Tại sao người ta phải ra công áp lực trên các khối kim loại dạng nóng độ

Tiếp nối từ phần 4 Vật liệu phi kim và Công nghệ đúc. Gia công áp lực là 1 nguyên công sau khi chọn vật liệu trong chế tạo sản phẩm hay 1 chi tiết cơ khí.

KHÁI NIỆM CHUNG

Thực chất, đặc điểm, phân loại và ứng dụng gia công áp lực

Thực chất

• Gia công kim loại bằng áp lực là một trong những phương pháp cơ bản để 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 kim loại bằng áp lực thực hiện bằng cách dùng ngoại lực tác dụng lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội làm cho kim loại đạt đến quá giới hạn đàn hồi, kết quả sẽ làm thay đổi hình dạng của vật thể kim loại mà không phá huỷ tính liên tục và độ bền của chúng.

Đặc điểm

• Kim loại gia công ở thể rắn, sau khi gia công không những thay đổi hình dáng, kích thước mà còn thay đổi cả cơ, lý, hoá tính của kim loại như kim loại mịn chặt hơn, hạt đồng đều, khử các khuyết tật (rỗ khí, rỗ co,…) do đúc gây nên, nâng cao cơ tính và tuổi bền của chi tiết…
• Gia công áp lực là một quá trình sản xuất cao, nó cho phép ta nhận các chi tiết có kích thước chính xác, mặt chi tiết tốt, lượng phế liệu thấp và chúng có tính cơ học cao so với các vật đúc.

Phân loại

1. Người ta phân làm 2 loại:
   • Nhóm 1: Thường đặt trong các xưởng nhiệt luyện kim: Cán, kéo sợi, ép.
   • Nhóm 2: Trong các nhà máy cơ khí: Rèn tự do, dập thể tích, dập tấm.

Sản phẩm của gia công áp lực được dùng nhiều trong các xưởng cơ khí; chế tạo hoặc sửa chữa chi tiết máy; trong các ngành xây dựng, kiến trúc, cầu đường, đồ dùng hàng ngày …

Ví dụ: Tính khối lượng chi tiết rèn, dập trong ngành chế tạo máy bay chiếm đến 90%, ngành ôtô chiếm 80%, ngành máy hơi nước chiếm 60%.

BIẾN DẠNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM KHI GIA CÔNG ÁP LỰC

Khi tác dụng ngoại lực vào kim loại thì kim loại bị biến dạng.

Biến dạng của kim loại bao gồm: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và biến dạng phá hủy.

Biến dạng đàn hồi

Khi tác dụng lực, kim loại bị biến dạng. Khi bỏ lực, kim loại trở lại trạng thái ban đầu. Biến dạng đàn hồi là biến dạng mà biến dạng tỉ lệ thuận với lực.

Đoạn OA: Biến dạng đàn hồi; Đoạn AC: Biến dạng dẻo; Đoạn CD: Biến dạng phá hủy.

Nguyên nhân của biến dạng đàn hồi: Do lực tác dụng tương hỗ của các nguyên tử.

Khi ta kéo, các nguyên tử xuất hiện lực hút đưa nó về trạng thái ban đầu.

Biến dạng dẻo

Biến dạng dẻo là biến dạng khi tác dụng lực thì kim loại bị biến dạng. Khi bỏ lực còn tồn tại một đoạn biến dạng dư.

Biến dạng dẻo gồm: Biến dạng của đơn tinh và biến dạng của đa tinh.

Biến dạng của đơn tinh

Đơn tinh là hạt kim loại có mạng tinh thể đồng nhất.

Biến dạng của đơn tinh xảy ra dưới 2 hình thức:

