(57)【要約】【課題】金属母材と、金属母材中に分散された強化用金属粒子とを含む低環境負荷弾体を製造するための鉛に代替する複合材料を提供すること。【解決手段】  本発明は、低環境負荷ＯＤＳ（酸化物分散強化）型複合材料であって、  ａ）亜鉛−ビスマス合金、亜鉛−アルミニウム合金、錫−ビスマス合金または亜鉛−錫合金のいずれかの金属合金と、アルミニウム、ビスマスおよびこれらの組み合わせから選択される金属とにより形成された金属母材と、ｂ）金属母材中に分散された強化用金属粒子であって、金属母材に添加される前に酸化されたタングステン、フェロタングステン、炭化フェロタングステン、炭化タングステン、酸化タングステンおよび酸化フェロタングステンから選択される強化用金属粒子とを含む複合材料を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
低環境負荷弾体を製造するための複合材料であって、
ａ）亜鉛−ビスマス合金、亜鉛−アルミニウム合金、錫−ビスマス合金または亜鉛−錫合金のいずれかの金属合金と、アルミニウム、ビスマスおよびこれらの組み合わせから選択される金属とにより形成された金属母材と、
ｂ）前記金属母材中に分散された強化用金属粒子であって、前記金属母材に添加される前に酸化されたタングステン、フェロタングステン、炭化フェロタングステン、炭化タングステン、酸化タングステンおよび酸化フェロタングステンから選択される強化用金属粒子と
を含むことを特徴とする複合材料。
【請求項２】
請求項１に記載の複合材料であって、
ビスマスが、前記金属合金の総重量に対して、０．１〜１０重量％の割合であることを特徴とする複合材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載の複合材料であって、
アルミニウムが、前記金属合金の総重量に対して、０．１〜１０重量％の割合であることを特徴とする複合材料。
【請求項４】
請求項２または３に記載の複合材料であって、
前記金属母材が、前記金属合金の総重量に対して、２〜４４重量％のビスマスと５６〜９８重量％の亜鉛を含む亜鉛−ビスマス合金、または７５〜９５重量％の亜鉛と５〜２５重量％のアルミニウムを含む亜鉛−アルミニウム合金、または７１〜９９重量％のビスマスと１〜２９重量％の錫を含むビスマス−錫合金、または１〜９９重量％の亜鉛と９９〜１重量％の錫を含む亜鉛−錫合金により形成されていることを特徴とする複合材料。
【請求項５】
先行する請求項のいずれか一項に記載の複合材料であって、
前記強化用金属粒子が、１〜５００μｍの平均直径を有することを特徴とする複合材料。
【請求項６】
先行する請求項のいずれか一項に記載の複合材料であって、
前記金属母材と前記強化用金属粒子の割合は、０〜１．５のいずれかであることを特徴とする複合材料。
【請求項７】
先行する請求項のいずれか一項に記載の複合材料であって、
前記金属母材が、アンチモン、鉄、錫、亜鉛、銅およびこれらの組み合わせから選択される金属をさらに含むことを特徴とする複合材料。
【請求項８】
釣り用鉛入りフックと重り、自動車およびモバイル機器の慣性釣り合い重り、電子製品、スポーツ用品、放射線防護設備、個人用防護装備、自動車バッテリーおよび送水管用の溶接の製造に使用される、先行する請求項のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の前記複合材料より製造された低環境負荷弾体。
【請求項１０】
請求項９に記載の低環境負荷弾体であって、
７〜１４ｇ／ｃｍ３の密度の弾であることを特徴とする低環境負荷弾体。
【請求項１１】
請求項１０に記載の低環境負荷弾体であって、
前記弾が、磁気特性を有することを特徴とする低環境負荷弾体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いくつかある用途の中でも特に、例えば、強化用金属粒子が分散した金属母材を含む弾等の低環境負荷弾体を製造する鉛の代替となる新規な複合材料に関する。
【０００２】
