Brevet FR2633205A1 — publié le 19891229

PROCEDE DE MISE EN FORME DIRECTE ET D'OPTIMISATION DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE PROJECTILES PERFORANTS EN ALLIAGE DE TUNGSTENE A HAUTE DENSITE Cette invention est relative à un procédé de mise en forme directe et d'optimisation des caractéristiques mécaniques de projectiles perforants en alliage de tungstène à haute densité, notamment pour munitions. militaires. Les projectiles perforants utilisés dans les armes militaires ont subi une évolution importante durant ces dernières années. L'utilisation d'alliages de plus en plus denses sur lesquels a été recher- chée une optimisation des caractéristiques mécaniques combinée à une augmentation de la vitesse de tir, a permis d'obtenir des projectiles de plus en plus efficaces. Parmi les alliages, on peut citer: - les alliages à base d'uranium appauvri avec lesquels on peut obtenir une masse volumique voisine de 19000 kg/m3 et une bonne ductilité et dont l'utilisation est rendue attractive par la nécessité de trouver des débouchés aux stocks d'uranium appauvri générés par l'industrie nucléaire; - le carbure de tungstène avec un ajout d'environ 13% à 15% de Cobalt qui a cependant l'inconvénient d'avoir une masse volumique de 14000 kg,/m3 insuffisante pour certaines applications. Par ailleurs, sa faible ductilité peut représenter un handicap pour traverser des cibles multi- ples; - les alliages à base de tungstène élaborés par métallurgie des poudres, c'est-à-dire le tungstène avec ses impuretés habituelles dont la faible ductilité et l'usinage toujours très délicat constituent un handicap pour sa mise en oeuvre, mais aussi le tungstène avec des ajouts volontai- res par exemple de nickel, cuivre, fer, conduisant aux alliages de type WNi-Cu et W-Ni-Fe dont les propriétés peuvent être relativement bien réglées en fonction de leur utilisation. C'est le cas pour les alliages WNi-Cu de masse volumique comprise entre 17500 et 18500 kg/m3 environ qui ont une ductilité moyenne intéressante lorsqu'une fragmenta- tion du projectile est recherchée mais aussi et surtout pour les alliages W-Ni-Fe dont la masse volumique peut être ajustée également entre 17500 et 18500 kg/m3 en agissant sur la teneur en tungstène (93% à 97% en poids) et la ductilité modifiée en fonction du rapport Fe/Ni. L'obtention d'alliages W-Ni-Cu et W-Ni-Fe dénommés aussi "métaux lourds" fait appel à la métallurgie des poudres. Les matières premières utilisées sont constituées par des poudres de chacun des métaux de granulométrie comprise entre 2 et 10 um environ. Celles-ci sont mélangées dans des appareils rotatifs, notamment, de manière à obtenir un produit homogène dont l'analyse répond à la composition visée. Ce mélange est ensuite mis sous forme d'ébauches de profil convenable à l'application recherchée par une opération soit de compression dans une matrice de forme en acier, soit de compression isostatique au cours de laquelle la poudre placée dans un moule en caoutchouc est soumise à l'action d'un fluide de campression dans une enceinte à haute pression. Ces ébauches sont poreuses, de faible densité et fragiles et il est néces- saire de les soumettre à une densification qui s'effectue par frittage entre 1400 et 1600 C environ dans des fours sous atmosphère d'hydrogène. Au cours de cette opération une phase ternaire constituée par les trois métaux en présence se forme par diffusion et devient liquide. Ce liquide enrobe les grains de tungstene et permet une densification complète de l'alliage par un retrait dimensionnel notable de l'ébauche. Les alliages à base de tungstène métal dont on vient de décrire le procédé d'obtention sont susceptibles de présenter une bonne ductilité: grâce à ce-te propriété, il est possible d'améliorer par corroyage leur limite élastique et leur charge de rupture. C'est ainsi par exemple qu'une ébauche réalisée en un alliage contenant er. pcids 93% W, 4,5% Ni et 2,5% Fe qui possède après frittage à 14500 C les caractéristiques suivantes: - masse volumique: 17 500 kg/m3 résistance à 0,2% d'allongement Rp 0,2: 750 MPa - résistance à la rupture