Cán kim loại: Các phương pháp gia công biến dạng và ứng dụng

Tìm hiểu về quá trình cán kim loại và các sản phẩm cán

Bạn có thể tìm đọc lại bài viết này bằng các Từ khóa: cán kim loại, phương pháp gia công, biến dạng, sản phẩm cán, ứng dụng công nghệ

Quá trình Nung nóng trong Gia công kim loại bằng áp lực

Mục đích của quá trình nung nóng

Mục đích của quá trình nung nóng trước khi gia công bằng áp lực kim loại là nâng cao tính dẻo và giảm khả năng chống biến dạng của chúng, tạo điều kiện thuận tiện cho quá trình biến dạng.

Các hiện tượng xảy ra khi nung nóng kim loại

Trong quá trình nung nóng, có một số vấn đề có thể xảy ra:

2.1. Nứt nẻ:

Hiện tượng nứt nẻ có thể xuất hiện bên ngoài hoặc bên trong kim loại. Nguyên nhân chính là do ứng suất nhiệt phát sinh do sự nung không đều, tốc độ nung không hợp lý và ứng suất dư sẵn có của phôi (cán, đúc). Khi ứng suất nhiệt và ứng suất dư vượt qua giới hạn bền của kim loại, nứt nẻ có thể xảy ra. Đối với thép, nứt nẻ thường xảy ra ở nhiệt độ dưới 800°C.

2.2. Hiện tượng ôxy hóa:

Khi kim loại nung trong lò, tiếp xúc với không khí và khí trong lò làm cho bề mặt kim loại dễ bị ôxy hóa và hình thành lớp vảy sắt. Quá trình ôxy hóa này gây mất mát kim loại khoảng 4-6%, gây hao mòn thiết bị và giảm chất lượng chi tiết. Ôxy hóa xảy ra do sự khuyết tán của nguyên tử ôxy vào lớp kim loại và sự khuyết tán của nguyên tử kim loại qua lớp ôxyt ở mặt ngoài vật nung, tạo thành 3 lớp vảy sắt: FeO-Fe3O4-Fe2O3. Ở nhiệt độ trên 570°C, lớp vảy sắt tăng mạnh, và ở trên 1000°C, lớp vảy sắt dày đặc phủ kín mặt ngoài vật nung. Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, lớp ôxyt này bị cháy và tạo ra lớp ôxyt mới. Ôxyt hoá có thể do ôxy đưa vào hoặc do khí CO2, H2O tách ra.

2.3. Hiện tượng mất cacbon:

Hiện tượng mất cacbon của mặt ngoài vật nung có thể làm thay đổi cơ tính của chi tiết và có thể xảy ra trong quá trình nung nóng. Mất cacbon xảy ra khi kim loại tiếp xúc với không khí giàu oxi hoặc khí CO2 trong quá trình nung nóng. Cacbon trong kim loại có khả năng kết hợp với oxi để tạo thành các hợp chất oxi hóa, gây mất mát cacbon và làm giảm hàm lượng cacbon trong vật nung. Việc mất cacbon có thể ảnh hưởng đến độ cứng và tính dẻo của kim loại.

Biện pháp tối ưu khi nung nóng kim loại

Để giảm thiểu các vấn đề trên trong quá trình nung nóng, có thể áp dụng các biện pháp sau:

1. Kiểm soát nhiệt độ và thời gian nung nóng: Đảm bảo quá trình nung nóng diễn ra theo quy trình và thời gian xác định để tránh tình trạng nung chảy quá mức hoặc nung không đều, gây nứt nẻ.

2. Sử dụng môi trường không khí bảo vệ: Sử dụng môi trường không khí có hàm lượng oxy thấp hoặc khí bảo vệ để giảm thiểu hiện tượng ôxy hóa và mất mát cacbon. Việc sử dụng môi trường không khí bảo vệ có thể hạn chế sự tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại và không khí, giảm khả năng ôxy hóa và mất mát cacbon.

3. Sử dụng chất bảo vệ chống ôxy hóa: Sử dụng các chất bảo vệ chống ôxy hóa như bột kim loại nhẹ, chất chống ôxy hóa để bảo vệ bề mặt kim loại khỏi hiện tượng ôxy hóa và mất mát cacbon.

4. Kiểm soát tốc độ làm nóng và làm lạnh: Điều chỉnh tốc độ làm nóng và làm lạnh phù hợp để giảm thiểu ứng suất nhiệt và giảm nguy cơ nứt nẻ.

