Barrel, and a method of manufacturing the same for use at high temperatures

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、特に高温下で使用するのに適した銃身およびかかる銃身の製造方法に関するものである。

長時間の使用に際して銃身が熱くなることは公知である。 使用温度が高くなるのに伴い、従来の銃身を構成している鋼は実質的な強度低下を示し、また熱膨張度の増大によって寸法精度が低下する。

銃身が熱くなる機序としては、幾つかのものが考えられる。 かかる機序の１つは、銃をかなり早い発射速度で長時間にわたって使用することである。

また、弾丸が早い速度で発射されるほど、銃身は相対的に短い時間で熱くなることがある。

また、弾丸を発射する際に使用されるエネルギーが大きいほど、たとえば弾丸の銃口速度が大きいほど、銃身は熱くなる。 更にまた、多量の発射薬が使用されるほど、
あるいは燃焼時により大きいエネルギーを生じる発射薬が使用されるほど、弾丸が発射される銃身はより急速に熱くなることがある。

発射薬のエネルギーが比較的小さくても、長時間にわたる弾丸の急速な発射によって銃身が急速に熱くなることもある。 それの原因の１つは、相次いで発射される多数の弾丸が銃身に沿って加速される際に摩擦熱が発生することにある。

特定の最終用途のために設計された構造物（たとえば銃身）の破損様式は、基礎的な機序に基づいて決定することができる。 かかる機序の１つは、熱を受取る内部構造から壁体構造を通して（熱を放散し得る）外面まで熱が伝達される速度である。 たとえば銃身の場合、発射薬の燃焼および燃焼熱に由来する熱が銃身の内面によって受取られる。 それに加えて、銃身の内面に接触しながらそれに沿って移動する弾丸の摩擦力により、弾丸が直接に接触する銃身の内面において熱が発生することもある。
通常の伝導機構によって銃身から除去され得る熱の量は限られているから、銃の使用法も制限を受けることになる。 銃身温度が過度になると銃は破損することがある。
かかる破損は、高温下での局部的な融解または金属変形の結果として銃身の内面において局部的に生じることもあれば、銃身の構造全体の物理的性質の劣化に伴って銃身全体にわたり生じることもある。 かかる劣化は銃身の破裂をもたらすこともある。

銃身のもう１つの破損様式は、本質的に機械的なものである。 かかる様式の破損は、銃身に加えられた機械力を封じ込めるために生じる単純な機械的破損に由来することがある。 たとえば、発射薬が点火されて燃焼した場合には、熱ばかりでなく極めて高い圧力が発生するが、この圧力は銃身によって機械的に封じ込められねばならない。 また、弾丸が薬莢を離れて銃身の内部を移動し始めと、銃身内の旋条が弾丸に対して機械的に捩り力を与え、それにより目標または標的に向かって正確に飛行するために必要な回転が弾丸に付与される。 しかるに、弾丸の回転を開始させるために必要な機械力が過大である場合には、銃身の旋条が開始する薬室近接部位において銃身の機械的破損が生じることがある。

銃身の内腔において発生する熱について述べれば、銃身の壁体を通して熱が伝達され得るという事実にもかかわらず、かかる熱は極めて急速に蓄積することがある。 なぜなら、内腔において熱が発生する速度は、銃身壁体の厚さを通しての熱伝導によってかかる熱を運び去ることのできる速度よりも大きいことがあるからである。 熱伝導率の小さい銃身壁体について考えると、長時間の連続発射が行われる場合、あるいはガスによって発生する熱の量が比較的多い場合には、発生した熱は内腔の表面に集中するのであって、内腔から十分に早い速度で伝達されないことがある。 その理由は、銃身壁体の材料の熱伝導率に制約があるからである。

銃身には放熱体としての効果もあるが、このような放熱体が有効であるのは、壁体材料の特性に基づき壁体の厚さを通して伝導し得る熱の量を越えた熱が内腔において発生することによって銃身自体の温度が上昇する期間内のことに過ぎない。

実際には、銃のあらゆる構成要素はバランスの取れた状態に保たれなければならないから、銃身および発射薬を１つの系として取扱うことが必要である。 いずれか１つの構成要素が他の構成要素とのバランスを失うと、破損が生じることがある。 たとえば、発射薬が過度の圧力や温度を発生したり、あるいは過大な量で使用されたりすると、それだけで系中の幾つかの構成要素間のバランスが失われ、銃身または内腔表面が過度の熱劣化を受けることがあるのである。

