BRPI0807180A2

BRPI0807180A2 - Pó de ferro de liga de difusão

Info

Publication number: BRPI0807180A2
Application number: BRPI0807180-2A
Authority: BR
Inventors: Arvidsson Johan; Söderhjelm Hans
Original assignee: Höganäs Ab Publ
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2014-05-27
Also published as: CA2675104A1; EP2111317A4; CN101588883B; WO2008091210A1; CN101588883A; US20100043662A1; EP2111317A1

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PÓ DE FER- RO DE LIGA DE DIFUSÃO".

CAMPO TÉCNICO

A invenção refere-se a um pó de metal adequado para produzir balas livres de chumbo, em particular balas tendo uma densidade de apro- ximadamente 8 a 15 g/cm3.

ANTECEDENTES

O efeito de envenenamento de contaminação por chumbo sobre o ambiente com ênfase sobre o solo e a água tem estado em foco durante as últimas décadas. Em muitos países curta munição contendo chumbo foi proibida.

Devido a uma série de fatores tais como disponibilidade, preço e propriedades do material, o chumbo tem sido o material dominante para fa- bricação de bala e cápsula de disparo. A densidade do chumbo em tempera- 15 tura ambiente é 11,35 g/cm3, a qual é comparavelmente elevada em relação a muitos outros materiais. A densidade elevada permite que projéteis à base de chumbo mantenham uma maior energia cinética e padrão de vôo mais preciso sobre distâncias longas do que a materiais menos densos.

Além disso, desde que projéteis de chumbo têm dominado o 20 mercado, seria uma vantagem se uma bala alternativa tivesse uma densida- de similar a projéteis de chumbo minimizando as diferenças nas trajetórias de longo alcance e no coice das armas de fogo ao disparar. Deste modo o atirador sabe onde mirar e o coice consistente com o disparo de um projétil de chumbo de modo que a "sensação" do disparo seja a mesma que a do 25 disparo de uma bala de chumbo.

Além disso, com referência a balas de caça, uma importante demanda é também que a bala deve expandir e causar lesão fatal ao pene- trar no animal selvagem. Esta condição é satisfeita com chumbo uma vez que este elemento é muito maleável e tem alto grau de deformabilidade.

No entanto, para algumas aplicações como, por exemplo, caça

de ave, se desejaria minimizar a expansão da bala e portanto são usadas comumente balas com camisa metálica. Para disparo de competição a pre- * cisão é importante e a deformabilidade das balas não é necessária para este tipo de bala.

Portanto é desejável proporcionar uma bala mais ambientalmen- te amigável a qual tenha uma densidade similar ao chumbo. No entanto, e- 5 Iementos alternativos com alta densidade são escassos, e no momento so- mente são usados comercialmente tungstênio (W) e bismuto (Bi) para pro- dução de munição livre de chumbo com alta densidade. O tungstênio tem uma densidade de 19,8 g/cm3 e seus efeitos tóxicos do tungstênio são con- siderados comparavelmente limitados. Além disso seria vantajoso se os cus- 10 tos de balas semelhantes pudessem ser mantidos baixos. O preço para o tungstênio é muito dependente da pureza e do tamanho da partícula e estão disponíveis no mercado pós atomizados muito caros. No entanto, óxido de tungstênio (W03) o qual é um produto intermediário na produção do W, é comparavelmente econômico.

15 A patente dos Estados Unidos N0 5.527.376 reivindica um projé-

til de armas pequenas ou de péletes de tiro compreendendo 40% em peso a 60% em peso de tungstênio e de 60% em peso a 40% em peso de ferro pre- parado sinterizando pós contendo tungstênio tendo tamanhos de partícula médios abaixo de cerca de 6 mícrons em uma temperatura suficiente para k 20 formar um material consistindo essencialmente em um composto intermetáli- co de tungstênio e ferro, um projétil compreendendo 40 a 60% em peso de W e 60 a 40% em peso de Fe, formado sinterizando pó contendo tungstênio.

