Giáo trình - Công nghệ kim loại - chương 2 ppt

Nguyên nhân sinh ra nội lực: • Do lực tác dụng không đều; • Do sự nung nóng không đều; • Sự biến dạng giữa các bộ phận không đều; • Tổ chức kim loại bị thay đổi; • Do tác dụng của c

Chương 2 gia công kim loại bằng áp lực

2.1 Khái niệm về gia công kim loại bằng áp lực

GCKL bằng áp lực là phương pháp làm biến dạng phôi để tạo nên nhứng sản phẩm có hình dạng và kích thước theo yêu cầu

Sản phẩm của GCAL được dùng nhiều trong ngành chế tạo máy hoặc sửa chữa máy; trong các ngành điện, điện tử, tin học, xây dựng, kiến trúc, cầu đường và trong công nghiệp chế tạo hàng tiêu dùng

2.1.1 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 tính, lý tính, hoá tính của kim loại như kim loại mịn chặt hơn, hạt

đồng đều, khử các khuyết tật do đúc gây nên như rỗ khí, rỗ co v.v , nâng cao cơ tính

và tuổi bền của chi tiết v.v

Ví dụ : kim loại tạo thành thớ sau khi cán, kéo; kim loại mịn chặt hơn do lực ép

khi dập,

• GCAL có thể thực hiện ở trạng thái nguội đối với kim loại có tính dẻo cao như đồng (Cu), nhôm (Al), Để tăng tính dẻo người ta phải tiến hành nung nóng trước khi gia công đối với kim loại khó biến dạng, kim loại có độ bền cao Khi nung nóng có thể xảy ra hiện tượng ôxy hoá tạo nên lớp vảy sắt , làm hao phí kim loại, tăng ma sát trong thành khuôn; Có thể xảy ra hiện tượng mất các bon, hiện tượng cháy, nứt nẻ, hiện tượng quá nhiệt làm thay đổi tính chất của vật liệu Nên cần chọn chế độ nung : thời gian nung và khoảng thời gian nung hợp lý

• Khi gia công tinh thường người ta gia công nguội vì độ chính xác cao

• GCAL là một quá trình sản xuất cho phép ta nhận các chi tiết có kích thước chính xác, chất lượng bề mặt chi tiết tốt, lượng phế liệu thấp và chúng có tính cơ học cao

so với các vật đúc

• Gia công kim loại bằng áp lực cho năng suất cao vì có khả năng cơ khí hoá và tự

động hoá cao Như các máy chế tạo ren ốc vít, nút chai,

2.1.2 Các phương pháp gia công kim loại bằng áp lực

Gia công áp lực gồm có các phương pháp chính sau : Cán kim loại, kéo kim loại, ép kim loại, rèn tự do, Rèn khuôn ( hay còn gọi là dập thể tích, dập khối) và dập tấm

2.2- Khái niệm về biến dạng của kim loại

2.2.1 Ngoại lực và nội lực trong gia công áp lực

a Ngoại lực: Lực tác dụng chính , phản lực, lực quán tính , lực ma sát

Lực tác dụng chính: là lực tác dụng lên kim loại làm biến dạng nó thông qua dụng cụ

gia công: đầu búa, khuôn rèn,

• Nhiều lực tác dụng chính có thể quy về 1 lực tổng hợp

• Biến dạng của vật phụ thuộc vào: cường độ lực, phương chiều và điểm đặt của lực tác dụng

Phản lực (R): là lực luôn thẳng góc với mặt tựa và ngược chiều với lực tác dụng chính

Phản lực thường sinh ra trên bộ phận cố định của thiết bị và thẳng góc với mặt tựa của thiết bị Khi tính phản lực ta cần tính đến lực ma sát vì nó ảnh hưởng lớn đến quá trình biến dạng

Lực ma sát (Fms): ngược chiều với sự dịch chuyển trong kim loại và có trị số:

Fms = fR

f - Hệ số ma sát R - lực pháp tuyến;

P P

ba

Hình 2-2 a, Biến dạng toàn bộ b,Biến dạng một phần

Lực quán tính :

Là lực sinh ra do sự di động không đều của các chất điểm trong vật thể khi biến dạng (Hay nói cách khác là do biến dạng không đều và tốc độ biến dạng không đều)

Trị số của lực quán tính: F = m.a

m - khối lượng của vật chuyển động;

a - Gia tốc của chất điểm chuyển động Vì nghiên cứu về gia tốc chuyển động của các chất điểm rất phức tạp nên khi tính toán người ta đưa ra những hệ số bằng thực nghiệm để tính giá trị gần đúng của nó

Trọng lực : là lực hút của trái đất đối với mọi vật Lượng biến dạng của kim loại phụ

thuộc vào trọng lực

Khi búa đập từ trên xuống

Khi búa đập từ trên xuốngKhi búa đập từ dưới lên Vật cần gia công

Hình 2-3 Sự biến dạng của kim loại phụ thuộc vào trọng lực

b Nội lực:

• Nội lực là lực sinh ra bên trong vật thể trong khi gia công và tồn tại trong vật thể sau khi gia công Nội lực này cân bằng với nhau, nên nó chỉ gây ra 1 ứng suất bên trong vật thể