1. Sự trượt: Khi tác dụng lực vào kim loại. Bên trong các phần tử kim loại chịu 2 loại Ứng Suất:
   • Ứng Suất pháp tuyến,Ứng Suất này chỉ gây nên biến dạng đàn hồi hoặc phá hủy.
   • Ứng Suất tiếp tuyến: Làm cho các tinh thể kim loại trượt lên nhau.
   • Trượt là quá trình dưới tác dụng của Ứng Suất tiếp, các lớp kim loại có hiện tượng trượt lên nhau theo các mặt gọi là mặt trượt.
   • Đặc điểm của hiện tượng trượt:
     1. Hiện tượng trượt chỉ xảy ra khi Ứng Suất tiếp, giá trị tới hạn này phụ thuộc vào vật liệu, nhiệt độ, tốc độ biến dạng,…
     2. Sự trượt này chỉ xảy ra ở mặt nào có nhiều nguyên tử nhất và theo những hướng có nhiều nguyên tử nhất.
     3. Khi trượt các nguyên tử di động 1 số nguyên lần.
     4. Sự trượt xảy ra từ từ, lần lượt từ mạng này qua mạng khác.
2. Song tinh
   • Dưới tác dụng của Ứng Suất tiếp trong tinh thể có những bộ phận của mạng tinh thể vừa trượt vừa xoay tương đối với 1 mặt gọi là mặt song tinh. Trong đó các mặt tinh thể song song mặt song tinh xảy ra sự trượt tương đối với mặt song tinh. Những mặt thẳng góc với mặt song tinh thì quay quanh trục tương đối so với mặt song tinh.
   • Đặc điểm của hiện tượng song tinh:
     1. Song tinh chỉ xảy ra khi Ứng Suất tiếp vượt qua trị số tới hạn.
     2. Xảy ra do lực tác dụng đột ngột (va đập) tại nơi có Ứng Suất tập trung.
     3. Biến dạng dư của song tinh nhỏ.

Biến dạng của đa tinh

• Đa tinh gồm nhiều đơn tinh.
• Biến dạng của đa tinh gồm:
  • Biến dạng trong nội bộ đơn tinh: trượt và song tinh
  • Trượt và quay giữa các hạt: Thường xảy ra ở nhiệt độ cao vì khi đó vùng tinh giới chảy ra.
  • Biến dạng do các lý do khác:
    1. Sự vỡ nát của hạt.
    2. Biến dạng do những nguyên nhân lý hóa khác (đặt nó trong từ trường nó cũng biến dạng, dao động nhiệt, …).
• Trong gia công áp lực ta cần biến dạng dẻo: Nhanh chóng vượt qua miền biến dạng đàn hồi để sang miền biến dạng dẻo.

Biến dạng phá hủy

Nếu lực tác dụng vượt quá giới hạn ban đầu của kim loại thì đến lúc đó lực không cần tăng nữa, biến dạng vẫn tiếp diễn và dẫn đến phá hủy kim loại.

Ảnh hưởng của gia công kim loại đến tổ chức và tính chất của kim loại.

Gia công nóng và gia công nguội

1. Gia công nóng
   • Là gia công ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại (xấp xỉ 0,4 nhiệt độ chảy; thép là 727 độ C).
   • Đặc điểm:
     • Tính dẻo cao, kim loại dễ bị biến dạng, dễ tạo được các tổ chức thớ, không tốn lực và công biến dạng.
     • Tuy nhiên độ chính xác và độ bóng không cao, kim loại dễ bị oxi hóa và mất than (thoát các bon)
   • Gia công nóng thường dùng khi gia công thô.
2. Gia công nguội
   • Là gia công ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại.
   • Đặc điểm: kim loại có tính dẻo thấp, khó biến dạng, tốn lực và tốn công biến dạng, kim loại dễ bị biến cứng (mạng tinh thể vỡ nát ra). Nhưng độ chính xác, độ nhám và chất lượng bào mòn cao.
   • Dùng để gia công tinh.

Ảnh hưởng của gia công kim loại đến tổ chức và cơ tính

Gia công áp lực ảnh hưởng lớn đến tổ chức và cơ tính của kim loại.

Gia công áp lực làm cho độ mịn chặt kim loại tăng lên. Biến tổ chức hạt thành tổ chức thớ. Có khả năng tạo các thớ uốn, xoắn. Làm cho cơ tính tăng.

Chú ý: Vận dụng tính năng của tổ chức thớ, khi thiết kế chi tiết phải để lực kéo song song thớ, lực cắt thẳng góc với thớ. Tránh cắt đứt thớ khi gia công.

VD: Chế tạo bu lông chịu lực dùng các phương pháp:

1. Cắt gọt. Thớ bị cắt ngang. Làm việc chịu Ứng Suất dọc thớ. Bị đứt.
2. Rèn bằng cách vuốt phần thân. Các thớ (ở phần mũ bu lông) có xu hướng vuông góc với Ứng Suất tiếp. Khi xiết bu lông chịu lực tốt.
3. Chồn một đầu. Thớ ở phần mũ tốt nhất. Chịu lực tốt nhất.

