Công nghệ SPD cán kéo và ép kim loại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Khoa Công nghệ vật liệu Bộ môn kim loại hợp kim - - Tiểu luận môn Cán kéo ép kim loại Đề tài: Công nghệ SPD Nhóm sinh viên thực hiện: Cái Hữu Thùy Vy – V0904819 Dương Minh Trung – V0902963 Nguyễn Chí Trung – V0904723 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SPD Giới thiệu vật liệu siêu mịn: Vật liệu siêu mịn (Ultrafine-grained material - UFG) loại vật liệu đa tinh thể với hạt có kích thước nhỏ nằm khoảng 100nm–1000nm Nhờ vào kích thước hạt siêu mịn, đặc tính vật liệu UFG có biến đổi mang tính đột biến có ý nghĩa lớn việc nâng cao tính vật liệu Phương trình Hall-Petch mối liên hệ kích thước hạt độ bền vật liệu đa tinh thể sau: y Trong = o + kd-1/2 : ứng suất chảy vật liệu y o : số vật liệu hay ứng suất ban đầu, mô tả cản trở mạng tinh thể với chuyển động lệch k: số dẽo, thể vai trò biên hạt Theo phương trình trên, ứng suất chảy tăng với giảm bậc kích thước hạt Việc giảm kích thước hạt dẫn đến tăng độ bền kéo mà khơng làm giảm tính dai, khác với phương pháp hóa bền khác nhiệt luyện Hình 1: Sự thay đổi giới hạn bền uốn, mô đun Weibull, độ cứng, tốc độ mòn vào kích thước hạt WC-Co.[1],tr21 Tổng quan phương pháp SPD: Hiện có nhiều phương pháp để làm giảm kích thước hạt Theo kết nghiên cứu, trình biến dạng đặc biệt biến dạng nhiệt độ thấp làm giảm kích thước hạt (cán, rèn, đùn…) Tuy nhiên q trình biến dạng thơng thường tạo nên độ biến dạng 80 – 90%, ta tiếp tục cho gia tăng biến dạng gây vết rạn nứt tế vi bên vật liệu dẫn đến phá hủy vật liệu Mặt khác ta thực nhiều lần cán, kéo, ép… để gia tăng biến dạng kích thước tiết diện sản phẩm trở nên nhỏ không phù hợp để sử dụng chi tiết kết cấu Để khắc phục vấn đề trên, nhà khoa học Thế Giới nghiên cứu phương pháp làm nhỏ hạt Severe Plastic Deformation (SPD) Nhờ có đặc thù riêng q trình biến dạng điều kiện áp lực thủy tĩnh mà phương pháp SPD tạo nên độ biến dạng lên đến 800 – 900% mà không gây phá hủy vật liệu Và phương pháp SPD tạo nên lượng biến dạng cực lớn mà không làm thay đổi tiết diện sản phẩm Kích thước hạt vật liệu sau chế tạo phương pháp SPD thông thường nhỏ μm, tuỳ thuộc vào việc sử dụng kỹ thuật khác cho kích thước hạt khác Kim loại có hạt siêu mịn tạo phương pháp SPD thể độ bền cao, tới mức dùng kim loại có độ bền cực cao khả tương thích với mơi trường tốt Việc nghiên cứu vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn chế tạo kỹ thuật biến dạng dẽo mãnh liệt SPD phát triển với tốc độ ngày tăng Trọng tâm nghiên cứu tìm hiểu tính chất mẫu vật liệu dạng khối lớn kim loại hợp kim thông dụng Hướng sản xuất quy mô lớn phát triển, chậm hơn, cần quan tâm Ứng dụng vật liệu UFG sau tiến hành SPD: Mục đích phương pháp SPD tạo sản phẩm, chi tiết kim loại có khối lượng nhẹ, độ bền cao tương thích với môi trường So với phương pháp luyện kim bột, phương pháp SPD cho phép tạo vật liệu nano có độ cao ứng dụng cho qui mô công nghiệp Các loại bu lông làm từ hợp kim titan qua trình ECAP sử dụng rộng rãi công nghệ chế tạo ôtô máy bay Các loại đai ốc siêu nhỏ chế tạo từ thép cacbon UFG sau ECAP Một số hình ảnh sản phẩm sử dụng vật liệu UFG sau qua SPD: Hình 2: Bu lơng đai ốc độ bền cao hợp kim Ti[4],tr45 Hình 3: Hình dáng bên ngồi mặt cắt bu lơng siêu nhỏ làm từ thép cacbon UFG.[5],tr31 Hình 4: Bề ngồi chi tiết kiểu “Piston” sản xuất từ vật liệu nano Al1420.