Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim nặng WFeCrMnMoSiNiC làm lõi xuyên đạn993

Đã xây dựng được quy trình chế tạo và xử lý nhiệt HKN 8 nguyên trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thực nghiệm bao gồm các công đoạn: a Chuẩn bị bột thô W và thép 5XHM, b Phối liệu hỗn hợp

trường đại học bách kh

=======o0o=====

Trần Bá Hùng

nghiên cứu công nghệ chế tạ W-F -C -M -M -S -N e r n o i i -C làm

Chuyên ngành: Công nghệ vật Mã số: 62.52.90.01

tóm tắt luận án tiến sĩ

Hà Nội – 2009

danh mục các bài bá Công trình nghiên cứu được hoàn thành

tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận án sẽ được bảo vệ tr ớc Hội đồng chấm luận án cấp ư

nhà nước, họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Vào hồi giờ ngày tháng năm 200

Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia

và thư viện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

liên quan đến luận á

1.Trần Bá Hùng, (2004), “Biến đổi kícthành phần của bột hợp kim nặng the

động khoa học, Bộ KH &CN, tr.33-39 2.Trần Sĩ Kháng, Trần Bá Hùng, Cao văHồng Việt (2004), “ Nghiên cứu công

thuật và Trang bị số 43, tr 27-29 2.Trần Sĩ Kháng, Trần Bá Hùng, Cao vă

“Nghiên cứu công nghệ đồng đều hoá

hợp kim nặng mác 90%W+10%Fe”, T

107, tr 83-88

3.Trần Bá Hùng, Trần Sĩ Kháng, Trươ(2007), “Nghiên cứu chế tạo hỗn hợp btám nguyên W90(Fe+Ni+Cr+Mn+C+ M

công nghiệp quốc phòng & kinh tế, Số

tr 80-88.

7.Trần Bá Hùng, Trương Ngọc Thận , Trần Sĩnăng của lõi đạn có tính cắt đoạn nhiệt khi xuy

Công nghệ kim loại số 22, tr 22-26

8.Trần Bá Hùng, Trương Ngọc Thận , Trần Sĩthước hỗn hợp bột đến tính chất của hợp kim n

C ”, Tạp chí khoa học & công nghệ các trường

Các nguyên tố hợp kim hoá đã làm tăng đáng kể độ cứng và giới

hạn bền nén của HKN sau nhiệt luyện nhờ chuyển biến pha tạo

thành mactenxit và các pha hoá bền phân tán

8 Đã xây dựng được quy trình chế tạo và xử lý nhiệt HKN 8 nguyên

trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thực nghiệm bao gồm các công

đoạn: (a) Chuẩn bị bột thô W và thép 5XHM, (b) Phối liệu hỗn hợp

bột theo tỷ lệ 90% W và 10% thép 5XHM, (c) Nghiền và đồng đều

hoá thành phần hỗn hợp bột với thời gian 35 giờ, đạt kích thước

< à5 m, (d) Chế tạo hợp kim bằng công nghệ ép nóng, (e) Nhiệt

luyện sản phẩm ép nóng

9 Trên cơ sở mô tả hành vi và sự chuyển hoá động năng của lõi

xuyên, đã thiết lập được phương trình khái quát về sự chuyển hoá

động năng và các bài toán năng lượng liên quan đến lõi xuyên Từ

những luận cứ trên, đã thiết kế và chế tạo dụng cụ đánh giá tính

năng cắt đoạn nhiệt của HKN trên cơ sở khảo sát sự biến dạng ở

quy mô thí nghiệm

10 Hợp kim nặng W90Fe9,59 Cr0,08Ni0,17Mn0,07Si0,025 Mo0,025C0,04 thu được

84 HRA, giới hạn bền nén 1400 MPa và qua kết quả khảo sát sự

biến dạng bằng dụng cụ tự chế tạo hoàn toàn có thể đáp ứng được

yêu cầu của vật liệu cho chế tạo lõi đạn xuyên

a phần giới thiệu chung về luận

1 Tính cấp thiết của đề tài Với khối lượng riêng (ρ) và cơ tính đ(HKN) trên cơ sở vonfram đã và đang đtrong nhiều ngành công nghiệp, nhất là trTrong sản xuất vũ khí, HKN là vật lilõi đạn có khả năng xuyên và phá huỷ mụctrang bị áo giáp phản ứng nổ tới hàng trăm m

Đã có nhiều công trình nghiên cứu vcông bố tại các cường quốc quân sự và cácluyện kim phát triển

Với mong muốn góp phần ứng dụng-ph

vũ khí chống tăng-nhiệm vụ trước mắt

là “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kimNi-Si-C làm lõi đạn xuyên”

2 Mục đích của luận án

- Chế tạo HKN có thành phần hoá họnguyên của Mỹ dùng làm lõi đạn xuyêncơ sở uran nghèo từ hỗn hợp bột W trong

- Xác định những khả năng nâng caoviệc giảm kích thước hạt của hỗn hợnguyên tố hợp kim hóa cùng với xử lý n

