Сердечник бронебойной пули с улучшенной пробивной способностью

Сердечник бронебойной пули с улучшенной пробивной способностью

Реферат

Изобретение относится к боеприпасам, в частности к пулям автоматным и винтовочным, и может быть использовано при разработке новых и модернизации имеющихся твердосплавных материалов для сердечников с высоким пробивным действием.

Известно решение, в котором головная часть стального сердечника выполнена в виде конуса с углом при вершине 50°-90° и имеет длину (0,2-0,8) калибра пули (патент RU №2133441).

Недостатком решения является низкое пробивное действие.

Известно решение, в котором твердосплавный сердечник состоит из хвостовой части и головной части, имеющей оживальную форму, выполнен из материала, обладающего пределом прочности на сжатие более 4000 мПа, и имеет угол при вершине от 90° до 120°, при этом указанный угол скругляют радиусом (0,2-0,6) мм (патент RU №2254551).

Недостатком известного решения также является недостаточная пробивная способность сердечника.

Недостаток обусловлен тем, что на сердечнике имеются концентраторы напряжений на границе хвостовика и головной части, а материал сердечника оптимизирован по одному параметру - пределу прочности на сжатие, не отражающему механизмы разрушения сердечника при его внедрении в броню.

Наиболее близким является решение, в котором твердосплавный сердечник бронебойной пули состоит из хвостовой части и головной части, имеющей оживальную форму с углом при вершине головной части от 90° до 120° и вершину головной части, округленную радиусом 0,2-0,6 мм, при этом хвостовик сердечника выполнен в виде усеченного конуса, меньший диаметр конуса равен 0,90-0,97 диаметра основания головной части сердечника, а больший диаметр конуса равен диаметру основания головной части сердечника, выполнен из твердого сплава с пределом прочности на сжатие более 4000 МПа и имеет твердость HRA не ниже 88,5 единиц и коэффициент интенсивности напряжений K_1C не ниже 8 МПа·м^1/2. (Патент РФ на ПМ №88793.)

Недостатком известного решения также является недостаточная пробивная способность сердечника из-за разрушения сердечника на отдельные фрагменты.

В основу изобретения сердечника бронебойной пули поставлена задача - значительное и стабильное увеличение пробивной способности сердечника бронебойной пули.

В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в снижении фрагментарного разрушения сердечника при пробивании преграды и уменьшение количества фрагментов при его разрушении.

Указанный технический результат достигается заявляемым сердечником бронебойной пули с улучшенной пробивной способностью в виде тела вращения, состоящего из хвостовой части и головной части, имеющей оживальную форму с углом при вершине головной части от 90° до 120° и вершину головной части, округленную радиусом 0,2-0,6 мм. Хвостовик выполнен в виде усеченного конуса, меньший диаметр конуса равен 0.90-0.97 диаметра основания головной части сердечника, а больший диаметр конуса равен диаметру основания головной части сердечника. Материалом сердечника является твердый сплава с пределом прочности на сжатие более 4000 МПа, твердостью HRA не ниже 88.5 и коэффициентом интенсивности напряжений K_1с не ниже 8 МПа·м^1/2. Вершина головной части имеет размер менее 1,0 мм, головная часть вместе с вершиной, равной 0,25-0,60 длины сердечника, отрезок, формирующий тыльный объем головной части в виде усеченного конуса высотой, равной 0,2-0,8 высоты головной части, образует угол 10-40 градусов с осью сердечника, а отрезок, формирующий фронтальный объем головной части в виде конуса, отходит от тыльного отрезка и образует угол 25-60 градусов с осью сердечника, хвостовик сердечника имеет форму соединенных между собой цилиндра и (или) усеченного конуса, меньший диаметр конуса равен 0,80-0,98 диаметра большего диаметр конуса хвостовика, который равен диаметру цилиндра и головной части сердечника, а длина цилиндрической части составляет 0,01-100 длины усеченного конуса хвостовика, на поверхность сердечника дополнительно нанесено покрытие из карбида и (или) карбонитрида и (или) нитрида металла, входящего в группы 1VB, VB, V1B Периодической таблицы элементов, при этом толщина покрытия вершины головной части составляет 5,0-20,0 мкм, толщина покрытия фронтового участка конуса головной части 2,0-6,0 мкм, толщина покрытия тыльного участка конуса головной части 1,0-1,5 мкм, а толщина покрытия на поверхности хвостовика не более 1,0 мкм.

Высокие ударные нагрузки, которым подвергается сердечник пули при поражении объекта, требуют комплексного подхода при разработке сердечника бронебойной пули, способного максимально противостоять ударным нагрузкам. Это обусловлено тем, что при внедрении сердечника в преграду происходит высокоскоростной удар, который характеризуется наличием ударных волн в теле сердечника, которые могут в значительной степени влиять на фрагментарное разрушение сердечника.

