Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác C50PA dùng để chế tạo nòng súng bộ binh cỡ nhỏ

Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác C50PA dùng để chế tạo nòng súng bộ binh cỡ nhỏ

Bộ công THƯƠNG TổNG CÔNG TY THéP VIệT NAM Viện Luyện kim Đen -------------------- Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển CÔNG NGHệ cấp bộ Tên đề tài: NGHIấN CU CễNG NGH SN XUT THẫP MC C50PA DNG CH TO NềNG SNG B BINH C NH 5,56-7,62MM DFGEDFGEDFGE Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép vN Cơ quan chủ trì: Viện Luyện kim Đen Chủ nhiệm đề tài: TS. NGUYN VĂN SA 6823 27/4/2008 Tháng 12/2007 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 2 1.TỔNG QUAN 4 1.1 Giới thiệu về bo và thép bo 4 1.2 Ảnh hưởng của bo lên các tính chất của thép 6 1.3 Giới thiệu mác thép nghiên cứu C50PA 9 2.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10 2.1 Nội dung nghiên cứu 10 2.2 Phương pháp nghiên cứu 10 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 12 3.1Công nghệ sản xuất thép C50PA 12 3.1.1 Công nghệ luyện thép 12 3.1.2 Công nghệ tinh luyện 16 3.1.3 Công nghệ rèn 20 3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện 22 3.2 Các tính chất của thép C50PA 25 3.2.1 Tính chất cơ lý 25 3.2.2 Độ dai va đập và dộ bền phá huỷ 27 3.2.3 Cấu trúc pha 30 3.3 Chế tạo sản phẩm và dùng thử 35 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37 4.1 Kết luận 37 4.2 Kiến nghị 37 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 6. PHỤ LỤC 39 2 MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng của nhiều ngành khoa học, kỹ thuật đòi hỏi các nhà luyện kim phải tạo ra được các loại thép có các tính năng đặc biệt để có thể làm việc ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt khác nhau như nhiệt độ cao, tải trọng lớn, chân không sâu, xâm thực mạnh … Các loại thép như vậy thường được hợp kim hoá bằng các nguyên tố khác nhau và trải qua các chế độ gia công cơ và nhiệt phù hợp. Các nguyên tố hợp kim thường là những vật tư đắt tiền nên giá thành của các loại thép hợp kim khá đắt. Trong bối cảnh của nền kinh tế thị trường, việc nghiên cứu tìm ra các loại vật liệu tốt và có giá thành cạnh tranh là một hướng đi của các nhà luyện kim hiện nay. Một trong các kết quả của hướng đi này là tạo ra thép hợp kim bo (gọi là thép bo) độ bền cao và giá thành cạnh tranh. Thép bo là loại thép được hợp kim hoá bằng nguyên tố bo với hàm lượng rất ít ( 0,0005 – 0,006% ) nên giá thành không tăng nhưng lại cải thiện được nhiều tính chất của thép, đặc biệt là cơ tính. Các loại thép bo đã được sử dụng trong nhiều lĩng vực, trong đó có ngành công nghiệp quốc phòng. Vì vậy, năm 2007 Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công thương) đã giao cho Viện Luyện kim đen thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác C50PA dùng để chế tạo nòng súng bộ binh cỡ nhỏ φ5,56-7,62 mm”. Mục tiêu của đề tài là xác định được công nghệ sản xuất thép bo mác C50PA đạt chất lượng cao bằng nguyên vật liệu và thiết bị sẵn có trong nước phục vụ cho ngành công nghiệp quốc phòng và các ngành kinh tế khác. Bản báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu này bao