述是示例性和解释性的，并旨在对要求专利保护的本发明提供进一步的说明。

附图的简单说明

附图包括提供对本发明的进一步的理解，它构成说明书的一部分，并和说明书一起用于解释本发明的原则。

图1是包含本发明弹头的中心点火(conter-fire)子弹的剖面图；

图2是本发明拆下的弹头的侧视图，它说明枪管来复线留下的痕迹。

优选实施方案的描述

参见本发明的优选实施方案。

按本发明，提供一种易碎金属弹头，它包含许多由粘合剂粘结在一起的金属颗粒。该粘合剂材料在处理温度下处理成一种瞬时液相，该处理温度低于通过烧结使金属颗粒结合的温度、低于粘合剂材料和金属颗粒形成大量延性合金的温度，但高于由该金属颗粒的金属和粘合剂材料形成至少一种金属间化合物的温度。出于本发明的目的，这种大量延性合金的量要使所得组织的延性达到最终处理的子弹不再易碎的一点。例如，在其中的金属颗粒是铜而粘合剂是锡的实施方案中，处理温度为230-430℃时产生瞬时液相，开始时仅是液态锡而没有任何明显量的铜颗粒/铜颗粒间的结合。随后该液态锡接受铜，并在铜颗粒的表面上形成第一金属间化合物。铜扩散进初始的金属间化合物中并扩散遍及其中，从而形成另外的金属间化合物，而且，取决于温度和时间，全部的液态锡可转变成由至少一种铜和锡的金属间化合物组成的固体。如在这种转变完成之前使该制品冷却，则一部分的锡以金属的形态凝固，但部分在铜颗粒的表面上形成一种或多种金属间化合物。一种或多种金属间化合物的量相对于固体锡的量将决定该制品是脆性或是延性。此外，处理的时间和温度应该使其在显微组织中不形成可观量的α青铜相。若有可观量的α青铜相，则将因大量增高处理过的制品的延性和横向抗裂强度而使弹头的脆性急剧下降。

将金属颗粒和粘合剂材料一起压制成弹头的形状，然后以足以形成有效量的粘合剂的瞬时液相的时间将其加热到处理温度，之后再冷却以形成弹头。粘合剂瞬时液相的有效量是当粘合剂的瞬时液相形成至少一种金属间化合物时，该量足以将金属颗粒粘合成粘结体中。这样一种有效量不排除其中有少量的金属颗粒/金属颗粒的粘结，但该金属制品的机械性能更多地取决于金属制品中的粘结剂的机械性能而较少地取决于其中的任何金属颗粒/金属颗粒粘结的强度。

按本发明的一个优选的实施方案，该金属制品是一种易碎的无铅的金属弹头。金属颗粒是未经烧结的，而金属粘合剂是一种脆性金属间化合物。出于本发明的目的，术语“脆性”包括在室温下显示出低的断裂韧性，低的延性或低的抗裂口扩展能力的材料。

本发明另一优选实施方案是装在弹壳中的易碎的无铅金属弹头。如图1具体所示，用本发明的弹头描绘出一种常规的中心点火子弹，但本发明也可用于边缘点火子弹(未示)。弹头10，这里是9mm的圆头弹头，插入弹壳口12中。在弹壳的口部12处，弹壳14被压缩(向内变形)，以有助于将弹头10保持在所要求的插入在壳14中的深度。本发明的弹头有足够的强度和延性以承受该压缩作业而在压缩过程中不破裂。子弹还包括点火剂匣16，其中可插入点火剂18。图1所示的子弹壳是手枪弹药的典型的直壁式弹壳。本发明的弹头也可用作步枪弹药，而对这种弹药而言，弹壳可以是瓶颈状的(未示)其弹壳口部的直径小于壳体的直径。发射剂(火药)20被置于弹壳14的本体内。优选是点火剂18是无铅的。这样，如果弹头10也是无铅的，那么发射这种子弹不产生铅。这种点火剂是由CCI Industries of Lewiston,Idaho.U.S.A制造的，而且是按Cleanfire^点火剂设计的。在本文中具体列举的点火剂18包含无铅的点火组合物22，但，边缘点火的弹壳在其边缘内可具有这组合物(未示)。