5. Sử dụng lò nung phù hợp: Sử dụng lò nung có khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác và có các chế độ làm nóng và làm lạnh điều chỉnh được để đảm bảo quá trình nung diễn ra một cách chính xác và kiểm soát được mất mát cacbon.

Tuy nhiên, để đảm bảo quá trình nung nóng hiệu quả và tránh mất mát cacbon, quá trình nung cần được thiết kế và điều chỉnh một cách cẩn thận và tuân thủ các quy trình và quy định kỹ thuật. Việc tham khảo và tư vấn với các chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu và quá trình nung cũng rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Chế độ nung kim loại

Quá trình nung kim loại là một giai đoạn quan trọng trong quá trình sản xuất và xử lý kim loại. Chế độ nung được thiết lập dựa trên các yếu tố như loại kim loại, mục đích sử dụng, kích thước và hình dạng của chi tiết kim loại, và các yêu cầu kỹ thuật khác. Dưới đây là một số chế độ nung kim loại phổ biến:

1. Nung nóng: Quá trình nung nóng được sử dụng để nâng cao độ dẻo, giảm ứng suất, làm giảm độ cứng và làm mềm kim loại. Nhiệt độ nung nóng thường cao hơn nhiệt độ nung hợp kim kim loại để tạo ra cấu trúc tinh thể mới và làm thay đổi tính chất cơ học của kim loại. Quá trình nung nóng có thể được thực hiện trong lò nung hoặc bằng các phương pháp khác như nung trong lò than hoặc lò điện.

2. Nung rèn: Quá trình nung rèn được sử dụng trong công nghệ rèn kim loại để cung cấp một lực nhiệt và áp lực cao đồng thời để biến đổi cấu trúc tinh thể của kim loại. Nung rèn giúp cải thiện tính dẻo, tính đồng nhất và tính dẻo của kim loại. Nhiệt độ và áp lực được kiểm soát chính xác trong quá trình nung rèn để đạt được tính chất cơ học mong muốn của kim loại.

3. Nung tôi: Quá trình nung tôi được sử dụng để gia công và rèn các vật liệu kim loại như thép, nhôm và đồng. Nung tôi giúp tạo ra cấu trúc tinh thể mới và cải thiện tính chất cơ học của kim loại. Quá trình này thường kết hợp nhiệt độ cao và áp lực để làm mềm và hình thành kim loại theo hình dạng mong muốn.

4. Nung tinh sinter: Quá trình nung tinh sinter được sử dụng trong công nghệ sintering để tạo ra các vật liệu kim loại xung quanh hạt mịn. Trong quá trình này, vật liệu được đặt trong một môi trường nung với nhiệt độ cao, nhưng không đạt đến điểm nóng chảy của kim loại. Quá trình nung tinh sinter giúp liên kết hạt mịn lại với  nhau và tạo ra cấu trúc vật liệu cố định.

Các chế độ nung kim loại có thể được điều chỉnh và tùy chỉnh tùy theo yêu cầu cụ thể của quá trình sản xuất và tính chất kỹ thuật của kim loại. Việc sử dụng và kiểm soát chính xác các thông số nung là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng và tính ổn định của sản phẩm kim loại.

Sự làm nguội sau khi gia công biến dạng

Sau quá trình gia công biến dạng, vật liệu cần trải qua quá trình làm nguội để ổn định và thay đổi các thuộc tính như thể tích, cấu trúc, kích thước hạt, và thành phần. Để đảm bảo quá trình làm nguội hiệu quả, có ba phương pháp chính được sử dụng:

1. Làm nguội tự nhiên: Quá trình làm nguội tự nhiên thường được thực hiện trong môi trường không khí yên tĩnh, với điều kiện vật liệu khô ráo và không có luồng gió. Tốc độ làm nguội tự nhiên khá nhanh, và phương pháp này thường được áp dụng cho thép cacbon và hợp kim thấp có hình dạng đơn giản.

2. Làm nguội trong hòm chứa chất như vôi, cát, xỉ, than vụn, v.v...: Phương pháp này sử dụng một hòm chứa các chất như vôi, cát, xỉ hoặc than vụn để làm nguội vật liệu. Tốc độ làm nguội trong phương pháp này thường không cao, và nhiệt độ của vật liệu trước khi đưa vào hòm khoảng từ 500 đến 750 độ Celsius. Phương pháp này thường được sử dụng cho việc làm nguội các loại thép cacbon và hợp kim thấp có hình dạng phức tạp.