A patente dos Estados Unidos N0 5.950.064 apresenta um mé- todo para a fabricação de cargas livres de chumbo com uma densidade igual 25 ou maior à do chumbo. Ferrotungstênio (tipicamente 70% a 80%, em peso, de tungstênio e o restante ferro) e outras ligas de ferro-tungstênio são mais preferenciais devido a um custo relativamente baixo quando comparados com metais de tungstênio e outras ligas à base de tungstênio.

A patente dos Estados Unidos N0 5.399.187 mostra uma bala Ii- 30 vre de chumbo, compreendendo: um composto compactado contendo um primeiro constituinte de alta densidade selecionado entre o grupo consistindo em tungstênio, carboneto de tungstênio, ferrotungstênio e misturas dos mesmos; e um segundo constituinte de menor densidade selecionado entre o grupo consistindo em estanho, zinco, alumínio, ferro, cobre, bismuto e mis- turas dos mesmos.

A patente dos Estados Unidos N0 6.823.798 descreve processos de fabricação para artigos que são formados a partir de composições de substância que incluem pós contendo tungstênio e no mínimo um aglutinan- te.

A patente dos Estados Unidos N0 6.112.669 descreve um projé- til livre de chumbo preparado a partir de uma composição contendo cerca de 5 a 25% em peso de tungstênio e mais de cerca de 97% em peso de tungs- tênio mais ferro.

A patente dos Estados Unidos N0 6.527.880 descreve um carga não-tóxica tendo uma composição de 20 a 70% de W, 10 a 70% de Ni e 0 a 55% de Fe.

A patente dos Estados Unidos N0 6.640.724 descreve um méto-

do para fabricar um projétil frangível a partir de uma mistura de pós tendo uma composição que consiste essencialmente em até 35% de ferrotungstê- nio, até 3% de lubrificante, e o restante ferro. A mistura é compactada em uma pressão de entre cerca de 138 MPa e cerca de 827 MPa para formar 20 um sólido. O sólido é opcionalmente sinterizado em uma temperatura não maior do que cerca de 900°C.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

Um objeto da invenção é proporcionar um pó à base de ferro e uma composição de pó a qual é adequada para fabricar munição livre de chumbo. Um objetivo adicional é proporcionar um projétil não-tóxico fabrica- do a partir do pó à base de ferro referido.

Vários objetivos adicionais da presente invenção, os quais po- dem ser atingidos individualmente ou em grupos de acordo com vários as- pectos da presente invenção, são:

-que o projétil pode ser fabricado para ter uma densidade na fai-

xa de aproximadamente 8 a 15 g/cm3, preferencialmente na faixa de aproxi- madamente 10 a 13 g/cm3, mais preferencialmente na faixa de aproximada- * mente 10,5 a 12 g/cm3, e ainda mais preferencialmente uma densidade de aproximadamente 11,3 a 11,8 g/cm3;

-que o material do projétil é não-tóxico ou no mínimo menos tó- xico do que o chumbo para os animais selvagens e o ambiente;

5 -que o projétil pode ser tornado magnéticos para fins de leis de

caça;

-que o projétil terá menos probabilidade de fraturar ou desinte- grar no ímpacto-alvo;

-que o projétil terá menos probabilidade de expandir ou defor- 10 mar no impacto-alvo;

-que o projétil o qual, em virtude de propriedades ferromagnéti- cas, pode ser prontamente recuperado para reuso;

-que o projétil pode ser fabricado em custos comparavelmente

baixos;

15 -que o pó à base de ferro pode ser produzido em custos compa-

ravelmente baixos; e

-que o(s) elemento(s) de liga no pó à base de ferro são disper- sados uniformemente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO k 20 No mínimo um dos objetivos mencionados acima são resolvidos

proporcionando um pó de ferro atomizado de liga de difusão tendo tungstê- nio ligado às superfícies das partículas de pó, cujo pó de ferro de liga de di- fusão compreende 30 a 60% em peso de tungstênio, o restante essencial- mente somente ferro e impurezas inevitáveis.