[6],tr7 Hình : Tấm implants làm từ vật liệu Ti nano.[4],tr23 Các phương pháp SPD: Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) định nghĩa trình tạo hình kim loại với mức độ biến dạng dẻo lớn đặt vào kim loại dạng khối để tạo kim loại có kích thước hạt siêu mịn Mục đích phương pháp SPD tạo chi tiết có độ bền nhẹ tương thích với mơi trường So với phương pháp luyện kim bột, phương pháp SPD cho phép tạo vật liệu nano có độ cao ứng dụng cho qui mô công nghiệp Trong phương pháp SPD, kim loại hợp kim biến dạng dẻo mãnh liệt nhiều kỹ thuật khác Các kỹ thuật thường dùng kỹ thuật ép qua kênh có tiết diện không đổi (ECAP); kỹ thuật xoắn áp lực cao (HPT); kỹ thuật cán dính tích lũy (ARB); kỹ thuật rèn đa chiều (MF); kỹ thuật kéo nén chu kì (CEC)… 4.1 Các kỹ thuật phương pháp SPD: a) Kỹ thuật ép kênh gấp khúc tiết diện không đổi (ECAP): Phương pháp ECAP biết đến lần vào năm 1977, phương pháp nghiên cứu nhà khoa học người Nga Segal ECAP kỹ thuật thích hợp cho phép tạo vật liệu nano để nâng cao tính cho kim loại giòn bền Titan có kích thước hạt siêu mịn phát triển quy mô công nghiệp Ưu điểm lớn kỹ thuật ECAP cho phép chế tạo mẫu với kích thước lớn, tính kinh tế cơng nghệ cao – dễ thực Trong phương pháp này, biến dạng tạo thành cách lặp lặp lại trình ép vật liệu kênh gấp khúc Vì tiết diện kênh không đổi nên tiết diện phôi ban đầu khơng thay đổi sản phẩm cuối có cấu trúc tương đối đồng khơng có tượng rỗ xốp Hình 6: Sơ đồ minh họa kỹ thuật ECAP.[3],tr15 Một số kỹ thuật ECAP thông thường sử dụng kỹ thuật đùn mặt Trong kỹ thuật đùn mặt, q trình gia cơng với biến dạng trượt túy lặp lại vật liệu, cường độ biến dạng dẻo lớn sinh bên vật liệu mà không làm thay đổi kích thước mặt cắt ngang phơi Những kỹ thuật có tên ECAE – đùn kênh gấp khúc có tiết diện khơng đổi ECAP Kỹ thuật ECAP sử dụng khn có thiết kế với hai thơng số hình học đặc trưng góc kênh góc lượn , góc kênh góc giao hai kênh góc lượn góc biểu thị phần cung nối hai rãnh giao kênh kép khuôn Độ biến dạng tương đương εN sau N lần ép xác định công thức: ε=  φ ψ   φ ψ  cot + + ψ cos ec   ÷  + ÷ 2 3    2  Trong ε tổng biến dạng, Ψ góc lượn ngồi kênh, Φ góc kênh Hình 7: Sơ đồ minh họa kỹ thuật ECAE.[3],tr55 Kỹ thuật ECAP tương tự kỹ thuật đùn mặt mẫu ép phía (từ xuống) qua kênh có tiết diện khơng đổi Kênh bị uốn cong qua góc 90 o, mẫu đưa vào kênh ép qua khuôn chày ép Trong kỹ thuật mẫu ép nhiều lần theo lộ trình khác Ở có bốn lộ trình kỹ thuật ECAP Trong lộ trình A, mẫu ép mà khơng xoay; lộ trình B A mẫu bị xoay 90o qua lại lần ép liên tiếp; lộ trình BC mẫu bị xoay 90o theo chiều kim đồng hồ sau lần ép; lộ trình C mẫu bị xoay 180o sau lần ép Hình 8: Các lộ trình ép ECAP.[4],tr22 Hiện phương pháp ECAP nhà khoa học giới nghiên cứu cải tiến thành nhiều dạng như: ECAD, ECAR, ECAE, I-ECAP… Dựa kỹ thuật ECAP thông thường, cải tiến nhằm đạt cấu trúc nano tốt nghiên cứu Cải tiến sử dụng áp suất ngược (back – pressure) khuôn ECAP để tạo biến dạng trượt lớn, ngăn hư hỏng phôi tăng lượng tổng biến dạng lên sau lần ép Với nguyên lý hoạt động kỹ thuật ECAP, người ta cải tiến cách giảm số lần lặp lại việc ép mẫu khuôn việc tăng số lần gấp khúc kênh khn (hình 1.5) Sử dụng kênh gấp khúc hai lần, biến dạng lần ép đạt gấp đôi suất kỹ thuật ECAP tăng lên Ép theo hai hướng khác với lượng chày ép sử dụng cho q trình lặp lại Trong trình này, tổng biến dạng tăng 2, lần sau lần ép Hình 9: Mơ tả sơ đồ kỹ thuật ECAP với áp suất ngược.