TỔNG QUAN
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Hiện nay, nhu cầu cao về vật liệu bền vững trong kỹ thuật đã thúc đẩy nghiên cứu và phát triển các phương pháp gia tăng độ bền của kim loại Trong số đó, gia công bằng áp lực nổi bật như một giải pháp hiệu quả, giúp cải thiện tuổi thọ và độ bền của máy móc, thiết bị.
Gia công biến dạng là phương pháp cơ bản để chế tạo chi tiết máy và sản phẩm kim loại, thay thế cho đúc hoặc gia công cắt gọt Phương pháp này sử dụng áp lực tác động lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội, giúp kim loại vượt qua giới hạn đàn hồi và thay đổi hình dạng mà không làm phá hủy tính liên tục và độ bền của chúng.
Phương pháp gia công bằng áp lực đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp ô tô, hàng không và chế tạo chi tiết cơ khí, bao gồm các kỹ thuật như đúc, rèn, hàn và tiện Hơn 70% sản phẩm kim loại được sản xuất thông qua công nghệ gia công áp lực, đặc biệt là công nghệ cán, cho thấy tầm quan trọng của nó trong việc tạo hình kim loại.
So với phương pháp đúc, gia công bằng áp lực mang lại sản phẩm với độ bền cao hơn, cải thiện cơ tính vật liệu, độ chính xác và độ bóng bề mặt Phương pháp này cũng giúp tiết kiệm vật liệu nhờ gia công không phoi và nâng cao năng suất lao động thông qua việc ứng dụng máy móc, từ đó giảm giá thành sản phẩm Tuy nhiên, các phương pháp gia công áp lực như cán vẫn chưa tạo ra sản phẩm đạt độ bền và độ bóng bề mặt cao mà không ảnh hưởng đến độ dẻo, dai, đặc biệt với kim loại màu như vàng, bạc, đồng và nhôm Nhôm là vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô và máy bay, yêu cầu có cơ tính tốt, khối lượng nhẹ và độ bóng bề mặt cao Do đó, cần phát triển các phương pháp mới để sản xuất kim loại và hợp kim màu đạt được độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai, đồng thời cải thiện cấu trúc vật liệu.
1.1.2 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống
Hình 1.1: Sơ đồ các phương pháp gia công áp lực truyền thống
(Nguồn: Nguyễn Văn Thái, 2006, Võ Trần Khúc Nhã (biên dịch), 2007) (a) Cán
(c) Ép trực tiếp và gián tiếp
Sau khi trải qua các phương pháp gia công áp lực truyền thống, kim loại thường trở nên cứng hơn và bền hơn nhưng lại giảm độ dẻo và độ dai, dẫn đến tình trạng giòn Để khắc phục vấn đề này, nhiều nghiên cứu đang được tiến hành cả trên thế giới và tại Việt Nam nhằm phát triển công nghệ mới, cho phép tạo ra vật liệu có độ bền cao mà vẫn duy trì được độ dẻo và độ dai Công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) chính là giải pháp hứa hẹn cho vấn đề này.
1.1.3 Một vài phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Server Plastic Deformation – SPD)
Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) là những quy trình gia công kim loại với mức độ biến dạng dẻo lớn, nhằm tạo ra kim loại có cấu trúc hạt siêu mịn (UFG) với kích thước hạt trung bình nhỏ hơn 1 μm Mục tiêu của các phương pháp SPD là sản xuất các chi tiết kim loại có tính chất cơ học vượt trội, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong ngành công nghiệp chế tạo.
Các quá trình gia công SPD tạo ra vật liệu nhẹ hơn nhờ vào độ bền cao và tính thân thiện với môi trường Hạt có kích thước nhỏ giúp tăng cường độ bền kéo mà không làm giảm độ dai va đập của kim loại, khác với các phương pháp hóa bền như xử lý nhiệt SPD có thể được chia thành hai nhóm chính.
- Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp SPD cho quá trình gia công các kim loại khối không liên tục như:
Ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Chanel Angular Pressing - ECAP) được đưa ra đầu tiên bởi Segal (1977)
Kaveh Edalati cùng với Zenji Horita (2011) đề xuất phương pháp xoắn kim loại dưới áp lực cao (High-Pressure Torsion - HPT)
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất
Phương pháp ECAP và HPT là hai kỹ thuật gia công quan trọng trong nhóm phương pháp SPD, nhằm sản xuất vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn (UFG) Hai phương pháp này đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu trong những năm gần đây, như được nêu trong các nghiên cứu của Valiev et al (2000), Kim et al (2004) và P Quang et al (2009) Hình 1.2 minh họa nguyên lý gia công của hai phương pháp này.
Phương pháp ECAP (Equal Channel Angular Pressing) là kỹ thuật ép kim loại qua hai kênh có tiết diện mặt cắt không đổi, giao nhau với một góc ϕ Trong quá trình này, kim loại trải qua sự biến dạng mạnh mẽ do bị biến dạng cắt tại khu vực giao nhau của hai kênh, cụ thể là khu vực ABC với góc khuôn Ψ.
Đối với phương pháp HPT: kim loại bị nén với áp lực cao đến vài GPa và đồng thời bị biến dạng xoắn
Hai phương pháp này có khả năng tạo ra vật liệu với cấu trúc hạt siêu mịn, nhưng vẫn chưa thể áp dụng sản xuất quy mô lớn do năng suất thấp và kích cỡ phôi nhỏ.
Các phương pháp mới, đặc biệt là các phương pháp SPD thuộc nhóm thứ 2, đang được nghiên cứu để khắc phục nhược điểm hiện tại Những phương pháp này có tiềm năng lớn trong việc sản xuất các vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn với quy mô lớn.
- Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp SPD cho việc gia công liên tục trên kim loại tấm như là:
Cán dính tích luỹ (Accumulative Roll-Bonding - ARB) được nghiên cứu bởi
Y Saito, H Utsunomiya, N Tsuji và T Sakai (1998)
Quá trình lặp lại gấp nếp và nắn thẳng kim loại (Repetitive Corrugation and Straightening - RCS) được khám phá bởi Huang et al (2001)
Cán kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channnel Angular Rolling - ECAR) của Lee et al (2003)
Quá trình tương ứng ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Pressing-Conform, ECAP-Conform) của Raab et al (2004)
Cán kim loại với vận tốc hai trục cán khác nhau với tỉ lệ cao (High-Ratio Differential Speed Rolling- HRDSR) của Kim et al (2006)
Nghiên cứu gần đây về phương pháp cán kim loại đã giới thiệu quy trình Cán Vibration Dọc Trục (Through-Width Vibration Rolling Process - TWVR), được phát triển bởi Hsieh et al (2009, 2012) và các tác giả Phạm Huy Tuân, Trần Quốc Cường, Dung-An Wang (2013).
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai
(Nguồn: Saito et al., 1998; Huang et al., 2001; Lee et al., 2003; Raab et al., 2004;
Kim et al., 2006; Hsieh et al., 2009, 2012) (a) ARB
Nguyên lý gia công của các phương pháp trong nhóm hai, như thể hiện trong Hình 1.3, chủ yếu dựa vào sự kết hợp giữa các phương pháp cán truyền thống và phương pháp SPD Sự kết hợp này nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất quy mô lớn và tạo ra kim loại với cấu trúc hạt siêu mịn.
Khả năng ứng dụng của các phương pháp này trong quy mô công nghiệp còn hạn chế, chủ yếu do quy trình gia công phức tạp, kích thước phôi nhỏ và lượng biến dạng kim loại chưa đủ lớn.
Phương pháp HRDSR, được nghiên cứu bởi Kim và các cộng sự, đã chứng minh khả năng sản xuất các tấm kim loại với bề mặt lớn và cấu trúc hạt siêu mịn.
(2006) Nguyên lý của phương pháp này được thể hiện trong Hình 1.3e
Lý do chọn đề tài
Dựa trên cơ sở lý thuyết và nghiên cứu về phương pháp SPD, nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài nhằm tìm hiểu sâu hơn về phương pháp này và quy trình tạo hạt siêu mịn trong cấu trúc vi mô của vật liệu thông qua kỹ thuật cán.
Nhóm nghiên cứu đã kết hợp phương pháp cán cổ truyền với phương pháp TWVR để thử nghiệm chế tạo máy cán biến dạng mạnh SPD có dao động ngang.
