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

bộ giáo dục v đo tạo
trờng đại học bách khoa h nội
=======o0o=======




Trần Bá Hùng



nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim nặng
W-Fe-Cr-Mn-Mo-Si-Ni-C lm 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

Công trình nghiên cứu đợc hoàn thành
tại Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội



Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS. Trơng Ngọc Thận
PGS.TS. Trần Sĩ Kháng




Phản biện 1: PGS. TS. Bạch Nhật Hồng
Viện KHCN Quân sự Bộ Quốc phòng
Phản biện 2: PGS. TS. Mai Đình Thắng
Học viện kỹ thuật Quân sự
Phản biện 3:
GS. TS. Nguyễn Năng Định
Trờng ĐHCN-ĐHQG Hà Nội



Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp
nhà nớc, họp tại Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Vào hồi giờ ngày tháng năm 200

Có thể tìm hiểu luận án tại Th viện Quốc gia
và th viện Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.



danh mục các bi 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, Trơng 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, Trơng 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, Trơng 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, Trơng Ngọc Thận , Trần Sĩ Kháng, (2009), ảnh hởng của kích thớc 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 trờng đại học kỹ thuật, số 70, tr. 70-73.


1
a. phần giới thiệu chung về luận án
1. Tính cấp thiết của đề tài
Với khối lợng riêng () và cơ tính đặc biệt cao, hợp kim nặng
(HKN) trên cơ sở vonfram đã và đang đợc 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 đợc
trang bị áo giáp phản ứng nổ tới hàng trăm mm.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu và sáng chế về HKN đợc
công bố tại các cờng quốc quân sự và các nớc 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 trớc mắt và lâu dài của ngành công
nghiệp quốc phòng nớc ta, đề tài của luận án đợc 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 tơng đơng 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 nớc và thép 5XHM.
- Xác định những khả năng nâng cao cơ lý tính của HKN bằng
việc giảm kích thớc hạt của hỗn hợp bột và hóa bền bằng các
nguyên tố hợp kim hóa cùng với xử lý nhiệt.
- Đề xuất phơng án đánh giá gián tiếp khả năng xuyên của HKN
3. Đối tợng, phạm vi và phơng pháp nghiên cứu
Đối tợng nghiên cứu là hợp kim có thành phần tơng đơng với
HKN 8 nguyên của Mỹ W
90
Fe
9,59
Ni
0,17
Cr
0,08
Mn
0,07
C
0,04
Mo
0,025
Si
0,025
.

2
Đã sử dụng những phơng pháp nghiên cứu sau đây để thực hiện nội
dung của luận án: phơng pháp tổng hợp, phân tích đánh giá, phơng

pháp thực nghiệm và các phơng 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
đợc chế tạo ở nớc 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 nh 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 phơng pháp thiêu
kết dới áp lực không chỉ rút ngắn đợc quy trình công nghệ mà còn
làm tăng tính khả thi của việc chế tạo HKN 8 nguyên trong điều kiện
thực tế của nớc ta.
* Lần đầu tiên trong tài liệu khoa học ở nớc ta nêu ra phơng trình
năng lợng biễu thị hành vi của lõi đạn đi trong mục tiêu. Phơng trình
này là cơ sở của phơng 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 đợc phần nào
cho việc đánh giá trực tiếp tại hiện trờng vốn rất phức tạp và tốn kém.
Với những nội dung và kết quả nghiên cứu thu đợc, 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 nớc ta. Vì vậy, ngoài ý
nghĩa khoa học, luận án còn có ý nghĩa đáng kể về thực tiễn.

3
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; chơng 1: Tổng quan
về hợp kim nặng trên cơ sở vonfram: 22 trang; chơng 2: Chuẩn bị
mẫu và các phơng pháp nghiên cứu: 9 trang; chơng 3: Xác định
công nghệ ép nóng: 12 trang; chơng 4: ảnh hởng của kích thớc hạt
tới tính chất HKN 8 nguyên: 15 trang; chơng 5: ảnh hởng của thành
phần và nhiệt luyện tới tính chất HKN: 31 trang; chơng 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
Chơng 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 trờng 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 lợng riêng khoảng 15-19 g.cm
-3
. Hợp kim nặng đợc
chế tạo bằng công nghệ LKB là compozit có pha cốt W và nền là các
kim loại nh Fe, Ni, Cu.Do có những tính chất đặc biệt, HKN có
thể làm việc ở môi trờng 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 đợc bắt đầu từ thập kỷ 30 của

thế kỷ XX. Hợp kim nặng hệ 2 và 3 nguyên đợc nghiên cứu-phát
triển và sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nh năng