- Đề xuất phương án đánh giá gián tiếp

3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên

Đối tượng nghiên cứu là hợp kim có thàn

2

Đã sử dụng những phương pháp nghiên cứu sau đây để thực hiện

nội dung của luận án: phương pháp tổng hợp, phân tích đánh giá, phương

pháp thực nghiệm và các phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm

4 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

* Lần đầu tiên, HKN 8 nguyên trên cơ W-Fe có tính năng cắt đoạn

nhiệt (CĐN) thay thế cho uran nghèo làm lõi đạn xuyên chống tăng

được chế tạo ở nước ta bằng công nghệ luyện kim bột (LKB)

* Việc sử dụng thép 5XHM trong thành phần phối liệu HKN là một

giải pháp sáng tạo khắc phục những khó khăn, phức tạp về công

nghệ-thiết bị chế tạo các thành phần bột của nền liên kết cũng như tạo

thêm khả năng hoá bền bằng chuyển biến mactenxit và tiết pha phân

tán khi nhiệt luyện

* Với sự lựa chọn nguyên liệu đầu vào và sử dụng phương pháp thiêu

kết dưới áp lực không chỉ rút ngắn được quy trình công nghệ mà còn

làm tăng tính khả thi của việc chế tạo HKN 8 nguyên trong điều kiện

thực tế của nước ta

* Lần đầu tiên trong tài liệu khoa học ở nước ta nêu ra phương trình

năng lượng biễu thị hành vi của lõi đạn đi trong mục tiêu Phương

trình này là cơ sở của phương pháp đánh giá gián tiếp một số chỉ tiêu

liên quan tới khả năng xuyên của lõi đạn từ HKN thông qua biến

dạng dẻo ở quy mô phòng thí nghiệm, nhờ vậy có thể thay thế được

phần nào cho việc đánh giá trực tiếp tại hiện trường vốn rất phức tạp

và tốn kém

Với những nội dung và kết quả nghiên cứu thu được, luận án có

ý nghĩa về mặt khoa học

* Chế tạo thành công HKN 8 nguyên sẽ góp phần thiết thực đáp ứng

nhu cầu cấp bách của Việt Nam về vật liệu cho sản xuất lõi đạn

xuyên chống tăng Vật liệu này cũng rất cần thiết cho ngành cơ khí,

đóng tàu và điện nguyên tử đang và sẽ phát triển ở nước ta Vì vậy,

ngoài ý nghĩa khoa học, luận án còn có ý nghĩa đáng kể về thực tiễn

23

2 Hợp kim nặng 8 nguyên chế tạo bằng chợp bột W (pha cốt) và thép 5XHM có thpha nền tạo được sự chủ động và thuậnguyên liệu vonfram trong nước và thétrường Việc sử dụng thép 5XHM và ngắn đáng kể lưu trình chế tạo HKNnhững khó khăn, phức tạp khi phải chuẩcủa pha nền, nhờ vậy nâng cao tính kh

tế của toàn bộ quá trình chế tạo hợp kim

3 Sự kết hợp quá trình nghiền và đồng đềmáy nghiền ly tâm hành tinh đã tận dụn

W đối với thép 5XHM vốn dẻo, rất khó ng

được những khó khăn về kỹ thuật nghiềnlượng nghiền

4 Đã xác định chế độ ép nóng phù hợp cho thước hạt, thành phần và xử lý nhiệt tới cơnguyên, cụ thể: Nhiệt độ: 1400 0C, áp lực: 1

5 Trên cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của kích tcủa HKN 8 nguyên đã xác định được kíhợp bột W và thép 5XHM cho chế tạo HK

6 Việc sử dụng các nguyên tố hợp kim Ni, bền hiệu quả nền Fe, làm tăng rõ rệt(độ cứng 81 HRA, giới hạn bền nén nguyên (độ cứng 78 HRA, giới hạn bền n

7 Hợp kim nặng sau ép nóng được nhiệt lu

độ được xác định trên cơ sở khảo sát ảnh hnghệ tới tổ chức và cơ-lý tính của HKCN20 ở nhiệt độ 850 0C và ram ở 500 0C tr

Hình dạng của các hạt W trong tổ chức của mẫu HKN này sau

(hình 6.11b) mà tác giả Bose [44] thu được khi thử biến dạng hợp kim

với ứng suất vừa phải

Tiếp tục tăng khoảng cách lên 80 mm, mẫu sau khi thoát khỏi mục

tiêu bị nổ tung thành những mảnh vụn Các hố sâu trên đường đi (hình

6.12(a)) và vật liệu mục tiêu có biểu hiện bị hoá lỏng (hình 6.12(b))

Từ những kết quả thử nghiệm trên cho phép khẳng định, mẫu từ

HKN W90Fe9,59Ni0,17Cr0,08Mn0,07Mo0,025Si0,025C0,04 được chế tạo có tính

CĐN Sự vỡ vụn của mẫu sau khi thoát khỏi mục tiêu là hoàn toàn

phù hợp với yêu cầu của vật liệu làm lõi đạn xuyên

Kết luận

1 Đối tượng vật liệu nghiên cứu của luận án được chọn là mác HKN

8 nguyên có thành phần W90Fe9,59Cr0,08Ni0,17Mn0,07Si0,025Mo0,025 C0,04

Việc thay thế Ni bằng Fe để làm pha nền kết hợp với việc sử dụng

một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim hoá là hoàn toàn phù hợp với