Foi demonstrado que o pó de liga de difusão da invenção é a-

dequado para produzir balas livres de chumbo, em particular quando o pó de liga de difusão é misturado com grafita em uma quantidade de 1 a 4% em peso de C.

Portanto é proposta uma composição de pó metalúrgico, cuja 30 composição compreende: no mínimo 90 por cento em peso do pó de ferro de liga de difusão da invenção e cerca de 0,05 a cerca de 2 por cento em peso de um lubrificante e opcionalmente cerca de 0,05 a cerca de 2 por cento em peso de um aglutinante. Preferencialmente a composição compreende adi- cionalmente 1 a 4% em peso de C sob a forma de Grafita.

Adicionalmente um processo para produzir um pó de ferro ato- mizado de liga de difusão o qual compreende: 30 a 60% em peso de tungs- 5 tênio, o restante essencialmente somente ferro e impurezas inevitáveis, o processo referido compreende; a) misturar um óxido de tungstênio e um pó de ferro atomizado, b) e recozer a mistura da etapa a) sob uma atmosfera redutora por meio da qual o óxido de tungstênio é reduzido e tungstênio é ligado às superfícies das partículas de pó de ferro do pó de ferro.

Preferencialmente na etapa b) do processo para produzir o pó

de ferro de liga de difusão; o recozimento é realizado em uma temperatura de no mínimo 800°C, mais preferencialmente no mínimo 900°C e em uma temperatura abaixo de 1500°C, mais preferencialmente abaixo de 1200°C. O recozimento é realizado preferencialmente durante no mínimo 30 minutos,

mais preferencialmente no mínimo 45 minutos.

Preferencialmente na etapa b) do processo para produzir o pó de ferro de liga de difusão; a atmosfera reduzida compreende essencialmen- te hidrogênio.

Adicionalmente um método para produzir uma bala compreen-

dendo:

a) proporcionar uma composição metalúrgica de pó incluin- do 1) um lubrificante, 2) um pó de ferro de liga de difusão compreendendo 30 a 60% em peso de W e no mínimo 40% em peso de Fe, e 3) 1 a 4% em peso de C sob a forma de grafita,

b) formar uma estrutura verde a partir da composição meta-

lúrgica de pó; e

c) sinterizar a estrutura verde em uma atmosfera redutora ou neutra, em uma pressão atmosférica ou abaixo, e em uma temperatura acima de 1100°C.

Preferencialmente na etapa b) do método para produzir a bala; a

estrutura verde é formada por compactação a frio da mistura, onde preferen- cialmente a pressão de compactação está dentro da faixa de 500 a 1500 MPa, mais preferencialmente no mínimo 800 Mpa, e onde preferencialmente a temperatura durante a compactação é abaixo de 100°C.

Alternativamente na etapa b) do método para produzir a bala, a estrutura verde é formada por compactação a quente da mistura, onde prefe- 5 rencialmente a pressão de compactação está dentro da faixa de 500 a 1500 MPa, preferencialmente no mínimo 800 Mpa, e onde preferencialmente a temperatura durante a compactação está dentro da faixa de 100 a 200°C.

Preferencialmente na etapa c) do método para produzir a bala, a temperatura de sinterização é na faixa de 1100°C a 1400°C.

10 A densidade sinterizada da bala, produzida de acordo com a ba-

la, preferencialmente tem uma densidade de no mínimo 10 g/cm3, mais pre- ferencialmente no mínimo 11 g/cm3. As balas referidas são adequadas como balas de espingarda de caça e balas de caça.

