Chế tạo vỏ động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp bằng thép hợp kim đặc biệt

CHẾ TẠO VỎ ĐỘNG CƠ PHÓNG TÊN LỬA PHÒNG KHÔNG TẦM THẤP<br /> BẰNG THÉP HỢP KIM ĐẶC BIỆT<br /> FABRICATION OF OUTER SHELL OF ROCKET ENGINE FROM SPECIAL<br /> ALLOY STEEL USED IN LOW-RANGE SURFACE-TO-AIR MISSILES<br /> NGUYỄN XUÂN PHƯƠNG1, LÊ ANH QUANG1,<br /> NGUYỄN TIẾN TÀI2, TRẦN NHƯ BIÊN2, PHÙNG TUẤN ANH3<br /> 1Viện Công nghệ, Tổng cục CNQP, Bộ Quốc phòng<br /> 2Viện Công nghệ, Bộ Công thương<br /> 3Khoa Cơ khí, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ Quốc phòng<br /> <br /> Tóm tắt<br /> Bài báo trình bày kết quả chế tạo chi tiết vỏ động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp<br /> từ thép hợp kim mác 28X3CHMBФA theo tiêu chuẩn Nga (28Cr3SiNiMoWVA) do Viện<br /> Công nghệ/Bộ Công thương kết hợp Viện Công nghệ/TCCNQP chế tạo. Chi tiết được gia<br /> công biến dạng qua hai bước dập vuốt nguội tạo phôi cốc từ phôi đĩa Ø154 3,5mm,độ<br /> cứng phôi đĩa ≤241HB, sau gia công biến dạng được ủ khử biến cứng ở nhiệt độ (720±10)<br /> oC. Chế độ xử lý nhiệt trước khi gia công cơ khí gồm nung tôi ở nhiệt độ (920±10) oC, giữ<br /> <br /> nhiệt 2h và nguội không khí hoặc dầu, ram ở nhiệt độ (280 360) oC, nguội không khí, chi<br /> tiết đạt độ cứng ≥45,5 HRC, giới hạn bền đạt ≥ 1570 MPa, độ dãn dài ≥ 6 %. Sản phẩm gia<br /> công hoàn chỉnh được nghiệm thu theo điều kiện kỹ thuật của sản phẩm bao gồm thử bền<br /> với áp suất thủy lực (205±5) MPa trong 30 giây không bị rò rỉ chất lỏng và thử phá hủy với<br /> áp suất thủy lực 230 MPa trong 30 giây. Chi tiết không bị phá hủy trong quá trình thử<br /> nghiệm. Các kết quả đạt được chứng minh sản phẩm chế tạo từ vật liệu được nghiên cứu<br /> chế tạo trong nước có thể thay thế vật liệu nhập ngoại.<br /> Từ khóa: Thép 28X3CHMBФA, vỏ động cơ phóng, dập vuốt nguội, xử lý nhiệt, hóa bền tiết pha<br /> phân tán.<br /> Abstract<br /> In this paper, the results in manufacturing outer shell of rocket engine of low-range surface-<br /> to-air missiles from steel 28Cr3SiNiMoWVA (28X3CHMBФA), which made by Institue of<br /> Technology/Ministry of National Defence and Research Institute of Technology for<br /> Machinery/ Ministry of Industry and Trade are reported. The cup-like blanks were formed<br /> by two-step cold deep drawing from disk-like blanks with dimension of Ø1543.5 mm and<br /> hardness less than 241 HB. After deformation, the blanks were recrystallization annealed<br /> at (720±10) oC. Before mechanical machining, the blanks were heat treated at (920±10) oC<br /> for 2 hours, cooled by quenching in oil or air cooled, then tempered at (280360) oC for 2<br /> hours, air cooled. The blanks are reached the minimum hardness of 45.5 HRC, tensile<br /> strength of 1570 MPa, elongation of 6 %. After mechanical finishing process, the products<br /> were accepted with the following acceptance test procedure: strength testing with hydraulic<br /> pressure of 205±5 MPa for 30 seconds, products were not seeped liquid and fracture<br /> testing with hydraulic pressure of 230 MPa for 30 seconds, products were not fractured<br /> during test. The results demonstrated that products which made from indigenous material<br /> could replace imported material.