优选地是，本发明的金属颗粒主要由选自铜、铁、镍、金、银、铅、铬及其合金的金属或金属基合金构成，优选是由铜、铁、镍、和铬构成，最好是由铜和铜合金构成。按本发明的另一实施方案，粘合剂材料主要由与金属颗粒中的金属形成至少一种金属间化合物的一种或多种金属、金属基合金、类金属，其混合物和其合金构成。这类材料可选自锡、锌、镓、锗、硅、砷、铝、铟、锑、铅、铋及其混合物和合金，而最好是锡和锡合金。

本发明的一种重要性能是，该易碎金属弹头，在射击过程中保持其整体性，但因弹头与目标的撞击使脆性粘合剂脆性破裂而使弹头变成许多颗粒，从而避免了使用常规铸造或锻造的弹药时所遇到的跳弹问题。易碎的金属弹头破碎成许多颗粒，进一步吸收了弹头的大部分动能，从而基本上消除了弹头或弹片发生跳弹的可能性。由于本发明金属制品的多孔的显微组织，就可以保留多种润滑剂，如二硫化钼、Teflon^及碳以有利于它通过武器的枪管。

对特定的金属颗粒/粘合剂的组合物进行了适当的热处理后，这种材料的显微组织的特征在于，固体金属颗粒被至少一种金属间化合物构成的粘合材料彼此粘合。这种体系是可取的，因为它们使经过适当热处理的材料变脆。该粘合剂可以是完全致密的或多孔的。

除了上述机械性能外，由于所用的粘合剂，本发明的易碎金属弹头具有足够的强度，以承受将该弹头自动或手动填装到弹壳中，在射击时保持其整体性并留下和保持射击武器的枪管的来复线痕迹(见图2)。图2描绘9mm手枪弹头30的示意图，在其外周表面上有凹槽32。这些凹槽32是弹头通过枪管时由枪管中的来复线形成的，并且是发射该弹头的具体枪管的正常特征。在法律强制规定中，后一性能是特别重要的，它可以鉴别出发射该弹丸的特定武器。

按本发明，易碎的金属弹头是通过下述方法形成的：这种方去包括成形金属颗粒和粘合剂材料的混合物，以在热处理温度下形成瞬时液相，所述热处理温度低于该金属颗粒的烧结极限生长的温度，而高于该金属颗粒的金属和粘合剂材料形成至少一种金属间化合物的温度。然后用已知的压制技术，如模压，旋转螺旋压制，静压压制，在压力下，压制该混合物，从而形成成形的生压块。生压块加热至热处理温度，其时间要足以形成有效量的瞬时液相，然后形成至少一种金属间化合物，从而形成成形的金属预制品。然后将该成型的金属预制品返回到室温，以形成本发明的易碎的无铅金属弹头。当然，热处理温度和时间将取决于对金属颗粒和粘合剂材料的选择。该热处理温度低于金属颗粒因烧结而彼此结合的温度，低于该金属颗粒的金属与粘合剂材料形成大量可延性合金的温度，而高于该金属颗粒中的金属和粘合剂材料形成至少一种金属间化合物的温度。其有利效果是：因生压块的热处理而导致的尺寸变化很小。

按本发明的一优选实施方案，该金属颗粒主要由铜构成，而粘合剂材料主要由锡构成，并且以最多6分钟的时间将生压块加热到150-430℃的温度，以形成主要由至少一种金属间化合物构成的脆性粘合剂。

如上文所指出的，本发明的特别有利的方面在于：该易碎的金属制品基本上保持了该成形生压块的形状和尺寸。因此，形成该成形生压块的工具的形状和尺寸可与所需的最终成品相同。按本发明，该易碎金属制品的尺寸变化在成形生压块尺寸的0.2％的范围内。

下面是说明本发明的各实施例。

实施例1

按本发明用市售的青铜预混物(PMB-8,OMG Americas,Reseach TrianglePark,NorthCarolina,U.S.A)形成多个易碎的金属弹头。该预混物的组份是(重量％)：89.75％的铜颗粒、10％的锡颗粒及0.25％硬脂酸锌润滑剂。该润滑剂的存在有助于生压块的压制和出坯，而且它在后续的热处理过程中基本上被去除。该预混物的粒度为约8％大于250目，约30％大于325目，其余小于325目。