Rm: 950 MPa - allongement en %: 25 présente, après un corroyage homogène sous un taux de réduction de la section de 18% environ, les valeurs de résistance suivantes: Rp 0,2: 1100 MPa Rm: 1250 MPa Un tel matériau écroui est utilisé pour réaliser des projectiles sous calibrés destinés à la perforation des blindages, car il possède une haute limite élastique capable de résister aux contraintes dues à l'accélé- ration dans le canon o les vitesses de sortie peuvent atteindre 1400 à 1600 m/sec. Dans ce type d'application, l'ébauche est généralement de forme cylindrique et le corroyage obtenu par martelage au défilé. Pour donner à l'ébauche le profil définitif du projectile, on lui fait alors subir un usinage convenable. Un tel procédé a été décrit dans l'US 3 979 234. Il y est dit que les projectiles en W-Ni-Fe de composition en poids: 85-90% W et telle que Ni/Fe est compris entre 5,5 et 8,2, sont obtenus par compression de poudre, frittage, corroyage avec un taux de réduction de 20% puis usinage final de l'ébauche corroyée. L'invention indique qu'il est ainsi possible d'obtenir une dureté Rockwell de 42 uniforme à plus ou moins une unité près. I1 faut cependant faire remarquer qu'un tel procédé présente deux inconvé- nients majeurs: - d'une part, les opérations d'usinage de l'ébauche après frittage et après corroyage conduisent à une perte relativement importante de matière chère ce qui grève fortement le prix de revient des projectiles sans parler du coût de la main-d'oeuvre qu'elle nécessite: _- d'autre part, l'homogénéité des propriétés des projectiles n'est pas toujours souhaitable. En effet, ces derniers sont soumis au cours de leur utilisation à des sollicitations différentes qui sont: des contraintes mécaniques par choc lors du chargement à cadence rapide dans la culasse du canon 30. des contraintes élastiques très élevées pendant la phase d'accélération dans le canon des contraintes diverses lors de l'impact sur la cible qui peut être composée de couches de matériaux différents et qui provoquent des phéno- mènes de compression, d'écrouissage et d'élévation de températures. Par ailleurs, il est souhaitable que dans la phase finale de perforation, les projectiles puissent se fragmenter afin d'accroître leur capacité de destruction. 4 2633205 Pour toutes ces raisons, il est intéressant de disposer de projectiles présentant des zones aux caractéristiques métallurgiques différentes et optimisées de façon à répondre au mieux aux sollicitations auxquelles ils seront soumis. C'est pourquoi la demanderesse a cnerché et mis au point un procédé qui permette de remédier aux deux inconvénients précités. Ce procédé a donc pour but la mise enr. forme directe, c'est-à-dire sans usinage et l'optimisation des caractéristiques mécaniques de projectiles perforants pour munitions militaires obtenus par mise en oeuvre d'une ébauche en alliage de tungstène présentant un axe de révolution, de masse volumique au moins égale à 1700J kg/m3 caractérisé en ce que l'on soumet ladite ébauche brute d'élaboration et de forme appropriée, à un traitement d'écrouissage à une température comprise entre l'ambiante et 500 C et suivant un taux de réduction de section variable dans une direction paral- lèle à l'axe de l'ébauche. Ainsi, selor. l'inventicnr., or. met en oeuvre un alliage de tungstène de préférence choisi parmi les alliages tels que les W-Ni-C. et les W-Ni- Fe. Ces métaux sont mis sous forme d'ébauches présentant un axe de révolution c'est-à-dire qu'elles sont le plus souvent cylindriques ou cylindro-coni- ques. Ces ébauches or.t une masse volumique au moins égale à 17000 kg/cm3 et sont obtenues par métallurgie des poudres à partir de poudres de tungstène, de nicKel, de fer, de cuivre qui ont été mélangées, compactées sous forme d'ébaucnes et frittées sous atmospnère d'nydrogène entre 1400 et 1600 C, c'est-àdire dans des conditions qui jointes à la nature de l'alliage permettent d'obtenir des produits ductiles qui ne risquent pas de se dégrader lors de l'écrouissage. Mais ce qui caractérise l'invention, c'est que les ébauches brutes d'élabora- tion, c'est-à-dire