gồm các nội dung chính như sau : 1. Phần tổng quan 2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 3. Kết quả đạt được 4. Kết luận và kiến nghị 5. Tài tiệu tham khảo 6. Phần phụ lục 3 Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự chỉ đạo, giúp đỡ tạo điều kiện của Vụ Khoa học-Công nghệ (Bộ Công thương) và Tổng cục Công nghiệp quốc phòng. Đồng thời, chúng tôi cũng nhận được sự giúp đỡ và hợp tác rất có hiệu quả của Nhà máy Cơ khí chính xác 11 (Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng). Nhân dịp này, chúng tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Công thương, Tổng cục Công nghiệp quốc phòng và Nhà máy Cơ khí chính xác 11 về sự giúp đỡ quý báu đó. 41.TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về bo và thép bo Bo là nguyên tố được Humphry Davy và Gay-Lussac phát minh năm 1808. Bo là một nguyên tố á kim, có các đặc tính gần giống nguyên tố cacbon. Nguyên tố bo không tồn tại ở dạng sạch trong tự nhiên mà thường tồn tại ở dạng hợp chất như orthoboric axit trong các suối dung nham núi lửa, borat trong colemantie và quan trọng nhất là trong quặng kernit và quặng borac. Hợp chất quan trọng nhất của bo trong thép bo là nitrid bo (NB) có độ cứng như kim cương. Nitrid bo là một chất cách điện nhưng dẫn nhiệt tốt làm cho á kim bo tiến gần đặc tính của kim loại. Lúc đầu người ta chưa biết được hết ảnh hưởng của bo trong thép và hàm lượng tối ưu của nó. Sau đó các nhà luyện kim đã phát minh ra rằng chỉ cần cho một lượng nhỏ bo sẽ có ảnh hưởng lớn đến tính tôi của thép nên có thể dùng bo để thay thế các nguyên tố hợp kim đắt tiền và chiến lược như mangan, crôm, molypđen, vanađi và niken. Tuy nhiên, mãi đến những năm 1970 người ta mới nghiên cứu được cơ chế ảnh hưởng của bo đến các tính chất của thép nhờ những thiết bị khoa học chính xác. Với những kết quả nghiên cứu như vậy đã khẳng định bo là nguyên tố hợp kim rất tiềm năng cho thép. Thép bo sau khi nhiệt luyện sẽ có độ cứng cao và độ dẻo tốt. Chính vì thế, thép bo được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thép dụng cụ, thép chế tạo máy, thép làm chi tiết bắt chặt và cả trong ngành công nghiệp quốc phòng … Tác dụng của bo lên các tính chất của thép chỉ đạt được trong các loại thép đã khử ôxy triệt để (thép lắng nhôm). Do bo là nguyên tố hoạt động hoá học mạnh nên thường bảo vệ bo trong thép bằng cách cho thêm titan hay zirkon vào thép. Thép bo bao gồm thép cacbon và thép hợp kim. Ở Mỹ đã sản xuất 6 mác thép cacbon và 23 mác thép hợp kim chứa bo [1]. Các mác thép này được nêu trong bảng 1. 5 Bảng 1: Các mác thép bo của Mỹ Số TT Mác thép Loại thép Ghi chú 1 2 3 4 5 6 AISI 15B21H AISI 15B35H AISI 15B37H AISI 15B41H AISI 15B48H AISI 15B62H Thép cacbon 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 AISI 50B40 AISI 50B40H AISI 50B44 AISI 50B44H AISI 50B46 AISI 50B46H AISI 50B50 AISI 50B50H AISI 50B60 AISI 50B60H AISI 51B60 AISI 51B60H AISI 81B45 AISI 84B45H AISI 86B30H AISI 86B45 AISI 86B45H AISI 94B15 AISI 94B15H Thép hợp kim 620 21 22 23 AISI 94B17 AISI 94B17H AISI 94B30 AISI 94B30H 1.2 Ảnh hưởng của nguyên tố bo lên các tính chất của thép Ảnh hưởng lớn nhất của bo lên các