• Nếu ứng suất bên trong lớn hơn giới hạn bền thì vật có thể bị phá huỷ, nứt nẻ,

Nguyên nhân sinh ra nội lực:

• Do lực tác dụng không đều;

• Do sự nung nóng không đều;

• Sự biến dạng giữa các bộ phận không đều;

• Tổ chức kim loại bị thay đổi;

• Do tác dụng của các hiện tượng lý hoá;

Nội lực có khả năng làm giảm độ bền, làm ảnh hưởng đến khả năng làm việc của kết cấu cho nên sau khi gia công cần khử bỏ các nội lực Nội lực có thể khử bỏ hoặc giảm băng các phương pháp nhiệt luyện hoặc gia công cơ học

2.2.2 Khái niệm về các loại biến dạng

Trong quá trình gia công người ta lợi dụng biến dạng dẻo của kim loại để tạo ra những sản phẩm có hình dạng và kích thước theo yêu cầu Để xác định quy trình công nghệ gia công hợp lý và khoa học chúng ta cần biết cơ sở lý thuyết của quá trình biến dạng kim loại khi gia công

Sự tạo nên hình dáng của vật thể hay sản phẩm phụ thuộc vào mức

độ biến dạng của kim loại Trong gia công áp lực có ba loại biến dạng: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và biến dạng phá huỷ

a- Biến dạng đàn hồi : là biến dạng mà sau khi thôi tác dụng nó sẽ trở về trạng thái

ban đầu của vật thể

b- Biến dạng dẻo : là biến dạng mà sau khi khử bỏ lực tác dụng kim loại không trở về

hình dạng và trạng thái ban đầu của nó Khi ta tác dụng vào vật thể một lực, vật thể bị biến dạng Lượng biến dạng còn tồn tại sau khi ta khử bỏ tải trọng gọi là biến dạng dư Biến dạng dư xuất hiện khi ứng suất bên trong vật thể vượt quá giới hạn đàn hồi Quá trình biến dạng dư mà trong đó trên các phần của vật thể không có sự phá huỷ thô đại (nứt nẻ) gọi là quá trình biến dạng dẽo Trong biến dạng dẻo luôn tồn tại biến dạng đàn hồi, nên ta cần tính đến lượng biến dạng này khi thiết lập quy trình gia công cho hợp lý

c- Biến dạng phá huỷ : là biến dạng mà sau khi khử bỏ lực tác dụng trên bề mặt kim

loại tồn tại các vết nứt thô đại hay kim loại bị nứt, gẫy, phá huỷ

Gia công áp lực là phương pháp làm biến dạng dẻo vật liệu nhằm chế tạo sản phẩm hay tạo phôi cho gia công cơ khí, nâng cao cơ tính cho vật liệu, loại trừ khuyết tật

do đúc sinh ra, giảm lượng dư gia công cơ, nâng cao độ chính xác cho quá trình gia công cơ ( các loại thép tấm, thép đường ray, thép góc (V) thép tròn, ; đồng thời bằng phương pháp này ta cũng có thể chế tạo các loại chi tiết như : nút chai, nắp hộp, loong

đựng dầu mở, đựng nước hoa quả ,

Gia công kim loại bằng áp lực là quá trình lợi dụng giai đoạn biến dạng dẻo của kim loại nên ta chủ yếu tìm hiểu một số vấn đề liên quan đến quá trình biến dạng dẽo mà thôi

Kim loại là một đa tinh thể vì vậy để xét biến dạng dẽo của kim loại ta lần lượt xét biến dạng dẽo trong đơn tinh thể và sau đó là biến dạng trong đa tinh thể

d- Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể

Qua nhiều công trình nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy thực chất của biến dạng trong đơn tinh thể là sự trượt và song tinh

• Dưới tác dụng của lực P không thẳng góc với mặt phẳng trượt (mặt phảng tinh thể) lực P được phân ra hai thành phần:

+ Theo phương pháp tuyến

+ Theo phương tiếp tuyến;

P2

P1

Hình 2- 5 Sơ đồ nguyên lý gây nên sự trượt

• P1 thẳng góc với mặt trượt gây ra ứng suất pháp ( tải trọng kéo nén thuần tuý) và do

đó nó chỉ gây ra biến dạng đàn hồi

• Lực P2 nằm trên mặt trượt (ứng suất tiếp) là lực xê dịch gây nên sự trượt & là lực duy nhất gây nên biến dạng dư Dưới tác dụng của phân lực P2 các lớp nguyên tử sẽ trượt lên nhau

Theo hình thức trượt, một phần đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần còn lại theo một mặt phẳng nhất định, mặt phẳng này gọi là mặt trượt (c) Trên mặt trượt, các nguyên tử kim loại dịch chuyển tương đối với nhau một khoảng đúng bằng số nguyên lần thông số mạng, sau dịch chuyển các nguyên tử kim loại ở vị trí cân bằng mới, bởi vậy sau khi thôi tác dụng lực kim loại không trở về trạng thái ban đầu

Như vậy:

• Trượt là nguyên nhân cơ bản gây nên biến dạng dẽo ứng suất tiếp lớn nhất mà đạt

