Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim nặng W-Fe-Cr-Mn-Mo-Si-Ni-C làm lõi đạn xuyên

Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim nặng W-Fe-Cr-Mn-Mo-Si-Ni-C làm lõi đạn xuyên

bộ giáo dục vμ đμo tạo trường đại học bách khoa hμ nội

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

Trần Bá Hùng

nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim nặng

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

Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu vô cơ

Mã số: 62.52.90.01

tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội – 2009

C«ng tr×nh nghiªn cøu ®−îc hoµn thµnh t¹i Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

Cã thÓ t×m hiÓu luËn ¸n t¹i Th− viÖn Quèc gia

vµ th− viÖn Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi

danh mục các bμi báo khoa học liên quan đến luận án đ∙ công bố

1.Trần Bá Hùng, (2004), “Biến đổi kích thớc hạt và độ đồng đều hoá thành phần của bột hợp kim nặng theo chế độ nghiền”, Tạp chí hoạt động khoa học, Bộ KH &CN, tr.33-39

2.Trần Sĩ Kháng, Trần Bá Hùng, Cao văn Thuỷ, Bùi Doãn Đồng, Nguyễn Hồng Việt (2004), “ Nghiên cứu công nghệ

nghiền bột sắt”, Tạp chí Kỹ thuật và Trang bị số 43, tr 27-29

2.Trần Sĩ Kháng, Trần Bá Hùng, Cao văn Thuỷ, Bùi Doãn Đồng (2004), “Nghiên cứu công nghệ đồng đều hoá và hợp

kim hoá thành phần bột hợp kim nặng mác 90%W+10%Fe”, Tạp chí Kỹ thuật và Trang bị số 107, tr 83-88

3.Trần Bá Hùng, Trần Sĩ Kháng, Trương Ngọc Thận, Vũ Lê Hoàng (2007), “Nghiên cứu chế tạo hỗn hợp bột ban đầu

cho hợp kim nặng hệ tám nguyên W90(Fe+Ni+Cr+Mn+C+ Mo+Si)10”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ số 1, tr

109-119,

4.Tran Ba Hung, Tran Si Khang, Truong Ngoc Than (2007), “ The deformation beheaviours following adiabatic shear

band of the tungsten based heavy alloys”, Journal of science and technology” (5), pp 79-85

5 Trần Bá Hùng, Trần Sĩ Kháng, Trương Ngọc Thận (2008), “Nghiên cứu hợp kim làm pha nền cho hợp kim nặng”, Tạp chí Khoa học và

kỹ thuật số 122, tr.26-33

6.Trần Bá Hùng, Trần Sĩ Kháng, Bùi Doãn Đồng, (2008), “Nghiên cứu chế tạo hợp kim nặng 8 nguyên tố

W-Fe-Ni-Cr-Mn-Mo-Si-C”, Tạp chí công nghiệp quốc phòng & kinh tế, Số đặc biệt về khoa học công nghệ, tr 80-88

7.Trần Bá Hùng, Trương Ngọc Thận , Trần Sĩ Kháng, (2009), “Sự chuyển hoá động năng của lõi đạn có tính cắt đoạn nhiệt khi xuyên mục

tiêy”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ kim loại số 22, tr 22-26

8.Trần Bá Hùng, Trương Ngọc Thận , Trần Sĩ Kháng, (2009), “ ảnh hưởng của kích thước hỗn hợp bột đến tính chất của hợp kim nặng 8

nguyên W-Fe-Ni-Cr-Mn-Mo-Si-C ”, Tạp chí khoa học & công nghệ các trường đại học kỹ thuật, số 70, tr 70-73

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 đương với HKN 8

nguyên 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 tương đương với HKN 8 nguyên của Mỹ W Fe Ni Cr Mn C Mo Si

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 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

nghệ-* 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

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 công nghệ ép nóng: 12 trang; chương 4: ảnh hưởng của kích thước hạt 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 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 được nhiều thành tựu 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 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

ở nước ta, nghiên cứu về HKN hai nguyên W85Ni15 ba nguyên

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

tạo và xử lý phù hợp không chỉ có thể đáp ứng được yêu cầu về khối

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

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

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 sau:

Tỷ lệ hỗn hợp bột: W/5XHM = 9/1, tỷ lệ khối lượng giữa bi HKC và hỗn hợp bột bằng 5:1, tốc độ tang nghiền ω2 = 800 v/min

Tạo mẫu HKN bằng ép nóng

Các mẫu HKN được chế tạo bằng công nghệ ép nóng với chế độ

sẽ xác định trên cơ sở thực nghiệm trong chương 3

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 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 đặc

điểm biến dạng của HKN.