4
lợng nguyên tử, chế tạo máy bay, tàu thuỷ từ những năm 40-50 của
thế kỷ trớc. Trớc sự cấm vận lõi đạn xuyên trên cơ sở DU, xuất hiện
hớng nghiên cứu mới với mục tiêu chế tạo HKN vẫn trên cơ sở W,
nhng 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 đợc dùng cho chế tạo lõi đạn xuyên thay cho DU.
Nhằm mục đích đảm bảo đợc tính năng CĐN nhng hạ giá
thành vật liệu, HKN nhiều nguyên trên cơ sở W-Fe đợc tập trung
nghiên cứu-phát triển theo hớng hợp kim hoá nhiều nguyên tố kim
loại và á kim nh: C, Mn, Cr, Mo, Các nớc có nền công nghiệp
quốc phòng phát triển nh Nga, Mỹ đã đạt đợc 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 T. Theo
Deepak Kapoor [53], khả năng xuyên của HKN W-Fe đợc hoá bền
bằng các nguyên tố hợp kim có thể tơng đơng với hợp kim nặng trên
cơ sở DU.
ở nớc ta, nghiên cứu về HKN hai nguyên W
85
Ni
15
ba nguyên
W
90
Fe
5

Ni
5
và 7 nguyên W
80
Fe
15,2
Ni
3,6
Co
0,4
Mo
0,52
Ti
0,13
Al
0,01
đợc 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 hớng phát triển HKN W-Fe trên thế giới và điều kiện
thực tế của Việt Nam, đối tợng đợc chọn nghiên cứu là HKN có
thành phần tơng đơng với HKN hệ 8 nguyên của Mỹ:
W
90
Fe
9,59
Ni
0,17
Cr

0,08
Mn
0,07
Si
0,025
Mo
0,025
C
0,04


5
Công nghệ chế tạo HKN đợc chọn là phơng pháp ép nóng
(thiêu kết dới 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 đợc chọn nghiên cứu chứa tới 90% W có khối
lợng 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 ớt của W trong quá trình thiêu kết có sự tham gia của pha lỏng,
nhờ đó tạo đợc sự liên kết vững chắc giữa pha cốt và pha nền.
Nh vậy, HKN đợc chọn nghiên cứu với chế độ công nghệ chế
tạo và xử lý phù hợp không chỉ có thể đáp ứng đợc yêu cầu về khối
lợng 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 hớng nghiên cứu
Các vấn đề nghiên cứu sau đây đợc đặt ra: Khả năng sử dụng

W dạng bột đợc chế tạo từ quặng vonframit Tuyên Quang bằng
phơng pháp thuỷ luyện làm pha cốt và bột thép 5XHM làm pha nền
của HKN nghiên cứu; ảnh hởng của thành phần, kích thớc 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.
Chơng 2:
chuẩn bị mẫu v các phơng pháp nghiên cứu
2.1. Chuẩn bị mẫu
Chuẩn bị hỗn hợp bột
Bột pha cốt-W đợc chuẩn bị theo phơng pháp thuỷ luyện có cỡ
hạt <10 m và độ sạch đạt 99,8%.
Bột pha nền đợc nghiền từ phoi thép 5XHM, cỡ hạt <350 m.

6
Bột W và bột thép 5XHM sau đó tiếp tục đợc 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 lợng giữa bi
HKC và hỗn hợp bột bằng 5:1,
tốc độ tang nghiền
2
= 800 v/min.
Tạo mẫu HKN bằng ép nóng
Các mẫu HKN đợc chế tạo bằng công nghệ ép nóng với chế độ
sẽ xác định trên cơ sở thực nghiệm trong chơng 3.
Nhiệt luyện mẫu HKN
Mẫu HKN 3 nguyên, 4 nguyên và 8 nguyên sau ép nóng đợc
nhiệt luyện qua hai khâu tôi và ram.

