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Cette invention est relaLive à un procédé de mise en forme directe etd'optimisation des caractéristiques mécaniques de projectiles perforants
en alliages de turlgstène à haute densité, notamment pour munitions
millitaires.
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 pro~ectiles
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 genérés par l'industrie
nucléaire;
- le carbure de tungstène avec un ajout d'environ 13~ à 15~ de Cobalt
qui a cependant l'inconvenient d'avoir une masse volumiyue de 14000
kg/m3 insuffisante pour certaines applications. Par ailieurs, 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 W-Ni-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 W-Ni-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 ajustee également entre 17500
et 18500 ky/m3 en agissant sur la teneur en tungstène (93~ à 97~ en
~ 3 ~
poids) et la duc~ilit{ rnodifiée en t~onction du rapport ~e/Ni.
L~obtention d~alliages W--Ni-Cu et W-Ni-~e 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 compression 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 1600C 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 tungstène et permet une densification complète de
l'alliage par un retrait dimensionnel notable de l'ébauche.
Les alliages à base de tungstène metal dont on vient de décrire le procédé
d'obtention sont susceptibles de présenter une bonne ductilité : grâce
à cette 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
en poids 93% W, 4,5~ Ni et 2,5~ Fe qui possède après frittage à 1450C
les caractéristiques suivantes :
- masse volumique : 17 S00 kg/m3
- résistance à 0,2~ d'allongement Rp 0,2 : 750 MPa
- résistance à la rupture Rm : 9S0 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
-1 3 ~ 7
Un ~el matériau écroui es~ uti.Lisé pour réal.iser des projectiles souscalibrés destinés à la perforation des blindages, car iL possede une
hau~e limite élastique capable de résister aux contraintes dues à l'accélé-
ration dans le canon où les vitesses de sortie peuvent atteindre 1400
à 1600 m/sec.
~ans ce type d'application, l'ébauche est généralement de forme cylindri~ue
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 S,S et 8,2, sont obtenus par compression de poudre,
frittage, cor:royage 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.
Il 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 l.a 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 rnécaniques par choc lors du chargement à cadence
rapide dans la culasse du canon
. 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,
~3~6
~'
les projectiles puissent se fragmenter afin d'accroitre leur
capacité de destruction.
Il est donc intéressant de disposer de projectiles
présentant des zones aux caractéristiques métallurgiques
différentes et optimisées de façon à répondre au mieux aux
sollicitation spécifiques auxquelles ils seront soumis
localement.
C'est pourquoi la demanderesse a cherché et mis au point un
procédé permettant de résoudre simultanément ces 2
probièmes.
Ce procédé a donc pour but la mise en forme de projectiles
lS perforants, notamment pour munitions militaires, par
écrouissage, à une température comprisP entre l'ambiante et
500C, d'une ébauche comprimée et frittée d'un alliage de
tungstène comportant des ajouts d'éléments métalliques
présentant un axe de révolution et de masse volumique au
moins égale 17000 mg/m3, ledit écrouissage s'effectuant
suivant un taux variable de réduction de section dans une
direction parallèle à l'axe de l'ébauche de forme
appropriée, caractérisé en ce que dans le but d'obtenir
simultanément le projectile à sa forme définitive ainsi que
des caractéristiques variables et adaptées localement aux
contraintes d'utilisation, on soumet ladite ébauche de forme
appropriée à un traitement d'écrouissage, avec un taux de
réduction de section pouvant varier de 5% à 60%, par un
outillage de mise en forme comportant des marteaux dont le
profil est déterminé par la forme du projectile fini.
A cet effet la course des marteaux peut être réglée avec une
tolérance de + 0,05 mm par rapport au diamètre dudit
projectile.
131~0~
4a
Les ajouts d'éléments métalliques sont de préférence le Fe,
Ni, Cu.
Ainsi, selon l'invention, on met en oeuvre un alliage de
s tungstène de préférence choisi parmi les alliages tels que
les W-Ni-Cu et les W-Ni-Fe. Ces métaux sont mis sous forme
d'ébauches présentant un axe de révolution, c'est-~-dire
qu'elles sont le plus souvent cylindriques ou cylindro-
coniques.
Tei ~ue mentionné plus haut, ces ébauches ont unè 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 onk éte mélangées, compactées
sous forme d'ébauches et frittées de préférence sous
atmosphère d'hydrogène entre 1400 et 1600C, c'est-à-dire
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.
Un autre objet de l'invention est que les ébauches de forme
appropriée obtenues brutes d'élaboration après frittage,
sans aucun usinage préalable~~-~~~
~ 3 ~
destiné à leur donner le proLil définitif du projectile, sor~t sournises
à un trai~ement d'écrouissage.