従来よりも顕著に早い速度および大きいエネルギーの下で弾丸を発射するように銃を設計する場合には、より良好な銃身が必要とされることは当業界において認められている。

銃身内で発生する一層高い温度に順応させるためには、
銃身を製造するために従来使用されてきた低合金炭素鋼よりも高い温度に耐える金属で銃身を製造すればよいことが理論的には可能である。

高い強度を与える高温用途のための市販金属材料としては、ニッケル基およびコバルト基合金並びに高融点金属およびそれらの合金が挙げられる。 市販のニッケル基およびコバルト基合金は、一般に鋼よりも大きい熱膨張率を有している。 このような理由のため、本発明におけるごとくに小さい熱膨張率と高温下における高い強度との組合せが要求される場合には、それらの合金の多くは銃身外被材料として不適当である。

アンバーまたはＩＮ−９０７のごとき一部の鉄−ニッケル合金は一般に５００℃以下の温度範囲において小さい熱膨張率をもたらすようなある種の磁気的相互作用を利用するように合金化されている。 しかしながら、これらの合金は鋼に比べて弱いのが通例であって、熱膨張率の小さい温度範囲内におけるそれらの弾性係数は極めて小さい。

高融点金属とりわけタングステン、タンタルおよびモリブデンは、高温下において熱膨張率が小さくかつ高い強度を保持するという基準を満足する。 しかしながら、それらの原価および１０〜１９g/cm ³というそれらの密度は実用的な見地からすれば高過ぎるのである。

現在のところ、従来の銃身は低合金炭素鋼で作られている。 一部の銃身にはまた、現行の銃身外被材料として常用されている低合金炭素鋼の内面上にクロムライナが設けられている。 かかるクロムライナを有する銃身は、遅い弾丸発射速度および低レベルの発射薬エネルギーに対しては適格なものである。 しかしながら、上記のごとくに発射速度および発射薬エネルギーが増大するのに従い、低合金炭素鋼を基材とする銃身は次第に不適格なものとなるはずである。

もし適当な銃身が利用できるならば、設計上の弾丸発射速度および銃口速度を達成するため、現行のものに比べて最高３倍までの発射薬エネルギーが使用されることになるだろうと予測されている。 現行の低合金炭素鋼製銃身は、たとえクロムライナが設けられていても、局部的な融解のために破損する可能性がある。 それ故、一層早い発射速度や一層大きい発射薬エネルギーを使用する場合には、銃身内において放出されかつ銃身の内面に付与されるエネルギーが増大するから、クロムライナを有する低合金炭素鋼製の銃身も不適格なものとなるのである。

上述のごとく、現在提唱されている銃の設計においては一層高い動作温度が意図されている結果、銃系に対して厳しい要求条件が生じることになる。 銃身全体の温度は７５０〜９５０℃の範囲内にあると予想することができる。 また、高温下における外被材料が高い強度を有することは不可欠である。 また、銃が遭遇する温度変化が大きくなるため、熱疲労抵抗性が大きいことも必要である。 更にまた、銃身の安定性を維持するため、高温下における外被の弾性係数は現行の低合金炭素鋼の弾性係数より大きいことも必要である。

現行および従来の合金においては、温度変化に原因する銃身寸法の拡大のために長時間の連続発射は不可能である。 なぜなら、銃の内腔が拡張すると、弾丸は内腔の旋条と望ましい相互作用を示さず、従って適正な回転または弾道を実現することができないからである。 より早い弾丸発射速度およびより大きい発射薬エネルギーの下で使用される銃身についても、弾道の正確さはやはり重要な基準の１つとなるはずである。

なお、１９８３年１０月１８日付けの米国特許第４４０
９８８１号明細書中には、より高い動作温度下で使用するための銃身の一例およびそれの製造方法が開示されている。

発明の簡単な説明 本発明の目的の１つは、加熱による強度およびその他の重要な性質の劣化を生じ難い銃身を提供することにある。

また、高温下においても良好な物理的性質の大部分を保持するような銃身を提供することも本発明の目的の１つである。

更にまた、長時間の急速発射が可能であるような銃身を提供することも本発明の目的の１つである。

更にまた、高温下で使用し得る銃身を比較的安価に提供することも本発明の目的の１つである。

更にまた、長時間にわたり比較的高い発射レベルの下で弾丸を発射し得るような銃を提供することも本発明の目的の１つである。

その他の目的については、一部は以下の説明を読めば自ら明らかとなろうし、また一部は以下の説明中に明示されるであろう。

本発明の目的は、実施の一態様に従って述べれば、銃の内腔に耐摩耗性の表面を付与するための耐火性ライナと、小さな熱膨張率を有しかつ強度および寸法安定性のごとき性質の劣化なしに比較的高い温度に耐え得るニッケル、アルミニウムおよびモリブデンの合金から形成された外被とを含むような銃身によって達成することができる。