được sự trượt gọi là ứng suất tiếp tới hạn

• Những mặt phẳng của mạng tinh thể xảy ra sự trượt gọi là mặt trượt

• Sự trượt xảy ra một cách tuần tự từ mặt trượt này đến mặt trượt khác ( Mặt trượt sinh ra ở mặt nào có mật độ nguyên tử nhiều nhất vì ở đó khoảng cách giữa các nguyên tử nhỏ nhất

Song tinh

Theo hình thức song tinh, một phần tinh thể vừa trượt vừa quay đến một vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi là mặt song tinh (d) Các nguyên

tử kim loại trên mỗi mặt di chuyển một khoảng tỉ lệ với khoảng cách đến mặt song tinh

Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trượt là hình thức chủ yếu gây

ra biến dạng dẻo trong kim loại, các mặt trượt là các mặt phẳng có mật độ nguyên tử cao nhất Biến dạng dẻo do song tinh gây ra rất bé, nhưng khi có song tinh, trượt sẽ xẩy

ra thuận lợi hơn

e- Biến dạng trong đơn tinh thể

Biến dạng dẻo của đa tinh thể: kim loại và hợp kim là tập hợp của nhiều đơn tinh thể (hạt tinh thể), cấu trúc của chúng được gọi là cấu trúc đa tinh thể Trong đa tinh thể, biến dạng dẻo có hai dạng: biến dạng trong nội bộ hạt và biến dạng ở vùng tinh giới hạt Sự biến dạng trong nội bộ hạt do trượt và song tinh Đầu tiên sự trượt xẩy ra ở các hạt có mặt trượt tạo với hướng của ứng suất chính một góc bằng hoặc xấp xỉ 45o, sau đó mới đến các mặt khác Như vậy, biến dạng dẻo trong kim loại đa tinh thể xẩy ra không

đồng thời và không đồng đều Dưới tác dụng của ngoại lực, biên giới hạt của các tinh thể cũng bị biến dạng, khi đó các hạt trượt và quay tương đối với nhau Do sự trượt và quay của các hạt, trong các hạt lại xuất hiện các mặt trượt thuận lợi mới, giúp cho biến dạng trong kim loại tiếp tục phất triển

2.3 Các hiện tượng xảy ra khi biến dạng dẻo

2.3.1 Hiện tượng biến cứng

Trong quá trình biến dạng dẻo phát sinh ra các hiện tượng sau:

• Thay đổi hình dạng của đơn tinh thể của đơn tinh thể

• Hướng của đa tinh thể thay đổi từ vô hướng quay về trục tác dụng của lực tác dụng

do đó tinh thể bị kéo dài theo hướng đó từ vô hướng thànhcó hướng nhất định

• Gây nên ứng suất dư - do biến dạng không đều cùng lúc & biến

dạng trong nội bộ hạt tinh thể không đều Các ứng suất này có thể tồn tại và làm cho vật thể bị cong vênh, nứt sau khi biến dạng

2.3.2 Hiện tượng biến mềm

Là quá trình biến kim loại từ trạng thái mất cân bằng có thế năng tự do cao (do biến cứng) về trạng thái cân bằng (có thế năng bé) nhờ sự nung nóng , tạo điều kiện phục hồi liên kết do sự nát vụn trong kim loại Tuỳ theo nhiệt độ nung nóng quá trình biến mềm có thể chia thành 2 giai đoạn:

2.3.3 Giai đoạn phục hồi

Nhờ sự nung nóng đến nhiệt độ nhất định , các nguyên tử bắt đầu dao động và trở về vị trí cân bằng bền, phục hồi lại lý tính cơ tính và hoá tính như cũ Giai đoạn này không làm thay đổi hướng và hình dạng của đơn tinh thể cũng như không thể phục hồi sự phá hoại do sự biến dạng gây nên giữa các đơn tinh thể mà chỉ khử được ứng suất dư còn cấu trúc mạng tinh thể không có sự thay đổi

2.3.4 Giai đoạn kết tinh lại

là quá trình mà trong đó nhờ tác dụng của nhiệt độ, cấu trúc cảu mạng tinh thể

bị thay đổi , nảy nở và phát triển nhiều mầm mới

Đối với kim loại nguyên chất: Tk.t.l. >= 0,4 Tnc

Kết quả của quá trình kết tinh lại

• Khử ứng suất dư;

• Thay đổi hình dạng kích thước của hạt;

• Phá vở tính dị hướng của kim loại

• Làm đồng đều thành phần hoá học ( do khuyếch tán ) làm mất khe hở giữa các hạt, nâng cao tính chặt chẻ giữa các phần của kim loại

• Giảm khả năng chống biến dạng, tăng tính dẽo, thay đổi cơ, lý, hoá tính của kim loại

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo và biến dạng của kim loại

Tính dẻo của kim loại là khả năng biến dạng dẻo của kim loại dước tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ Tính dẻo của kim loại phụ thuộc vào hàng loạt nhân tố khác nhau: thành phần và tổ chức của kim loại, nhiệt độ, trạng thái ứng suất chính, ứng suất dư, ma sát ngoài, lực quán tính, tốc độ biến dạng