Lấy mẫu phân tích
- Hỗn hợp bột sau khi nghiền và đồng đều hoá đợc lấy mẫu cho
phân tích thành phần pha, kích thớc hạt.
- Hợp kim nặng sau ép nóng và sau nhiệt luyện đều đợc lấy mẫu
cho phân tích cấu trúc và cơ-lý tính.
2.2. Các phơng pháp nghiên cứu
- Phơng pháp quang phổ phát xạ nguyên tử trên máy ARL-3460
của hãng FISONS (Thụy Sỹ) cho phân tích thành phần hoá học .
- Phơng pháp nhiễu xạ Rơngen trên máy D5005 của hãng SIEMENS
cho phân tích thành phần pha.
- Phơng pháp Rơngen phân tán theo năng lợng (EDS) trên máy
FESEM Hitachi S4800 + EDX Horiba Oxford cho xác định
thành phần hoá học của từng pha.
- Phơng 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 thớc hạt, sự phân bố các pha, cấu trúc tế vi và đặc
điểm biến dạng của HKN.

- Phơng pháp thuỷ tĩnh cho xác định khối lợng riêng.

7
- Phơng 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 %.
- Phơng pháp đo giới hạn bền nén bằng máy thử kéo nén ZD-40
của Đức, thang đo 40 tấn, độ chính xác 1,5 %.
- Phơng 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.

Chơng 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 đợc sau thiêu kết liên quan rất
nhiều vào sự thấm ớt của pha cốt bởi pha lỏng, hàm lợng tạp chất,
sự hoà tan của các hạt mịn cũng nh sự lớn hạt do hậu quả kết tinh lại.
Về phơng diện nhiệt động học và đông học, các biến đổi hoá lý
xảy ra khi thiêu kết dới 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 lợng riêng của HKN cần đạt là u tiên trớc 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 3-10 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).

8

H
ình 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
đợc chọn <5 m của hỗn hợp bột thu đợc sau quá trình nghiền-đồng
đều hoá trong máy nghiền ly tâm hành tinh 35 h.
3.3. Khảo sát ảnh hởng của các thông số công nghệ ép nóng tới
khối lợng riêng của HKN
Nhiệt độ


ảnh hởng của nhiệt độ (1300,
1350, 1400 và 1450
o
C) tới của
HKN đợc khảo sát ở các điều kiện
chọn trớc là: áp lực ép 12 MPa, thời
gian ép 4 min. Kết quả khảo sát
đợc thể hiện trên hình 3.3
Nếu chỉ xét thuần tuý về khối
lợng riêng thì nhiệt độ thiêu kết đợc
chọn là 1400
o
C.
1300 1350 1400 1450
11
12
13
14
15

16
17


Khối lợng riêng [g.cm
-3
]
Nhiệt độ [
o
C
]


Hình 3.3: ảnh hởng của
nhiệt độ tới

của HKN
3
P
2
P
1

9
áp lực ép
ảnh hởng của áp lực ép (8, 10,
12, 14 và 16 MPa) tới của HKN
đợc khảo sát ở các điều kiện chọn
trớc là: nhiệt độ 1400
o

C, thời gian
ép 4 min. Kết quả khảo sát đợc thể
hiện trên hình 3.4
Xét về phơng diện an toàn khuôn
ép, áp lực ép đợc chọn là 14 MPa.
8101214
13
14
15
16
17
Khối lợng riêng [g.cm
-3
]


áp lực ép [MPa]

Hình 3.4: ảnh hởng của áp
lực ép tới

của HKN
Thời gian ép.
ảnh hởng của thời gian ép (2,
3, 4 và 5 min) tới của HKN đợc
khảo sát ở các điều kiện chọn trớc
là: nhiệt độ 1400
o
C, áp lực ép 12
MPa. Kết quả khảo sát đợc thể hiện

trên hình 3.5.
Xét về phơng diện năng
lợng, thời gian ép nóng đợc chọn
là 4 min.
2345
11
12
13
14
15
16
17


Khối lợng riêng [g.cm
-3
]
Thời gian [min]
Hình 3.5: ảnh hởng của
thời gian ép tới

của HKN
Kết luận:
Từ kết quả khảo sát ảnh hởng của các thông số công nghệ ép nóng tới
của HKN rút ra chế độ ép nóng phù hợp là: nhiệt độ 1400
o
C, áp lực
ép 14 MPa và thời gian 4 min. Với chế độ này đã chế tạo đợc HKN
có khối lợng riêng 16,66 g.cm
-3

, độ cứng 81 HRA, độ bền nén là
1220 MPa. Chế độ ép nóng xác định sẽ đợc sử dụng cho những
nghiên cứu tiếp theo nhằm mục đích nâng cao chất lợng của HKN 8
nguyên.