A bala pode ser revestida com uma camisa do grupo consistindo 15 em estanho, zinco, cobre, bronze e plástico.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A figura 1 é uma ilustração metalográfica mostrando a estru- tura sinterizada de uma liga de W/FE/C de acordo com a presente invenção, a figura 2 é uma ilustração metalográfica mostrando as par- ^ 20 tículas de W embutidas na matriz de Fe-C de uma liga de W/FE/C de acordo com a presente invenção, e

a figura 3 é uma ilustração metalográfica mostrando a estru- tura sinterizada de uma bala fabricada a partir de um pó de liga de difusão da invenção.

25 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Foram preparados três pós de ferro de liga de difusão - referi- dos, no presente pedido, como DA 1, DA 2 e DA 3. Isto foi feito misturando 227 gramas de W03, da empresa H.C. Starck, e 120 gramas de diferentes pós de ferro, pó de ferro 1, pó de ferro 2 e pó de ferro 3 - a numeração dos 30 pós de ferro correspondendo à numeração dos pós de ferro de liga de difu- são. Isto é, DA 1 foi preparado a partir do pó de ferro 1 e assim por diante. Os pós de ferro são mostrados na Tabela 1 e os pós de liga de difusão são mostrados na Tabela 2.

O pó de W03 da H.C. Starck tinha as seguintes propriedades:% em peso de WOS = 99,9, AD 4,8 g/cm3, dg0 = 29 μιτι e dso = 12 pm.

Tabela 1

Pó Composição D50 D90 Comentários química Pó de ferro pó 1 Fe >99% em 34 45 Atomizado a água. reco¬ peso zido Pó de ferro 2 Fe >99% em 38 63 Pó bruto não recozido, peso esponjoso Pó de ferro pó 3 Fe >99% em 33 55 Pó bruto não recozido, peso atomizado a água Respectivamente mistura de pó de ferro 1, 2 e 3 e W03 onde

tratadas com calor em uma fornalha contínua durante 60 minutos em uma temperatura de 1000°C, a atmosfera sendo 100% de Hidrogênio. Durante este tratamento térmico, as partículas finas do pó de W03 se ligam às partí- culas de pó de ferro mais grossas. Depois de esfriar as tortas macias resul- 10 tantes foram moídas, e aproximadamente 300 gramas dos pós de liga de difusão, DA 1, 2 e 3, foram obtidos respectivamente. Análise química mos- trou que os pós de liga de difusão resultantes DA 1, 2 e 3 compreendiam 40% em peso de Fe, 60% em peso de W e impurezas inevitáveis.

Tabela 2

Pó Pó de base W Fe D50 D90 DA 1 Pó de ferro 1 60% em peso 40% em peso 34 46 DA 2 Pó de ferro 2 60% em peso 40% em peso 36 64 DA 3 Pó de ferro 3 60% em peso 40% em peso 33 55 Uma série de composições foram testadas. Para cada composi-

ção foram produzidas amostras de teste enchendo uma fôrma (10 mm de diâmetro e 2 mm de espessura) com as composições de pós metalúrgicos mostradas na Tabela 3. Estas amostras foram então compactadas em uma pressão de compactação de 1000 Mpa seguida por sinterização em uma 20 atmosfera de 100% de Hidrogênio durante 1 hora e em uma temperatura de 1325°C. Para cada composição a densidade verde e a densidade sinteriza- da foram medidas como médias de suas amostras de teste correspondentes. O objetivo foi criar algum tipo de sinterização de fase líquida e os aditivos FeSi1 FeB1 C e níquel de carbonil foram avaliados conforme visto na Tabela

3.