2.4.1 ảnh hưởng của thành phần và tổ chức kim loại

Các kim loại khác nhau có kiểu mạng tinh thể, lực liên kết giữa các nguyên tử khác nhau do đó tính dẻo của chúng cũng khác nhau, chẳng hạn đồng, nhôm dẻo hơn

thường kim loại sạch và hợp kim có cấu trúc một pha dẻo hơn hợp kim có cấu trúc nhiều pha Các tạp chất thường tập trung ở biên giới hạt, làm tăng xô lệch mạng cũng làm giảm tính dẻo của kim loại

2.4.2 ảnh hưởng của nhiệt độ

Tính dẻo của kim loại phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ, hầu hết kim loại khi tăng nhiệt độ, tính dẻo tăng Khi tăng nhiệt độ, dao động nhiệt của các nguyên tử tăng, đồng thời xô lệch mạng giảm, khả năng khuếch tán của các nguyên tử tăng làm cho tổ chức

đồng đều hơn Một số kim loại và hợp kim ở nhiệt độ thường tồn tại ở pha kém dẻo, khi

ở nhiệt độ cao chuyển biến thù hình thành pha có độ dẻo cao Khi ta nung thép từ 20ữ1000C thì độ dẻo tăng chậm nhưng từ 100ữ4000C độ dẻo giảm nhanh, độ giòn tăng (đối với thép hợp kim độ dẻo giảm đến 6000C), quá nhiệt độ này thì độ dẻo tăng nhanh

ở nhiệt độ rèn nếu hàm lượng cácbon trong thép càng cao thì sức chống biến dạng càng lớn

Hình 2- 6 ứng suất sinh ra sau khi biến dạng

Ví dụ sau khi biến dạng cong vật thể chịu ứng suất nén ở mặt trên và ứng suất kéo ở mặt dưới

2.4.4 ảnh hưởng của trạng thái ứng suất chính

Trạng thái ứng suất chính cũng ảnh hưởng đáng kể đến tính dẻo của kim loại Qua thực nghiệm người ta thấy rằng kim loại chịu ứng suất nén khối có tính dẻo cao hơn khi chịu ứng suất nén mặt, nén đường hoặc chịu ứng suất kéo ứng suất dư, ma sát ngoài làm thay đổi trạng thái ứng suất chính trong kim loại nên tính dẻo của kim loại cũng giảm

Giả sử trong vật hoàn toàn không có ứng suất tiếp thì vật thể chịu 3 ứng suất chính sau:

Hình 2-7 Biểu diễn các loại ứng suất khi biến dạng

- ứng suất đường: τmax= σ1/2; - ứng suất mặt: τmax= (σ1 - σ2)/2;

- ứng suất khối: τmax= (σmax - σmin)/2; Nếu σ1 = σ2 = σ3 thì τ = 0 không có biến dạng, ứng suất chính để kim loại biến dạng dẻo là giới hạn chảy σch

Hình 2-8 ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đến tính dẻo của kim loại

Tính dẻo tăng từ trạng thái kéo khối đến nén khối

do đó ứng suất trong khối kim loại sẽ lớn, hạt kim loại bị dòn và có thể bị nứt

Nếu lấy 2 khối kim loại như nhau cùng nung đến nhiệt độ nhất định rồi rèn trên máy búa và máy ép, ta thấy tốc độ biến dạng trên máy búa lớn hơn nhưng độ biến dạng tổng cộng trên máy ép lớn hơn

2.5 Một số định luật áp dụng trong gia công áp lực

2.5.1 Định luật biến dạng đàn hồi tồn tại khi biến dạng dẻo

Khi biến dạng dẻo của kim loại xảy ra đồng thời đã có biến dạng đàn hồi tồn tại Quan hệ giữa chúng qua định luật Hooke Khi biến dạng kích thước của kim loại so với kích thước sau khi thôi tác dụng khác nhau

Biến dạng đàn hồi

Biến dạng dẻo

Hình 2- 9 Hình dáng chi tiết trước và sau khi biến dạng

2.5.2 Định luật ứng suất dư

Trong quá trình biến dạng dẻo kim lọai vì ảnh hưởng của các nhân tố như: nhiệt

độ không đều, tổ chức kim loại không đều, lực biến dạng phân bố không đều, ma sát ngoài v.v đều làm cho kim loại sinh ra ứng suất dư

" Bên trong bất cứ kim loại biến dạng dẻo nào cũng đều sinh ra ứng suất dư cân bằng với nhau "

Sau khi thôi lực tác dụng, ứng suất dư vẫn còn tồn tại Khi phân tích trạng thái ứng suất chính cần phải tính đến ứng suất dư

b/ ứng suất kéo nằm ở phía trên thanh, ứng suất nén nằm phía dưới thanh;

c/ ứng suất kéo nằm ở phía dưới thanh , ứng suất nén nằm phía trên thanh

(Nội lực làm giảm khả năng chịu lực của thanh)

L l

δ1+ δ2+ δ3 = 0 víi: δ1, δ2, δ3 - biÕn d¹ng th¼ng hoÆc øng biÕn chÝnh

2 1

3 11

VÝ dô: Khi vuèt, b−íc vuèt ph¶i nhá h¬n chiÒu réng ph«i

H×nh 2- 11 H×nh d¸ng cña ph«i sau khi chån

2.6 Nung nóng kim loại khi gia công áp lực

Khi gia công áp lực có thể phải nung nóng Nung nóng kim loại trước khi GCAL nhằm nâng cao tính dẻo và giảm khả năng chống biến dạng của chúng, tạo điều kiện thuận tiện cho quá trình biến dạng Nung nóng kim loại là một trong những khâu quan trọng ảnh hưởng đến tính kinh tế kỹ thuật của sản xuất Chọn chế độ nung hợp lý sẽ làm tăng cao chất lượng sản phẩm, giảm hao phí kim loại, giảm sức lao động, giảm hao mòn thiết bị và giảm giá thành sản phẩm, nâng cao năng suất lao động