図面の簡単な説明 本発明およびそれの実施方法は、添付の図面を参照しながら以下の説明を読むことによって一層明確に理解されよう。

第１図は、本発明に従って提供されるような銃身用のマンドレルの一形態を示す立面図である。

第２図は、第１図に示されたようなマンドレル上に形成されたライナを示す立面図である。

第３図は、本発明に従って提供されるようなライナおよび中間層を設置した後のマンドレルを示す部分断面立面図である。

第４図は、製造したままの銃身の薬室内に薬莢を配置したところを示す縦断面図である。

第５図は、本発明の製品の銃身金属として有用なニッケルにおけるアルミニウム含量およびモリブデン含量を重量パーセント単位でプロットしたグラフである。

第６図は、従来の銃身鋼とニッケル−アルミニウム−モリブデン合金とを比較しながら、一定の温度範囲内における０．２％耐力をメガパスカル（mpa）単位でプロットしたグラフである。

第７図は、従来の銃身鋼とニッケル−アルミニウム−モリブデン合金とを比較しながら、一定の温度範囲内における単位長さ当りの熱膨張度をプロットしたグラフである。

発明の詳細な説明 本発明の銃身は、約７５０〜９５０℃の範囲内の高温下で動作し得るように製造されたものである。 かかる銃身は、それぞれが大きい弾性係数および小さい熱膨張率を有するために互いに協働し得るような組合せの材料から作られている。

かかる銃身用のライナは、１９８５年４月２０日に提出された同時係属中の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ８５／０
０７５６号［出願人：ゼネラル・エレクトリック・カンパニー(General Electric Company)、発明者：シーマーズ(Siemers)他］の明細書中に記載され、かつ第１〜４
図に関連して本明細書中に再記載されるごとくにして形成される。 それ故、この特許出願明細書の記載内容は引用によって本明細書中に併合されるものである。

本発明の銃身の構成要素を形成する際に使用される重要な工程は、低圧プラズマ溶射技術の使用である。

それによれば、かかるライナを高融点金属のごとき耐火性材料から形成することができるし、あるいはまた炭化タングステン、炭化タンタルなどのごとき耐火性化合物から形成することもできる。

銃身の耐火性ライナと外被との間には中間層を設けることもできる。 なお、本発明の銃身の新規な特徴は、熱膨張率の小さいライナと、やはり十分に小さい熱膨張率および高温下における実質的な強度を有する外被とを組合わせて使用することにある。 それ故、中間層の形成は本発明の実施にとって不可欠のものではない。

銃身外被の形成に際して使用される合金は、上記のごとく、ニッケル、アルミニウムおよびモリブデンの合金である。

かかる合金は、キンゼイ(Kinsey)の米国特許第２５４２
９６２号明細書中に開示されている成分比率を有するものである。

米国特許第３６１７３９７号明細書中にはまた、８（重量）％のアルミニウム、１８（重量）％のモリブデンおよび残部のニッケルを含有する鋳造ニッケル基超合金が開示されている。

米国特許第４０１２２４１および４１１１７２３号明細書中にはまた、方向性をもって凝固させたニッケル−アルミニウム−モリブデン系の共融合金組成物が開示されている。

米国特許第３９７５２１９号明細書中にはまた、ニッケル−アルミニウム−モリブデン系合金に関する方向性再結晶法が記載されている。 オーストラリア特許第５３１
０６６号明細書中にはまた、ニッケル−アルミニウムおよびモリブデン並びにその他の成分を含有する高強度の整列結晶粒超合金製品が記載されている。 このオーストラリア特許明細書中に指摘されている通り、「かかる基礎三元合金は高温下において良好な短期の機械的性質を有するが、ミクロ組織が不安定なために高温への長期暴露後には顕著な性質の劣化が生じる。このような不安定性の実例としては、結晶粒界における巨大なγ'粒子の形成およびγ相からのMo析出が挙げられる。とは言え、
ある種の用途に対しては、かかる基礎合金が適格である場合もある。 」 それらの特許引例中には多数のニッケル−アルミニウム−モリブデン合金組成物が開示されているが、本発明の銃身において使用するのに最も適したものは広い温度範囲にわたって好適な組合せの物理的性質を有するような合金である。