<br /> Keywords: Steel 28Cr3SiNiMoWVA, outer shell of rocket engine, cold deep drawing, heat<br /> treatment, precipitation hardening.<br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Thép kết cấu hợp kim độ bền cao 28Х3СНМВФА theo tiêu chuẩn Nga thuộc nhóm thép<br /> mactenxit. Chúng thường được sử dụng với độ tin cậy cao trong điều kiện làm việc chịu tải trọng<br /> tĩnh chu kỳ. Đây là một trong những mác thép kết cấu chất lượng tốt. Thép này được dùng để chế<br /> tạo các chi tiết máy làm việc với các loại tải trọng khác nhau ở nhiệt độ cao. Trong quá trình xử lý<br /> nhiệt hóa già, trong thép hình thành các pha liên kim trên cơ sở Ni, Mo, V,... nhỏ mịn, phân tán đều<br /> trên nền kim loại tạo nên hiệu ứng hóa bền phân tán [1,4].<br /> Ứng dụng của thép hợp kim 28Х3СНМВФА dùng để tăng tuổi thọ cho các chi tiết, tiết kiệm<br /> kim loại, tăng năng suất, làm đơn giản sự thiết kế dẫn đến việc giải quyết các vấn đề về giá trị<br /> trong tiến bộ kỹ thuật. Thép kết cấu hợp kim 28Х3СНМВФА có độ bền cao nhưng vẫn giữ được độ<br /> dẻo và độ dai tốt. Chúng có tính chống biến dạng dẻo nhỏ tốt, kết hợp với tính chịu lạnh, tính chịu<br /> nhiệt tính chống gỉ và tính ổn định kích thước. Nhờ những tính chất này mà thép 28Х3СНМВФА<br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 58<br /> được sử dụng nhiều để chế tạo các chi tiết sử dụng trong các lĩnh vực như chế tạo máy, công<br /> nghiệp hàng không vũ trụ, thiết bị kỹ thuật đông lạnh và công nghiệp công cụ,… [2].<br /> Chi tiết vỏ động cơ phóng (hình 1)được chế tạo từ thép 28Х3СНМВФА vừa có vai trò là<br /> buồng đốt cho động cơ phóng vừa là phần thân chịu tải của khoang động cơ phóng. Một đầu của<br /> thân động cơ phóng được lắp với cụm loa phụt động cơ phóng, một đầu được gắn với cụm cánh<br /> ổn định của tên lửa. Trong động cơ phóng có chứa thuốc phóng rắn, khi khởi động, thuốc phóng<br /> cháy, đẩy toàn bộ quả tên lửa ra khỏi ống phóng. Khi thuốc phóng cháy, nhiệt độ trong buồng đốt<br /> lên đến (17002000)oC và áp suất lên đến (140170) at. Chính vì vậy, vật liệu làm vỏ động cơ<br /> phóng phải đảm bảo đáp ứng được các yêu cầu làm việc trong điều kiện khắc nghiệt [1,2].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Vỏ động cơ phóng [1,2]<br /> Phương án công nghệ được lựa chọn sử dụng để chế tạo chi tiết vỏ động cơ phóng tên lửa<br /> PKTT là dập vuốt biến mỏng thành từ phôi đĩa. Đây là phương án vừa đảm bảo tính liên tục của<br /> vật liệu, vừa biến được mỏng thành của chi tiết, độ bền vỏ động cơ phóng tăng mạnh, và do đó sẽ<br /> làm tăng khả năng chịu được áp suất cao khi thuốc phóng cháy.<br /> 2. Thực nghiệm<br /> Hợp kim 28Х3СНМВФА theo tiêu chuẩn Nga ТУ 14-1-109-71 có thành phần hóa học được<br /> chỉ ra trong bảng 1.<br /> Bảng 1. Thành phần hóa học hợp kim 28X3CHMBФА (TY 14-1-109-71).<br /> Thành phần hóa học các nguyên tố, %<br /> Mác thép<br /> C Mn Si Cr Ni Mo W V P, S≤<br /> <br /> 0,26- 0,50- 0,90- 2,8- 0,90- 0,35- 0,80- 0,05-<br /> 28X3CHMBФA 0,015<br /> 0,31 0,80 1,20 3,2 1,20 0,50 1,20 0,15<br /> Quy trình công nghệ chế tạo vỏ động cơ phóng từ phôi đĩa gồm các bước sau:<br /> 1. Chuẩn bị phôi, trang bị công nghệ (chày, cối), thiết bị:<br /> - Kiểm tra kích thước và chất lượng bề mặt phôi đĩa.