鉛弾は、従来から狩猟に用いられている。鉛弾に優れた射撃特性を与える特性は、密度である。この特性が、狩猟に好適な弾を製造する新規な材料を得られにくくさせている。
【０００３】
しかしながら、環境、特に、湿地帯における絶えざる劣化、数多くの動物種の被毒をはじめとする鉛の高毒性という深刻な問題を克服するために、様々な解決策の呈示が求められている。
【０００４】
鉛の代替品の１つに鋼があり、実際、この材料による弾体は市場に出ている。しかし、密度が低く、鉛より硬いため、必然的に大量の爆発物が含まれる、という大きな欠点があるため、使用可能な武器としては制限されている。
【０００５】
特許文献１には、ビスマス弾の開発が記載されている。この材料の密度は、鋼よりは大きいが、鉛よりは小さい。先の問題に加えて、ビスマスは、非常に脆性な材料であるため、衝撃の際に、弾の破砕や崩壊につながる。
【０００６】
特許文献２、特許文献３、特許文献４には、異なる割合（タングステンのパーセンテージが３０〜４６％、４０〜６０％または３０〜６５％）で鉄−タングステン二元合金を含む弾の開発が記載されている。この材料の主な欠点は、非常に硬いため、武器の銃身の損傷につながることである。
【０００７】
特許文献５には、タングステンと粉末ポリマー（例えば、ポリエチレンまたはシリコーンゴム）により形成された弾の開発が記載されている。この材料の問題は、変形によって、運動エネルギーが吸収され、消失するため、発射体が、貫通しないことである。
【０００８】
特許文献６には、アルミニウム、ビスマス、銅、錫または亜鉛等の金属によりコートされたタングステンやタンタル等の元素も含有し得る炭化タングステン粉末コアにより形成された弾の開発が記載されている。しかし、この弾体には、炭化タングステンコアが硬すぎるため、狩猟の対象動物を撃つと、動物に傷穴が開いてしまうという欠点がある。
【０００９】
特許文献７には、銅、マグネシウム、ケイ素、アルカリまたはアルカリ土類金属などのその他の金属を添加することのできる、亜鉛−アルミニウムまたは亜鉛−錫合金により形成された弾の開発が記載されている。しかし、この弾は、鉛よりも密度が低く、武器としては通用し得ない。
【００１０】
特許文献８には、共晶混合物（４５％Ｂｉおよび５５％Ｓｎ）の割合が好ましい錫−ビスマス合金により形成された弾の開発が記載されているが、これも密度と純度に欠点がある。
【００１１】
狩猟用の低環境負荷弾体を製造できる鉛の代替材料については、特許文献９まで記載されてこなかった。
【００１２】
特許文献９では、弾道特性の全てについて鉛に代替可能な複合材料が提供された。この複合材料から製造された弾体、最適な変形の結果、衝撃の際の運動エネルギーの範囲と伝達に関して良好な特性を有していた。この複合材料は、強化用粒子が分散した金属母材をベースとするものであった。この金属母材は、亜鉛−ビスマス合金、亜鉛−アルミニウム合金または錫−ビスマス合金により形成され、強化用金属粒子は、金属母材に添加される前に酸化されたタングステンまたはフェロタングステンであった。これらの材料はＯＤＳ（酸化物分散強化）型の材料である。
【００１３】
さらに、特許文献９には、記載した複合材料から製造された低環境負荷弾体も記載されていた。
【００１４】
実験による新たな発見に基づいて、本発明者らは、特許文献９のＯＤＳ型複合材料の組成を改善した。具体的には、錫−亜鉛の新たな基材金属合金、そして、アルミニウムおよび／またはビスマスから選択される第３の金属を金属母材に組み込むものである。
【００１５】
金属元素、すなわち、アルミニウム、ビスマスおよび錫−亜鉛合金を新たに添加することによって、特許文献９で保護された、広い範囲の潜在的な複合材料を補完する。高・中・低密度、高・中・低融点、広範囲の硬度、可塑性および変形性を備えた複合材料を所望通り作製することができる。
【００１６】
ビスマスを添加した新規な複合材料は、高密度、低融点、硬度と可塑性の最適な組み合わせを備えている。
【００１７】
アルミニウムを添加した新規な複合材料においては、特許文献９では予測されなかった軽量の材料が可能となった。