そこで、広い温度範囲にわたっての物理的性質に関して４種のニッケル−アルミニウム−モリブデン合金を試験した。 これらの合金の組成は、原子パーセントおよび重量パーセントの両方に関して第１表中に示されている。
表中にはまた、結晶タイプも示されている。

第 ３ 表 ……銃身鋼温度（℃） ０．２％耐力(mpa) 室温 〜910 660 〜175 770 〜70 本発明によって提供されるような銃身用の外被材料のもう１つの重要な特性は、良好な耐衝撃性を有することである。 上記の４種の合金および銃身鋼に関してＶ形ノッチ付きシャルピー衝撃試験を行った。 結果を第４表中に示す。

合金４も良好な組合せの性質を有するが、特に室温延性の点で合金３よりもやや劣っている。

これらの合金の組成は第５図のグラフ中にプロットされている。 本発明の銃身において使用するために好適であると思われるニッケル−アルミニウム−モリブデン合金の組成は、図中に曲線IIとして示された内側の曲線の内部に含まれるものである。 なお、本発明方法の実施に当って有用かつ有効と思われるニッケル−アルミニウム−
モリブデン合金の組成は、第５図中に曲線Ｉとして示された外側の曲線の内部に含まれるような組成である。

また、本発明に従って銃身を製造する際に使用されるニッケル−アルミニウム−モリブデン合金中に０．１（重量）％のホウ素を添加することも好適である。

本発明の銃身の若干の利点を説明するため、上記のニッケル−アルミニウム−モリブデン合金の若干の性質が銃身鋼の場合と比較しながら第６および７図中にプロットされている。 第６図中には、銃身鋼および上記表中の合金３の０．２％耐力が温度の関数としてプロットされている。 第７図中には、銃身鋼および上記表中の合金３の熱膨張度が温度の関数としてプロットされている。

本発明の実施に際しては、約１４（原子）％のアルミニウム、約１５（原子）％のモリブデンおよび残部のニッケルから成る合金が好適である。

銃身外被用としてニッケル−アルミニウム−モリブデン系の合金を使用することは、かかる合金系の高温下における望ましい高強度特性が十分に発揮されるような用途であることが認められた。 銃身用途においては、上記のオーストラリア特許明細書中に記載された冶金学的効果をもたらすことがある高い動作温度を実際に銃身が有する期間は相対的に見て短いから、再結晶に原因する劣化効果を生じることなしにかかる合金の有利な組合せの特性を活用することができるのである。

低圧プラズマ溶射法によれば、溶射材料の急速凝固プラズマ溶射が達成される。 本発明の場合には３つの相異なる層が関与する。 それらは、耐火生材料から成る第１の内側ライナ層、耐火性材料とニッケル−アルミニウム−
モリブデン合金の外被材料との組合せから成る第２の中間層、および外被材料から成る第３の外被層である。 かかる溶射法によれば、溶射材料の理論密度の９７％を越える層密度が得られるのが通例である。 更にまた、付着材料の汚染レベルは極めて低い。

従来技術によれば、空気中または大気圧の不活性ガス雰囲気中において材料層をプラズマ溶射した場合には、通例は低い付着材料密度を有する高度に汚染された層が得られることが知られている。 このように高度の汚染を受けた低密度の付着層は、銃身用途や類似の用途にとっては実質的に役に立たない。

かかる低圧プラズマ溶射法を使用することにより、銃身の構造および銃身の性能の点で顕著な改善が達成されるばかりでなく、かかる有効で効率の良い銃身の製造原価についても顕著な改善を達成し得ることが判明した。 これらの改善を達成し得る理由の１つは、複数の層から成る複合銃身を形成するために前述の同時係属国際出願明細書中に説明されているような低圧の急速凝固プラズマ溶射法を使用する結果、付着材料の層中および層間において理論密度の９７％程度という高い密度が得られることである。 もう１つの理由は、かかる密度が低い汚染レベルの下で得られることである。 このように高い密度の層が付着する結果、極めて高エネルギーの弾薬を用いて極めて高速の弾丸を発射するためにかかる複合銃身を使用することが可能になる。 かかる多層複合銃身の使用はまた、早い発射速度の下で長時間の連続発射をも可能にする。