在机械压机中用标准的直壁式模压制该混合物，随后确定施加约20吨的总负荷。该模将混合物形成多个9mm弹头尺寸和形状的生压块。将此生压块在氮气氛中以30分钟加热至260℃，在此加热时间，全部重量的粘合剂已转变成瞬时液体粘合剂相，而最终变成至少一种铜和锡的金属间化合物。将处理过的压块冷至室温，结果形成105格令(grain)(6.80克)重的9mm弹头，与生压块原来尺寸的偏差低于0.1％。

将此弹头装入带有4.5格令Hercules Bullseye^火药的黄铜弹壳中，然后压平。将所得的弹药从不同的武器(包括半自动和全自动武器)中对0.25英寸的钢靶进行射击试验。弹药运行无故障，装弹，射击退壳都没有问题。与靶撞击时，弹头完全粉碎成细粉末。

实施例2-4

按实施例1中形成弹头的相同材料制成标准的横向抗裂强度试验棒。试样在“生坯”(压制而未热处理)的条件下测试(实施例2)，按实施例1的同样进行热处理后，在氮气氛中260℃热处理30分钟后(实施例3)，在氮气氛中810℃热处理30分钟后(实施例4)，测定下述性能-密度、偏离模具尺寸的尺寸变化百分率(如描述于ASTM B610,MPIF44，或ISO 4492中)、洛氏硬度(HRH)及横向抗裂强度(TRS)，以磅/英寸²(Psi)作单位，按ASTM B528,MPIF41或ISO3325测定。洛氏硬度的标度基于采用1/8英寸的球形压头和150kg的负荷(ASM Metals Handbook)。

实施例      密度(g/cc)    尺寸变化(％)   HRH(平均)  TRS(psi)

 2          7.26              0.14         73.7       3651

 3          7.27              0.07         94.8       12710

 4          6.53              2.53         52.7       32625

上述数值表明：采用约90/10的Cu/Sn混合物，经常规压制，然后于260℃热处理30分钟的实施方案。当处理过的制品的横向抗裂强度为约13000psi或更低时，产生可接受的脆性弹头。对于易碎弹头而言，横向抗裂强度大于13000psi是可行的，但并不是可取的。

对其它试样的金相学研究证实：在铜/锡体系中，锡开始熔化，然后液态锡渗入铜颗粒周围的间隙中。然后铜扩散进液态锡中，并形成至少一种在铜颗粒上固化成层的金属间化合物。液态锡可仍存在，而且当更多的铜和锡扩散到该第一金属间化合物中时，第一金属间化合物可熔融而形成第二金属间化合物。在热处理温度下，锡继续向铜颗粒扩散，在粘合剂中形成空隙。根据该混合物中的锡的量、处理温度和在该处理温度下的处理时间，元素态的锡将消失，并形成至少一种金属间化合物。这种金属间化合物的可延性很小，断裂韧性低而且抗裂纹扩展的能力也低。因为这种材料含有粘结金属颗粒的粘合剂，而该金属颗粒不被可延性材料另行结合(或通过颗粒/颗粒的粘合或与可延性粘合剂粘合)，所以结合的制品是脆性的。此外，因金属间化合物和空隙的生成而产生的体积变化可以控制，致使在粘结制品的形成过程中无明显尺寸变化。

铜/锡相图表明：在平衡状态下可形成多种不同的金属间化合物。尽管不将本发明限于所述的实施方案，而且不希望受理论的约束，可以认为在优选实施方案中存在的金属间化合物，在平衡相图上，已知它们是以η相存在。本文所述的热处理可能会或不会导致平衡组织，但该一种或多种金属间化合物的种类或非平衡相的存在，对于本发明，当其用作粘合剂时这种材料对从中构成的制品的机械性能和尺寸的影响并不重要。因此，本发明的粘合剂可以是各种金属间化合物的混合物，单一的金属间化合物或某些相与一种金属间化合物的脆性混合物。

对于本技术领域的技术人员而言，上述实施方案还有其它的优点和修饰。随后可发现特定的金属间化合物或其组合物是有利的。这类材料也在本发明的范围之中。因此，从其更广的方面来说，本发明不限于这些特定的材料，细节及所展示和陈述过的实施方案和实施例。因此，在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围及其等同物，由具体公开的内容可以进行变更。