tính chất của thép là làm tăng độ cứng và độ bền. Độ cứng của thép đạt lớn nhất khi hợp kim hoá bo ở hàm lượng từ 0,002 đến 0,006%, tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của thép nền, chủ yếu là hàm lượng cacbon. Vượt quá giới hạn này thì sẽ gây ra thiên tích bo trên biên giới các hạt austenit, không những làm giảm độ cứng mà còn làm giảm độ dai va đập, gây ra tính dòn và bở nóng cho thép [2]. Để cải thiện độ cứng cho thép thì bo trong thép phải ở trạng thái nguyên tử. Như vậy, trong quá trình sản xuất thép phải có biện pháp bảo vệ bo để nguyên tố này phát huy được tác dụng lớn nhất [ 3-5 ]. Tác dụng của bo cũng bị giảm đi nếu áp dụng chế độ nhiệt luyện không đúng. Ví dụ, nhiệt độ austenit hoá quá cao có thể gây ra tiết pha giầu bo. Độ cứng của thép bo phụ thuộc vào hành vi của ôxy, cacbon và nitơ trong thép. Bo phản ứng với ôxy tạo thành ôxit bo (B2O3), với cacbon tạo thành xêmentit-bo sắt (Fe3(C,B)) và bo-cacbid sắt (Fe23(C,B)6) và với nitơ tạo thành nitrid bo (BN). Có thể giảm tổn thất bo do ôxy bằng cách khử triệt để ôxy bằng FeSi và Al. Các nguyên tố tạo nitrid mạnh như titan, nhôm, zirkon bảo vệ cho bo khỏi phản ứng với nitơ. Khả năng hình thành cacbid bo dạng Fe23(B,C)6 là một vấn đề đã được các nhà nghiên cứu về thép bo rất chú trọng. Đặc biệt là từ những năm 1970 trở lại đây, những nghiên cứu về quá trình tiết pha Fe23(B,C)6 trong austenit quá nguội đã đạt được nhiều kết quả tốt, ví dụ : đã xác định được hằng số mạng LPTT (fcc) của pha này, đã xác định được vùng nhiệt độ pha này ổn định, mối quan hệ dị hướng khi 7tiết pha, đặc trưng về hình dạng của đường cong động học khi tiết pha đẳng nhiệt … Đồng thời đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp nhiệt luyện thép bo. Gần đây, người ta đã chú ý nghiên cứu quá trình tiết pha của các dạng cacbit khác khi ram thép bo [6]. Bằng kỹ thuật hiển vi điện tử xuyên thấu và quýet và nhiễu xạ rơnghen, Shi Chong Zhe đã khẳng định khi ram thép 50B trong khoảng nhiệt độ 490-720˚C có 3 loại cacbid được tiết ra từ mactensit là Fe3C, Fe23(C,B)6 và Fe3 (C,B). Nhóm nghiên cứu này cho rằng Fe23 (B,C)6 được tạo thành từ các mầm rồi lớn lên. Còn pha Fe3 (C,B) được tạo ra từ Fe3C sau khi hấp phụ thêm bo. Ở nhiệt độ ram thấp thì pha Fe3C tiết dễ hơn pha Fe23 (C,B)6, nhưng ở nhiệt độ ram cao thì hai pha này gần như tiết ra đồng thời. Sự tồn tại ổn định của pha Fe23 (C,B)6 là trong khoảng nhiệt độ 600 - 900˚C [7]. Như vậy, khi ram thép bo đầu tiên tiết ra pha Fe3C, sau dó mới tiết ra pha Fe23 (C,B)6 . Còn pha Fe3 (C,B) tiết ra sau cùng. Fe23 (C,B)6 hình thành các tâm mầm trong pha mẹ mactensit, còn pha Fe3 (C,B) được tạo thành từ Fe3C hấp phụ thêm B. Độ cứng của thép bo phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện austenit hoá. Khi nhiệt độ austenit hoá tăng lên trên 1.000˚C thì độ cứng của thép bo giảm [3]. Thép bo phải ram ở nhiệt độ thấp hơn các thép khác khi muốn giữ độ cứng như nhau. Bo làm chậm sự tạo thành ferit và peclit [8-9] và như vậy sẽ thúc đẩy sự tạo thành mactensit khi làm nguội nhanh [10]. Theo các tác giả này thì khi cho 0,002 – 0,003% B vào thép cacbon sẽ có tác dụng tăng độ cứng như 0,7% Cr, 0,5% Mo và 1,0% Ni. Bo chỉ có tác dụng khi được hoà tan trong các hạt khi làm nguội nhanh hơn là cho phép khuyếch tán ra biên giới hạt khi làm nguội chậm. Khả năng làm tăng độ cứng của bo tuỳ thuộc vào hàm lượng cacbon được nêu trên hình 1 và bo làm chậm sự tạo thành ferit và peclit được mưu tả trên hình 2 [10]. 