本発明はかかる低圧プラズマ溶射法を利用するばかりでなく、耐火性のライナおよび高温下で高性能の外被を含む複合銃身構造物の形成と上記の低圧プラズマ溶射法とを組合わせることによって新規な銃製品を製造するものである。 かかる製造プロセスの第１工程として、適当なマンドレル上に内側の耐火性ライナ層が形成される。

本発明に従って銃身を製造するためのマンドレルは、第１図中に図示されるようなものである。 かかるマンドレルの外面１２上には雄型の旋条リブ１０が設けられている結果、このマンドレル上に形成された銃身ライナはそれに対応した雌型の旋条溝を有することになる。

マンドレル上に完全な銃身を形成した後、このマンドレルは化学的溶解またはその他適宜の手段によって除去される。

かかるマンドレルはまた、銃身の薬室を形成するための太い端部１４をも有している。 かかる薬室および旋条部分の寸法は、後続の加熱による高密度化の結果として正確な最終寸法を持った銃身が得られるように決定されている。

旋条リブはマンドレルの外部に設けられており、しかも機械加工の点から見てそれの形成は比較的簡単であるから、任意所望の曲線を描くようにリブの形状を決定することができる。 特に好適なリブの一形態は、第１図に示されるような加速ピッチを有するリブである。 すなわち、弾丸が最初に旋条に接触した際には、旋条は銃身の内腔の中心軸に整列している。 次いで、弾丸が銃身の長さ方向に沿って移動するのに伴い、トルク成分を付与して弾丸自体の角加速度を増大させるように旋条のピッチを変化させることができるのである。

第１図中のマンドレルは、その上に形成された銃身内における弾丸の加速回転または増量捩りをもたらすような形態の旋条を与え得るリブ付き表面を有するものとして図示されている。 このようなマンドレルについて述べれば、薬室１４側から見た最初のリブ１６は軸方向に整列しているので、銃身内に相補的に形成される軸方向に整列した旋条に弾丸が接触した際にはいかなるトルクも付与されない。 薬室１４から銃身に沿って更に進行した１
８の位置では、銃身の中心軸に対するマンドレル上のリブのピッチは増加し、従ってマンドレル上に形成される銃身内の旋条のピッチも増加する。 このように薬室から銃身に沿って移動するのに伴って増量捩りが誘起されるようにすれば、かかる捩りに原因する応力は薬室において生じた応力から分離または分散されることになる。 このことは、かかる銃身を使用する銃の総合的動作にとって有益なものであり得る。 このようなピッチの変化を受けた後、銃身の中心軸に対するピッチはたとえば２０の位置において一定となり、そして銃身の残りの長さについては一定に保たれる。

第２図に示されるごとく、マンドレル上に耐火性材料を付着させて銃身用のライナを形成するための工程は、米国特許第３８３９６１８および４４１８１２４号明細書中に記載のごとき真空プラズマ溶射技術の使用によって実施される。 かかるライナの厚さは、決定的な役割を果す高価な材料の使用を最小限に抑えるように綿密に設計される。 かかる高価なライナ材料の使用を最適化するためには、プラズマを発生するプラズマガンを加工物に対して相対的に移動させることにより、マンドレルの周囲において十分な半径方向均一性を持った付着物が形成されるようにすればよい。 かかる付着層の厚さはまた、最大の摩耗および最大の発熱が起こる銃身部分においてライナ材料の厚さが大きくなるように変化させることが好ましい。

それによれば、薬室の出口および旋条の開始部にはより厚い層が形成される。 また、内腔の銃口部においても厚さを大きくすることが好ましい。 なぜなら、弾丸が銃口から飛出すのに伴ってこの部分の旋条ランドが平坦化する傾向があるからである。

第２図に示されるごとくにライナ材料の付着が完了した後、ライナの性質と（銃身の本体部分を構成する）外被金属の性質との間における性質移行部としてライナ上に中間層を形成することができる。 かかる中間層はライナを形成する際に使用される粉末と外被金属の粉末とを混合することによって形成すればよい。