Известно (Физика разрушения при высокоскоростном ударе. С.И. Анисимов и др. Письма в ЖТФ, т.39, вып.1, стр.6-12 и Разрушение материалов при воздействии интенсивных ударных нагрузок. С.А.Новиков. Соросовский образовательный журнал, №8, 1999 г., стр.116-121),что при высокоскоростном ударе в момент контакта в ударнике и преграде возникают сильные ударные волны. Ударные волны имеют зоны разрежения, следующие за зонами сжатия. В момент соприкосновения сердечника пули с преградой в сердечнике возникают затухающие ударные волны, которые при их наложении друг на друга, в определенный момент времени, могут привести к механическому дроблению на отдельные фрагменты сердечника, пробивная и поражающая способность которых в отдельности меньше, чем сердечника в целом. Такой эффект может усиливаться при наличии концентраторов на поверхности сердечника пули, например ступенек или острых углов, т.к. в этих зонах происходит взаимодействие зон напряжений.

Важную роль в пробивной способности материала сердечника, особенно в начальный период при высокоскоростном соударении с препятствием, играет способность сердечника сохранить свою первоначальную форму. В процессе внедрения сердечника, например, в стальной лист материал сердечника в начальный момент, находясь в холодном состоянии, подвергается высоким ударным нагрузкам и должен обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению, т.е. обладать высокой пластичностью. При дальнейшем внедрении происходит разогрев сердечника до высоких температур, в данных условиях материал должен обладать высоким сопротивлением вязкохрупкому разрушению, т.е. высокой твердостью и прочностью. С позиций механики разрушения материал сердечника должен обладать высоким сопротивлением процессам зарождения, накопления и развития микротрещин, которые в значительной степени определяются зернистостью карбидной фазы материала и свойствами связки и качеством обработки наружной поверхности сердечника. Создать сердечник с такими свойствами возможно за счет оптимизации геометрических параметров головки и хвостовика сердечника, оптимизации физико-механических свойств объема сердечника и поверхностного слоя головной части и хвостовика сердечника за счет нанесения покрытий оптимальной толщины на различные поверхности сердечника.

Важную роль в механизмах разрушения играют поверхностные дефекты, которые появляются в процессе изготовления сердечника. Нанесение комплексного покрытия, имеющего различную толщину на поверхностях головной части сердечника и хвостовика, и нанесение внутреннего слоя из карбида титана, имеющего максимальную адгезию к основе и внешнего слоя, имеющего меньший коэффициент трения, позволят сердечнику проходить преграду с меньшими разрушениями.

Повышение пробивной способности сердечника достигается за счет выполнения сердечника по форме, не имеющей дополнительных концентраторов напряжения, и подбором оптимального сочетания свойств материала, имеющего максимальное сопротивление разрушению при высокоскоростном ударе сердечника о преграду по твердости и пластичности.

На чертеже представлена конструкция заявляемого сердечника, где α₁ - угол, образованный первым отрезком и осью сердечника, α₂ - угол, образованный вторым отрезком и осью сердечника.

Сердечник пули состоит из хвостовой части 1 и головной части 2, имеющей оживальную форму с углом при вершине головной части от 90° до 120°, и вершину головной части 3, округленную радиусом 0,2-0,6 мм, при этом вершина головной части 3 имеет размер менее 1,0 мм, головная часть вместе с вершиной равна 0,25-0,60 длины сердечника, имеет форму объемного тела, возникающего при вращении тыльного отрезка 2.1 и фронтального отрезка 2.2 относительно оси сердечника 4 и лежащих в одной плоскости с осью сердечника, при этом отрезок 2.1, отходящий от большего диаметра D хвостовика, образует угол 10-40 градусов с осью сердечника 4 и формирует фронтовой объем 2.3 головной части на длине, равной 0,2-0,7 длины головной части, а отрезок 2.2, отходящий от первого, образует угол 25-60 градусов с осью сердечника 4 и формирует тыловую часть объема 2.4 головной части сердечника, хвостовик сердечника 1 выполнен в виде цилиндра 1.1 и/или усеченного конуса 1.2, меньший диаметр конуса равен 0,80-0,98 большего диаметра конуса хвостовика, который равен диаметру цилиндра 1.1, и основанию головной части 2.3, а длина цилиндрической части составляет 0,01-100 длины усеченного конуса хвостовика 1. Материал твердого сплава имеет твердость HRA не ниже 88,5 единиц, коэффициент интенсивности напряжений K_1с не ниже 8 МПа·м^1/2. Поверхностный слой дополнительно имеет покрытие, как минимум, два слоя, внутренним слоем которого, предпочтительно, являются слои из карбида или карбонитрида металла, а внешним слоем из нитрида металла, входящего в группы 1VB, VB, V1В Периодической таблицы элементов, при этом толщина покрытия вершины головной части составляет 5,0-20,0 мкм, фронтового участка конуса головной части 2,0-6,0 мкм, тыльного участка конуса головной части 1,0-1,5 мкм, а на поверхности хвостовика не более 1,0 мкм.

Сердечник изготавливается следующим образом.