xu thế phát triển HKN trên thế giới theo hướng giảm giá thành chế

tạo vật liệu, nhưng vẫn đáp ứng được các yêu cầu về tính năng sử

dụng

5 Bố cục của luận án Luận án gồm 122 trang, 66 ảnh, hình vliệu tham khảo Trong đó: Mở đầu gồm 3

về hợp kim nặng trên cơ sở vonfram: 22 mẫu và các phương pháp nghiên cứu: 9 trcông nghệ ép nóng: 12 trang; chương 4: hạt tới tính chất HKN 8 nguyên: 15 trang; thành phần và nhiệt luyện tới tính chấKhảo sát tính năng cắt đoạn nhiệt bằng dKết luận: 3 trang; Danh mục các công trìntham khảo: 8 trang

b nội dung luận án

Chương 1: Tổng quan về hkn trên cơ sở vonfram

1.1 Khái quát về các loại vật liệu làm lõi đVật liệu cho chế tạo lõi xuyên, có hợp kim nặng, hợp kim uran nghèo Lõi xuyên trên cơ sở uran nghèo (DU)(CĐN), nên không bị biến dạng dẻo thànhhuỷ bề mặt theo cách lột lớp vỏ ngoài Vnghiêm trọng, uran nghèo bị cấm sử dụng c1.2 Tình hình nghiên cứu và phát triển HKHợp kim nặng trên cơ sở vonfram là

%W, có khối lượng riêng khoảng 15-19 g.cchế tạo bằng công nghệ LKB là compozit kim loại như Fe, Ni, Cu….Do có những títhể làm việc ở môi trường rất khắc nghiệViệc nghiên cứu và sử dụng HKN trphát triển của ngành luyện kim bột và đưthế kỷ XX Hợp kim nặng hệ 2 và 3 ngtriển và sử dụng rộng rãi trong nhiều ng

4

lượng nguyên tử, chế tạo máy bay, tàu thuỷ từ những năm 40-50 của

thế kỷ trước Trước sự cấm vận lõi đạn xuyên trên cơ sở DU, xuất

hiện hướng nghiên cứu mới với mục tiêu chế tạo HKN vẫn trên cơ sở

W, nhưng có tính CĐN [30]

Theo công bố của các nhà khoa học quân sự Mỹ năm 1999 thì

trong số các HKN trên cơ sở W có tính CĐN có hợp kim W-Ni-Mn

đang được dùng cho chế tạo lõi đạn xuyên thay cho DU

Nhằm mục đích đảm bảo được tính năng CĐN nhưng hạ giá

thành vật liệu, HKN nhiều nguyên trên cơ sở W-Fe được tập trung

nghiên cứu-phát triển theo hướng hợp kim hoá nhiều nguyên tố kim

loại và á kim như: C, Mn, Cr, Mo,… Các nước có nền công nghiệp

quốc phòng phát triển như Nga, Mỹ… đã đạt đ ợc nhiều thành tựu ư

trong việc chế tạo HKN nhiều nguyên nền Fe dùng làm vật liệu cho

lõi đạn xuyên đặc biệt sau chiến tranh vùng Vịnh và Nam Tư Theo

bằng các nguyên tố hợp kim có thể tương đương với hợp kim nặng

trên cơ sở DU

W90Fe5Ni5 và 7 nguyên W80Fe15,2Ni3,6Co0,4Mo0,52Ti0,13 Al0,01 được tiến

hành chủ yếu tại Viện công nghệ, Bộ quốc phòng từ năm 1999 với

mục đích làm vật liệu cho chế tạo lõi đạn xuyên

1.3 Xác định mác HKN nghiên cứu và công nghệ chế tạo

Qua ảnh SEM (hình 6.11a) thấy rằntiếp giáp với mục tiêu bị biến dạng lớn cònnày gần như không bị ảnh hưởng

Theo xu hướng phát triển HKN W-Fe trên thế giới và điều kiện

thực tế của Việt Nam, đối tượng được chọn nghiên cứu là HKN có

thành phần tương đương với HKN hệ 8 nguyên của Mỹ:

W90Fe9,59 Ni 0,17Cr0,08Mn0,07Si0,025Mo0,025C0,04

21

Đối với mẫu 4, lõi xuyên không bị nhình dạng cho tới khi tăng khoảng cách lên cắt ngang lõi xuyên (hình 6.9a) và cắt dọc

(a) Hình 6.9: Hình dạng của mục tiêu và lõiTuy nhiên, đã xảy ra sự phá huỷ lớp6.10(a)) với chiều dày không đều (hìnhxúc giữa mục tiêu và mẫu thể hiện rõ sự p