また、第２図に示されるごとくにライナを形成した後、
製造プロセスを中断することなしに、第３図に示されるごとくライナ上に中間層を形成することが好ましい。 このようにすれば、これらの層間に良好な結合状態を得ることができる。 それはまた、生産性を高いレベルに維持することをも可能にする。 更にそれは、銃身温度をプラズマからの溶融金属粒子の付着にとって好ましいレベルに維持することを可能にし、またライナの外面と中間層との間に理論強度に近似する極めて強固な結合力を得るをも可能にする。

なお、ニッケル−アルミニウム−モリブデン合金から成る外被材料の熱膨張率は小さくて、耐火性材料の熱膨張率に近似しているから、プラズマ溶射されたライナとプラズマ溶射された外被材料との間に良好な結合状態を維持するために中間層を設置する必要性は、両者の熱膨張率の差が大きい場合の必要性ほど強いものではない。 前述の同時係属国際出願明細書中に記載されたような銃身の場合には、熱膨張率の差が顕著に大きい２種の銃身構造材料を緊密に結合する中間層は銃身の構造にとってより重要なものである。 しかるに本発明に従えば、中間層を形成することなく、耐火性ライナと外被とを用いて新規な銃身を製造することができるのである。

タングステンやタンタルのごとき高融点金属およびかかる高融点金属の耐火性セラミック様化合物（たとえば炭化タングステン、炭化タンタルなど）をはじめとする耐火性材料の多くは比較的小さい熱膨張率を有し、またニッケル−アルミニウム−モリブデン合金の銃身外被材料も小さい熱膨張率を有するから、中間層の必要性は比較的小さい。 従って、第３図中に層３１として示されるような実質的な層を設置することの必要性は比較的小さいのであって、時にはそれを省略することもできる。 とは言え、低圧プラズマ溶射法は非常に簡便なものであって、ライナの形成後においてライナ粉末と外被との混合物をプラズマガンに供給しさえすれば済むのであるから中間層を形成する方がよい。 いずれにせよ、低圧プラズマ溶射法によれば、耐火性ライナとニッケル−アルミニウム−モリブデン合金の外被との間に良好な冶金学的結合を直接に得ることが可能である。 第３図には、銃身の基礎構造の部分断面図が示されている。 第３図中に示された断面において、最も内側の層はマンドレルである。
また、層２８は第２図に関連して上記に説明されたごとくにして形成されたライナ層である。 外側の層３１は中間層であるが、上記のごとく、銃身において使用するのに適した特異な組合せの物理的性質を有しかつ比較的近似した熱膨張率を有するような２種の材料を併用して銃身を構成する本発明の場合にはそれを縮小または省略することも可能である。

低圧プラズマ溶射法によってライナを形成した後、比較的小さい熱膨張率を有するニッケル−アルミニウム−モリブデン合金から成る外被が銃身構造の本体部分として形成される。 第４図に示されるごとく、低圧プラズマ溶射によってライナ上に銃身外被を形成する際に使用される合金は、上記に開示されかつ説明されたようなニッケル、アルミニウムおよびモリブデンの合金である。

ライナを形成し、また場合によっては第３図に示されるごとくに中間層を形成した後に、銃身に沿っての連続パスによって銃身金属の外被層を形成すれば、第４図に半模式的に示されたような複合銃身が得られる。 なお、第３および４図は模式的なものである。 なぜなら、ライナと外被層との組合せから成る複合構造を明示するため、
かつまた製品においては明確に見ることのできない構造を図面によって説明するため、ライナ、中間層および外被層を実際の寸法よりも誇張して示してあるからである。

完成した銃製品の縦断面図が第４図に示されているが、
これは下記のごとき幾つかの利点を持った新規な銃身を提供するものである。

第一に、それは薬室内の摩擦を最小に維持するのに有効であるから、薬室内への銃弾および薬莢の装填や取出しを迅速に行うことができる。

第二に、耐火性のライナが銃身の尾端部およびその他の箇所における内腔表面の融解を防止する。 第４図に示されるごとく、薬莢内において燃焼した発射薬は薬莢の開口３２から銃身ライナの尾端部３０に放出されるから、
この部位は最も高い温度に暴露される箇所である。 拡張した尾端部３４は過度の加熱を受けないが、薬莢内において発射薬ガスが膨張した際に大きな力を受けるから、
大きい弾性係数を有することが必要である。