Ce traitement s~opère sur des ébauches soit à f-roid, soit après réchauffage
préalable modéré et ne dépassant pas 500C. 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 donner le profil
définitif au 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
defini par le rapport (s-s)/s x 100 peut varier de 5% à 60%.
Si un objet de l'invention est de soumettre directement à un traitementd'écrouissage l'ébauche brute d~élaboration et de forme appropriée pour
obtenir le profil définitif du projectile, le procédé selon l'invention
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 ecrouissage, 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
. 7
,~
qui améliore fortement sa résistance aux dlfféxentes
sollicitations élastiques.
L'opération d'écrouissage est obtenue par un martelage
rotatif de l'ébauche de facon à développer des
caractéristiques mécaniques présentant une symétrie axiale.
Ce martelage peut être réalisé au moyen de différents
dispositifs tels ~ue par exemple une 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'environ de 2000 à
2500 coups par minute.
Les marteaux sont réalisés en acier rapide mais pour des
séries importantes, leur élaboration en carbure de tungstène
s'avère plus judicieuse pour ma~triser les phénomènes
d'usure et les tolérances dimensionnelles visées sur le
projectile.
Pour limiter l'effort de la machine, les ébauches sont de
préférence préchauffées avant martelage à une température
comprise entre 250C et 500OC suivant les matériaux
2~ concernés et les taux d'écrouissage exercés.
L'ébauche est introduite dans l'outillage par un système de
poussoir permettant de la maintenir entre pointes et
assurant, à l'aide d'un vérin, la translation du projectile
dans l'axe de l'outillage avec une vitesse variable
compatible avec les contraintes de rétreint exercées.
La course des marteaux peut être réglée avec précision afin
d'obtenir les taux d'écrouissage visés et les tolérances
dimensionnelles exigées sur les différentes parties du
. ,.~
.
13~6~7
6a
projectile. I,es cotes sur le diamètre peuvent être
maîtri~ées sans difficulté avec une tolérance de -~ 0,05mm.
Afin d'apprécier les variations obtenues dans les
caractéristiques mécaniques en fonction du taux
d'écrouissage, on donne ci-dessous dans le Tableau I les
résultats, obtenus sur des éprouvettes de lSmm de diamètre
correspondant a 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.
1 3 1 ~ 7
TABLEAU I
: : All.W~ 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 : 43~ : 476 : 499 : 459 : 484 : Sl9 : 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 appliqué,
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 :
. Pour un taux de corroyage de 6%, l'écart moyen HV30 de 0 à 5 mm
est inférieur à celui de 5 à 7 mm,
. 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 lS~
ce que confirme l'intérêt de ne pas éliminer ou détériorer, par usinage,
les couches superficielles du materiau 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
en differents poin~s ainsi ~lue le protil de l'outillage util;sé p(>llrle 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 Tunqstène
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 1460C
Après un traitement des ébauches sous vide à 1100C, 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 ensuite à la mise en forme dans une machine à marteler à 4
marteaux dont le profil est représenté sur la ~ig.l.
Dans cet exemple, on a cherché à obtenir une dureté élevée à l'avant
du projectile (pointe~, 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 350C 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, a 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
~16~ 7
argon, à environ 550C
L'évolution des formes du projectile e~ de La dureté IIV30 avant et apres
martelage, est donnée sur Les ~ig. 2 et 3.
EXEMPLE 2 . ALlia9e_ e_L~s _ne-r,_kel-fer à 9S% 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 2û00 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 1510C.
Après traitement des ébauches sous vide à 1100C, 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 précilauftées à environ 400C avant martelage.
L'opération de martelage a é~é exécutée en un seul passage.
On a procédé ensuite à un traitement thermique, sous argon, à environ
860C.
L'évolution des formes du projectile et de la dureté HV30, avant et après
martelage, est donnée sur les fig. S et 6.
EXEMPLE 3 : Alliaqe de tunqstène-nickel-fer à 98% de W
On réalise un mélange de poudres contenant en poids :
13 1 ~
- 96,85~ de tungstèr-e pur
- 2,15~ de nickel pur
- 1,00 ~ de fer pUI.
I.es 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.
Llles sont ensuite frittées dans un four à passage sous hydrogène à 1600C.
Après un traitement sous vide à 1100C, 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 ~e noyau
est défini par la fig.7.
Dans cet exemple, on a recherché une dureté maximum dans la pointe duprojectile, 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 préchauffées à environ 450C.
L'opération de martelage a été exécutée en deux passes successives.
On a procédé ensuite à un traitement thermique sous argon à environ 450C.
L'évolution des formes du projectile et de la dureté HV30, avant et après
martelage, est donnée sur les fiy. 8 et 9.
On peut constater que l'opération de martelage a permis d'auymenter lesvaleurs des duretés et de les rendre hétérogènes notamment le long du
projectile.