2.6.1 Những hiện tượng xảy ra khi nung

Thay đổi độ dẻo

Khi nung đến nhiệt độ rèn , độ dẻo tăng , độ cứng và độ bền giảm Đối với thép các bon và thép hợp kim thấp :

• Từ 20 -100oC - độ dẽo tăng chậm;

• Từ 200-600 oC độ dẻo giảm dần;

• ở nhiệt độ 500 - 550 o

C thép bị dòn;

• Khi T > 600oC độ dẻo tăng nhanh;

Thay đổi độ dẫn nhiệt

• Thép các bon : độ dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng tới 800-850 oC

• Thép hợp kim ( tuỳ theo thành phần các nguyên tố) Thép chứa nhiều Cr, Ni có

độ dẫn nhiết tăng dần khi nhiệt độ tăng

• Kim loại có độ dẫn nhiệt càng lớn thì thời gian nung càng ít

Hiện tượng ôxyhoá

Kim loại khi nung trong lò, do tiếp xúc với không khí, khí lò nên bề mặt nó dễ bị

ôxyhoá và tạo nên lớp vảy sắt Sự mất mát kim loại đến 4 ữ 6%, còn làm hao mòn thiết

bị, giảm chất lượng chi tiết v.v

Quá trình ôxy hoá 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 để tạo thành

3 lớp vảy sắt: FeO - Fe3O4 - Fe2O3 Nhiệt độ nung trên 5700c lớp vảy sắt tăng mạnh và trên 10000C lớp vảy sắt dày đặc phủ kín mặt ngoài vật nung, nhiệt độ tiếp tục tăng lớp

ôxyt này bị cháy, đồng thời tạo nên lớp ôxyt mới Ôxy hoá có thể do ôxy của không khí hoặc do oxy có trong khí CO2, trong hơi nước H2O

Fe2O3

Fe3O4

FeO

Kim loại cơ bản (thép)

Hình 2- 12 Sơ đồ cấu tạo lớp vảy sắt

Nếu nhiệt độ tăng thì lớp oxit trên bị cháy và hình thành lớp ôxit mới

2 Fe + O2 = 2FeO

6 FeO + O2 = 2 Fe3O4

4 Fe3O4 + O2 = 6 Fe2O3;

Lớp bên ngoài rất mỏng Fe2O3 chiếm khoảng 2 % toàn bộ chiều dày; Lớp Fe3O4chiếm khoảng 18%

Hiện tượng mất cácbon

Hiện tượng mất cácbon trên bề mặt của vật nung sẽ làm thay đổi cơ tính của chi tiết, có khi tạo nên cong vênh, nứt nẻ khi tôi Quá trình mất các bon là do các chất khí

O2, CO2, H2O, H2 tác dụng với cácbít sắt Fe3C của thép:

2Fe3C + O2 = 6Fe + 2CO ặ 2CO +O2ặ2CO2;

Fe3C + CO2 = 3Fe + 2CO ặ -/-

Fe3C + H2O = 3Fe + CO + H2 ặ -/-

Fe3C + 2H2 = 3Fe + CH4 ặ -/- Tác dụng mạnh nhất là H2O rồi đến CO2, O2, H2

Để giảm sự mất C có thể dùng chất sơn phủ lên bề mặt vật nung

Hiện tượng quá nhiệt

Khi nung thép quá nhiệt độ tới hạn (T > Tđ - 150) oC và giữ lâu thì kích thước hạt

ôstenit càng lớn, làm cho tính dẻo của kim loại giảm nhiều, có thể tạo nên nứt nẻ khi gia công hoặc giảm tính dẻo của chi tiết sau này

• Đối với thép cacbon nhiệt độ quá nhiệt dưới đường đặc khoảng 1500 trở lên

• Thép các bon kết cấu (%C <0,4%) Nhiệt độ quá nhiệt khoảng 1300 oC;

Tinh giới hạt kim loại

Hình 2- 13 Tinh giới hạt bị oxy hoá và phá huỷ Nhiệt độ cháy của một số thép như sau :

Y12, Y13 (TCVN - CD120, CD 130) nhiệt độ cháy là 1200 oC

Sau khi bị cháy thì kim loại phải vứt đi hoặc cắt bỏ phần bị cháy

Nứt nẻ:

Hiện tượng nứt nẻ xuất hiện bên ngoài hoặc bên trong kim loại

Nguyên nhân: Do ứng suất nhiệt sinh ra vì sự nung không đều, tốc độ nung

không hợp lý v.v ứng suất nhiệt này cùng với ứng suất dư sẵn có của phôi (cán, đúc) khi vượt qua giới hạn bền của kim loại sẽ gây ra nứt nẻ

2.6.2 Chế độ nung kim loại

Yêu cầu đối với chế độ nung là phải thoả mản các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế

Đạt tính dẻo cao, không có khuyết tật và chi phí ít

Chọn khoảng nhiệt độ nung:

Yêu cầu:

• Đảm bảo kim loại dẻo nhất Kim loại biến dạng tốt và hao phí ít nhất

• Chất lượng vật nung phải được bảo đảm

Đối với thép cácbon dựa trên giản đồ Fe-C để chọn khoảng nhiệt độ nung khi GCAL

Hình 2- 14 Sơ đồ chọn khoảng nhiệt độ gia công đối với thép các bon

Thời gian nung phụ thuộc vào hình dạng , kích thước, độ phức tạp của phôi, các tính chất của vật liệu, phương pháp nung, phương pháp xếp phôi liệu vào lò ,

Chế độ nung hợp lý cần đảm bảo nung kim loại đến nhiệt độ cần thiết trong một

thời gian cho phép nhỏ nhất Nhiệt độ phải phân bố đều trên toàn bộ tiết diện phôi Căn

cứ vào giản đồ trạng thái sắt các bon ( ứng dụng cho thép các bon )

Ví dụ : Đối với thép các bon (Thép trước cùng tích %C < 0,8%):

Nhiệt độ bắt đầu gia công TbđGC = Tđặc - ( 150 200 ) oC

Nhiệt độ kết thúc gia công Tktgc = TAr3 + ( 20 40 )oC

Đối với thép sau cùng tích

Sở dĩ phải kết thúc dưới đường Acm và trên Ac1 vì:

• Nếu trên Acm thì mặc dù kim loại ở trạng thái 1 pha có tính dẻo cao , nhưng khi nguội sẽ tiết ra xêmentít (Fe3C) ở dạng lưới làm giảm tính dẻo

• Nếu kết thúc dưới Acm thì lúc gia công xêmentít bị vở vụn ra khi gia công ở dạng hạt nên vật gia công vẫn có độ bền và độ dẻo cao

Đối với thép trước cùng tích:

• Nếu kết thúc gia công dưới đường Ac3 thì mặc dù kim loại ở trạng thái 2 pha nhưng pha fe rít có độ dẻo cao nên vẫn gia công được không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

ứng với mỗi kim loại và hợp kim có một khoảng nhiệt độ nung xác định Chúng

ta có thể tham khảo trong các sổ tay về rèn dập hay gia công áp lực

Thời gian nung

Thời gian nung cần phải chọn hợp lý để đảm bảo:

• Yêu cầu kỹ thuật: Nhiệt độ phân bố đều, chất lượng vật nung đảm bảo tốt không nứt

nẻ, không bị biến dạng cong vênh, không có khuyết tật,

• Yêu cầu kinh tế: nung chi tiết nhanh, không hao phí nhiều kim loại, năng suất cao,

giảm lượng nhiên liệu

Thời gian nung phụ thuộc:

1 Tính chất của kim loại (Tính dẫn nhiệt, tính dẫn nhiệt cao thì thời gian nung càng nhanh;

2 Kích thước của vật nung: Kích thước lớn ( tiết diện ngang lớn ) thì thời gian nung lớn; nhưng bề mặt lớn thì thời gian nung cần càng nhỏ

3 Trạng thái bề mặt; Hình dạng của phôi càng phức tạp thì thời gian nung càng lớn;

4 Nhiệt độ của lò: Nhiệt độ lò càng cao thì thời gian nung càng nhỏ Hiệu số giữa nhiệt độ bề mặt và của tâm kim loại càng lớn thì thời gian nung càng nhỏ

5 Phương pháp xếp phôi;

Thời gian nung có thể tính theo công thức thực nghiệm:

Khi nung trong lò buồng :

t NUNG =α β .K D3/2

t - Thời gian nung tính bằng giờ (h)

α - hệ số xếp phôi; β- Hệ số độ dài tương đối;

D - Đường kính hay cạnh ngắn của tiết diện phôi (m)

Hệ số xếp phôi

2.6.3 Các phương pháp nung phôi liệu khi gia công áp lực : Nung trong các thiết bị

đơn giản như lò rèn thủ công, lò phản xạ, lò buồng đốt than, lò điện,

Các phương pháp nung phôi liệu khi gia công áp lực : Nung trong các thiết bị

đơn giản như lò rèn thủ công, lò phản xạ, lò buồng đốt than, lò điện,

Lò rèn thủ công

a Lò rèn thủ công có kết cấu đơn giản nhưng nung nóng không đều, cháy hao

lớn, khó khống chế nhiệt độ, năng suất và hiệu suất nhiệt thấp, chủ yếu dùng trong các phân xưởng nhỏ

5

43

67

2

1

Hình 2-16 Sơ đồ nguyên lý lò rèn thủ công

1 - ống gió; 2- giá đỡ lò đốt; 3- lò đốt; 4- than trong lò nung;

5- Ghi lò; 6 - chụp lò; 7 ống khói

Không khí thổi theo cửa gió 1 theo ống dẫn qua ghi lò 5 để đốt cháy nhiên liệu 4 (than) trong buồng lò 3 (được cường lực nhờ vỏ lò bằng thép 2), bụi và khói theo nón 6 qua ống khói 7 ra ngoài Lò này đơn giản, rẻ tiền nhưng không khống chế được nhiệt độ, năng suất nung thấp, hao tốn kim loại nhiều, nhiệt độ vật nung không đều v.v chỉ dùng trong các phân xưởng sửa chữa để nung vật nhỏ

b Lò buồng (lò phản xạ)

