Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления суспензионного ударно-воспламенительного состава и способ снаряжения патронов кольцевого воспламенения таким составом

Изобретения относятся к области патронного производства, могут использоваться при изготовлении средств воспламенения и снаряжения боеприпасов спортивно-охотничьего оружия. Более конкретно, изобретения относятся к технологическому процессу приготовления малотоксичного суспензионного ударно-воспламенительного состава для дальнейшего капсюлирования патронов кольцевого воспламенения методом микродозирования, например, спортивно-охотничьих патронов калибра 5,6 мм.

В настоящее время одним из самых массовых и потребляемых признан винтовочный патрон кольцевого воспламенения .22 LR (5,6 мм) для стрельбы из гражданского (спортивного и охотничьего) нарезного оружия.

Известно, что использующийся в капсюле-воспламенителе (KB) такого патрона ударно-воспламенительный состав (УВС) представляет собой порошкообразную смесь компонентов [1], которые по степени воздействия на организм человека относятся в соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 к чрезвычайно и высокоопасным веществам. Продукты взрывчатого превращения данного УВС содержат ядовитые пары тяжелых металлов (свинца, сурьмы) и их соединений, что неблагоприятно воздействует на окружающую среду. Особенно опасно проведение длительных стрельб в закрытых помещениях (в тирах, на испытательных станциях и т.д.). В последнее время резко возросли требования, предъявляемые к УВС в отношении их экологической опасности. Это относится как к самим составам, так и к производству их компонентов.

Применяемый в настоящее время в отечественных патронах «Олимп» калибра 5,6 мм УВС капсюля-воспламенителя (К2-1) представляет собой механическую смесь инициирующего взрывчатого вещества (тринитрорезорцинат свинца и тетразен), окислителей (нитрата бария и оксида свинца), горючего (сульфида сурьмы (III)). В виду экологической опасности, суспензировать данный порошкообразный УВС нецелесообразно.

Известен бессвинцовый ударно-воспламенительный состав (патент US №8062443 от 22.11.2011 г.) который можно использовать в капсюлях - воспламенителях и электродетонаторах. В этом составе инициирующее взрывчатое вещество - стифнат свинца, заменен на калиевую соль динитробензофуроксана (КДНБФ). Малое количество тетразена добавлено в смесь для повышения сенсибилизации. Силицид кальция, ввиду своей твердости, может быть использован в качестве сенсибилизирующей добавки и как горючее в комбинации с более твердым веществом, сульфидом сурьмы III. Нитрат бария используется как окислитель. Эти компоненты смешаны в суспензию в этиловом или изопропиловом спирте, и потом высушены при 60°C в течение 48 часов, и далее отцежены 3 раза через сито размером 40 мкм.

Применение спирта при суспензировании УВС делает такой способ безопасным, однако последующее снаряжение боеприпасов высушенным порошком УВС подвергает производство серьезной опасности, что является существенным недостатком. Кроме этого, технологическая операция сушки, проводимая при температуре 60°C в течение 48 часов, значительно увеличивает энергозатраты производства. Также высоколетучие органические растворители (спирт) используются в большом количестве и при сушке испаряются, продукты испарения выбрасываются в окружающую среду и отрицательно сказываются на экологичности и безопасности производства. Устранение таких негативных факторов требует наличия дополнительного вспомогательного технологического оборудования, что соответственно удорожает технологию в целом.

Известен патрон кольцевого воспламенения и способы его изготовления (патент RU №2246686, опубл. 20.02.2005). По одному из вариантов изготовления патрона, содержащего гильзу с обжатым дульцем, воспламенительный состав и пороховой заряд, перед наполнением гильзы воспламенительным составом, на внутреннюю поверхность придонной кольцевой канавки наносят при помощи пуансона пленку толщиной 0,1-0,3 мм, состоящую из инициирующего взрывчатого вещества - тетразена в количестве 20-30% и полимера - нитроцелюлозного лака в количестве 70-80%. Соотношение наружного диаметра пуансона к внутреннему диаметру гильзы составляет не более 0,9.

Такой патрон и способ его изготовления обладают следующими недостатками.

Подобные патроны применяются, например, в специальных пистолетах при проведении строительно-монтажных работ, и их массо-габаритные характеристики и количество применяемых воспламенительных веществ значительно отличаются от малокалиберных спортивных и охотничьих патронов. Поэтому наличие дополнительной пленки необходимо для обеспечения гарантированного срабатывания основного воспламенительного состава с вероятностью 100%. Однако это приводит к увеличению технологических операций, и, следовательно, снижает производительность, особенно при массовом производстве. Кроме этого, применение в пленке в качестве жидкого полимера быстросохнущего нитроцелюлозного лака делают подобную технологию опасной и неэкологичной.

