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
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

- 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

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

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

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.

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


16
17Khối 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

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
17Khối 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


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

- 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

80
82Kích 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
1300Kích 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:

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

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

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

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

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

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

84.5
85.0Độ 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
1450Độ 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

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

=
+
=
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

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
(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 6.12: 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