obtenues après frittage sans aucun usinage préalable destiné à leur donner le profil définitif du projectile, sont soumises à un traitement d'écrouissage. *2633205 Ce traitement s'opère sur des ébauches soit à froid, soit après réchauffage préalable modéré et ne dépassant pas 500 C. Ce réchauffage dépend de la nature de l'alliage et permet de réduire pour certains d'entre eux l'effort à appliquer pour obtenir le taux d'écrouissage souhaité. Dans ces conditions, le matériau qui les constitue étant relativement ductile se prête bien à la déformation et on peut ainsi lui donner le profil souhaité pour le projectile sans avoir recours initialement à un usinage et lui conférer en même temps une résistance mécanique beaucoup plus élevée. Toutefois, à la différence de l'art antérieur, cet écrouissage est réglé dans les différentes sections de l'ébauche perpendiculaires à son axe de révolution suivant un taux particulier dépendant de la forme de l'ébau- che de manière à obtenir tout au long du projectile des caractéristiques mécaniques adaptées c'est-à-dire optimisées aux contraintes hétérogènes subies par le projectile au cours de ses phases actives. Ainsi, le taux de réduction de la section initiale S à la section finale s de l'ébauche défini par le rapport (S-s)/S x 100 peut varier de 5% à 60%. Si ur. objet de l'invention est de soumettre directement à un traitement d'écrouissage l'ébauche brute d'élaboration et de forme appropriée, le procédé selon l'invetion s'applique de la même façon à une ébauche de forme appropriée obtenue par usinage d'une ébauche brute d'élaboration, généralement de forme géométrique simple, cylindre, parallélépipède... selon l'art antérieur. Dans ce cas, une partie de l'intérêt économique du procédé que constitue la suppression de l'usinage de l'ébauche frittée avant corroyage est perdue mais sans remettre en cause pour autant l'objet essentiel du procédé et les avantages, notamment technologiques, qui en découlent. Quant au fait de ne pas usiner après écrouissage, outre l'intérêt qu'il présente d'éviter des frais de main-d'oeuvre et d'entretien de matériel et des pertes en matériau relativement cher, il permet de maintenir à la surface du projectile des couches superficielles en compression ce qui améliore fortement sa résistance aux différentes sollicitations élasti- ques. 6 2633205 L'opération d'écrouissage est obtenue par tout procédé approprié de préfé- rence par un martelage rotatif de l'ébauche de façon à développer des caractéristiques mécaniques présentant une symétrie axiale. Ce martelage peut être réalisé au moyen de différents dispositifs tels que par exemple ure machine de martelage rotatif et alternatif équipée d'un outillage de mise en forme comportant au moins deux marteaux. Ainsi, on peut utiliser, par exemple, un outillage à 4 marteaux dont le profil est défini par la forme du projectile souhaité. La cadence de frappe des marteaux est d'env;. de 2000 à 2500 coups par minute. Les marteaux sont réalisés en acier rapide m. r des séries importan- tes, leur élaboration en carbure de tungstèi avère plus judicieuse pour maîtriser les phénomènes d'usure et les tcLérances dimensionnelles visées sur le projectile. Pour limiter l'effort de la machine, les ébauches sont préchauffées avant martelage à une température comprise entre 250GC et 500 C suivant les matériaux concernés et les taux d'écrouissage exercés. L'ébauche est introduite dans l'outillage par un système de poussoir permettant de la maintenir entre pcntes et assurant, à l'aide d'un vérin, la translation du projectile dans 'axe de l'outillage avec une vitesse variable compatible avec les corntraintes de rétreint exercées. La course des marteaux peut être réglée avec précision afin d'obtenir les taux d'écrou.ssage visés et les tolérances dimensionnelles exigées sur les différentes parties du projectile. Les cotes sur le diamètre peuvent être maîtrisées sans difficulté avec une tolérance de t 0,05mm. Afin d'apprécier les variations obtenues dans les caractéristiques mécani- ques en fonction du taux d'écroissage, cn donne ci-dessous dans le Tableau I les résultats, obtenus sur des éprouvettes de 15mm de diamètre correspon- dant à 3 types d'alliages de tungstène, de mesure de dureté Vickers HV30 en fonction des points de mesure par rapport à l'axe du barreau. 