<br /> - Kiểm tra độ cứng phôi.<br /> - Thực hiện ăn mòn nhẹ và phốt phát hóa bề mặt, rửa sạch bán thành phẩm.<br /> Thiết bị sử dụng gồm máy dập 250T, chày, cối dập vuốt bước 1, 2.<br /> 2. Dập bước 1<br /> - Gá lắp khuôn, cối vào máy dập, căn chỉnh đảm bảo đồng tâm giữa khuôn và chày. Tiến<br /> hành dập vuốt chi tiết.<br /> 3. Nhiệt luyện: Ủ bán thành phẩm không chậm hơn 8 h sau nguyên công dập bước 1.<br /> Chế độ ủ khử ứng suất sau gia công biến dạng:<br /> Nhiệt độ ủ: 720 oC, giữ nhiệt: 1 h, nguội cùng lò đến 150 oC cho ra nguội không khí.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 59<br />  4. Dập bước 2<br /> Trang bị công nghệ gồm chày, khuôn dập bước 2 và các đồ gá. Chuẩn bị khuôn, cối dập,<br /> căn chỉnh bằng dưỡng chuyên dụng đảm bảo độ đồng tâm giữa giữa chày và cối đạt theo yêu cầu.<br /> 5. Nhiệt luyện<br /> Chế tạo 02 mẫu đối chứng, tiến hành nhiệt luyện cùng với lô sản phẩm.<br /> Công nghệ nhiệt luyện bao gồm tôi và ram các bán thành phẩm (không chậm hơn 8 h sau<br /> nguyên công dập bước 2) trong lò điện có khí bảo vệ. Chế độ nhiệt luyện cụ thể như sau:<br /> - Tôi: (930950)oC làm nguội trong trong dầu (hoặc không khí).<br /> - Ram: (280360)oC làm nguội trong không khí.<br /> 6. Gia công cơ khí đạt theo kích thước thiết kế.<br /> 7. Kiểm tra kích thước, thử bền và thử phá hủy, bao gói sản phẩm.<br /> 3. Kết quả và thảo luận<br /> 3.1. Dập vuốt<br /> Mẫu phôi đĩa trước khi dập vuốt được gia công thành phôi đường kính đường kính 154 mm,<br /> dày 3,5 mm đã được tiện vát mép 1×45o, gia công bề mặt tới độ nhám Ra2,5. Dập vuốt bước 1 tạo<br /> phôi cốc từ phôi đĩa có đường kính Ø150 mm thành phôi cốc có đường kính Ø89 mm, chiều cao<br /> từ (60-62) mm (hình 2). Do mức độ biến dạng nguội khá lớn nên độ cứng ban đầu của phôi có ý<br /> nghĩa quan trọng đối với chất lượng dập bước 1. Độ cứng phôi trước khi dập vuốt yêu cầu nhỏ<br /> hơn 240 HB để đảm bảo cho phôi không bị nứt vỡ trong quá trình dập [1].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> Hình 2. Phôi đĩa chế tạo vỏ động cơ phóng (a) và sau khi dập vuốt bước 1 (b).<br /> <br /> Sau dập vuốt bước 1, phôi bị biến cứng,<br /> để đảm bảo độ dẻo cần thiết cho nguyên công<br /> dập vuốt bước 2, phôi cần phải được ủ khử ứng<br /> suất do biến cứng. Nhiệt độ ủ lựa chọn trong<br /> khoảng (720±10)oC với thời gian ủ 2 h. Sau khi<br /> ủ, kiểm tra độ cứng của phôi và đảm bảo độ<br /> cứng của các phôi không lớn hơn 240 HB. Phân<br /> tích tổ chức kim tương phôi sau khi ủ cho thấy<br /> các hạt nhỏ min đa cạnh, cấp hạt đạt cấp 7, vẫn<br /> còn dấu vết của hướng cán của trạng thái phôi<br /> ban đầu (hình 3).Nguyên công dập bước 2 thực<br /> hiện như dập bước 1, đường kính phôi thay đổi<br /> từ đường kính Ø82 mm xuống còn Ø70,5mm.<br /> Chiều cao phôi cốc từ (60-62) mm thành (75-78)<br /> mm. Sau dập bước 2, phôi được ủ khử ứng Hình 3. Tổ chức tế vi của phôi sau ủ khử ứng<br /> suất biến cứng với chế độ như sau nguyên công suất ở (720±10) oC trong 2 h, x200.<br /> dập bước 1. Độ cứng các phôi sau dập bước 1<br /> và bước 2 được cho trong bảng 2.