ライナと銃身金属の外被との間には良好な冶金学的結合が得られるから、この層を通して極めて高いレベルの熱伝達が達成され、従って内腔表面における熱の蓄積は最小限に抑えられる。 また、内腔表面はタンタル、タングステン、モリブデンなどのごとき高融点金属あるいは高融点金属またはその他の金属のセラミック化合物（たとえば炭化物、酸化物など）をはじめとする耐火性材料から成っているので、かかる耐火性表面は極めて高い温度下でも早期融解を示すことなしに加熱および熱衝撃に耐えることができる。 ライナはより高い温度下に置かれるが、耐火性材料の使用によってそれに耐えることができるので、ライナ表面から銃身金属を通って銃身の外部にまで熱を追いやる熱駆動力は遥かに大きなものとなる。
銃身の外面はニッケル−アルミニウム−モリブデン合金から成るので、従来よりも高い温度に耐えることができる。 その温度は、物理的性質を損なうことなしに従来の低合金炭素鋼から成る銃身を加熱することのできる温度よりも実質的に高いものである。 かかる合金は損傷を生じることなしに従来の銃身よりも多量の熱を環境中に放出することができるから、銃身としてそれを使用することはより効率的である。 従って、本発明の複合銃身はより高い火炎温度に耐えるばかりでなく、高性能の銃身に対する構造保全性の要求をも満足し得るものである。

更にまた、特に弾丸が内腔に沿って前進した後に回転力および回転運動が付与されるように旋条が開始しているので、本発明の複合銃身の構造は銃身の摩耗をも防止する。 すなわち、かかる複合構造は摩耗を低減させる効果をも有するのである。 更にまた、内腔および銃口における旋条を極めて効果的に調節し得ると共に、長さ方向に沿ってピッチが変化するように旋条を形成することができるので、旋条が開始する内腔部分における顕著な摩耗の発生は低減される。 また、かかる複合構造中に耐火性材料が組込まれている結果、より高い温度下でも銃身の物理的性質が保持されるという改善も得られ、そしてこのようなより高度の耐熱性は上記の内腔部分における摩耗の低減にも効果を及ぼすのである。

更に別の利点としては、薬室および銃口に近接した区域内における旋条の平坦化の低減および防止が挙げられる。 たとえば第１図のマンドレルまたは第２図のライナ層の形成に際して、内腔に隣接する旋条のピッチを特別に調節することも同様に可能である。 上記の通り、銃身の薬室側端部および銃口部の旋条は摩耗する傾向が大きい。 耐火性材料から成りかつ一体を成す金属外被との間に極めて良好な冶金学的結合を有する本発明のライナを使用すれば、上記の部分においてより大きい耐摩耗性が得られるのである。 本発明の重要な利点の１つは、高度の耐摩耗性を持った材料を高強度の金属外被に結合して使用することにより、より高い温度下で効率良く動作し得る銃が得られることである。

本発明のライナを形成するために使用される材料は高融点の材料であって、かかる材料としてはTa-10W(Ta-10wt
%W)やT-111(Ta-8W-2Hf)のごときタンタル金属、ニオブ基合金(C-129Y)、クロム基、タングステン基またはモリブデン基合金(TZM)、および白金族合金が挙げられる。
かかる材料としてはまた、炭化物、酸化物、ホウ化物およびサーメットのごとき非金属耐火物並びに金属耐火物と非金属耐火物との組合せも挙げられる。

本発明方法においては、各種の加工熱処理およびそれに関連する技術によって高融点金属を硬化させる常法に加えて、本発明製品を構成する各種の層を形成するための粉末中に炭化物、酸化物およびホウ化物のごとき化合物の添加することも可能である。 あるいはまた、ライナの最も内側の表面を炭化物、酸化物またはホウ化物のみから構成し、そして徐々に高融点金属に移行させることも可能である。

なお、ひれによって安定化された弾丸を発射するような銃身については、耐火性ライナをプラズマ溶射によって形成するためのマンドレルは平滑なものであってもよい。

更にまた、滑腔の銃身を製造した後、機械加工によって内部に旋条を形成することもできる。 しかしながら、最初に耐火性材料の薄層を銃身の内側に形成し、次いでマンドレルの除去後にその表面の機械加工を行う場合には、本発明の利点の幾つかが失われることになる。

従来の機械加工技術としてはブローチ削り、回転鍛造および電気化学的加工が挙げられるが、これらは耐火性の保護ライナ層を破壊することになろう。

それに対し、マンドレル自体が内腔に付与されるべき旋条の原形を有する結果として以後における内腔の機械加工が不必要である場合には、上記の工程は排除されるわけである。 本発明の銃身は内面の機械加工なしに製造されるが、外面には最終寸法が得られるように機械加工を施すことができる。