10
Chơng 4: ảnh hởng của kích thớc hạt tới tính
chất của HKN 8 nguyên
4.1. Khảo sát hỗn hợp bột có kích thớc hạt khác nhau
- Hỗn hợp bột nghiền với khối lợng 250 g gồm W có kích thớc
<10 m và thép 5XHM kích thớc <350 m theo tỷ lệ thành
phần phối liệu W/5XHM = 9/1.
- Thiết bị sử dụng là máy nghiền ly tâm hành tinh với tốc độ của
tang nghiền
2
là 800 v/p và tỷ lệ khối lợng giữa bi HKC và hỗn
hợp bột là 5:1, trong đó khối lợng bi HKC đợc nạp là 1250 g .
- Thời gian nghiền đợc chọn khảo sát là 15, 25, 35, 50 và 70 h.
Hỗn hợp bột sau 15 h nghiền trộn
Cấp hạt trung bình khoảng15 m (hình 4.1). Sự phân bố về
thành phần giữa bột W và bột thép 5XHM cha đồng đều.

Hỗn hợp bột sau 25h nghiền trộn
Cấp hạt trung bình của hỗn hợp bột vào khoảng 10 m (hình 4.2).
Thành phần của hỗn hợp bột phân bố đồng đều hơn.
Hình 4.1: ảnh SEM hỗn hợp
bột nghiền trộn 15 giờ

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

11
Thành phần pha thể hiện trên giản đồ nhiễu xạ Rơngen chủ yếu
gồm: W, Fe, WC, Fe
3
C và các hợp chất liên kim khác.
Hỗn hợp bột sau 35 h nghiền trộn
Cỡ hạt trung bình vào khoảng 5 m (hình 4.4) và thành phần
của chúng phân bố tơng đối đồng đều. Trên giản đồ nhiễu xạ Rơngen
thành phần pha Fe
7
W
6
tăng lên rõ rệt, ngợc lại hàm lợng WC giảm
xuống.
Hỗn hợp bột sau 50 h nghiền trộn
Cỡ hạt trung bình chỉ còn khoảng vài m và sự phân bố của các
pha khá đồng đều (hình 4.6). Hàm lợng pha Fe
7
W
6
trên giản đồ nhiễu
xạ Rơngen tiếp tục tăng và xuất hiện pha mới FeO, sắt cacbit, nhng
píc của pha WC gần nh không còn thể hiện.

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

Hình 4.6: ảnh SEM hỗn hợp bột
nghiền trộn 50 giờ

Trong quá trình nghiền trộn, khi hỗn hợp bột đạt cỡ hạt đủ mịn
thì rất khó tránh khỏi khả năng bị ôxy hoá, mà trớc hết là Fe. Tuy
nhiên, tơng tự trờng hợp WC và các pha khác, píc của Fe và sắt ôxit
cũng không phân biệt đợc trên giản đồ nhiễu xạ.

12

H
ỗn 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 m. 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 Fe
7
W
6
,
FeO và sắt cacbit, hàm lợng Fe
7
W
6
tăng lên rõ rệt.

Hình 4.8: ảnh SEM hỗn hợp
bột nghiền trộn 70 h
Từ kết quả khảo sát thu đợc 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 m.

- Hợp chất liên kim Fe
7
W
6
là sản phẩm của quá trình hợp kim hoá cơ
học xảy ra khi nghiền, hàm lợng hợp chất này tăng theo thời gian.
- Hỗn hợp bột bị nhiễm bẩn một lợng 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 đợc 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 đợc chọn là 35 h.
4.2. ảnh hởng của kích thớc hạt tới tính chất của HKN
Kích thớc hạt trung bình của hỗn hợp bột đợc dùng để khảo
sát là 15, 10, 5, 2 và 1 m tơng ứng với thời gian nghiền 15, 25, 35,
50 và 70 h. Mẫu đợc chế tạo bằng phơng pháp ép nóng với chế độ
công nghệ đợc chọn nh đã nêu ở chơng 3, cụ thể là: nhiệt độ 1400
0
C, áp lực 14 MPa, thời gian 4 min.
ảnh hởng của kích thớc hạt tới khối lợng riêng của HKN đợc
thể hiện trên hình 4.10 và tới cơ tính trên các hình 4.13 và 4.14.