3. Làm nguội trong lò: Trong phương pháp này, nhiệt độ của lò được điều khiển theo từng giai đoạn. Ví dụ, quá trình làm nguội có thể được chia thành hai giai đoạn: từ 900 đến 800 độ Celsius, vật liệu được làm nguội nhanh (với tốc độ khoảng 25 độ Celsius/giờ) để tránh sự phát triển của hạt; sau đó, vật liệu được làm nguội chậm hơn (với tốc độ khoảng 15 độ Celsius/giờ) đến nhiệt độ 100 độ Celsius trong không khí. Phương pháp này thường được sử dụng cho thép công cụ, thép hợp kim cao và thép đặc biệt có hình dạng phức tạp.

Các phương pháp làm nguội này được lựa chọn và điều chỉnh phù hợp với yêu cầu cụ thể của vật liệu và quá trình sản xuất để đảm bảo chất lượng và tính ổn định của sản phẩm kim loại. 

Bài trước: Kỹ thuật gia công biến dạng: Hiệu suất và ứng dụng trong Công nghệ chế tạo máy

Bài sau: Các phương pháp gia công biến dạng

Bạn có trao đổi gì về nội dung "Quá trình Nung nóng trong Gia công kim loại bằng áp lực" này không? Hãy để lại Comment trong phần Nhận xét cuối bài đăng nhé. Bài viết này thuộc chủ đề công bố trên Blog Yêu Cơ Khí #YCK2020 - Kênh chia sẻ kiến thức về Công nghệ Chế tạo máy.

 Bạn muốn tìm kiếm gì không?

Kỹ thuật gia công biến dạng: Hiệu suất và ứng dụng trong Công nghệ chế tạo máy

Kỹ thuật Gia công biến dạng trong Công nghệ Chế tạo máy 

1. Thực chất và đặc điểm của Gia công biến dạng

Thực chất của Gia công biến dạng

Gia công biến dạng là một phương pháp cơ bản trong việc chế tạo các chi tiết máy và các sản phẩm kim loại, thay thế cho phương pháp đúc hoặc gia công cắt gọt. Gia công biến dạng được thực hiện bằng cách áp dụng lực ngoại tác lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội, làm cho kim loại vượt qua giới hạn đàn hồi, từ đó thay đổi hình dạng của vật thể kim loại mà không làm suy giảm tính liên tục và độ bền của nó.

Đặc điểm của Gia công biến dạng

Gia công biến dạng kim loại trong trạng thái rắn không chỉ thay đổi hình dạng và kích thước mà còn thay đổi cấu trúc cơ, lý, và hoá tính của kim loại. Điều này bao gồm việc tăng tính mịn và chặt chẽ của kim loại, đồng nhất kích thước hạt, giảm khuyết tật (như rỗ khí, rỗ co, v.v...) gây ra bởi quá trình đúc, nâng cao tính cơ học và tuổi thọ của các chi tiết. Gia công biến dạng là quy trình sản xuất cao, cho phép thu được các chi tiết có kích thước chính xác, bề mặt tốt, lượng phế liệu thấp, và chúng có tính cơ học cao hơn so với các chi tiết đúc. Gia công biến dạng cũng đạt được năng suất cao nhờ khả năng cơ khí hoá và tự động hóa.

Công dụng của Gia công biến dạng

Sản phẩm của gia công biến dạng được sử dụng rộng rãi trong các xưởng cơ khí, chế tạo và sửa chữa các chi tiết máy, trong ngành xây dựng, kiến trúc, xây dựng cầu đường, sản xuất các sản phẩm hàng ngày, trong ngành chế tạo máy bay, ngành ô tô và ngành chế tạo máy điện.

2. Biến dạng dẻo của kim loại

Khái niệm về biến dạng của kim loại 

Dưới tác động của lực ngoại, kim loại có thể trải qua ba giai đoạn biến dạng liên tiếp:

1. Biến dạng đàn hồi: Đây là giai đoạn đầu tiên khi kim loại bị tác động lực ngoại. Trạng thái này xảy ra khi kim loại chịu lực và trở lại hình dạng ban đầu sau khi lực tác động được loại bỏ. Biến dạng đàn hồi phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của kim loại, được xác định bởi đồ thị căng đàn hồi (stress-strain curve) của nó.