(a) Hình 6.10: Sự phá huỷ lớp bề mặt củ

Các hạt W bị biến dạn

Hình 6.11: ảnh SEM tổ chức biế

Kết cấu của dụng cụ biến dạng được trình bày trên hình 6.4,

trong đó: 1- Đầu búa của máy, 2 - Chày, 3 - Chi tiết dẫn hướng, 4 -

Mục tiêu, 5 - Bệ gá, 6 - Mẫu lõi

6.6 Thử nghiệm biến dạng

6.7 Kết quả và thảo luận

Kết quả thử nghiệm biến dạng HKN 2 nguyên (mẫu 1), 3 nguyên

(mẫu 2), 4 nguyên (mẫu 3) và 8 nguyên (mẫu 4) được trình bày trong

bảng 6.1

Bảng 6.1: Kết quả thử nghiệm biến dạng của các mẫu HKN

Chế độ thử Mẫu ρρρρρ

680

730

840

Không vỡ Nứt Nứt, vỡ

80

216634494332

và vỡ vụn

12

34

Hợp kim nặng được chọn nghiên cứulượng riêng theo tính toán ≈16,85 g.cm-3 Việc sử dụng đồng thời nhiều nguynền Fe, một mặt làm tăng cơ tính của phthấm ướt của W trong quá trình thiêu kết cónhờ đó tạo được sự liên kết vững chắc giữaNhư vậy, HKN được chọn nghiên cchế tạo và xử lý phù hợp không chỉ có thểkhối lượng riêng mà cả cơ tính của vật liệ

có thể còn có khả năng cắt đoạn nhiệt 1.5 Các vấn đề cần hoàn thiện và địnhCác vấn đề nghiên cứu sau đây đư

W dạng bột được chế tạo từ quặng vonphương pháp thuỷ luyện làm pha cốt và bộcủa HKN nghiên cứu; ảnh hưởng của thàphối liệu và độ đồng đều hoá tới tổ chức

định chế độ công nghệ chế tạo HKN 8 thời gian, nhiệt độ); Khả năng hoá bền Hram); Khảo sát tính năng cắt đoạn nhiệchế tạo

Chương 2: chuẩn bị mẫu và các phương pháp

2.1 Chuẩn bị mẫu Chuẩn bị hỗn hợp bột Bột pha cốt-W được chuẩn bị theo p

cỡ hạt <10 àm và độ sạch đạt 99,8% Bột pha nền được nghiền từ phoi thé

6

Bột W và bột thép 5XHM sau đó tiếp tục được nghiền và đồng

đều hoá thành phần trong máy nghiền ly tâm hành tinh với chế độ

Nhiệt luyện mẫu HKN

Mẫu HKN 3 nguyên, 4 nguyên và 8 nguyên sau ép nóng được

nhiệt luyện qua hai khâu tôi và ram

- Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử trên máy ARL-3460

của hãng FISONS (Thụy Sỹ) cho phân tích thành phần hoá học

- Phương pháp nhiễu xạ Rơngen trên máy D5005 của hãng SIEMENS

cho phân tích thành phần pha

- Phương pháp Rơngen phân tán theo năng lượng (EDS) trên máy

FESEM Hitachi S4800 + EDX Horiba Oxford cho xác định

thành phần hoá học của từng pha

- Phương pháp quan sát và chụp ảnh trên kính hiển vi quang học

(HVQH) Axiovert 40 MAT và trên kính hiển vi điện tử quét-

SEM trên máy JSM-5410LV hoặc trên máy Hitachi S4800 cho

xác định kích thước hạt, sự phân bố các pha, cấu trúc tế vi và

- Phương pháp thuỷ tĩnh cho xác định khối lượng riêng

2 2

0 0

Trong đó: Pb - áp suất hơi của đầu búa, [P

Sp - Tiết diện pitông gắn với đ

L - Khoảng cách giữa đầu búa v pitông), [m]

M - Khối lượng của đầu búa [k

g - Gia tốc trọng trường, [m/s2]

Thay các giá trị W0 = WĐB = 4332 J

búa Pb= 4.10 MPa, Sp = 0,13 m2, m = 450 thức tính khoảng cách L giữa đầu búa và

Pb

B

Đ

413.0104

4332

ì

=+

=

MgS

WL

p

Như vậy, khoảng cách L giữa đầu

động năng 4332 J là 0,08 m

xốp, tăng độ đặc sít của HKN do tính thấm ướt của pha cốt-W bởi pha

nền-Fe được cải thiện Tính chất cơ học của HKN 8 nguyên đã tăng

rõ rệt ngay trong quá trình chế tạo bằng phương pháp thiêu kết dưới

áp lực và nhiệt luyện sau đó nhờ việc tạo ra các dung dịch rắn cùng

với các pha hoá bền là những hợp chất liên kim và cacbit

- Phương pháp đo độ cứng RockwellAR10 của hãng Mitutoyo hoặc thang

250 của Nga với độ chính xác ± 1 %

- Phương pháp đo giới hạn bền nén bằcủa Đức, thang đo 40 tấn, độ chính x

- Phương pháp đánh giá gián tiếp khả nqua biến dạng dẻo-phá huỷ vật liệu b

Chương 3: Xác định công nghệ é3.1 Thiêu kết có sự tham gia của pha lỏng Mục đích của quá trình này là nphôi ép nhằm đáp ứng yêu cầu về tính phẩm Tính chất và tổ chức của hợp kimquan rất nhiều vào sự thấm ướt của pha ctạp chất, sự hoà tan của các hạt mịn cũng kết tinh lại

= 1400 MPa, độ cứng 84 HRA hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu

đối với vật liệu làm LĐX thay thế cho HKN trên cơ sở DU

Về phương diện nhiệt động học và

lý xảy ra khi thiêu kết dưới áp lực thuận lợihình và thiêu kết là hai khâu độc lập Chương 6: Khảo sát tính năng cắt đoạn nhiệt của

thực nghiệm Khối lượng riêng của HKN cầtrong việc xác định các thông số công ngh

để gia nhiệt và máy ép thuỷ lực với lực(hình3.1) Kết cấu của khuôn graphit ch(hình 3.2): Thân khuôn (1), chày ép (2),

năng lượng

6.3 Thiết lập phương trình biễu diễn các thành phần năng lượng

6.4 Phương trình năng lượng biểu kiến của lõi đạn xuyên

6.5 Thiết kế và chế tạo dụng cụ biến dạng lõi đạn xuyên từ HKN

được chọn <5 àm của hỗn hợp bột thu được sau quá trình

nghiền-đồng đều hoá trong máy nghiền ly tâm hành tinh 35 h

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ ép nóng tới

khối lượng riêng của HKN

Nếu chỉ xét thuần tuý về khối

lượng riêng thì nhiệt độ thiêu kết được

chọn là 1400 oC

130 11 12 13 14 15 16 17

Fe3C , WC, Mram Píc của các pha cacbittrên giản đồ nhiễu xạ Rơngen

Tóm lại, các nguyên tố Ni, Cr, Mn, Mlượng riêng của HKN 8 nguyên so với HKN 16,53 lên 16,66 g.cm-3, giới hạn bền nén từ5.24) và độ cứng từ 78 lên 84 HRA Độ cứnram (hình 5.23) không giảm so với sau tôi

được nguyên nhân nhưng không loại đây

độ cứng thứ hai

36-1249 (C) - Iron Carbide - Fe2C - Y: 1.79 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 03-1096 (D) - Tungsten Carbide - WC - Y: 0.19 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 04-0806 (*) - Tungsten wolfram - W - Y: 39.75 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 File: Hung-VCNQD-HKN-K7.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 15.000 ° - End: 69.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.5 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - C

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

1 1 1 1 1

áp lực ép

Mẫu HKN 8 nguyên sau ép nóng với chế độ như đã nêu có

12, 14 và 16 MPa) tới ρ của HKN

được khảo sát ở các điều kiện chọn trước là: nhiệt độ 1400 oC, thời gian

ép 4 min Kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 3.4

Xét về phương diện an toàn khuôn

ép, áp lực ép được chọn là 14 MPa

b

Trên ảnh SEM của HKN 8 nguyên chỉ phân biệt được 2 pha

chính gồm pha cốt-W (màu sáng) và pha nền là hợp kim Fe (màu tối)

Mẫu được tôi theo chế độ như với hợp kim pha nền và đạt khối

lượng riêng ρ =16,66 g.cm -3, σ n

= 1320 MPa, độ cứng 83 HRA

Hìn

b

Trên ảnh SEM (hình 5.17) không thấy vết nứt và pha mới

trong tổ chức sau quá trình tôi như chờ đợi, một mặt do pha nền chỉ

Hình 5.17: Tổ chức HKN

8 nguyên sau tôi

Hình 5.19: Tổ chức HKN

8 nguyên sau ram

ảnh hưởng của thời gian ép (2,

3, 4 và 5 min) tới ρ của HKN được khảo sát ở các điều kiện chọn trước là: nhiệt độ 1400 oC, áp lực ép 12 MPa Kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 3.5

Xét về phương diện năng lượng, thời gian ép nóng được chọn

W

HthờThành phần pha của HKN sau tôi (hình 5.18) gồm các pha W,

tới ρ của HKN rút ra chế độ ép nóng phù hlực ép 14 MPa và thời gian 4 min Với ch

là 1220 MPa Chế độ ép nóng xác địnhnghiên cứu tiếp theo nhằm mục đích nânnguyên

- Thiết bị sử dụng là máy nghiền ly tâm hành tinh với tốc độ của

tang nghiền ω2 là 800 v/p và tỷ lệ khối lượng giữa bi HKC và hỗn

- Thời gian nghiền đ ợc chọn khảo sát là 15, 25, 35, 50 và 70 h ư

Hỗn hợp bột sau 15 h nghiền trộn

Cấp hạt trung bình khoảng15 àm (hình 4.1) Sự phân bố về

biệt với tổ chức của nó trước nhiệt luyHỗn hợp bột sau 25h nghiền trộn

5.4 Hợp kim nặng W90Fe9,59Ni0,17Cr0,08MnCấp hạt trung bình của hỗn hợp bột vào khoảng 10 àm (hình 4.2)

Chế độ nhiệt luyện: Tôi trong dầram ở 500 0C với thời gian khác nhau (30, 60

Hình 4.1: ảnh SEM hỗn hợp

bột nghiền trộn 15 giờ

Hình 4.2: ảnh SEM hỗn hợp bột nghiền trộn 25 giờ

Từ các khảo sát ảnh hưởng của chế 5XHM sử dụng làm hợp kim nền cho HKN

- Các nguyên tố hợp kim hoá tạo thành dung dcacbit đơn, cacbit phức, đồng thời làm cho cao Mactenxit ram cùng với các pha cacbit nhtrong quá trình nhiệt luyện đã tăng bền cho