Важнейшим направлением совершенствования спортивных патронов, предназначенных в том числе и для стрелков-спортсменов мирового уровня, является использование новых технологий в производстве УВС. Применяемая в настоящее время технология капсюлирования патронов кольцевого воспламенения хоть и проста, но небезопасна: по степени опасности из двенадцати стадий производства пять являются опасными, а две стадии - особо опасными, одна из которых это смешение компонентов [2].

Технической проблемой является разработка принципиально нового технологического процесса приготовления УВС и последующего капсюлирования этим составом патронов кольцевого воспламенения, обеспечивающего стабильность производства, высокую безопасность и экологичность.

Техническая проблема решается за счет предлагаемого способа изготовления ударно-воспламенительного состава и способа снаряжения патронов кольцевого воспламенения таким составом.

Способ изготовления ударно-воспламенительного состава заключающийся в том, что подготавливают компоненты инициирующего взрывчатого вещества, подготавливают смесь инертных компонентов, приготавливают водный раствор полимера, поочередно небольшими порциями осуществляют сначала диспергирование компонентов инициирующего взрывчатого вещества в водном растворе полимера, затем диспергирование инертных компонентов, проводят вакуумирование суспензированного ударно-воспламенительного состава, осуществляют контроль качества полученного состава.

Кроме этого проблема будет устранена, если:

- в качестве компонентов инициирующего взрывчатого вещества применяют калиевую соль динитробензофуроксана и тетразен;

- для водного раствора полимера используют метилцеллюлозу или, полиакриламид-гель, или поливиниловый спирт;

- в качестве инертных компонентов используют нитрат бария или нитрат висмутила как окислитель, бор и силицид кальция как горючее;

- размер частиц компонентов суспензионного ударно-воспламенительного состава составляет, мкм:

- соотношение дисперсионной среды и дисперсной фазы суспензии составляет 1:1;

- концентрация водного раствора полимера составляет от 0,6 до 0,8% мас.;

- вакуумирование суспензированного состава проводят в вакуумном смесителе;

- контроль качества осуществляют определением вязкости раствора полимера на ротационном вискозиметре;

- вязкость водного раствора полимера составляет от 230 до 250 сПз.

Предлагаемый способ снаряжения патронов кольцевого воспламенения приготовленным ударно-воспламенительным составом также решает обозначенную техническую проблему. Способ включает наполнение гильзы суспензионным ударно-воспламенительным составом, приготовленным методом диспергирования инициирующего взрывчатого вещества и инертных компонентов в водный раствор полимера, и пороховым зарядом, вставку пули и обжим дульца гильзы, при наполнении гильзы приготовленным суспензионным ударно-воспламенительным составом осуществляют точное микродозирование в каждую гильзу, осуществляют равномерное распределение ударно-воспламенительного состава по всему периметру закраин гильзы, проводят сушку состава, осуществляют контроль качества.

Кроме этого, проблема будет устранена, в случае если:

- точное микродозирование суспензионного ударно-воспламенительного состава осуществляют, например, микропоршнем с игольчатым клапаном шнековой иглой;

- при точном микродозировании объем капли суспензированного ударно-воспламенительного состава выбирают в диапазоне от 30 до 50 мкл;

- равномерное распределение ударно-воспламенительного состава по всему периметру закраин гильзы проводят методом тряски на вибростенде.

- сушку ударно-воспламенительного состава осуществляют в течении от 20 до 24 часов, при этом сначала сушку осуществляют в нормальных условиях при температуре от 20 до 22°C и давлении от 630 до 803 мм. рт. ст., и далее не более 4 часов от общего времени при температуре от 40 до 50°C в вакуумном сушильном шкафу при остаточном давлении 160 мм. рт. ст.;

- сушку ударно-воспламенительного состава осуществляют инфракрасным излучением.

Технический результат заключается в повышении безопасности изготовления ударно-воспламенительного состава для патронов стрелкового оружия, повышении экологической безопасности, повышении безопасности и снижение энергозатрат на проведение процесса снаряжения патронов кольцевого воспламенения суспензией ударно-воспламенительного состава.