- Phương pháp thuỷ tĩnh cho xác định khối lượng riêng

- Phương pháp đo độ cứng Rockwell, thang đo HRC trên máy AR10 của hãng Mitutoyo hoặc thang đo HRA, trên máy TK14-

250 của Nga với độ chính xác ± 1 %

- Phương pháp đo giới hạn bền nén bằng máy thử kéo nén ZD-40 của Đức, thang đo 40 tấn, độ chính xác ± 1,5 %

- Phương pháp đánh giá gián tiếp khả năng CĐN của HKN thông qua biến dạng dẻo-phá huỷ vật liệu bằng dụng cụ tự chế tạo

Chương 3: Xác định công nghệ ép nóng

3.1 Thiêu kết có sự tham gia của pha lỏng

Mục đích của quá trình này là nâng cao mật độ, độ bền của phôi

ép nhằm đáp ứng yêu cầu về tính chất cơ-lý cần thiết của sản phẩm Tính chất và tổ chức của hợp kim thu được sau thiêu kết liên quan rất nhiều vào sự thấm ướt của pha cốt bởi pha lỏng, hàm lượng tạp chất,

sự hoà tan của các hạt mịn cũng như sự lớn hạt do hậu quả kết tinh lại

Về phương diện nhiệt động học và đông học, các biến đổi hoá lý xảy ra khi thiêu kết dưới áp lực thuận lợi hơn so với quá trình tạo hình

và thiêu kết là hai khâu độc lập

Chế độ ép nóng hợp lý chỉ có thể xác định trên cơ sở khảo sát thực nghiệm Khối lượng riêng của HKN cần đạt là ưu tiên trước hết trong việc xác định các thông số công nghệ ép nóng

3.2 Thiết bị ép nóng và hỗn hợp bột sử dụng

Thiết bị ép nóng gồm lò cảm ứng лп3-10 với công suất 10 kW

để gia nhiệt và máy ép thuỷ lực với lực ép 5 tấn để tạo hình HKN (hình3.1) Kết cấu của khuôn graphit cho ép nóng gồm hai chi tiết (hình 3.2): Thân khuôn (1), chày ép (2), mẫu ép (3)

Hình 3.1: Thiết bị ép nóng Hình 3.2: Khuôn ép nóng

Hỗn hợp bột sử dụng cho xác định chế độ ép nóng có cỡ hạt

được chọn <5 μm 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

1300 1350 1400 1450 11

12 13 14 15 16 17

áp lực ép

ảnh hưởng của áp lực ép (8, 10,

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

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

ép 14 MPa và thời gian 4 min Với chế độ này đã chế tạo được HKN

có khối lượng riêng 16,66 g.cm-3, độ cứng 81 HRA, độ bền nén là

1220 MPa Chế độ ép nóng xác định sẽ được sử dụng cho những nghiên cứu tiếp theo nhằm mục đích nâng cao chất lượng của HKN 8

nguyên

- 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 l−ợng giữa bi HKC và hỗn hợp bột là 5:1, trong đó khối l−ợng bi HKC đ−ợc nạp là 1250 g

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

Thành phần pha thể hiện trên giản đồ nhiễu xạ Rơngen chủ yếu gồm: W, Fe, WC, Fe3C và các hợp chất liên kim khác

Hỗn hợp bột sau 35 h nghiền trộn

Cỡ hạt trung bình vào khoảng 5 μm (hình 4.4) và thành phần

của chúng phân bố tương đối đồng đều Trên giản đồ nhiễu xạ Rơngen thành phần pha Fe7W6 tăng lên rõ rệt, ngược lại hàm lượng WC giảm xuống

Hỗn hợp bột sau 50 h nghiền trộn

Cỡ hạt trung bình chỉ còn khoảng vài μm và sự phân bố của các pha khá đồng đều (hình 4.6) Hàm lượng pha Fe7W6 trên giản đồ nhiễu xạ Rơngen tiếp tục tăng và xuất hiện pha mới FeO, sắt cacbit, nhưng píc của pha WC gần như không còn thể hiện

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 μm Sự phân bố

của các pha rất đồng đều Tuy nhiên

bắt đầu có biểu hiện kết tụ, vón cục

Từ kết quả khảo sát thu được rút ra một số nhận xét sau đây:

- Bằng máy nghiền ly tâm hành tinh có thể giảm cỡ hạt của hỗn hợp bột thô W và thép 5XHM xuống 1 μm

- 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

- 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 được chọn là 35 h

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 μm 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

ảnh hưởng của kích thước hạt tới khối lượng riêng của HKN được thể hiện trên hình 4.10 và tới cơ tính trên các hình 4.13 và 4.14