‘abela 3 Composição Compac¬ Densidade Condição de Densidade tação verde sinterização sinterizada [MPa] [g/cm3] A: 1000 8,47 1325 °C, 1 h, 11,7 1 % em peso de Ke- H2 nolube®, 2% em pe¬ so de C-UF1 bal. DA 1 B: 1000 8,84 1325 °C, 1 h, 8,72 1 % em peso de Ke- H2 nolube®, 1 % em pe¬ so de níquel de car¬ bonil, bal. DA 1 C: 1000 8,16 1325 °C, 1 h, 9,17 1 % em peso de Ke- H2 nolube®, 15% em peso de FeB, bal. DA 1 D: 1000 7,74 1325 °C, 1h, 10,1 1 % em peso de Ke- H2 nolube®, 12% em peso de FeSi, bal. DA 1 E: 1000 8,42 1325 °C, 1h, 11,4 1 % em peso de Ke- H2 nolube®, 2% em pe¬ so de C-UF, bal. DA 2 F: 1000 8,47 1325 °C, 1 h, 11,6 1 % em peso de Ke- H2 nolube®, 2% em pe¬ so de C-UF, bal. DA 3 Conforme pode ser visto na Tabela 3 os melhores resultados fo- ram obtidos para a composição A, E e F - todas sendo misturadas com 2% em peso de C sob a forma de Grafita (grau UF). A maior densidade de sinte- rização foi obtida para a composição A1 no entanto a composição EeF se- guiram de perto. Estes resultados mostram claramente que um pó de ferro tendo tungstênio ligado às superfícies das partículas de pó de ferro pode atingir uma densidade de bala similar às balas de chumbo e seria portanto uma alternativa adequada para produzir balas livres de chumbo - em particular 5 ao msiturar grafita à composição metalúurgica de pó de modo a facilitar a sinterização em fase líquida.

A figura 1 e a figura 2 mostram ilustrações metaIográficas para a composição A. Na figura 1 pode ser visto que a porosidade é mais pronunci- ada no centro da amostra e a figura 2 mostra como as partículas de W estão embudias na matriz de Fe-C.

É óbvio que otimizando o processo de produção o teor de tungs- tênio pode ser adicionalmente reduzido - para uma densidade sinterizada de 11,8 g/cm3 o teor de tungstênio teórico é aproximadamente 30% em peso. Adicionalmente, é provável que otimizando o processo a temperatura de sin- 15 terização também possa ser reduzida, preferencialmente abaixo de 1250°C enquanto ainda mantendo sinterização em fase líquida.

Portanto, de acordo com a presente invenção um projétil produ- zido a partir do pó da invenção pode ter uma densidade na faixa de aproxi- madamente 8 a 15 g/cm3, preferencialmente na faixa de aproximadamente 20 10 a 13 g/cm3, mais preferencialmente na faixa de aproximadamente 10,5 a 12 g/cm3, e ainda mais preferencialmente uma densidade de aproximada- mente 11,3 a 11,8 g/cm3. No entanto, deve ser entendido que o projétil da invenção pode ter uma densidade fora destas faixas ilustrativas e dentro de subgrupos adicionais destas faixas.

A figura 3 mostra ilustrações metalográficas de uma bala produ-

zida a partir da composição A da Tabela 3. A porosidade reduz a tendência para ricochetes bem como melhora a aderência do lubrificante posto sobre a superfície.

Adicionalmente, se os projéteis forem encamisados, pode ser feita compactação na camisa e sinterizados na mesma. Alternativamente, os projéteis podem ser compactados e sinterizados antes de serem inseridos dentro das camisas. Se os projéteis são revestidos, seriam revestidos depois compactação e sinterização.

Claims

1. Pó de ferro de liga de difusão caracterizado em que tungstê- nio W é ligado às superfícies das partículas de um pó de ferro atomizado ou à base de ferro, o pó de ferro atomizado de liga de difusão compreende por percentagem em peso:30 a 60 W, o restante essencialmente somente ferro e impurezas inevitáveis.

2. Pó de ferro de liga de difusão de acordo com a reivindicação 1, em que o pó de ferro atomizado ou à base de ferro é um pó atomizado à água.

3. Pó de ferro de liga de difusão de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, em que o pó de ferro atomizado ou à base de fer- ro é um pó de ferro atomizado esponjoso.