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 60<br />  Bảng 2. Độ cứng HB của phôi (qua ủ) sau dập bước 1 và bước 2<br /> <br /> Mẫu Sau dập bước 1 Sau dập bước 2<br /> 01 220 218<br /> 02 222 220<br /> 03 221 219<br /> 04 223 220<br /> Kết quả thực nghiệm cho thấy chế độ ủ khử ứng suất do biến cứng sau dập vuốt bước 1 và<br /> bước 2 đảm bảo cho phôi khử hoàn toàn ứng suất dư xuất hiện do biến cứng, khi chuyển sang<br /> nguyên công gia công cơ khí phôi không bị biến dạng, nứt, cong vênh.<br /> 3.2. Nhiệt luyện hóa bền<br /> Phôi sau dập vuốt được gia công cơ khí sơ bộ, sau đó nhiệt luyện hóa bền đạt độ cứng theo<br /> điều kiện kỹ thuật của sản phẩm ≥ 45,5 HRC, độ bền kéo ≥ 1570 MPa, độ dãn dài ≥ 6 %. Lựa chọn<br /> các chế độ nhiệt luyện hóa bền để khảo sát như sau:<br /> Nhiệt độ tôi: (920±10)oC, giữ nhiệt 2h, nguội không khí hoặc dầu.<br /> Nhiệt độ ram: 250oC, 280oC, 320oC, 360oC, 400oC, giữ nhiệt 2h, nguội cùng lò đến 150oC<br /> trong 30 phút, sau đó đưa sản phẩm ra nguội không khí đến nhiệt độ thường.Cơ tính phôi sau<br /> nhiệt luyện hóa bền được cho trong bảng 3.<br /> Bảng 3. Cơ tính phôi sau nhiệt luyện hóa bền<br /> Nhiệt độ ram, oC Độ cứng HRC σb, MPa 5, %<br /> 250 53 1680 5,5<br /> 280 51 1658 6,1<br /> 320 48 1625 6,5<br /> 360 47 1597 6,7<br /> 400 44 1550 7,5<br /> Kết quả khảo sát cơ tính các mẫu đối chứng ở các chế độ ram khác nhau cho thấy, trong<br /> khoảng nhiệt độ ram (280360)oC, phôi đạt cơ tính theo điều kiện kỹ thuật của vỏ động cơ phóng.<br /> Khi ram ở nhiệt độ dưới 280oC, độ cứng của phôi cao nhưng độ bền và độ dãn dài không đảm<br /> bảo. Còn ở nhiệt độ ram trên 360oC, độ cứng và độ bền giảm so với yêu cầu. Các phôi vỏ động cơ<br /> phóng được nhiệt luyện theo chế độ nhiệt như sau: nhiệt độ tôi: (920±10)oC, giữ nhiệt 2h, nguội<br /> không khí hoặc dầu; nhiệt độ ram: (280360)oC, giữ nhiệt 2h, nguội cùng lò đến 150oC trong 30<br /> phút, sau đó đưa sản phẩm ra nguội không khí đến nhiệt độ thường.<br /> Theo điều kiện nghiệm thu sản phẩm, vỏ động cơ phóng phải được thử bền và thử phá hủy:<br /> thử bền với áp suất thủy lực (205±5) MPa trong 30 giây, vỏ động cơ phóng không bị rò rỉ chất lỏng;<br /> thử phá hủy với áp suất thủy lực 230 MPa trong 30 giây. Kết quả thử bền và thử phá hủy vỏ động<br /> cơ phóng sau gia công hoàn chỉnh được cho trong bảng 4. Trong suốt quá trình thử nghiệm, chi<br /> tiết không bị phá hủy.<br /> Bảng 4. Điều kiện thử nghiệm và kết quả thử nghiệm bền và thử phá hủy vỏ động cơ phóng<br /> Điều kiện thử nghiệm<br /> Kết quả<br /> Số hiệu<br /> TT Áp suất thử Thời gian giữ thử<br /> sản phẩm Yêu cầu<br /> (at) áp (giây) nghiệm<br /> I Thử bền<br /> 1 01 207 33 Đạt<br /> 2 02 207 35 Đạt<br /> không rò rỉ dầu, tụt áp trong thời<br /> 3 03 207 35 Đạt<br /> gian thử nghiệm<br /> 4 04 207 38 Đạt<br /> 5 05 207 40 Đạt<br /> II Thử phá hủy<br /> 1 01 230 30 Đạt<br /> Không bị nứt, rách sau thử nghiệm<br /> 2 02 230 30 Đạt<br /> 4. Kết luận<br /> Thông qua kết quả thực nghiệm cho thấy, vỏ động cơ phóng được chế tạo từ thép hợp kim<br /> 28Х3СНМВФА qua chế độ xử lý nhiệt hợp lý có độ dẻo, độ bền rất tốt. Chế độ ủ khử ứng suất<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 61<br />