25h

hạt cacbit màu sáng và độ cứng của thép đạ

Chương 5: ảnh hưởng của thành phần và nhiệt luyện

tới tính chất của Hợp Kim Nặng

Các mẫu HKN nghiên cứu có thành phần được ký hiệu theo

Sau khi phối liệu, các hỗn hợp bột tương ứng với thành phần

của HKN 2,3,4 và 8 nguyên được nghiền và đồng đều hoá cho tới khi

đạt kích thước trung bình 5 àm Sau đó tiến hành chế tạo HKN với

cùng một chế độ ép nóng: nhiệt độ 1400 oC, áp lực 14 MPa, thời gian 4

nhiệt độ 200 0C với thời gian khác nhau (30, 60, 90, 120 min)

Mẫu sau tôi có ρ ≈ 16,53 g.cm-3, σ nb= 1000 MPa, độ cứng trung

bình 81 HRA

Thành phần pha thể hiện trên giản đgồm: W, Fe, WC, Fe3C và các hợp chất liênHỗn hợp bột sau 35 h nghiền trộn

Cỡ hạt trung bình vào khoảng 5 àmcủa chúng phân bố tương đối đồng đRơngen thành phần pha Fe7W6 tăng lên rõ

WC giảm xuống

Hỗn hợp bột sau 50 h nghiền trộn

Cỡ hạt trung bình chỉ còn khoảng các pha khá đồng đều (hình 4.6) Hàm lưnhiễu xạ Rơngen tiếp tục tăng và xuất hinhưng píc của pha WC gần như không còn

Hình 4.4: ảnh SEM hỗn hợp bột nghiền trộn 35 giờ

Hình

Trong quá trình nghiền trộn, khi hỗnthì rất khó tránh khỏi khả năng bị ôxy honhiên, tương tự trường hợp WC và các pha khcũng không phân biệt được trên giản đồ nh

12 13

Hỗn hợp bột sau 70 h nghiền trộn

Qua ảnh SEM (hình 4.8) thấy

rằng, cỡ hạt trung bình sau nghiền

trộn 70 h khoảng 1 àm Sự phân bố

của các pha rất đồng đều Tuy nhiên

bắt đầu có biểu hiện kết tụ, vón cục

Trong thành phần pha có Fe7W6,

FeO và sắt cacbit, hàm lượng Fe7W6

tăng lên rõ rệt

Hình 4.8: ảnh SEM hỗn hợp bột nghiền trộn 70 h

Khối lượng riêng của HKN với kích thước hạt từ 5 đến 15 àm hầu như không có sự thay đổi, còn ở kích thước

2 đến 1 àm thì ρ giảm mạnh (hình 4.10) Lượng rỗ xốp trong HKN tăng lên rõ rệt

so với mẫu từ hỗn hợp bột nghiền 35 h Nguyên nhân có thể do sắt bị oxy hóa trong khi chuẩn bị hỗn hợp bột và ép nóng

hợp bột có kích thước ≈ 15, 10, 5 àm, sauhạt từ 2 đến 1 àm (hình 4.13 và 4.14) Cơtăng biên giới hạt, tức là tăng cản trở lệch khcơ tính ở kích thước từ 2 đến 1 àm làhưởng không lợi tới khả năng thấm ướt của ph

- Bằng máy nghiền ly tâm hành tinh có thể giảm cỡ hạt của hỗn

hợp bột thô W và thép 5XHM xuống 1 àm

- Hợp chất liên kim Fe7W6 là sản phẩm của quá trình hợp kim hoá cơ

học xảy ra khi nghiền, hàm lượng hợp chất này tăng theo thời gian

- Hỗn hợp bột bị nhiễm bẩn một lượng nhỏ WC sinh ra từ sự mài

mòn lớp lót tang nghiền và bi nghiền bằng hợp kim cứng, tuy

nhiên có thể coi tạp chất này là không có hại

76 78 80 82

- Khó có thể khắc phục được khả năng hỗn hợp bột bị ôxy hoá

Từ những nhận xét nêu trên và xuất phát từ hiệu quả kinh tế-kỹ

thuật của quá trình nghiền, thời gian nghiền đ ợc chọn là 35 h ư

4.2 ảnh hưởng của kích thước hạt tới tính chất của HKN

Kích thước hạt trung bình của hỗn hợp bột được dùng để khảo

sát là ≈ 15, 10, 5, 2 và 1 àm tương ứng với thời gian nghiền 15, 25,

35, 50 và 70 h Mẫu được chế tạo bằng phương pháp ép nóng với chế

độ công nghệ được chọn như đã nêu ở chương 3, cụ thể là: nhiệt độ

1400 0C, áp lực 14 MPa, thời gian 4 min

Hình 4.13: ảnh hưởng của kích thước hạt tới độ cứng của HKN

Hình thướ

Từ kết quả khảo sát nêu trên, kích thcho chế tạo HKN 8 nguyên được chọn là 5chế tạo từ hỗn hợp bột với với cỡ hạt 5 àm có

ρ = 16,66 g.cm-3, σnb = 1120 MPa độ cứng

ảnh hưởng của kích th ớc hạt tới khối l ợng riêng của HKN được ư ư

thể hiện trên hình 4.10 và tới cơ tính trên các hình 4.13 và 4.14

a phần giới thiệu chung về luận án

1 Tính cấp thiết của đề tài

Với khối lượng riêng (ρ) và cơ tính đặc biệt cao, hợp kim nặng (HKN) trên cơ sở vonfram đã và đang được sử dụng rất hiệu quả trong nhiều ngành công nghiệp, nhất là trong sản xuất vũ khí