[4],tr23 Hình 10: Sơ đồ mơ tả kỹ thuật ECAP với kênh gấp khúc lần.[4],tr26 Ngồi sử dụng khn xoay (rotary – die) để loại bỏ hạn chế kỹ thuật ECAP thông thường (như mẫu phải đẩy khỏi khuôn chèn lại sau giai đoạn) Khuôn bao gồm hai kênh với tiết diện, tâm chỗ giao sử dụng góc phù hợp Ở lần đầu tiên, mẫu đưa vào khuôn chày dập hình 11(a), sau ép mẫu hình 11(b), khuôn xoay 90 o, mẫu ép lại lần hình 11(c) Bằng cách sử dụng dụng cụ ECAP này, mẫu ép chày A với áp suất ngược từ chày B, tương tự việc sử dụng áp suất ngược Hình 11: Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật ECAP sử dụng khuôn xoay.[4],tr33 b) Kỹ thuật xoắn ép áp lực cao (HPT): Kỹ thuật HPT phát minh Valiev vào năm 1989, phương pháp này, đĩa mỏng bị ép khn kín áp suất cực cao, lực xoắn từ chày ép tác động vào ma sát tiếp xúc bề mặt chày đĩa Hình 12: Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật HPT.[4],tr45 Nguyên lý kỹ thuật HPT thể hình 12 Mẫu dùng để thử nghiệm có đường kính 10 mm, bề dày 0,8 mm kích thước hạt ban đầu khoảng 50 μm Dụng cụ gồm phần gồm đe đe làm thép dụng cụ có độ bền cao với bề mặt rãnh hình trụ (có đường kính 10 mm sâu 0,25 mm) nitrat hóa gia cơng cẩn thận trung tâm đe Mẫu đặt rãnh bôi trơn MoS2 Khi áp tải vào, mẫu thí nghiệm có thay đổi nhỏ chiều dày (khoảng 0,78 mm) Quá trình sản xuất kỹ thuật HPT tiến hành nhiệt độ phòng cách xoay đe với tốc độ vòng/phút so với đe trên, tải đặt vào 470 kN tương ứng với áp lực đưa vào P = 6,0 GPa Đối với hợp kim Al – Mg – Sc, vài mẫu bị biến dạng xoay lần mẫu khác biến dạng xoay lần theo hướng tiến phía trước lần xoay ngược chiều Đối với Cu nguyên chất, tất mẫu biến dạng xoay lần theo hướng Nhược điểm phương pháp mẫu ép dạng đĩa nhỏ khơng thích hợp sản xuất vật liệu lớn dạng khối Biến dạng xoắn tính theo cơng thức: ε= Trong y (r ) 2π r , y (r ) = n t r: khoảng cách từ trục mẫu n: tốc độ quay t: độ dầy mẫu Dựa kết nghiên cứu trước đây, nghiên cứu HPT trọng vào hai chủ đề đặc biệt ảnh hưởng hướng biến dạng xoắn đến hình thành cấu trúc micro tiềm sử dụng kỹ thuật HPT phương pháp SPD c) Kỹ thuật cán dính tích lũy (ARB): Kỹ thuật ARB Saito công phát minh vào năm 1998 Nguyên lý trình lặp lặp lại q trình cán dính truyền thống kim loại chồng lên Cụ thể ta đặt hai kim loại xử lý bề mặt lên nhau, sau qua q trình cán thơng thường hai dính chặt vào Tiếp theo kim loại cắt làm đôi theo chiều dài, đem xử lý bề mặt, đặt chồng lên cán tiếp lần Việc làm lặp lặp lại nhiều lần không giới hạn đat lượng biến dạng lớn Hình 13: Sơ cán dính tích [4],tr47 đồ ngun lý lũy ARB Biến dạng trình ARB sau n chu kỳ tính sau: ε= t ln(r ).r = − = − n t0 Trong to: bề dày ban đầu kim loại đặt lên t: bề dày kim loại sau cán dính r: độ giảm bề dày sau lần cán Mục đích nghiên cứu kỹ thuật ARB để tạo thép dạng khối có cấu trúc hạt siêu mịn Vì thép hầu hết vật liệu kết cấu đòi hỏi phải có hạt cực mịn để làm tăng độ bền thép, đồng thời giảm trọng lượng công trình xây dựng mà khơng cần phải thêm ngun tố hợp kim Đây ưu điểm giúp cho việc tái chế thép phế liệu tốt Ngoài kỹ thuật trên, nhà khoa học phát minh nhiều kỹ thuật khác như: Kỹ thuật gấp làm thẳng lập lại ε = ln [(r + t ) / (r + 0.5t )] Kỹ thuật rèn ép liên tục khn kín (CCDF) ε =2 ln ( H / W ) Kỹ thuật đùn nén liên tục (CEC) D ε = 4π ln  ÷ d Kỹ thuật rèn đa chiều (MDF)… 4.2 Tính chất vật liệu sau thực SPD: Kim loại sau thực trình SPD thường có cấu trúc hạt siêu mịn mà phương pháp xử lý nhiệt truyền thống đạt Và vậy, vật liệu kim loại SPD thể tính chất độc đáo tuyệt vời có độ bền cao so vật liệu truyền thống với kích thước hạt thơ, khả tương thích với mơi trường tốt Hình 14: Hình ảnh SEM bề mặt Al 7075 qua lần ép.