13
Khối lợng riêng của HKN với kích
thớc hạt từ 5 đến 15 àm hầu nh
không có sự thay đổi, còn ở kích thớc
2 đến 1 àm thì giảm mạnh (hình 4.10).
Lợng 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.
0246810121416
16.0
16.2
16.4
16.6
16.8


Khối lợng riêng [g.cm
-3
]
Kích thớc hạt [m]

Hình 4.10: ảnh hởng kích
thớc hạt tới

của HKN
Độ cứng và giới hạn bền nén của HKN tăng dần ứng với các hỗn
hợp bột có kích thớc 15, 10, 5 m, sau đó lại giảm ở kích thớc hạt
từ 2 đến 1 m (hình 4.13 và 4.14). Cơ tính của HKN tăng là do sự
tăng biên giới hạt, tức là tăng cản trở lệch khi biến dạng. Còn sự giảm
cơ tính ở kích thớc từ 2 đến 1 m là do sắt bị oxy hóa, gây ảnh
hởng không lợi tới khả năng thấm ớt của pha nền lên pha cốt.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
76
78

80
82


Kích thớc hạt [m]
Độ cứng [HRA]

Hình 4.13: ảnh hởng của kích
thớc hạt tới độ cứng của HKN
0246810121416
800
900
1000
1100
1200
1300


Kích thớc hạt [m]
Giới hạn bền nén [MPa]

Hình 4.14: ảnh hởng của kích
thớc hạt tới

n
b
của HKN
Từ kết quả khảo sát nêu trên, kích thớc hỗn hợp bột phù hợp
cho chế tạo HKN 8 nguyên đợc chọn là 5 m. Hợp kim nặng đợc
chế tạo từ hỗn hợp bột với với cỡ hạt 5 àm có tính chất cơ-lý nh sau:

= 16,66 g.cm
-3
,

n
b
= 1120 MPa độ cứng 80 HRA.


14
Chơng 5: ảnh hởng của thnh phần v nhiệt luyện
tới tính chất của Hợp Kim Nặng

Các mẫu HKN nghiên cứu có thành phần đợc ký hiệu theo
Kapoor nh sau:
- Hợp kim nặng hệ hai nguyên W
90
Fe
10

- HKN hệ ba nguyên W
90
Fe
9,96
C
0,04

-

HKN hệ bốn nguyên W

90
Fe
9,79
Ni
0,17
C
0,04

-

HKN hệ tám nguyên W
90
Fe
9,59
Ni
0,17
Cr
0,08
Mn
0,07
Mo
0,025
Si
0,025
C
0,04

Sau khi phối liệu, các hỗn hợp bột tơng ứng với thành phần của
HKN 2,3,4 và 8 nguyên đợc nghiền và đồng đều hoá cho tới khi đạt
kích thớc trung bình 5 m. Sau đó tiến hành chế tạo HKN với cùng

một chế độ ép nóng: nhiệt độ 1400
o
C, áp lực 14 MPa, thời gian 4 min.
5.1. Hợp kim nặng W
90
Fe
10

- Hợp kim nặng W
90
Fe
10
có = 16,53 g.cm
-3
,

n
b
= 800 MPa, độ
cứng 78 HRA.

- Tổ chức của HKN W
90
Fe
10
gồm các hạt W phân bố tơng đối
đồng đều trên nền Fe. Trong tổ chức của HKN có hợp chất liên
kim Fe
7
W

6
.
5.2. Hợp kim nặng W
90
Fe
9,96
C
0,04

- Hợp kim nặng W
90
Fe
9,96
C
0,04
sau ép nóng có 16,53 g.cm
-3
,

n
b
= 990 MPa, độ cứng 81 HRA.
- Tổ chức của HKN W
90
Fe
9,96
C
0,04
sau ép nóng không thấy có pha
lạ. Nhng về phơng diện tổ chức thì sự tăng cơ tính của HKN

W
90
Fe
9,96
C
0,04
chỉ có thể là do sự hình thành dung dịch rắn của C
trong -Fe (ferit) và xêmentit.
- Mẫu đợc tôi trong dầu CN20 ở nhiệt độ 850
0
C và ram thấp ở
nhiệt độ 200
0
C với thời gian khác nhau (30, 60, 90, 120 min).
Mẫu sau tôi có 16,53 g.cm
-3
,

n
b
= 1000 MPa, độ cứng trung
bình 81 HRA.

15
Trong quá trình ram ở nhiệt độ độ 200
0
C, xẩy ra các chuyển
biến mactenxit tôi (M
tôi
) và austenit d (A

d
) thành mactenxit ram
(M
ram
) thể hiện qua píc của mactenxit trên giản đồ nhiễu xạ rơngen bị
nhoà rộng do độ chính phơng đã giảm khi ram.