【００１８】
低環境負荷弾体の製造に加えて、複合材料の組成の改善によって、釣り用鉛入りフックと重り、自動車およびモバイル機器の慣性釣り合い重り、電子製品、スポーツ用品、放射線防護設備、個人用防護装備、自動車バッテリーおよび送水管用の溶接等の新たな用途に使用できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第４９４９６４４号明細書
【特許文献２】米国特許第５２６４０２２号明細書
【特許文献３】米国特許第５５２７３７６号明細書
【特許文献４】米国特許第５７１３９８１号明細書
【特許文献５】米国特許第４９４９６４５号明細書
【特許文献６】米国特許第６１４９７０５号明細書
【特許文献７】英国特許出願公開第２２１１９２０Ａ号明細書
【特許文献８】英国特許出願公開第２３２７１１３Ａ号明細書
【特許文献９】スペイン特許第２２２３３０５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の目的は、特許文献９同様、金属母材と、金属母材中に分散された強化用金属粒子とを含む低環境負荷弾体を製造するための鉛に代替する複合材料を提供することである。
【００２１】
以下の説明に詳述する一連の改善も複合材料にさらに含まれている。これらの改善によって、さらに、他の用途においても鉛と置き換えることができる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、低環境負荷ＯＤＳ（酸化物分散強化）型複合材料であって、
ａ）亜鉛−ビスマス合金、亜鉛−アルミニウム合金、錫−ビスマス合金または亜鉛−錫合金のいずれかの金属合金と、アルミニウム、ビスマスおよびこれらの組み合わせから選択される金属とにより形成された金属母材と、
ｂ）金属母材中に分散された強化用金属粒子であって、金属母材に添加される前に酸化されたタングステン、フェロタングステン、炭化フェロタングステン、炭化タングステン、酸化タングステンおよび酸化フェロタングステンから選択される、強化用金属粒子とを含む複合材料を提供する。
【００２３】
アルミニウムおよび／またはビスマスを、特許文献９に記載の基材金属合金に組み込んだところ、密度、変形および硬度に関して改善された新規な材料が得られた。
【００２４】
特に、特許文献９に記載の複合材料にビスマスを組み込むと、高密度および低融点の新規な複合材料が得られる可能性があり、一方で、アルミニウムを添加すると、軽量かつ安価な複合材料が得られる可能性があり、これは全て、特許文献９の複合材料が既に有する成形および変形特性を改善するものである。
【００２５】
特許文献９に記載の複合材料にビスマスを新たに添加することにより得られる利点の１つは、この複合材料の融点を減じる能力である。これは、新規な複合材料を溶解することによるエネルギーコストにおける大幅な資金節約、さらには、製造される最終製品の経費削減につながる。
【００２６】
特許文献９に記載の複合材料へのビスマスの添加により得られる他の改善点は、複合材料の持つ最良の変形特性を維持しつつ、ビスマスに特有の脆性と複合材料の硬さの中間的特性を備えた新規な複合材料を製造できることである。
【００２７】
さらに、ビスマスの添加によって、さらに高密度の材料を得ることができる。このことは、鉛がなお存在する上述した用途において、これらの新規な複合材料の使用を保証するものである。
【００２８】
一方、特許文献９に記載の複合材料にアルミニウムを新たに添加することによって、アルミニウムが低密度の金属元素であることを考慮すると、軽量部品を必要とするこうした用途に用いることのできる新たな分野の軽量材料を低コストで得ることができる。
【００２９】
基材金属合金が、亜鉛−ビスマス合金、錫−ビスマス合金または亜鉛−錫合金である場合は、アルミニウムの添加が考えられる。この場合、好ましい実施形態において、アルミニウムは、金属合金の総重量に対して、０．１〜１０重量％の割合で存在する。
【００３０】