2. Biến dạng dẻo: Nếu lực tác động tiếp tục được áp dụng sau khi kim loại trải qua biến dạng đàn hồi, kim loại sẽ tiếp tục biến dạng dẻo. Trong giai đoạn này, kim loại mất khả năng trở lại hình dạng ban đầu sau khi lực tác động được loại bỏ. Biến dạng dẻo xảy ra do việc di chuyển và tái sắp xếp các hạt kim loại trong cấu trúc tinh thể của nó. Kim loại trong giai đoạn này có khả năng chịu biến dạng mà không gây nứt, vỡ.

Biến dạng dẻo đơn tinh thể

3. Biến dạng chuyển pha : Khi lực tác động tiếp tục vượt qua giới hạn biến dạng dẻo, kim loại có thể trải qua biến dạng pha chuyển. Trong giai đoạn này, kim loại thay đổi cấu trúc tinh thể của mình và có thể hình thành các hạt mới hoặc tạo ra các đặc tính cơ học mới. Biến dạng pha chuyển thường đi kèm với sự gia tăng đáng kể về cứng, độ bền và độ cứng của kim loại.

Quá trình gia công biến dạng

Gia công biến dạng kim loại thường được thực hiện bằng các phương pháp sau:

- Lăn: Kim loại được đưa qua hai trục lăn song song, tạo ra áp lực lớn và biến dạng kim loại theo hình dạng của các khuôn mẫu trên các trục lăn.

- Ép: Kim loại được ép qua các khuôn mẫu hoặc khuôn ép để tạo ra biến dạng mong muốn.

- Kéo: Kim loại được kéo qua các khuôn mẫu hoặc khuôn kéo để biến dạng theo hình dạng mong muốn.

- Đúc: Kim loại được đun nóng và đổ vào khuôn để tạo ra hình dạng mong muốn.

- Cán nguội: Kim loại được đun nóng và sau đó làm nguội nhanh chóng để tạo ra biến dạng mong muốn.

Các phương pháp gia công biến dạng khác nhau được sử dụng tùy thuộc vào loại kim loại và ứng dụng cụ thể. Quá trình gia công biến dạng có thể cải thiện độ cứng, độ bền và tính hình dạng của kim loại, tạo ra các sản phẩm cuối cùng với các đặc tính cơ học mong muốn.

Ứng dụng của biến dạng kim loại

Biến dạng kim loại là quá trình quan trọng trong công nghiệp và chế tạo kim loại, với nhiều ứng dụng khác nhau. Dưới đây là một số ví dụ về các ứng dụng của biến dạng kim loại:

1. Sản xuất ô tô và hàng không: Biến dạng kim loại được sử dụng để tạo ra các bộ phận và cấu trúc trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không. Kim loại được biến dạng để tạo ra khung xe, động cơ, vỏ ngoài và các bộ phận khác của ô tô. Trong ngành hàng không, kim loại được biến dạng để tạo ra các cấu trúc như thân máy bay, cánh máy bay và các bộ phận khác.

2. Công nghiệp đúc: Biến dạng kim loại được sử dụng trong quá trình đúc để tạo ra các sản phẩm kim loại đúc. Kim loại được đun nóng và đổ vào khuôn để tạo ra các sản phẩm như đồ gia dụng, bộ phận công nghiệp, đồ trang sức và nhiều sản phẩm khác.

3. Sản xuất thiết bị điện tử: Biến dạng kim loại cũng được áp dụng trong việc sản xuất các thiết bị điện tử. Kim loại được biến dạng để tạo ra các bộ phận như mạch in, vi mạch, vỏ bảo vệ và các bộ phận khác của các thiết bị điện tử.

4. Công nghiệp xây dựng: Kim loại được biến dạng để tạo ra các cấu trúc và hệ thống trong ngành công nghiệp xây dựng. Các cột, khung và các bộ phận khác được biến dạng từ kim loại để xây dựng các công trình như nhà ở, tòa nhà, cầu và cấu trúc khác.

5. Sản xuất đồ trang sức: Biến dạng kim loại cũng được sử dụng trong sản xuất đồ trang sức. Kim loại được biến dạng để tạo ra các vòng cổ, nhẫn, bảng điều khiển và các loại trang sức khác.