7 2633205 TABLEAU I :: All.W-Ni-Fe(93% W): All.W-Ni-Fe(95% W): All.W-Ni-Fe(97% W): :: Taux de corroyage: Taux de corroyage: Taux de corroyage: :: 6 % : 10%: 15%: 6%: 10%: 15%: 6%: 10%: 15%: : Distance à:Dureté:Dureté:Dureté:Dureté:Dureté:Dureté:Dureté:Dureté:Dureté: : l'axe en mm: HV30: HV30: HV30: HV30: HV30: HV30: HV30: HV30: HV30: : 0: 400 : 435: 476:422 : 457: 487: 436: 476: 527: : 2: 412 : 442: 481: 429: 464: 492: 441: 482: 532: : 5: 422 : 454: 486: 438: 471: 498: 467: 494: 538: : 7: 438 : 476: 499: 459: 484: 519: 489: 508: 550: On constate que: - l'évolution de la dureté est une fonction directe de la concentration en tungstène de l'alliage d'une part, et du taux d'écrouissage applique, d'autre part. - à l'intérieur du matériau, la dureté respecte une fonction croissante allant du centre de l'éprouvette aux couches extérieures superficielles. - cette évolution du centre vers le bord n'est pas linéaire mais devient plus rapide en périphérie et ceci d'autant plus que le taux de corroyage appliqué est élevé. Pour les trois types d'alliages considérés, on constate que: Pur un Laux de corroyage de 6%, l'écart moyen L/ HV30 de 0 à 5 mm est supérieur à celui de 5 à 7 mm, 25. alors qu'il lui est équivalent pour un taux de corroyage de 10%, et qu'il lui est inférieur pour un taux de corroyage de 15% ce que confirme l'intérêt de ne pas éliminer ou détériorer, par usinage, les couches superficielles du matériau obtenues après écrouissage. L'invention peut être illustrée à l'aide des 3 exemples d'application suivants qui seront mieux compris à l'aide des 9 figures ci-jointes. Ces figures représentent des coupes axiales des ébauches avant et après martelage sur lesquelles sont indiquées les valeurs de dureté mesurée 8 2633205 en différents points ainsi que le profil de l'outillage utilisé pour le martelage. Les figures 1-2-3 correspondent à l'Exemple 1, les figures 4-5-6 à l'Exemple 2 et les figures 7-8-9 à l'Exemple 3. EXEMPLE 1: Alliaqe de tunqstène-nickel-fer à 93% de Tungstène On réalise un mélange de poudres contenant en poids: - 93 % de tungstène pur - 4,5 % de nickel pur - 2,5 % de fer pur. Les ébauches sont obtenues par compression isostatique à 2000 bars du mélange de poudre dans des moules de forme homothétique à celle représentée fig.2. Elles sont ensuite placées sur des plateaux en alumine et frittées dans un four de passage sous atmosphère d'hydrogène à 1460 C. Après un traitement des ébauches sous vide à 1100 C, on note sur des éprouvettes les caractéristiques suivantes: - Rp 0,2 = 750 MPa environ Rm= 950 MPa environ - A % = 25 environ - masse volumique = 17600 kg/m3 environ. On procède er.suite à la mise en forme dans une macnine à marteler à 4 marteaux dont le profil est représenté sur la fig.1. Darns cet exemple, rcn a cherché à cntenir une dureté élevée à l'avant du projectile (pcinte), une bonne ductilité dans la partie médiane du projectile et une aptitude à la fragmentation dans la partie arrière du projectile. Les marteaux de frappe ont été réalisés en acier rapide. Les ébauches ont été préchauffées à environ 350 C avant martelage. Pour limiter les contraintes d'écrouissage, l'opération a été exécutée en deux passages successifs entre les marteaux. Les outillages ont été réglés, lors du premier passage, à un taux de - réduction d'environ 25% sur les sections les plus écrouis. Après le deuxième passage, on a procédé à un traitement thermique, sous argon, à environ 550 C. 9 2633205 L'évolution des formes du projectile et de la dureté HV30 avant et après martelage, est donnée sur les fig. 2 et 3. EXEMPLE 2: Alliage de tungstène-nickel-fer à 95% de W On réalise un mélange de poudres contenant en poids: - 95% de tungstène pur - 3,2 % de nickel pur - 1,8 % de fer pur. Les ébauches sont comprimées dans une enceinte isostatique à 2000 bars dans des moules de forme en caoutchouc homothétique de la forme de l'ébau- che représentée