Сердечник изготавливали из мелкозернистых вольфрамокобальтовых порошков с содержанием кобальта 8 мас.%. Спекание проводили в две стадии: предварительное - с целью удаления пластификатора в водородной атмосфере и окончательное - вакуумное при выбранных оптимальных технологических режимах. После проведения процесса спекания к камере при температуре порядка 1380°С поднималось давление до 30 бар. Спекание проводили в печи VKPgr 50/90/50 фирмы Degussa. Покрытия наносили в вакуумной камере установки «Булат-6», снабженной вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катода испаряемого металла при нанесении слоя ТiС и TiN использовали титановый сплав ВТ 1-0, а при нанесении слоя Zr - сплав циркония Э-110. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Слой TiC и TiN осаждали в среде аммиака и азота при напряжении на подложке 140 В. Слой Zr осаждали в вакууме при напряжении на подложке 140 В. Ток фокусирующих катушек при конденсации TiC и TiN составляет 0,3 А. Твердосплавные сердечники промывали в ультразвуковой ванне, протирали ацетоном, спиртом и устанавливали на поворотном устройстве в вакуумной камере установки «Булат-6». Камеру откачивали до давления 6,65-10^-3 Па, при напряжении 1,1 кВ, и токе дуги 100 А производили ионную очистку и нагрев сердечников до температуры 560-580°С. Затем снижали отрицательное напряжение до 140 В, включали испарители, подавали в камеру необходимый реакционный газ и осаждали покрытие. Первый слой ТiС в течение 3 мин, второй слой покрытия (Zr) в течение 2 мин и третий слой покрытия (TiZrN) в течение 10 мин, четвертый слой покрытия (TiN) в течение 5 мин. Предельные значения параметров HRA, K_1с и толщину покрытия определяли опытным путем.

Для подтверждения высоких свойств сердечника с предлагаемым покрытием проводили следующие исследования.

Эксперимент проводился в сравнении с бронебойными пулями, используемыми в настоящее время вооруженными силами РФ, а именно пулями с твердосплавным сердечником 7Н24. В качестве пробиваемого материала использовался бронежилет 6Б12 и бронеплита из Ст.3 ГОСТ 14637-89 различной толщины на удалении 350 м.

Определялся процент пробивания плиты при равных условиях и по количеству фрагментов сердечника, имеющих поперечный размер более 1,0 мм и пробивающих плиту.

В таблице представлены результаты экспериментов.

Форма и свойства материала сердечника	Пробитие плиты из стали Ст.3 ГОСТ 14637-89 толщиной на дальности 100 м. Количество фрагментов N	Пробивание бронежилета на дальности 350 м.
16 мм	18 мм	20 мм	24 мм
Прототип, твердосплавный сердечник 7Н24	100%	100%	20%	0%	100%
N=1	N=3	N=10
Предлагаемый сердечник σсж=4200 МПА, HRA92 K1c=11 МПа·м1/2, Покрытие	100%	100%	100%	100%	100%
N=1	N=1	N=1	N=1

Как видно из результатов эксперимента, наилучшие показатели по проценту пробивания плиты у пули с сердечником, выполненным из материала, имеющего предел прочности на сжатие 4200 МПа и с углом при вершине 120°, твердость HRA 92, коэффициент интенсивности напряжений K_1c=11 МПа·м^1/2, и имеющим покрытие.

Сердечник бронебойной пули с улучшенной пробивной способностью в виде тела вращения, состоящего из хвостовой части и головной части, имеющей оживальную форму с углом при вершине головной части от 90 до 120°, и вершину головной части, округленной радиусом 0,2-0,6 мм, хвостовик выполнен в виде усеченного конуса, меньший диаметр конуса равен 0,90-0,97 диаметра основания головной части сердечника, а больший диаметр конуса равен диаметру основания головной части сердечника, материалом сердечника является твердый сплав с пределом прочности на сжатие более 4000 МПа, твердостью HRA не ниже 88,5 и коэффициентом интенсивности напряжений K_1c не ниже 8 МП·м^1/2, отличающийся тем, что головная часть имеет размер менее 1,0 мм, а головная часть, вместе с вершиной равна 0,25-0,60 длины сердечника, отрезок, формирующий тыльный объем головной части, в виде усеченного конуса, высотой равной 0,2-0,8 высоты головной части образует угол 10-40° с осью сердечника, а отрезок, формирующий фронтальный объем головной части в виде конуса, отходит от тыльного отрезка и образует угол 25-60° с осью сердечника, хвостовик сердечника имеет форму соединенных между собой цилиндра и/или усеченного конуса, меньший диаметр конуса равен 0,80-0,98 диаметра большего диаметра конуса хвостовика, который равен диаметру цилиндра и головной части сердечника, а длина цилиндрической части составляет 0,01-100 длины усеченного конуса хвостовика, на поверхность сердечника дополнительно нанесено покрытие из карбида, и/или карбонитрида, и/или нитрида металла, входящего в группы 1VB, VB, V1В Периодической таблицы элементов, при этом толщина покрытия вершины головной части составляет 5,0-20,0 мкм, толщина покрытия фронтового участка конуса головной части 2,0-6,0 мкм, толщина покрытия тыльного участка конуса головной части 1,0-1,5 мкм, а толщина покрытия на поверхности хвостовика не более 1,0 мкм.