4. Composição de pó metalúrgico a qual compreende: no míni- mo 90 por cento em peso de um pó de ferro atomizado de liga de difusão e cerca de 0,05 a cerca de 2 por cento em peso de um lubrificante e opcional- mente cerca de 0,05 a cerca de 2 por cento em peso de um aglutinante, os pesos com base no peso total da composição de pó metalúrgico caracteriza- da pelo fato de que o pó de ferro atomizado de liga de difusão é um pó de ferro atomizado ou uma à base de ferro tendo tungstênio W ligado às super- fícies das partículas de pó de ferro ou à base de ferro, o pó de ferro atomi- zado de liga de difusão compreende por percentagem em peso: 30 a 60 W, o restante essencialmente somente ferro e impurezas inevitáveis.

5. Composição de pó de acordo com a reivindicação 4, em que a composição compreende 1 a 4% em peso de carbono C sob a forma de Gra- fita.

6. Processo para produzir um pó de ferro atomizado de liga de difusão a qual compreende em% em peso: 30 a 60 W, o restante essencialmente somente ferro e impurezas inevitáveis, o processo referido compreende: a) misturar um óxido de tungstênio e um pó de ferro atomizado, e b) recozer a mistura da etapa a) sob uma atmosfera redutora por meio da qual o óxido de tungstênio é reduzido e tungstênio é ligado às su- perfícies das partículas de pó de ferro do pó de ferro.

7. Processo de acordo com a reivindicação 6, em que na etapa b) o recozimento é realizado por no mínimo 30 minutos, preferencialmente no mínimo 45 minutos.

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 ou 7, em que na etapa b) o recozimento é realizado em uma temperatura de no mínimo 800°C, preferencialmente no mínimo 900°C e em uma temperatu- ra abaixo de 1500°C, preferencialmente abaixo de 1200°C.

9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a8, em que na etapa b) a atmosfera reduzida compreende essencialmente hidrogênio.

10. Método para produzir uma bala compreendendo: a) proporcionar um composição de pó metalúrgico incluindo 1) um lubrificante, 2) um pó de ferro atomizado de liga de difusão compreendendo a 60% em peso de W e no mínimo 40% em peso de Fe, e 3) 1 a 4% em peso de C sob a forma de grafita, k 20 b) formar uma estrutura verde a partir da composição de pó meta- lúrgico; e c) sinterizar a estrutura verde em uma atmosfera redutora ou neu- tra, em uma pressão atmosférica ou abaixo, e em uma temperatura acima de 11OO0C.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, em que em b) a estrutura verde é formada por compactação a frio da mistura, onde preferen- cialmente a pressão de compactação é dentro da faixa de 500 a 1500 MPa, preferencialmente no mínimo 800 Mpa, e onde preferencialmente a tempera- tura durante a compactação é abaixo de 100°C.

12. Método de acordo com a reivindicação 10, em que em b) a estrutura verde é formada por compactação a quente da mistura, onde prefe- rencialmente a pressão de compactação é dentro da faixa de 500 a 1500 MPa1 preferencialmente no mínimo 800 Mpa, e onde preferencialmente a temperatura durante a compactação é dentro da faixa de 100 a 200 °C.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, em que em c) a temperatura de sinterização é na faixa de 1100°C a1400°C.

14. Bala fabricada metalurgicamente de pó, caracterizada pelo fato de que a bala compreende por percentagem em peso: 30 a 60 de W, 1 a 4% em peso de C, o restante essencialmente somente ferro e impurezas inevitáveis.

15. Bala de acordo com a reivindicação 14, em que a densidade sinterizada da bala é no mínimo 10 g/cm3, preferencialmente no mínimo 11 g/cm3.

16. Bala de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 ou15, em que a bala é revestida com uma camisa selecionada entre o grupo consistindo em estanho, zinco, cobre, bronze e plástico.

17. Bala de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 ou15, em que a bala é uma bala de espingarda de caça.

18. Bala de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, em que a bala é uma bala de caça.