6. Công nghiệp hàng hải: Biến dạng kim loại được sử dụng để xây dựng và bảo trì các tàu thủy. Kim loại được biến dạng để tạo ra các cấu trúc như thân tàu, cầu cảng, hệ thống đường ống và các bộ phận khác của tàu.

7. Ngành sản xuất thiết bị y tế: Trong ngành y tế, biến dạng kim loại được sử dụng để tạo ra các bộ phận và thiết bị y tế. Kim loại được biến dạng để sản xuất các dụng cụ y tế như dụng cụ phẫu thuật, ống nội soi, khung xương giả và các bộ phận khác.

8. Công nghiệp năng lượng: Biến dạng kim loại cũng có ứng dụng trong ngành công nghiệp năng lượng. Kim loại được biến dạng để tạo ra các bộ phận trong các thiết bị năng lượng như ống dẫn dầu, bình chứa nhiên liệu, ống dẫn nhiệt và các bộ phận khác của hệ thống năng lượng.

9. Ngành sản xuất thiết bị gia dụng: Biến dạng kim loại được sử dụng trong sản xuất các thiết bị gia dụng như tủ lạnh, máy giặt, máy lạnh và nhiều thiết bị khác. Kim loại được biến dạng để tạo ra khung, vỏ ngoài và các bộ phận khác của các thiết bị này.

10. Công nghiệp hàng rào và bảo vệ: Kim loại biến dạng được sử dụng trong việc xây dựng hàng rào và hệ thống

Trên đây là một số ứng dụng phổ biến của biến dạng kim loại. Thực tế, biến dạng kim loại có vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp và đóng góp vào sự phát triển và sản xuất của nhiều sản phẩm quan trọng.

3. Một số định luật cơ bản trong gia công biến dạng

 Định luật Hooke: Định luật này mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa lực tác động lên một vật liệu và biến dạng của vật liệu đó. Theo định luật Hooke, biến dạng của một vật liệu đàn hồi (tức là vật liệu có khả năng phục hồi hình dạng ban đầu sau khi áp lực được loại bỏ) là tỷ lệ thuận với lực tác động lên nó. Công thức toán học của định luật Hooke được biểu diễn như sau:

   F = k * ΔL

   Trong đó:

   - F là lực tác động lên vật liệu,

   - k là hệ số đàn hồi (độ cứng) của vật liệu,

   - ΔL là biến dạng của vật liệu.

2. Định luật Flory-Huggins: Định luật này áp dụng cho quá trình hòa tan của các polymer trong các hỗn hợp polymer. Định luật Flory-Huggins mô tả mối quan hệ giữa nồng độ polymer và nhiệt độ, áp suất, và các đặc tính khác của hệ thống. Định luật này cho phép dự đoán được độ pha rắn của hỗn hợp polymer dựa trên các thông số vật lý của các thành phần polymer và điều kiện môi trường.

3. Định luật von Mises: Định luật này áp dụng cho việc mô tả biến dạng và độ bền của kim loại trong quá trình gia công. Định luật von Mises cho rằng một vật liệu kim loại sẽ đạt đến giới hạn chịu đựng biến dạng khi nó đạt đến một giá trị cụ thể của một tham số gọi là cường độ von Mises. Định luật này giúp dự đoán được biến dạng và độ bền của kim loại trong quá trình gia công và thiết kế kết cấu.

4. Định luật Tresca: Định luật này cũng liên quan đến biến dạng và độ bền của kim loại trong quá trình gia công. Định luật Tresca khẳng định rằng một vật liệu kim loại sẽ đạt đến giới hạn chịu đựng biến dạng khi nó đạt đến một giá trị cụ thể của một tham số gọi là căng độ Tresca. Định luật này cũng giúp dự đoán biến dạng và độ bền của kim loại trong quá trình gia công và thiết kế kết cấu.

Những định luật này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và điều chỉnh quá trình gia công biến dạng của các vật liệu, đồng thời hỗ trợ trong việc thiết kế và sản xuất các sản phẩm kim loại và polymer với chất lượng và hiệu suất cao.

Hi vọng bài viết "Kỹ thuật gia công biến dạng: Hiệu suất và ứng dụng trong Công nghệ chế tạo máy" này, giúp bạn hiểu rõ hơn về Công nghệ gia công biến dạng trong chế tạo máy.

Đón đọc bài tiếp theo: Quá trình Nung nóng trong Gia công kim loại bằng áp lực

 Bạn muốn tìm kiếm gì không?