5.3. Hợp kim nặng W
90
Fe
9,79
Ni
0,17
C
0,04

- Hợp kim nặng W
90
Fe
9,79
Ni
0,17
C
0,04
sau ép nóng có = 16,61 g.cm
-
3
,

n

b
= 1050 MPa, độ cứng 80 HRA.
- Mẫu HKN W
90
Fe
9,79
Ni
0,17
C
0,04
sau nhiệt luyện có =16,61 g.cm
-3
,

n
b
= 1100 MPa, độ cứng trung bình 81 HRA. So sánh tính chất
của HKN 4 nguyên trớc và sau nhiệt luyện cho thấy, quá trình
này đã không làm thay đổi khối lợng riêng và độ cứng mà chỉ
nâng cao giới hạn bền nén của HKN từ 1050 lên 1100 MPa.
- Tổ chức của HKN 4 nguyên sau nhiệt luyện gần nh khó phân
biệt với tổ chức của nó trớc nhiệt luyện, tức là sau ép nóng.
5.4. Hợp kim nặng W
90
Fe
9,59
Ni
0,17
Cr
0,08

Mn
0,07
Mo
0,025
Si
0,025
C
0,04

ắ
Nhiệt luyện thép 5XHM-pha nền của HKN 8 nguyên
Chế độ nhiệt luyện: Tôi trong dầu CN20 ở nhiệt độ 850
0
C, ram
ở 500
0
C với thời gian khác nhau (30, 60, 90, 120, 180 min).
Từ các khảo sát ảnh hởng của chế độ tôi và ram đối với thép
5XHM sử dụng làm hợp kim nền cho HKN 8 nguyên có nhận xét:
- Các nguyên tố hợp kim hoá tạo thành dung dịch rắn với Fe và các loại
cacbit đơn, cacbit phức, đồng thời làm cho M
ram
có thể tồn tại ở nhiệt độ
cao. Mactenxit ram cùng với các pha cacbit nhỏ mịn phân tán tạo thành
trong quá trình nhiệt luyện đã tăng bền cho Fe.
- Thép 5XHM sau khi xử lý nhiệt (tôi 850
o
C và ram 500
o
C trong 60

min) có cấu trúc M
ram
dạng hình kim định hớng khác nhau cùng nhiều
hạt cacbit màu sáng và độ cứng của thép đạt 50 HRC.

16
ắ
Tính chất cơ-lý và tổ chức của HKN 8 nguyên sau ép nóng
Mẫu HKN 8 nguyên sau ép nóng với chế độ nh đã nêu có
= 16,66 g.cm
-3
,

n
b
= 1120 MPa , độ cứng 81 HRA.
Trên ảnh SEM của HKN 8 nguyên chỉ phân biệt đợc 2 pha
chính gồm pha cốt-W (màu sáng) và pha nền là hợp kim Fe (màu tối).
ắ
Tính chất cơ-lý và tổ chức của HKN 8 nguyên sau tôi
Mẫu đợc tôi theo chế độ nh với hợp kim pha nền và đạt khối
lợng riêng =16,66 g.cm
-3
,

n
b
= 1320 MPa, độ cứng 83 HRA.
Trên ảnh SEM (hình 5.17) không thấy vết nứt và pha mới trong
tổ chức sau quá trình tôi nh chờ đợi, một mặt do pha nền chỉ chiếm

10% khối lợng HKN, mặt khác độ phân giải của thiết bị thấp.








Hình 5.17: Tổ chức HKN
8 nguyên sau tôi








Hình 5.19: Tổ chức HKN
8 nguyên sau ram
Thành phần pha của HKN sau tôi (hình 5.18) gồm các pha W,
Fe
7
W
6
, và mactenxit, tuy nhiên píc của pha này rất thấp .


Hợp kim nền

W
W
Fe
7
W
6
FeO

Fe
H
ình 5.18. Giản đồ nhiễu x
ạ
rơn
g
en của HKN 8 n
g
u
y
ên sau khi tôi

17
ắ
Tính chất cơ-lý và tổ chức của HKN 8 nguyên sau ram
Mẫu sau ram theo chế độ nh với thép 5XHM đạt độ cứng 84
HRA và

n
b
= 1400 MPa.
Tơng tự nh sau tôi, những thay đổi về tổ chức trong pha nền

sau ram rất khó nhận biết qua ảnh SEM (hình 5. 19).
Thành phần pha của HKN sau ram (hình 5.22) gồm W, Fe
7
W
6,