Trong sản xuất vũ khí, HKN là vật liệu hàng đầu dùng để chế tạo lõi đạn có khả năng xuyên và phá huỷ mục tiêu kể cả xe tăng được trang bị áo giáp phản ứng nổ tới hàng trăm mm

Đã có nhiều công trình nghiên cứu và sáng chế về HKN được công bố tại các cường quốc quân sự và các nước có nền công nghiệp luyện kim phát triển

Với mong muốn góp phần ứng dụng-phát triển HKN cho chế tạo

vũ khí chống tăng-nhiệm vụ trước mắt và lâu dài của ngành công nghiệp quốc phòng nước ta, đề tài của luận án được chọn nghiên cứu là

“Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim nặng

W-Fe-Cr-Mo-Mn-Ni-Si-C làm lõi đạn xuyên”

2 Mục đích của luận án

- Chế tạo HKN có thành phần hoá học tương đ ơng với HKN 8 ưnguyên của Mỹ dùng làm lõi đạn xuyên thay thế cho hợp kim trên cơ sở uran nghèo từ hỗn hợp bột W trong nước và thép 5XHM

- Xác định những khả năng nâng cao cơ lý tính của HKN bằng việc giảm kích thước hạt của hỗn hợp bột và hóa bền bằng các nguyên tố hợp kim hóa cùng với xử lý nhiệt

- Đề xuất phương án đánh giá gián tiếp khả năng xuyên của HKN

3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hợp kim có thành phần t ơng đương với ư

Đã sử dụng những phương pháp nghiên cứu sau đây để thực hiện nội dung của luận án: phương pháp tổng hợp, phân tích đánh giá, phương pháp thực nghiệm và các phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm

4 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

* Lần đầu tiên, HKN 8 nguyên trên cơ W-Fe có tính năng cắt đoạn nhiệt (CĐN) thay thế cho uran nghèo làm lõi đạn xuyên chống tăng

được chế tạo ở nước ta bằng công nghệ luyện kim bột (LKB)

* Việc sử dụng thép 5XHM trong thành phần phối liệu HKN là một giải pháp sáng tạo khắc phục những khó khăn, phức tạp về công nghệ-thiết bị chế tạo các thành phần bột của nền liên kết cũng như tạo thêm khả năng hoá bền bằng chuyển biến mactenxit và tiết pha phân tán khi nhiệt luyện

* Với sự lựa chọn nguyên liệu đầu vào và sử dụng phương pháp thiêu kết dưới áp lực không chỉ rút ngắn được quy trình công nghệ mà còn làm tăng tính khả thi của việc chế tạo HKN 8 nguyên trong điều kiện thực tế của nước ta

năng lượng biễu thị hành vi của lõi đạn đi trong mục tiêu Phương trình này là cơ sở của phương pháp đánh giá gián tiếp một số chỉ tiêu liên quan tới khả năng xuyên của lõi đạn từ HKN thông qua biến dạng dẻo

ở quy mô phòng thí nghiệm, nhờ vậy có thể thay thế được phần nào cho việc đánh giá trực tiếp tại hiện trường vốn rất phức tạp và tốn kém Với những nội dung và kết quả nghiên cứu thu được, luận án có

ý nghĩa về mặt khoa học

* Chế tạo thành công HKN 8 nguyên sẽ góp phần thiết thực đáp ứng nhu cầu cấp bách của Việt Nam về vật liệu cho sản xuất lõi đạn xuyên chống tăng Vật liệu này cũng rất cần thiết cho ngành cơ khí, đóng tàu

và điện nguyên tử đang và sẽ phát triển ở nước ta Vì vậy, ngoài ý nghĩa khoa học, luận án còn có ý nghĩa đáng kể về thực tiễn

5 Bố cục của luận án

Luận án gồm 122 trang, 66 ảnh, hình vẽ, đồ thị; 22 bảng và 90 tài liệu tham khảo Trong đó: Mở đầu gồm 3 trang; chương 1: Tổng quan

về hợp kim nặng trên cơ sở vonfram: 22 trang; chương 2: Chuẩn bị mẫu và các phương pháp nghiên cứu: 9 trang; chương 3: Xác định

tới tính chất HKN 8 nguyên: 15 trang; chương 5: ảnh hưởng của thành phần và nhiệt luyện tới tính chất HKN: 31 trang; chương 6: Khảo sát tính năng cắt đoạn nhiệt bằng dụng cụ tự chế tạo: 18 trang; Kết luận: 3 trang; Danh mục các công trình công bố: 1 trang; Tài liệu tham khảo:

8 trang

b nội dung luận án

Chương 1: Tổng quan về hkn trên cơ sở vonfram

1.1 Khái quát về các loại vật liệu làm lõi đạn xuyên

Vật liệu cho chế tạo lõi xuyên, có thể là thép, hợp kim cứng, hợp kim nặng, hợp kim uran nghèo

Lõi xuyên trên cơ sở uran nghèo (DU) do có tính cắt đoạn nhiệt (CĐN), nên không bị biến dạng dẻo thành hình nấm mà chỉ bị phá huỷ

bề mặt theo cách lột lớp vỏ ngoài Vì gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, uran nghèo bị cấm sử dụng cho chế tạo lõi đạn xuyên