Более подробно изобретения поясняются чертежами, на которых изображено следующее:

фиг. 1 - схема безопасного изготовления суспензионного УВС;

фиг. 2 - схема безопасного капсюлирования патронов кольцевого воспламенения суспензионным УВС;

фиг. 3 - фотографии заполнения гильзы суспензионным УВС объемом капли 50 мкл: а) - раствор метилцелюлозы концентрацией 0,3% масс; б) - раствор метилцелюлозы концентрацией 0,6% масс.

Переход на технологию изготовления влажного ударно-воспламенительного состава прошел несколько этапов. Более перспективным видится применение суспензионных ударно-воспламенительных составов. Современный уровень развития технологического оборудования позволяет дозировать жидкие и высоковязкие среды объемом несколько микролитров (мкл) с высокой точностью (±1%), при этом особенно чувствительные материалы высокой вязкости и материалы с наполнителями не деформируются.

Выбор в качестве ИВВ калиевой соли динитробензофуроксана (КДБНФ) вместо ранее используемого тринитрорезорцината свинца (ТНРС) обусловлено тем, что она относится к малотоксичным взрывчатым веществам [3], помимо этого достоинством КДНБФ является возможность синтезировать кристаллы с необходимой дисперсностью.

Для изготовления ударного состава были выбраны следующие компоненты: ИВВ - КДНБФ и тетразен; окислитель - нитрат бария или нитрат висмутила; горючее и сенсибилизаторы - силицид кальция, бор аморфный и стеклянная микросфера.

Для стабильного мелкосерийного производства патронов .22LR (5,6 мм) к разрабатываемому суспензионному УВС выдвинуты требования:

- «время жизни» - время кинетической седиментационной устойчивости суспензионного УВС - должно быть не менее 2-х часов;

- объем дозы УВС в гильзе должен находиться в пределах от 25 до 50 мкл.

Кинетическая седиментационная устойчивость суспензий обеспечивается гидродинамическими факторами: вязкостью и плотностью дисперсионной среды, плотностью и размером частиц. Мерой седиментационной устойчивости является величина, обратная константе седиментации и рассчитывается из закона Стокса:

где 1/S_сед - мера кинетической устойчивости суспензий;

r - радиус частицы, м;

g - ускорение свободного падения - 9,81 м/с²;

ρ_р - плотность частицы, кг/м³;

ρ_f - плотность жидкости, кг/м³;

η - динамическая вязкость жидкости, Па⋅с.

Из уравнения видно, что седиментационная устойчивость прямо пропорциональна квадрату радиуса частицы и обратно пропорциональна вязкости дисперсионной среды, иными словами, чем выше степень измельчения частиц и больше вязкость среды, тем выше седиментационная устойчивость суспензий.

Для приготовления опытных суспензионных УВС были взяты компоненты, размеры частиц которых указаны в таблице 1.

Другим важным свойством, которым обладает суспензионный УВС, является способность к растеканию на поверхности металла гильзы (латуни), которая характеризуется разностью работы адгезии (W_a) и работы когезии (W_k). Для растекания капли на поверхности металла работа когезии, то есть взаимодействие частиц внутри дисперсионной среды, должно быть меньше, чем работа адгезии, то есть межмолекулярное взаимодействие между суспензией и поверхностью металла. Из теории о дисперсных системах известно, что чем концентрирование суспензия (ближе к пастам), тем сильнее взаимодействие между частицами системы (образуются внутренние структуры), следовательно, работа когезии будет превышать работу адгезии, и капля растекаться не будет.

Экспериментальным путем была определена концентрация раствора метилцелюлозы и соотношение дисперсионной среды и дисперсной фазы, при которой работа когезии меньше работы адгезии при седиментационной устойчивости системы в течение заданного времени.

Выбор дисперсионной среды проводили из ряда водорастворимых полимеров: метилцеллюлозы, полиакриламид-геля, поливинилового спирта. На основании проведенных исследований в качестве дисперсионной среды был выбран водный раствор метилцеллюлозы.

Выбор необходимой концентрации раствора метилцелюлозы, соотношения дисперсионной среды и дисперсной фазы осуществляли путем исследования инертных суспензий, в которых взрывчатые компоненты были заменены на невзрывчатое вещество с близкой плотностью (графит).