fig.4. Elles sont ensuite frittées dans un four à passage sous hydrogène à 1510 C. Après traitement des ébauches sous vide à 1100 C, on obtient sur éprouvet- tes les caractéristiques suivantes: - Rp 0,2 = 720 MPa environ -Rm = 940 MPa environ - A % = 25 % environ - masse volumique = 18000 kg/m3 environ. On procède ensuite à l'opération du martelage en utilisant la machine citée dans l'Exemple I. Le profil des marteaux adapté à ce type de projec- tile est défini par la fig.4. Dans cet exemple, on a recherché une dureté élevée dans la pointe du projectile, une élasticité élevée dans sa partie médiane et une ductilité élevée à l'arrière. Les marteaux de frappe ont été réalisés en acier rapide. Les ébauches ont été préchauffées à environ 400 C avant martelage. L'opération de martelage a été exécutée en un seul passage. On a procédé ensuite à un traitement thermique, sous argon, à environ 8600C. L'évolution des formes du projectile et de la dureté HV30, avant et après martelage, est donnée sur les fig. 5 et 6. 2633205 EXEMPLE 3: Alliage de tungstène-nickel-fer à 98% de W On réalise un mélange de poudres contenant en poids: - 96,85% de tungstène pur - 2,15% de nickel pur - 1,00 % de fer pur. Les ébauches sont comprimées dans une enceinte isostatique à 2000 bars dans des moules de forme en caoutchouc dont la forme est homothétique de l'ébauche représentée fig.7. Elles sont ensuite frittées dans un four à passage sous hydrogène à 1600 C. Après un traitement sous vide à 1100 C, on obtient sur éprouvettes les caractéristiques suivantes: - Rp 0,2 = 740 MPa environ - Rm = 960 MPa environ - A % = 17 environ - masse volumique = 18500 Kg/m3 environ. On procède ensuite à l'opération de martelage en utilisant la machine citée dans l'Exemple I. Le profil des marteaux adapté à ce type de noyau est défini par la fig.7. Dans cet exemple, on a recnerché une dureté maximum dans la pointe du projectile, une dureté élevée combinée avec une ductilité importante dans sa partie médiane, une ductilité maximum à l'arrière. Les marteaux de frappe ont été réalisés en carbure de tungstène. Les ébauches ont été précnauffées à environ 4500C. L'opération de martelage a été exécutée en deux passes successives. On a procédé ensuite à un traitement thermique sous argon à environ 450 C. L'évolution des formes du projectile et de la dureté HV30, avant et apres martelage, est donnée sur les fig. 8 et 9. On peut constater que l'opération de martelage a permis d'augmenter les valeurs des duretés et de les rendre hétérogènes notamment le long du projectile. *1 - 2633205 REVENDICATIONS 1. Procédé de mise en forme directe et d'optimisation des caractéristiques mécaniques de projectiles perforants, notamment pour munitions militai- res dans lequel on met en oeuvre une ébauche en alliage de tungstène ductile, présentant un axe de révolution, de masse volumique au moins égale à 17000 kg/m3 caractérisé en ce que l'on soumet ladite ébauche, brute d'élaboration et de forme appropriée, à un traitement d'écrouis- sage à une température comprise entre l'ambiante et 500 C et suivant un taux de réduction de section variable dans une direction parallèle à l'axe de l'ébauche. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ébauche de forme appropriée est obtenue par usinage d'une ébauche brute d'élabo- ration. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'ébauche brute d'élaboration est une ébauche obtenue à partir d'un mélange de poudres appartenant au groupe constitué par les poudres de W-Ni- Fe et W-NiCu, qui a été comprimé dans un moule de forme puis fritté sous hydrogène entre 1400 et 1600 C. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le taux de réduction de section dans une direction parallèle à l'axe de l'ébauche peut varier de 5% à 60%. 5. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le traite- ment d'écrouissage est obtenu par un martelage rotatif. 6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le martelage rotatif est obtenu au moyen d'une marteleuse à effet rotatif alternatif équipée d'un outillage de mise en forme comportant au moins deux marteaux.