耐火性ライナとニッケル−アルミニウム−モリブデン合金の外被との間の中間層は、本発明の実施にとって不可欠のものではない。 とは言え、銃身構造中にかかる中間層を組込むことも可能である。

ライナと外被との間に中間層を設置する場合には、かかる中間層はライナの耐火性材料の性質と外被の合金の性質との間において徐々に性質が移行するように形成することが好ましい。 いずれにせよ、かかる中間層は層間に良好な冶金学的結合を確保するために役立ち得るものである。 銃身の外被がライナに対してバックアップ特性を発揮するという点から見れば、特に両者の熱膨張率が極めて近似している場合には、性質が徐々に移行することは一般に重要でない。

銃身に所要の強度および剛性を付与する外被もまた、真空プラズマ溶射によって形成される。 かかる外被は、プラズマ溶射パスの回数を制御することにより、ほぼ正味の形状を有すると共に各種のクランプや装着機構用の付着金属部分を含むように形成することができる。 このような制御を行うためには、マンドレル上に各種の層を付着形成する際におけるプラズマガンとマンドレルとの相対運動を規定するプログラムを開発すればよい。

たとえば精密な公差をもってクランプ表面が形成されている場合のように外面の機械加工を必要としない銃身については、外被上に黒色の防食被膜を設置することができる。 かかる黒色表面は、熱放射を促進することにより、銃身の冷却を助けると共に多少の防食効果をももたらすのである。

真空プラズマ溶射の結果として空隙を持った金属層が形成された場合には、銃身の二次的処理によって空隙を低減または排除することができる。 かかる処理の一例は、
銃身の金属が合体するのに十分な時間にわたって銃身を加熱することである。 あるいはまた、高温ガスによる等圧圧縮を使用することもできる。 更にまた、ある種の銃身に対しては、溶射によって形成された銃身に熱間鍛造を施して合体させることもできる。

銃身を合体させた後、機械的手段または化学的溶解によってマンドレルを除去すれば、銃身ライナの内面として使用し得る完成した耐火性表面が得られることになる。

また、マンドレルを除去した後、ライナおよび外被には望ましい機械的性質を得るための熱処理を施すことができる。 かかる熱処理は銃身の複合構造中に運動を引起こし、それによって銃身の性質を向上させることができる。

本発明の利点の１つは、僅か２種の粉末をプラズマガンに供給することによって複合構造を形成し得る点にある。 一方の粉末は耐火性材料の粉末であり、また他方は外被金属の粉末である。 更にまた、かかる銃身は、１回の連続したプラズマ溶射操作によって形成することができる。 その際には、先ず最初に耐火性材料を用いてマンドレルの全長にわたりライナを付着させ、次いで所望に応じ耐火性材料粉末と外被金属粉末との混合物に切換えて中間層を形成し、最後に外被金属のみから成る粉末に切換えればよいのである。

マンドレルの薬室側端部の周囲、あるいはまた銃身の設計および用途に基づけばより大きい応力が発生すると思われるマンドレル部分の周囲において、ライナの厚さをより大きくすることができる。

すなわち、弾丸が初めて旋条に出会う銃身部分において大きな応力が発生するように銃身が設計されている場合には、その部分においてライナの厚さをより大きくすればよい。

また、銃口部におけるライナの厚さを増大させれば、この銃身部分における旋条の摩耗および摩滅を低減させることができる。

小口径または中口径の銃弾に対して使用する場合には、
ライナは０．１３〜０．５０mmの厚さを有し、（所望に応じて使用される）中間層は０．０３〜０．５０mmの厚さを有し、かつ外被は約１〜約２cmの厚さを有するのが適当である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペリン，デビツド・ポーター アメリカ合衆国、05461、バーモント州、 ハイネスバーグ、ボツクス・1350、アー ル・エフ・デイー・１（番地なし) (56)参考文献 米国特許2542962（ＵＳ，Ａ) 米国特許2935912（ＵＳ，Ａ) 米国特許2780019（ＵＳ，Ａ) 米国特許3261121（ＵＳ，Ａ) 米国特許3442172（ＵＳ，Ａ) 米国特許4111723（ＵＳ，Ａ) 米国特許3933483（ＵＳ，Ａ)