Ảnh hưởng của gia công áp lực đến lý hóa tính

1. Lý tính: gia công áp lực làm thay đổi sự phân bố từ trường trong kim loại, giảm tính dẫn điện (tăng điện trở), giảm tính dẫn nhiệt, giảm tính dẫn từ.
2. Hóa tính: gia công áp lực làm tăng hoạt tính hóa học của các nguyên tử, kim loại dễ bị ăn mòn. Vì sau khi gia công áp lực mạng tinh giới bị vỡ, tăng hoạt tính (làm cho các chất khác dễ len lỏi vào mạng)

NUNG NÓNG KIM LOẠI

Mục đích

Nung nóng nhằm nâng cao tính dẻo của kim loại, giảm khả năng chống biến dạng tạo điều kiện cho quá trình gia công áp lực được dễ dàng nhằm nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm.

Các hiện tượng xảy ra khi nung, nguyên nhân và cách khắc phục

Quá nhiệt

Là hiện tượng xảy ra khi nung quá nhiệt độ cho phép dẫn đến tổ chức hạt nhiệt độ làm giảm tính dẻo và giảm độ bền của kim loại, nếu tiếp tục gia công áp lực, kim loại sẽ bị nứt. Khắc phục hiện tượng này được bằng cách đem ủ.

Cháy

Khi nung kim loại trên nhiệt độ quá nhiệt, phần tinh giới hạt bị ôxy hóa mãnh liệt làm mất tính liên tục của kim loại dẫn đến phá hỏng độ dẻo, độ bền của nó. Khi kim loại đã bị cháy thì không thể khắc phục được mà chỉ có thể đưa vào lò nấu lại.

Ôxy hóa

Trong quá trình nung bề mặt kim loại tiếp xúc với không khí nên bị ôxy hóa tạo nên lớp vẩy ôxyt kim loại làm hao tổn vật liệu, gây khó khăn cho quá trình gia công, giảm chất lượng sản phẩm và chóng mòn thiết bị. Để khắc phục hiện tượng này người ta cần xác định nhiệt độ và tốc độ nung thích hợp cho từng kim loại. Tốt nhất nung trong môi trường khí bảo vệ.

Thoát cacbon

Là hiện tượng làm giảm hàm lượng cacbon ở lớp bề mặt kim loại dẫn đến giảm độ bền của nó. Khắc phục hiện tượng này người ta tiến hành thấm than.

Nứt

Vết nứt bên ngoài hoặc bên trong vật rèn xuất hiện chủ yếu do nhiệt độ và tốc độ nung không hợp lý tạo nên ứng suất nhiệt trong vật nung vượt quá độ bền của nó. Đối với thép nứt thường xảy ra khi nhiệt độ nung dưới 800°C, vì ở nhiệt độ này thép có tính dẻo thấp, do đó ta cần hạn chế tốc độ nung ở nhiệt độ này.

Mỗi loại kim loại, hợp kim có khoảng nhiệt độ nung riêng, ở nhiệt độ đó kim loại có độ dẻo cao, trở lực chống biến dạng nhỏ nhất, gia công áp lực thuận lợi nhất. Ví dụ, giới hạn trên của nhiệt độ đốt nóng đối với hợp kim đồng là 750 đến 850°C và giới hạn dưới là 600 – 700°C, đối với hợp kim nhôm thì giới hạn trên là 470 – 500°C và giới hạn dưới là 350 – 400°C, còn đối với thép cacbon có lượng cacbon dưới 0,3% thì giới hạn trên là 1150 – 1250°C và giới hạn dưới là 800 – 850°C.

Chế độ nung

Thiết bị nung

Có nhiều loại lò để nung nóng kim loại trước khi gia công như:

• Lò điện: Dùng điện trở. Chỉ dùng trong điều chỉnh nhiệt độ chính xác.
• Lò phản xạ: Đốt bằng nhiên liệu rắn, lỏng, khí. Gồm 2 buồng: Buồng đốt + Buồng nung. Đặc điểm: nhiệt độ nung đều và kim loại ít bị cháy. Khống chế nhiệt độ nung khó.
  • Lò nung bằng chất khí.
  • Lò đốt bằng chất lỏng như mazut, dầu hỏa…
  • Lò nung bằng chất rắn như than củi, than đá…

Sau đây là phần tiếp theo Phần 6-2.

Qua bài viết trên phần nào sẽ giúp bạn đọc hiểu được các khái niệm và đặc điểm của gia công áp lực. Ngoài ra bạn đọc có thể tìm hiểu thêm qua các giáo trình tài liệu liên quan. ADP chúc các bạn thành công!

Một số tài liệu liên quan khác tại đây