Fe
3
C , WC, M
ram
. Píc của các pha cacbit không thể xác định đợc trên
giản đồ nhiễu xạ Rơngen.
Tóm lại, các nguyên tố Ni, Cr, Mn, Mo, Si, C đã làm tăng khối
lợng riêng của HKN 8 nguyên so với HKN W-Fe sau nhiệt luyện từ
16,53 lên 16,66 g.cm
-3
, giới hạn bền nén từ 1320 lên 1400 MPa (hình
5.24) và độ cứng từ 78 lên 84 HRA. Độ cứng của HKN 8 nguyên qua
ram (hình 5.23) không giảm so với sau tôi. Hiên tại cha xác định rõ
đợc nguyên nhân nhng không loại đây là dấu hiệu của hiện tợng độ
cứng thứ hai.
VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau HKN-K7
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
42-1209 (*) - Iron Tungsten - Fe7W6 - Y: 3.61 % - 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 - Creation: 08/12/08 14:21:37
Lin (Cps)
0
100

200
300
400
500
600
700
800
900
1000
2-Theta - Scale
16 20 30 40 50 60
7
d=4.321
d=4.090
d=2.3874
d=2.0908
d=1.5834
d=2.0570
d=1.3765
d=2.5469
d=2.1879

Hình 5.22: Giản đồ nhiễu xạ rơngen HKN 8 nguyên sau ram

18
0 40 80 120 160 200
82.5
83.0
83.5
84.0

84.5
85.0


Độ cứng [HRA]
Thời gian [min]
Hình 5.23: Độ cứng của HKN
8 nguyên theo thời gian ram
0 40 80 120 160 200
1300
1350
1400
1450


Độ bền nén [MPa]
Thời gian [min]
Hình 5.24: Giới hạn bền nén của
HKN 8 nguyên theo thời gian ram
Kết luận: Các nguyên tố hợp kim hoá đã làm giảm rõ rệt rỗ
xốp, tăng độ đặc sít của HKN do tính thấm ớt của pha cốt-W bởi pha
nền-Fe đợc cải thiện. Tính chất cơ học của HKN 8 nguyên đã tăng rõ
rệt ngay trong quá trình chế tạo bằng phơng pháp thiêu kết dới 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.
Hợp kim nặng 8 nguyên sau nhiệt luyện có = 16,66 g.cm
-3
,

n

b
= 1400 MPa, độ cứng 84 HRA hoàn toàn đáp ứng đợc yêu cầu
đối với vật liệu làm LĐX thay thế cho HKN trên cơ sở DU.
Chơng 6: Khảo sát tính năng cắt đoạn nhiệt của
hkn bằng dụng cụ tự chế tạo
Trong khuôn khổ chơng 6 đã lần lợt đề cập các nội dung sau:
6.1. Hành vi của lõi đạn trong quá trình xuyên mục tiêu
6.2. Biểu thức tổng quát về động năng và quá trình chuyển hoá
năng lợng
6.3. Thiết lập phơng trình biễu diễn các thành phần năng lợng
6.4. Phơng trình năng lợng biểu kiến của lõi đạn xuyên
6.5. Thiết kế và chế tạo dụng cụ biến dạng lõi đạn xuyên từ HKN

19
Động năng (W
o
) cần tạo cho lõi xuyên thử nghiệm tơng đơng
với động năng của đạn 12,5 mm có khối lợng (m
o
) bằng 15 g và vận
tốc ra khỏi nòng súng (v
o
)

khoảng 760 m/s. Động năng của đầu đạn
này đợc tính theo công thức:


2
760015.0

2
2
2
00
0
ì
==
vm
W
= 4332 J (6.18)
Thiết bị cấp động năng là náy búa hơi C1 450. Năng lợng của
đầu búa đợc coi là động năng tác dụng lên lõi xuyên, tức là:
W
ĐB
= W
o
= (P
b
.S
p
+ M.g) . L (6.20)
Trong đó: P
b
- áp suất hơi của đầu búa, [Pa]
S
p
- Tiết diện pitông gắn với đầu búa, [m
2
]
L - Khoảng cách giữa đầu búa và lõi xuyên (hành trình của

pitông), [m]
M - Khối lợng của đầu búa [kg]
g - Gia tốc trọng trờng, [m/s
2
]
Thay các giá trị W
0
= W
ĐB
= 4332 J và các thông số của máy
búa P
b
= 4.10 MPa, S
p
= 0,13 m
2
, m = 450 kg, g = 9,8 m/s
2
vào biễu
thức tính khoảng cách L giữa đầu búa và lõi xuyên.
m
P
b
B Đ
08.0
8,945013.0104
4332
5
=
ì+ìì

=
+
=
MgS
W
L
p

Nh vậy, khoảng cách L giữa đầu búa và lõi xuyên ứng với
động năng 4332 J là 0,08 m.