8 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 3 2 1 0 Hình 1: Mức độ tăng độ cứng của thép Bo phụ thuộc vào % C FB= Độ cứng của thép Bo/độ cứng của thép không có Bo FB %C 0 10 100 1000 10.000 Hình 2: Ảnh hưởng của Bo tới giản đồ chữ C t,s 1000 800 600 400 200 T0C Không có Bo 0,0017%Bo 91.3 Giới thiệu mác thép nghiên cứu C50PA Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là thép bo mác C50PA theo ký hiệu của Liên Xô cũ. Các nước khác cũng có mác tương tự. Các mác thép này được nêu trong bảng 2. Bảng 2 : Thành phần hoá học của thép C50PA và các mác tương tự C Si Mn B P S C50PA Liên Xô 0,47-0,54 0,17-0,37 0,50-0,70 0,002-0,006 ≤ 0,035 ≤ 0,040 50B Tr. Quốc 0,47-0,55 0,17-0,37 0,60-0,90 0,0005-0,0035 ≤ 0,035 ≤ 0,035 50B50 Mỹ 0,48-0,53 0,20-0,35 0,75-1,0 ≥ 0,005 ≤ 0,040 ≤ 0,040 170H41 Anh 0,37-0,44 0,10-0,40 0,80-1,10 0,0005-0,005 ≤ 0,025 ≤ 0,025 38B3 Pháp 0,34-0,40 0,10-0,40 0,60-0,90 0,0008-0,008 ≤ 0,035 ≤ 0,035 Thép C50PA là thép cacbon trung bình được hợp kim hoá một lượng lượng nhỏ bo nên tính chất cơ lý được cải thiện rất nhiều. Các tính chất cơ lý của thép C50PA sau nhiệt luyện theo tiêu chuẩn của Liên Xô cũ như sau : - Độ bền kéo : Rm ≥ 785 Mpa - Giới hạn chảy : R0,2 ≥ 540 Mpa - Độ dãn dài tương đối : δ ≥ 10% - Độ dai va đập ak ≥ 39 Jcm-2 - Độ cứng sau ủ : ≤ 207 HB Với các tính chất cơ lý như nêu trên, thép C50PA được sử dụng rất rộng rãi trong chế tạo máy, trong đó có cả ngành chế tạo vũ khí thông thường. [...]... VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm : - Nghiên cứu tổng quan về thép bo và mác thép C50PA dùng để chế tạo nòng súng bộ binh cỡ nhỏ trên cơ sở các tài liệu và tiêu chuẩn trong và ngoài nước ; - Nghiên cứu xác định công nghệ sản xuất mác thép C50PA bao gồm các khâu : + Công nghệ luyện thép + Công nghệ tinh luyện + Công nghệ rèn + Công nghệ nhiệt luyện... chuẩn về thép hợp kim của các nước tiên tiến để lựa chọn mác thép - Sử dụng lò cảm ứng trung tần Radyne 300 kg/mẻ để nhiên cứu xác định công nghệ luyện thép, thiết bị điện xỉ 100 KVA để nghiên cứu công nghệ tinh luyện, búa rèn 750 kg và 150 kg để nghiên cứu công nghệ rèn và các loại lò tôi, ram để nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện 10 - Sử dụng thiết bị quang phổ phát xa FOUNDRY MASTER (CHLB Đức) để phân... EMAX do hãng HITACHI (Nhật Bản) chế tạo để nghiên cứu cơ chế phá huỷ của thép 11 3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1 Công nghệ sản xuất thép bo mác C50PA 3.1.1 Công nghệ luyện thép Thép bo mác C50PA là một loại thép hoá tốt với thành phần hoá học : C = 0,47 – 0,55% ; Si = 0,17 – 0,35% ; Mn = 0,50 – 0,70% ; B = 0,002 – 0,006% ; P ≤ 0,035% và S ≤ 0,040% Để đảm bảo cho chất lượng cao của thép và cũng phù hợp với điều... chất lượng thép : thành phần hoá học, cơ tính, tổ chức tế vi và cấu trúc pha ; - Chế tạo 05 nòng súng AK để đánh giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng của thép nghiên cứu 2.2 Phương pháp nghiên cứu Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy và chính xác cao, đề tài đã sử dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu sau : - Trên cơ sở phân tích các điều kiện làm việc của nòng súng bộ binh cỡ nhỏ và tham... để bảo toàn bo trong thép thì thép phải được khử ôxy triệt để Nếu không, bo sẽ kết hợp với ôxy để tạo thành ôxit bo nổi lên xỉ Vì thế, đối với thép hợp kim bo, ngoài FeMn và FeSi thì cần dùng thêm Al để khử ôxy Vấn đề đặt ra cho công nghệ luyện thép bo là đưa bo vào thép lúc nào và cỡ hạt FeB bao nhiêu là phù hợp nhất Theo các tài liệu [3-4] thì đưa bo ở dạng FeB vào thép sau khi đã khử ôxy triệt để. .. 3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện Để đảm bảo cơ tính tổng hợp cao và thuận lợi cho việc gia công cơ khí thì thép C50PA phải được nhiệt luyện Nhiệt luyện thép C50PA bao gồm hai dạng : thường hoá để gia công cơ khí và nhiệt luyện cuối cùng (tôi và ram cao – hoá tốt) để đạt cơ tính tổng hợp cao Thường hoá Thường hoá được tiến hành đối với thép C50PA để khử ứng suất dư, ổn định cấu trúc và giảm độ cứng, tạo thuận... phá huỷ của thép C50PA được nghiên cứu trên mặt gẫy của các mẫu thử độ dai va đập Kết quả được nêu trên hình 9 với các độ phóng đại 250, 500, 1.000 và 2.000x Kết quả về hình thái học của bề mặt gẫy như trên hình 8 biểu hiện cơ chế dẻo của thép C50PA khi phá huỷ 27 28 Hình 9: Cơ chế phá huỷ của thép C50PA (x 250, 500, 1000,2000) 29 3.2.3 Cấu trúc pha Cấu trúc pha của thép C50PA được nghiên cứu bằng kỹ... nguyên công ram thép C50PA ta có cấu trúc xoocbit nhỏ mịn và pha cacbit phân tán đều đặn Với cấu trúc như vậy đảm bảo cho thép độ bền cao, tính dẻo tốt, đáp ứng được nhu cầu khắt khe của nơi sử dụng 23 T0C 1200 8400C 800 400 0 5 7 t,h Hình 6: Sơ đồ công nghệ tôi T0C 800 600 400 4 8 12 t,h Hình 7: Sơ đồ công nghệ ram 24 3.2 Tính chất của thép C50PA 3.2.1 Tính chất cơ học Tính chất cơ học của thép C50PA. .. biệt là B ở hàm lường rất nhỏ - Sử dụng máy thử kéo nén vạn năng UMN-50 để xác định độ bền, máy đo độ cứng HPO 250 để đo độ cứng, thiết bị con lắc Charpy để đo độ dai va đập và thiết bị INSTRON 8801 (Anh) để đo độ bền phá huỷ - Dùng kính hiển vi quang học Axiovert (CHLB Đức) để nghiên cứu tổ chức tế vi và máy nhiễu xạ rơnghen D 5000 (CHLB Đức) để phân tích cấu trúc pha của thép - Dùng kính hiển vi điện... cho thấy thép C50PA có độ dẻo dai rất tốt (yêu cầu là ≥ 39 Jcm-2 ) Bảng 9 : Độ dai va đập của thép C50PA Mẫu 1 2 3 Giá trị TB Ak [J/cm2 ] 55 60 59 58 Hình thái (morphology) của mặt gẫy được phân thành hai loại : phá huỷ dẻo và phá huỷ dòn [16] Để nghiên cứu xác định cơ chế phá huỷ của thép chúng tôi sử dụng kỹ thuật hiển vi điện tử quýet trên thiết bị EMAX do hãng HITACHI (Nhật Bản) chế tạo Cơ chế phá . là Bộ Công thương) đã giao cho Viện Luyện kim đen thực hiện đề tài Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác C50PA dùng để chế tạo nòng súng bộ binh cỡ nhỏ. dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm : - Nghiên cứu tổng quan về thép bo và mác thép C50PA dùng để chế tạo nòng súng bộ binh cỡ nhỏ trên