Для приготовления инертных суспензий исследовали растворы метилцелюлозы различной концентрации от 0,3 до 1,5% масс. и соотношении дисперсионной среды и дисперсной фазы - 1:1. Суспензии, приготовленные на основе растворов метилцелюлозы с концентрациями 0,9; 1; 1,2; 1,5% масс., оказались густыми, близкими к пастообразным - капли на материале гильзы не растекались. Суспензии, приготовленные с использованием растворов концентраций 0,3; 0,5% масс, были достаточно жидкими, на гильзовой стали капли растекались и становились плоскими. Данными инертными суспензиями гильзы патрона «Олимп» капсюлировали вручную. Объем капли составлял 30; 40 и 50 мкл. При дозировании выяснилось, что капли объемом 30 мкл недостаточно для заполнения гильзы. Гильзы сушили до постоянного веса.

При рассмотрении опытных гильз с суспензией, приготовленной на основе 0,3% мас. раствора метилцелюлозы (фиг. 3, а), видно расслоение суспензии. У суспензий на основе раствора метилцелюлозы концентрацией 0,6% масс явного расслоения не наблюдается (фиг. 3, б). Инертный состав заполняет закраину гильзы.

По результатам предварительных исследований на инертной модели в качестве дисперсионной среды был выбран водный раствор метилцелюлозы концентрацией 0,6% масс Вязкость раствора МЦ концентрацией 0,6% масс. для приготовления суспензионного УВС должна быть около 250 сПз.

Данная технология исключает особо опасную операцию - смешивание порошкообразных инициирующих взрывчатых веществ с сенсибилизаторами.

Приготовление УВС по предлагаемой технологии происходило в водном растворе полимера следующим образом: в отмеренное количество раствора, например, метилцелюлозы, поочередно, небольшими порциями вводится отмеренное количество КДНБФ, тетразена, смесь инертных компонентов (нитрата бария или нитрата висмутила, силицида кальция, бора аморфного). Время перемешивания каждого компонента составляло 3 минуты. Диспергирование компонентов УВС в дисперсионной среде осуществлялось в вакуумном смесителе, для получения однородной массы и избавления от воздушных пузырей, которые могут негативно отразиться на срабатывании КВ. Контроль качества осуществляли измерением динамической вязкости раствора метилцелюлозы на ротационном вискозиметре.

Дозирование суспензионного УВС в гильзы патрона «Олимп» осуществляли шаговой пипеткой, объем капли составлял 50 мкл. Технология микропоршневого дозирования с правильно подобранным игольчатым клапаном (шнековой иглой) позволяет дозировать суспензионный УВС безопасно и более точно.

Каждая комплектующая патрона (гильза, порох, пуля, KB) определяет его баллистические характеристики. Точность навески УВС в патроне малого калибра оказывает значительное влияние на баллистические характеристики. Баллистические испытания патронов «Олимп», снаряженных опытным УВС, проводили на определение максимального давления пороховых газов P_max в зарядной камере и его разброс ΔPmax, а также на определение скорости полета пули V₁₀ на расстоянии 10 м от дульного среза ствола. Баллистические испытания опытных патронов проводились параллельно с серийными патронами «Олимп-В», а также с патронами, капсюлированными порошкообразным УВС той же рецептуры, что и суспензированный УВС. При испытаниях опытных патронов осечек не было, на слух все выстрелы были одинаковыми. Результаты данных испытаний приведены в таблице 2.

По представленным результатам можно сделать вывод, что разработанные составы вполне работоспособны. По скорости полета пули V₁₀ патроны «Олимп», снаряженные опытными KB, находятся на уровне штатных патронов.

Для контроля качества опытные KB подверглись испытаниям на безотказность действия на ударном копре. Испытания завершились с положительным результатом

Создание малотоксичного УВС, диспергированного в водную среду без потери присущих ему свойств, использование водной суспензии УВС позволит существенно снизить чувствительность ударного состава к механическим воздействиям при его производстве, что обеспечивает безопасность и экологичность технологического процесса.

Предлагаемые изобретения наглядно демонстрируют правильность выбранного направления разработки безопасного изготовления малотоксичного УВС и предложенной технологии капсюлирования патронов кольцевого воспламенения.

Данное направление изготовления спортивных патронов является перспективным с точки зрения безопасности производства и увеличения производительности выпускаемой продукции.

Источники информации

1. Мельников В.Э. Современная пиротехника. - М.: 2014, стр. 154, табл. 4.5. Некорродирующие (неоржавляющие) ударные составы производства стран Европы и России, состав №13.

2. Абдулин И.А., Лаптев Н.И., Москвичева Е.Л., Фомина А.А., Богатеев Г.Г. Анализ видов отказов функционирования и критичности системы в технологии приготовления ударного состава // Вестник казанского технологического университета. - 2010. - №12. - С. 483-488.