基材金属合金が、亜鉛−アルミニウム合金または亜鉛−錫合金である場合は、ビスマスの添加が考えられる。この場合、好ましい実施形態において、ビスマスは、金属合金の総重量に対して、０．１〜１０重量％の割合で存在する。
【００３１】
基材金属合金が、亜鉛−錫合金である場合は、アルミニウムおよび／またはビスマスの添加が考えられ、それぞれ、金属合金の総重量に対して、０．１〜１０重量％の割合である。
【００３２】
特定の実施形態において、０．１〜１０重量％のアルミニウムおよび／またはビスマスに加え、金属母材は、金属合金の総重量に対する重量パーセンテージで、２〜４４重量％のビスマスと５６〜９８重量％の亜鉛の亜鉛−ビスマス合金、７５〜９５重量％の亜鉛と５〜２５重量％のアルミニウムの亜鉛−アルミニウム合金、７１〜９９重量％のビスマスと１〜２９重量％の錫のビスマス−錫合金、または１〜９９重量％の亜鉛と９９〜１重量％の亜鉛−錫合金により形成される。
【００３３】
従って、本出願において考えられる新規な金属合金は、以下の処方により定義される。
−Ｂｉ（２〜４４％）−Ｚｎ（５６〜９８％）＋Ａｌ（０．１〜１０％）
−Ｚｎ（７５〜９５％）−Ａｌ（５〜２５％）＋Ｂｉ（０．１〜１０％）
−Ｂｉ（７１〜９９％）−Ｓｎ（１〜２９％）＋Ａｌ（０．１〜１０％）
−Ｚｎ（１〜９９％）−Ｓｎ（９９〜１％）＋Ａｌ（０．１〜１０％）
−Ｚｎ（１〜９９％）−Ｓｎ（９９〜１％）＋Ｂｉ（０．１〜１０％）
−Ｚｎ（１〜９９％）−Ｓｎ（９９〜１％）＋Ａｌ（０．１〜１０％）およびＢｉ（０．１〜１０％）。
【００３４】
これら新規なＯＤＳ型材料の融点は、ビスマスと亜鉛の場合には、３００〜６００℃、亜鉛とアルミニウムの場合には、３００〜６５０℃、ビスマスと錫の場合には、１７０〜４００℃、または亜鉛と錫の場合には、３００〜６００℃である。
【００３５】
本発明の複合材料の特定の実施形態において、強化用金属粒子は、１〜５００μｍの平均直径を有する。
【００３６】
他の特定の実施形態において、金属母材と強化用金属粒子の割合は、０〜１．５のいずれかである。
【００３７】
他の特定の実施形態において、新規な複合材料の金属母材は、アンチモン、鉄、錫、亜鉛、銅およびこれらの組み合わせから選択される金属をさらに含む。
【００３８】
特許文献９に加えて、新規な複合材料の本組成物は、低環境負荷弾体の製造ばかりでなく、釣り用鉛入りフックと重り、自動車およびモバイル機器の慣性釣り合い重り、電子製品、スポーツ用品、放射線防護設備、個人用防護装備、自動車バッテリーおよび送水管用の溶接の製造にも好適である。
【００３９】
これらの特性の結果として、本発明において考えられる異なる種類の複合材料のいずれかが、上述した用途のいずれかに好適であるが、本発明の好ましい実施形態において、新規な複合ＯＤＳ型材料は、錫−ビスマス基材合金とアルミニウム（１〜１０％）により形成され、８〜９ｇ／ｃｃの密度および３５０〜６５０℃の融点を有し、良好な延性および鍛造性等の機械的特性を持つため、釣り用鉛入りフックと重りの製造に最良の複合材料である。
【００４０】
本発明の他の好ましい実施形態において、新規な複合材料は、亜鉛−錫基材合金とビスマス（１〜１０％）により形成され、７．５〜８ｇ／ｃｃの密度および３５０〜６５０℃の融点を有し、低融点等の機械的特性を持つため、電子製品の溶接に用いるのに最良の複合材料である。
【００４１】
本発明の他の態様において、本発明の複合材料から製造された低環境負荷弾体が考えられる。
【００４２】
特定の実施形態において、低環境負荷弾体は、７〜１４ｇ／ｃｍ３の密度の弾である。
【００４３】
他の好ましい実施形態において、弾は、磁気特性を有する。
【国際調査報告】
2014523964.tif 000002
2014523964.tif 000003
2014523964.tif 000004
2014523964.tif 000005
2014523964.tif 000006
2014523964.tif 000007
2014523964.tif 000008
2014523964.tif 000009