[1],tr25 10 Hình 15: Hình ảnh SEM bề mặt Al 7075 qua lần ép.[1],tr26 Từ ảnh chụp vi cấu trúc TEM, nhà khoa học mong độ cứng độ bền kéo vật liệu kim loại với cấu trúc hạt siêu mịn cao Rất nhiều nghiên cứu khoa học tập trung vào độ bền độ dẻo nhiều loại vật liệu kim loại qua nhiều kỹ thuật SPD Vật liệu qua SPD nói chung có độ bền cao so với vật liệu truyền thống Độ bền vật liệu liên tục tăng bị biến dạng sau bão hòa Mặt khác, độ dẻo giảm mạnh biến dạng tương đối nhỏ, sau giữ nguyên giá trị hay giảm nhẹ biến dạng tăng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yonghao Zhao, Structures and Mechanical Properties of ECAP Processed 7075 A1 Alloy upon Natural Aging and T651 Treatment, Materials Science & Technology Division (2004) [2] Y.H Zhao, Microstructures & mechanic properties of UFG 7075 Al alloy processed by ECAP & their evolutions during annealing, Acta Materialia, 2004 11 [3] Dong Hyuk Shin, Grain elongation in a super plastic 7075 Al alloy, Scripta Materialia, 1999 [4] Terry C Lowe, Outlook for Manufacturing Materials by Severe Plastic Deformation, Materials Science Forum Vols 503-504 (2006) pp 355-362 [5] A Azushima, R Kopp, A Korhonen, D.Y Yang, F Micari, G.D Lahoti, P Groche, J Yanagimoto, N Tsuji, A Rosochowski, A Yanagida (2008), Severe plastic deformation (SPD) processes for metals, CIRP Annals - Manufacturing Technology 57 (2008) 716–735 [6] Phạm Quang, Phùng Trí Điểm, Nguyễn Thị Huyền, Nguyễn Thị Hồng Oanh, Đỗ Minh Nghiệp Yong Jin Kim, Mô số 3D trình biến dạng dẻo ép Titan kênh gấp khúc không đổi (ECAP), Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 11, HCMUT – 21-23/10/2009 [7] Saito Y, Tsuji N, Utsunomiya H, Sakai T, Hong RG (1998), Ultra-fine Grained Bulk Aluminum Produced by Accumulative Roll-bonding (ARB) Process, Scripta Materialia 39 (9):1221–1227 [8] Horita Z, Langdon TG, Microstructures and Microhardness of an Aluminum Alloy and Pure Copper After Processing by HPT, Materials Science and Engineering A 410–411 (2005) 422–425 [9] Chakkingal U, Suriadi AB, Thomson PF (1998), Microstructure Development During Equal Channel Angular Drawing of Al at Room Temperature, Scripta Materialia 39(6):677–684 [10] Yoon S.C, Phạm Quang, Die design for homogeneous plastic deformation during ECAP, Journal of Material Processing Technology 187–188 (2007) 46–50 12 ... nano.[4],tr23 Các phương pháp SPD: Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) định nghĩa trình tạo hình kim loại với mức độ biến dạng dẻo lớn đặt vào kim loại dạng khối để tạo kim loại có kích thước hạt... minh vào năm 1998 Nguyên lý trình lặp lặp lại q trình cán dính truyền thống kim loại chồng lên Cụ thể ta đặt hai kim loại xử lý bề mặt lên nhau, sau qua q trình cán thơng thường hai dính chặt vào... bề dày ban đầu kim loại đặt lên t: bề dày kim loại sau cán dính r: độ giảm bề dày sau lần cán Mục đích nghiên cứu kỹ thuật ARB để tạo thép dạng khối có cấu trúc hạt siêu mịn Vì thép hầu hết vật