Nhóm nghiên cứu sẽ chế tạo và vận hành thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang, đồng thời kiểm tra một số kết quả sau quá trình cán Đây sẽ là cơ sở cho các nhóm nghiên cứu tiếp theo tiếp tục tìm hiểu và phát triển công nghệ này.
Mục tiêu đề tài
- Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng biến dạng mạnh (SPD) có dao động ngang
Kiểm tra và so sánh sản phẩm sau khi cán cần chú ý đến các yếu tố quan trọng như chiều dài, sự thay đổi về bề rộng, độ bền kéo, hình dáng và kích thước tinh thể của vật liệu.
Nhiệm vụ của đề tài
- Tìm hiểu độ bền và các tiêu chuẩn hợp kim nhôm trên thế giới
- Nguyên lý và kết cấu máy cán
- Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống truyền động điện-điều khiển
- Gia công chế tạo thiết bị
- Vận hành thử nghiệm, ghi nhận thông số mẫu cán
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài
1.5.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy cán biến dạng mạnh kết hợp với dao động ngang với vật mẫu thí nghiệm khi cán là hợp kim nhôm kích thước: bề dày 5mm, bề rộng 20mm, chiều dài 150mm
Nhóm nghiên cứu đã chọn hợp kim nhôm dẻo phổ biến trên thị trường do điều kiện nghiên cứu và kinh tế Vật liệu sau khi cán sẽ được so sánh với mẫu ban đầu và mẫu cán ở các biên độ dao động khác nhau: 0mm, 1mm, 2mm, và 3mm Các mẫu thí nghiệm sẽ có độ dày lần lượt là 4.5mm, 4.0mm, 3.5mm, và 3.0mm tương ứng với từng biên độ dao động.
Tiến hành một số kiểm tra mẫu sau khi cán và ghi nhận số liệu
Bài viết này không đi sâu vào nghiên cứu lý thuyết về biến dạng dẻo, mà chỉ cập nhật những cơ sở lý thuyết cần thiết để phục vụ cho nghiên cứu và phát triển đề tài.
- Nêu được nguyên lý, cách thức vận hành máy
- Không xét đến thành phần hóa học của mẫu cán
- Chỉ thực hiện với lượng cán và biên độ dao động như trên
Tiến hành các thí nghiệm cơ bản để kiểm tra mẫu sau khi cán, bao gồm đo chiều dài, xác định độ thay đổi về bề rộng, đánh giá độ bền kéo, cũng như phân tích hình dáng và kích thước tinh thể của vật liệu.
Phương pháp nghiên cứu và kết quả dự kiến đạt được
- Tham khảo tài liệu, giáo trình liên quan đến máy cán
- Tìm hiểu độ bền và tiêu chuẩn các hợp kim nhôm trên thế giới
- Tham khảo các tài liệu nước ngoài về phương pháp SPD
- Xử lý số liệu thực nghiệm
- Nghiên cứu, chế tạo và vận hành thử nghiệm
- Cán các mẫu trên máy đã chế tạo
- Thu thập và ghi nhận số liệu khi thí nghiệm trên mẫu cán
- Có thể mở rộng đối tượng cán và thử nghiệm với vật liệu đồng
- Bản thuyết minh, bản vẽ lắp, bản vẽ chi tiết và bản vẽ phân rã
- Dữ liệu vận hành và thử nghiệm
- Đưa ra hướng phát triển, khắc phục lỗi trên sản phẩm và máy
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo
2.1.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo
Cấu trúc tinh thể là sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử trong tinh thể, tạo thành một mạng lưới không gian đồng đều và tuần hoàn Trong các chất rắn dạng tinh thể, sự sắp xếp này ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất vật liệu Tuy nhiên, không phải tất cả nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định, dẫn đến các sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng, với tỷ lệ chỉ khoảng 1-2% Những sai lệch này có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền và các tính chất cơ học của tinh thể, đặc biệt dưới tác dụng của ngoại lực Việc nghiên cứu các sai lệch mạng này là rất quan trọng, và chúng được phân loại theo kích thước ba chiều trong không gian thành các loại sai lệch điểm, đường, mặt và khối.