Là lò có nhiệt độ khoảng không gian công tác của lò đồng nhất Lò buồng là một buồng kín, khống chế được nhiệt độ nung, có thể xếp nhiều phôi, sự hao phí kim loại ít, phôi không trực tiếp tiếp xúc với nhiên liệu Lò buồng thuộc loại lò hoạt động chu kỳ, có thể dùng nhiên liệu (than đá, khí đốt, dầu) hoặc điện trở Trên hình sau trình bày sơ đồ một lò buồng dùng nhiên liệu rắn

Kim loại chất vào lò và lấy ra bằng cửa công tác 7 Nhiên liệu rắn đặt trên ghi lò

2 sau khi đốt nhiệt lượng nung nóng buồng đốt và vật nung 8 Khí cháy sẽ theo kênh khói 9 và thoát qua ống khói 10 ra ngoài Sự điều chỉnh nhiệt độ bằng cách điều chỉnh lượng nhiên liệu và lượng gió

Ưu điểm của lò buồng: nhiệt độ nung khá đồng đều, kim loại không tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa nên cháy hao giảm, thao tác vận hành dễ Nhược điểm chủ yếu là

lò làm việc theo chu kỳ, tổn thất nhiệt do tích nhiệt cao Lò buồng thích hợp với các phân xưởng sản lượng tương đối lớn

2.7 Cán kim loại

2.7.1 Khái niệm chung về cán kim loại

a Khái niệm : Cán kim loại là quá trình biến dạng kim loại giữa hai trục cán có khe hở

nhỏ hơn chiều cao của phôi, kết quả làm cho phôi giảm chiều cao , chiều dài và chiều rộng tăng Hình dạng của sản phẩm do hình dạng của khe hở giữa hai trục cán quyết

định

Cán kim loại được sử dụng rộng rãi vì nó không chỉ làm thay đổi hình dạng của phôi mà còn nâng cao chất lượng phôi kim loại : Phá huỷ tổ chức kim loại đúc có nhiều khuyết tật, tổ chức dạng nhánh cây có nhiều rổ khí, tạo nên tổ chức mới có độ chắc, hạt nhỏ mịn chặt hơn, độ bền cao, khắc phục được các khuyết tật trong kim loại

b Sơ đồ quá trình cán kim loại

Hình 2-18 Sơ đồ nguyên lý cán kim loại

β

A

A’

B B’

Ho, H1 - chiều cao trước và sau khi cán

Bo, B1 - chiều rộng trước và sau khi cán

Lo, L1 - Chiều dài trước và sau khi cán

• Vùng ABB'A' - gọi là vùng biến dạng;

• Cung AB,A'B' tiếp xúc với trục cán gọi là cung ăn ( hay cung tiếp xúc)

• Góc α - gọi là góc ăn hay góc tiếp xúc;

o

=

Lượng ép tuyệt đối : ∆ H = Ho - H1 = D ( 1 - Cos α )

Lượng giãn dài tương đối : ∆ L = L1 - Lo

Lượng giãn rộng tuyệt đối : ∆ B = B1 - Bo

d Điều kiện cán vào

Khi kim loại tiếp xúc với trục cán tại hai điểm A A' mỗi phía của trục cán tác dụng lên vật cán 2 lực :

• Tăng hệ số ma sát bằng cách khoét rãnh, hàn vết lên trên trục cán, bôi các chất tăng

Như vậy quá trình cán có 3 giai đoạn :

• Giai đoạn trục cán bắt đầu cuốn phôi Giai đoạn này không ổn định, vì điều kiện biến dạng của phôi bị thay đổi liên tục

• Giai đoạn cán thành ( ổn định ) điều kiện biến dạng = const;

• Giai đoạn kết thúc cán khi phôi gần ra khỏi trục cán điều kiện biến dạng cũng thay

đổi

Để đơn giản hoá khi nghiên cứu quá trình cán người ta thừa nhận một số yếu tố liên quan đến quá trình trên như sau

• 2 trục cán là hình trụ, có đường kính bằng nhau;

• Hai trục quay cùng vận tốc góc, (cùng số vòng quay);

• Có trạng thái bề mặt như nhau (có nghĩa là có cùng hệ số ma sát);

• Không tính đến quá trình biến dạng đàn hồi của trục cán;

• Phôi có kích thước tiết diện ngang không thay đổi trên toàn bộ chiều dài

Loại hình đơn giản : dạng (a), gồm có thanh, thỏi tiết diện tròn, vuông, chữ

nhật, lục giác, bán nguyệt tiết diện vuông , chữ nhật, tròn, lục giác,

Loại hình phức tạp : dạng hình phức tạp (b) có tiết diện chữ V, U, I, T, Z

Hình 2-19 Một số loại sản phẩm cán

Loại tấm: Các sản phẩm dạng tấm được phân loại theo chiều dày của tấm thành:

• ống có mối hàn được chế tạo bằng cách cuốn tấm thành ống sau đó cán để hàn giáp

mối với nhau Loại này có đường kính ngoài đến 720 mm và chiều dày đến 14 mm

2.7.3 Các bộ phận chủ yếu của máy cán

Hình 2- 22 Hình dáng bên ngoài bộ truyền cho các trục cán

Phân loại máy cán :

Căn cứ theo số l−ợng trục cán & cách bố trí chúng

+ Máy cán 2 trục;

+ Máy cán 3 trục;

+ Máy cán 2 trục kép có công dụng nh− máy cán 3 trục;

+ Máy cán nhiều trục; 4, 6,12, 20,

Hình 2 - 23 Sơ đồ máy cán nhiều trục

+ M¸y c¸n 2 cÊp : + M¸y c¸n nhiÒu cÊp : + M¸y c¸n b¸n liªn tôc : + M¸y c¸n liªn tôc :

Hình 2-20 Sơ đồ nguyên lý máy cán bi thép Hình 2-26 Sơ đồ công nghệ bố trí trục cán

Hình 2-27 Sơ đồ nguyên lý bố trí các trục cán

Hình 2 - 28 Sơ đồ cấu tạo trục cán

Hình 2-29 Sơ đồ nguyên lý máy cán thép thỏi

Hình 2- 30 Sơ đồ nguyên lý máy cán thép định hình

2.8 Kéo kim loại

2.8.1 Thực chất, đặc điểm và công dụng

Thực chất: Kéo sợi là quá trình kéo phôi kim loại qua lổ khuôn làm cho tiết diện

ngang của phôi giảm và chiều dài tăng Hình dáng và kích thước của chi tiết do lổ khuôn kéo quyết định

Đặc điểm

• Kéo sợi có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội

• Có thể kéo hầu hết vật liệu kim loại màu, kim loại đen, chất dẻo,

• Có thể kéo các sản phẩm đặc hay rỗng

• Độ bóng, độ chính xác cao; cơ tính được nâng cao

• Nhược điểm : Khuôn mau mòn và mòn không đều gây hư hỏng sản phẩm; sản phảm

dễ bị biến cứng nên khi kéo nhiều lần cần phải nhiệt luyện

Công dụng:

• Kéo sợi dùng để chế tạo các thỏi, ống, sợi bằng thép và kim loại màu

• Kéo sợi còn dùng gia công tinh bề mặt ngoài các ống cán có mối hàn và một số công việc khác

Sơ đồ nguyên lý kéo sợi

4

3 2

13

2

1

b)a)

Hình 2- 31 Sơ đồ nguyên lý kép kim loại

a/ Kéo sợi; b/ Kéo ống 1- Phôi kim loại; 2/ Khuôn kéo; 3 Sản phẩm; 4 Nòng tạo ống

Khi kéo sợi, phôi (1) được kéo qua khuôn kéo (2) với lỗ hình có tiết diện nhỏ hơn tiết diện phôi kim loại và biên dạng theo yêu cầu, tạo thành sản phẩm (3) Đối với kéo ống, khuôn kéo (2) tạo hình mặt ngoài ống còn lỗ được sửa đúng đường kính nhờ

lõi (4) đặt ở trong phôi kéo

Các thông số chính khi kéo sợi :

1

k d

cot 1

( 1 ] [

+ +

Lực kéo : σ f gα

F

F F

2.8.3 Khuôn kéo sợi và thiết bị kéo sợi

Khuôn kéo sợi gồm khuôn (1) và đế khuôn (2), biến dạng lổ hình của khuôn gồm 4 phần: đoạn côn (I) là phần làm việc chính của khuôn có góc côn β = 24oữ360

(thường dùng nhất là 260), đoạn côn vào (II) có góc côn 90o là nơi để phôi vào và chứa chất bôi trơn, đoạn thẳng (III) có tác dụng định kính và đoạn côn thoát phôi (IV) có góc côn 600 để sợi ra dể dàng không bị xước

Vật liệu chế tạo khuôn

III IV

Hình 2 - 32 Sơ đồ cấu tạo khuôn ép

Chú ý : Khi kéo phải bôi trơn Vật liệu bôi trơn thường dùng là grafit, bột vôi, bột xà phòng và parafin

52

1

Hình 5- 33 Sơ đồ nguyên lý máy kéo sợi 1- Tang nhả; 2- Khuôn kéo; 3- tang quấn sản phẩm kéo

2.9.2 Đặc điểm

• Trạng thái ứng suất khi ép là nén khối nên có thể ép các vật liệu kém dẻo

• Chất lượng sản phẩm ép cao

• Nhược điểm là lực ép lớn, ma sát lớn, nhiệt độ cao nên khuôn mau mòn,; khó điền

đầy khi ép khuôn phức tạp; hao phí nhiều kim loại

• Yêu cầu vật liệu chế tạo khuôn kép phải bền, chịu mài mòn Thường sử dụng thép hợp kim có chứa W, V, Mo, Cr v.v hoặc hợp kim cứng

ép nghịch lực ép thấp hơn, lượng kim loại còn lại trong xi lanh ít hơn (6ữ8%), nhưng kết cấu ép phức tạp

Hệ số ép: à = S

S0 1 Trong đó S0, S1 là tiết diện phôi trước và sau khi ép

Thông thường à = 8ữ50