1.2 Tình hình nghiên cứu và phát triển HKN trên cơ sở vonfram

Hợp kim nặng trên cơ sở vonfram là hợp kim chứa từ 80 đến 98

%W, có khối lượng riêng khoảng 15-19 g.cm -3 Hợp kim nặng được chế tạo bằng công nghệ LKB là compozit có pha cốt W và nền là các kim loại như Fe, Ni, Cu….Do có những tính chất đặc biệt, HKN có thể làm việc ở môi trường rất khắc nghiệt

Việc nghiên cứu và sử dụng HKN trên thế giới gắn liền với sự phát triển của ngành luyện kim bột và được bắt đầu từ thập kỷ 30 của thế kỷ XX Hợp kim nặng hệ 2 và 3 nguyên được nghiên cứu-phát triển và sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như năng

lượng nguyên tử, chế tạo máy bay, tàu thuỷ từ những năm 40-50 của

hướng nghiên cứu mới với mục tiêu chế tạo HKN vẫn trên cơ sở W, nhưng có tính CĐN [30]

Theo công bố của các nhà khoa học quân sự Mỹ năm 1999 thì trong số các HKN trên cơ sở W có tính CĐN có hợp kim W-Ni-Mn

đang được dùng cho chế tạo lõi đạn xuyên thay cho DU

Nhằm mục đích đảm bảo được tính năng CĐN nhưng hạ giá thành vật liệu, HKN nhiều nguyên trên cơ sở W-Fe được tập trung nghiên cứu-phát triển theo hướng hợp kim hoá nhiều nguyên tố kim loại và á kim như: C, Mn, Cr, Mo,… Các nước có nền công nghiệp quốc phòng phát triển như Nga, Mỹ… đã đạt đ ợc nhiều thành tựu ưtrong việc chế tạo HKN nhiều nguyên nền Fe dùng làm vật liệu cho lõi

đạn xuyên đặc biệt sau chiến tranh vùng Vịnh và Nam Tư Theo Deepak Kapoor [53], khả năng xuyên của HKN W-Fe được hoá bền bằng các nguyên tố hợp kim có thể tương đương với hợp kim nặng trên cơ sở DU

W90Fe5Ni5 và 7 nguyên W80Fe15,2Ni3,6Co0,4Mo0,52Ti0,13 Al0,01 được tiến hành chủ yếu tại Viện công nghệ, Bộ quốc phòng từ năm 1999 với mục đích làm vật liệu cho chế tạo lõi đạn xuyên

1.3 Xác định mác HKN nghiên cứu và công nghệ chế tạo

Theo xu hướng phát triển HKN W-Fe trên thế giới và điều kiện thực tế của Việt Nam, đối tượng được chọn nghiên cứu là HKN có thành phần tương đương với HKN hệ 8 nguyên của Mỹ:

W90Fe9,59 Ni 0,17Cr0,08Mn0,07Si0,025Mo0,025C0,04

Công nghệ chế tạo HKN được chọn là phương pháp ép nóng

(thiêu kết dưới áp lực) từ hỗn hợp bột W và thép 5XHM

1.4 Khả năng của HKN nghiên cứu đáp ứng các yêu cầu của vật

liệu làm lõi đạn xuyên

Hợp kim nặng được chọn nghiên cứu chứa tới 90% W có khối

lượng riêng theo tính toán ≈16,85 g.cm-3

Việc sử dụng đồng thời nhiều nguyên tố hoá bền và nhiệt luyện nền Fe, một mặt làm tăng cơ tính của pha nền, mặt khác cải thiện tính thấm ướt của W trong quá trình thiêu kết có sự tham gia của pha lỏng,

nhờ đó tạo được sự liên kết vững chắc giữa pha cốt và pha nền

Như vậy, HKN được chọn nghiên cứu với chế độ công nghệ chế

lượng riêng mà cả cơ tính của vật liệu làm lõi đạn xuyên và rất có thể còn có khả năng cắt đoạn nhiệt

1.5 Các vấn đề cần hoàn thiện và định hướng nghiên cứu

Các vấn đề nghiên cứu sau đây được đặt ra: Khả năng sử dụng

W dạng bột được chế tạo từ quặng vonframit Tuyên Quang bằng

phương pháp thuỷ luyện làm pha cốt và bột thép 5XHM làm pha nền của HKN nghiên cứu; ảnh hưởng của thành phần, kích thước bột phối

liệu và độ đồng đều hoá tới tổ chức và tính chất của HKN; Xác định chế độ công nghệ chế tạo HKN 8 nguyên bằng ép nóng (lực ép, thời gian, nhiệt độ); Khả năng hoá bền HKN bằng nhiệt luyện (tôi, ram); Khảo sát tính năng cắt đoạn nhiệt của HKN bằng dụng cụ tự chế tạo

Chương 2: chuẩn bị mẫu và các phương pháp nghiên cứu

2.1 Chuẩn bị mẫu

Chuẩn bị hỗn hợp bột

Bột pha cốt-W được chuẩn bị theo phương pháp thuỷ luyện có cỡ

hạt <10 àm và độ sạch đạt 99,8% Bột pha nền được nghiền từ phoi thép 5XHM, cỡ hạt <350 àm