Sai lệch điểm là những sai lệch có kích thước nhỏ, tương đương kích thước nguyên tử, xuất hiện trong ba chiều không gian và bao quanh một điểm cụ thể Một số ví dụ điển hình về sai lệch điểm bao gồm nút trống, nguyên tử xen kẽ và nguyên tử tạp chất.
Hình 2.1: Sai lệch điểm trong mạng tinh thể
(Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000) a) Nút trống b) Nguyên tử xen kẻ c) Nguyên tử tạp chất
Sai lệch đường là loại sai lệch có kích thước nhỏ theo hai chiều và lớn theo chiều thứ ba trong tinh thể, hình thành dạng giống như một đường Đường này có thể là thẳng, cong hoặc xoắn ốc Các dạng sai lệch điển hình bao gồm lệch biên, lệch xoắn và lệch.
Ngày nay, nhiều vấn đề liên quan đến cơ tính và lý tính của kim loại cũng như hợp kim đã có thể được giải thích một cách rõ ràng, vượt qua những giới hạn của lý thuyết cổ điển.
Hình 2.2: Sai lệch đường trong mạng tinh thể
(Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000) a) Lệch biên b) Lệch xoắn c) Lệch hỗn hợp
Sai lệch mặt là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều và nhỏ theo chiều thứ ba, hình thành dạng của một mặt, có thể là phẳng, cong hoặc uốn lượn Trong tinh thể, sai lệch này chủ yếu xuất hiện ở biên giới hạt, biên giới siêu hạt, sai lệch xếp, mặt đối tinh và mặt ngoài tinh thể.
Hình 2.3: Sai lệch mặt trong mạng tinh thể
(Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000) a) Biên giới hạt b) Biên giới siêu hạt tạo nên do tường lệch b Ảnh hưởng của các hiện tượng xảy ra khi biến dạng dẻo
- Thay đổi đình dạng của đơn tinh thể
Hướng đa tinh thể chuyển từ trạng thái vô hướng sang tập trung theo trục tác dụng của các lực, dẫn đến việc tinh thể bị kéo dài từ dạng vô hướng thành dạng có hướng nhất định.
- Gây ứng suất dư do biến dạng không đều cùng lúc, biến dạng trong nội bộ hạt tinh thể không đều
Hiện tượng biến mềm: biến kim loại từ trạng thái mất cân bằng có thế năng tự do cao (do biến cứng) về trạng thái cân bằng
Hiện tượng hồi phục trong kim loại đã qua biến dạng dẻo xảy ra khi nhiệt độ thấp, dẫn đến các biến đổi nhỏ trong mạng tinh thể Quá trình này bao gồm việc giảm sai lệch mạng, giảm mật độ lệch và giảm ứng suất bên trong, giúp cải thiện tính chất cơ học của kim loại.
Hiện tượng kết tinh lại
Kết tinh lại lần thứ nhất là giai đoạn quan trọng nhất, diễn ra với các đột biến về cấu trúc mạng tinh thể, tổ chức tế vi và tính chất của kim loại Khi kim loại trải qua biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại, mạng tinh thể bị xô lệch và hình thành các hạt mới không có sai lệch do biến dạng dẻo Quá trình này diễn ra theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm giống như quá trình kết tinh.
Mầm là những khu vực không bị ảnh hưởng bởi biến dạng dẻo, thường xuất hiện ở những vùng chịu tác động mạnh nhất và có năng lượng dự trữ cao Tuy nhiên, do tính không ổn định, chúng dễ dàng trở về trạng thái cân bằng với ít sai lệch nhất.
Kim loại bị biến dạng dẻo mạnh sẽ dẫn đến sự hình thành nhiều mầm kết tinh, từ đó tạo ra số lượng hạt lớn hơn, tạo điều kiện cho sự xuất hiện của các hạt có kích thước nhỏ hơn.