20
Kết cấu của dụng cụ biến dạng đợc trình bày trên hình 6.4,
trong đó: 1- Đầu búa của máy, 2 - Chày, 3 - Chi tiết dẫn hớng, 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) đợc trình bày trong
bảng 6.1.
Bảng 6.1: Kết quả thử nghiệm biến dạng của các mẫu HKN
Chế độ thử
Mẫu


[g/cm
3
]
Độ cứng
[HRA]

n
b

[MPa]
L[mm] W[J] P[Mpa]
Kết quả thử
1 16,53 78 800 40 2166 680 Vỡ vụn
2 16,53 81 1000 40 2166 680 Vỡ vụn

3 16,61 81 1100
40
60
80
2166
3449
4332
680

730
840
Không vỡ
Nứt
Nứt, vỡ

4


16,66

84

1400
40
60
80
2166
3449
4332
680
730
840
Không vỡ
Bị lột vỏ
Xuyên qua
và vỡ vụn

1
2

3

4
5

6
Theo công thức (6.20) th
ì
năng lợng cấp cho thử nghiệm biế
n
dạng các mẫu HKN có thể thay đổ
i
bằng cách điều chỉnh khoảng các
h
giữa đầu búa và lõi xuyên. Nh vậy,
ứng với các khoảng cách [mm]: 40,
60, 80 thì động năng cần cấp là [J]:
2166, 3449, 4332 và áp lực th
ử
[MPa]: 680, 730, 840.
Hình 6.4: Sơ đồ dụng cụ
gây biến dạng

21
Đối với mẫu 4, lõi xuyên không bị nứt vỡ và vẫn giữ nguyên
hình dạng cho tới khi tăng khoảng cách lên 60 mm thể hiện qua mặt
cắt ngang lõi xuyên (hình 6.9a) và cắt dọc (hình 6.9b).

(a) (b)
Hình 6.9: Hình dạng của mục tiêu và lõi xuyên từ HKN 8 nguyên
Tuy nhiên, đã xảy ra sự phá huỷ lớp bề mặt của mẫu (hình
6.10(a)) với chiều dày không đều (hình 6.10(b)). Trên bề mặt tiếp xúc
giữa mục tiêu và mẫu thể hiện rõ sự phá huỷ khốc liệt vật liệu.





(a) (b)
Hình 6.10: Sự phá huỷ lớp bề mặt của mẫu HKN 8 nguyên
Qua ảnh SEM (hình 6.11a) thấy rằng, các hạt W ở vùng biên tiếp
giáp với mục tiêu bị biến dạng lớn còn các hạt nằm ngoài vùng này
gần nh không bị ảnh hởng.






Các hạt W bị biến dạng
(a) (b)
Hình 6.11: ảnh SEM tổ chức biến dạng của HKN

22
Hình dạng của các hạt W trong tổ chức của mẫu HKN này sau
biến dạng tơng tự nh ảnh SEM của HKN W-Ni-Mn có tính CĐN

(hình 6.11b) mà tác giả Bose [44] thu đợc 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 đờng 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 W
90
Fe
9,59
Ni
0,17
Cr
0,08
Mn
0,07
Mo
0,025
Si
0,025
C
0,04
đợc 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.

Hình 6.12: ảnh mục tiêu sau khi mẫu lõi đạn HKNxuyên qua
Kết luận
1. Đối tợng vật liệu nghiên cứu của luận án đợc chọn là mác HKN 8
nguyên có thành phần W
90
Fe
9,59
Cr
0,08
Ni
0,17
Mn
0,07
Si
0,025
Mo
0,025
C
0,04
.
Việc thay thế Ni bằng Fe để làm pha nền kết hợp với việc sử dụng
một lợng nhỏ các nguyên tố hợp kim hoá là hoàn toàn phù hợp với
xu thế phát triển HKN trên thế giới theo hớng giảm giá thành chế
tạo vật liệu, nhng vẫn đáp ứng đợc các yêu cầu về tính năng sử
dụng.
Vết lõm
Vết nón
g
chả

y