Kết tinh lại lần thứ hai xảy ra khi nhiệt độ tiếp tục tăng hoặc thời gian giữ nhiệt kéo dài sau kết tinh lần thứ nhất, dẫn đến sự sát nhập của các hạt nhỏ hơn vào hạt lớn, làm hạt lớn to thêm Quá trình phát triển hạt này là tự nhiên, giúp giảm tổng biên giới hạt và năng lượng dự trữ, nhưng thường cần phải tránh để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Nhiệt độ kết tinh lại là mức nhiệt tối thiểu tại đó quá trình kết tinh diễn ra đáng kể, bao gồm việc tạo và phát triển mầm Quá trình này phụ thuộc vào sự dịch chuyển của nguyên tử, do đó nhiệt độ kết tinh lại liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ nóng chảy của vật liệu.
2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo
Kim loại có độ biến dạng dẻo mạnh sẽ hình thành hạt kết tinh nhỏ hơn, do sự xô lệch mạng mạnh tạo ra nhiều mầm kết tinh Do đó, để đạt được hạt nhỏ khi kết tinh, người ta thường liên kết quá trình biến dạng với lượng ép lớn, bên cạnh lý do về năng suất.
Biến dạng nhỏ với lượng ép từ 2% đến 8% chỉ tạo ra ít vũng xô lệch, dẫn đến việc hình thành ít mầm nhưng hạt lại rất lớn Độ biến dạng này được gọi là độ biến dạng tới hạn và thường cần phải tránh.
Nhiệt độ ủ và thời gian giữ nhiệt
- Nhiệt độ ủ: nhiệt độ ủ càng cao tốc độ tạo mầm và phát triển mầm đều tăng nhưng tốc độ phát triển tăng nhanh hơn nên hạt to hơn
- Thời gian giữ nhiệt: thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ ủ càng dài càng có điều kiện cho hạt phát triển nên hạt càng lớn
- Sau khi biến dạng nóng, nhiệt độ ngừng biến dạng càng cao thì hạt càng lớn
Nhận xét chung cho các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD)
Các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt nhằm tăng cường xô lệch mạng, từ đó tạo ra nhiều mầm tinh thể Kết quả là, sau quá trình kết tinh, hạt vật liệu trở nên mịn và nhỏ hơn.
Nguyên lý và kết cấu máy cán
2.2.1 Các bộ phận chính của máy cán
Cán thép hay cán nói chung là một trong những ngành gia công kim loại bằng áp lực hay còn gọi là phương pháp gia công không phoi
Hình 2.4: Sơ đồ động máy cán thép 2 trục
I Nguồn năng lượng: Động cơ điện
II Bộ phận truyền động: hộp giảm tốc, hộp truyền lực, trục khớp nối…
III Giá cán: Khung giá, trục cán, bệ máy, gối đỡ, bạc lót…
3 Trục khớp nối hoa mai
4 Trục khớp nối vạn năng
8 Thanh giằng khung giá cán
14 Răng chữ V trong hộp giảm tố Máy cán là một tổ hợp gồm 3 bộ phận chính [7]:
Giá cán là thiết bị quan trọng trong quá trình cán, bao gồm các thành phần như trục cán, gối đỡ, ổ đỡ trục, hệ thống nâng hạ và cân bằng trục, thân máy, hệ thống dẫn phôi, cùng cơ cấu lật trở phôi.
Hệ thống truyền động: là nơi truyền momen cho trục cán, bao gồm hộp giảm tốc, khớp nối, trục nối, bánh đà, hộp phân lực…
Nguồn năng lượng là yếu tố quyết định cho hoạt động của máy móc, thường sử dụng động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều, cũng như các máy phát điện để cung cấp năng lượng cần thiết.
Máy cán được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm công dụng, số lượng trục cán, phương pháp bố trí trục cán và vị trí của các trục này Trong đó, phân loại theo công dụng là một trong những cách quan trọng để hiểu rõ hơn về tính năng và ứng dụng của từng loại máy.
- Máy cán phá: dùng để cán phá từ thỏi thép đúc gồm có máy cán phôi thỏi Blumin và máy cán phôi tấm Slabin
- Máy cán phôi: đặt sau máy cán phá và cung cấp phôi cho máy cán hình và máy cán khác
- Máy cán hình cỡ lớn: gồm máy cán ray-dầm và máy cán hình cỡ lớn, có đường kính trục cán ≥500mm
- Máy cán hình cỡ trung: máy có đường kính trục cán tinh nằm trong khoảng
- Máy cán hình cỡ nhỏ: có đường kính trục cán từ 250mm đến