Kỹ thuật ép nóng trong khuôn (Hot pressing) đƣợc ứng dụng từ những năm 50 của thế kỷ trƣớc [42]. Trong công nghệ này, áo khuôn bằng graphit đƣợc gia nhiệt nhờ vào dòng điện cảm ứng hoặc các thanh điện cực cũng bằng graphit. Mẫu đƣợc ép và thiêu kết đồng thời ở nhiệt độ xác định trong môi trƣờng khí bảo vệ.
11Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị ép nóng trong khuôn (a) và thiết bị ép nóng trong khuôn tại Viện Khoa học Vật liệu (b)
Đối với kỹ thuật ép nóng trong khuôn thì việc chọn nhiệt độ ép nóng phù hợp là quan trọng nhất. Thông thƣờng nhiệt độ ép nóng đƣợc chọn trong khoảng (0,75 - 0,90)Tnc của cấu tử có nhiệt độ thấp nhất, ở nhiệt độ này vật liệu trở nên dẻo hơn. Việc giảm nhiệt độ ép nóng dẫn đến việc cần tăng áp suất ép và thời gian giữ đẳng nhiệt. Mặt khác cũng không nên chọn nhiệt độ ép nóng gần sát nhiệt độ nóng chảy, bởi vì nâng cao nhiệt độ ép nóng sẽ làm cho tốc độ "lèn chặt" vật liệu bị chậm lại. Ngoài ra nhiệt độ thiêu kết quá cao sẽ làm tăng quá trình tái kết tinh, gây thô hạt, ảnh hƣởng xấu tới tính chất của sản phẩm.
Một điều cũng rất quan trọng đó là việc chọn áp suất ép nóng. Trong vùng áp suất ép thấp, ở tất cả các dải nhiệt độ, mật độ phụ thuộc tuyến tính vào áp suất ép. Tốc độ tăng mật độ sẽ tăng khi nhiệt độ tăng. Tiếp tục tăng áp suất ép khi giữ đẳng nhiệt, xuất hiện điểm uốn trên đƣờng biểu diễn phụ thuộc áp lực - mật độ, sau đó tốc độ tăng mật độ sẽ giảm nhanh khi tăng áp suất ép nhƣng vẫn giữ đặc tính tuyến
Khối vật liệu cần ép Chày ép bằng grafit Khuôn ép bằng grafit Thanh nhiệt bằng grafit Tạo lực ép bằng thủy lực a) b)
24
tính. Vì vậy khi chọn áp suất ép tối ƣu ở một khoảng nhiệt độ nhất định, cần chọn áp suất nằm ngay sát cạnh điểm uốn. Chọn áp suất ép cao hơn, không làm tăng đáng kể mật độ sản phẩm mà có thể gây phá huỷ khuôn ép. Thời gian giữ đẳng nhiệt cần thiết để đạt đƣợc mật độ cao nhất của sản phẩm thƣờng nằm trong khoảng 1-5 phút. Song để quá trình thiêu kết xảy ra hoàn toàn và đồng nhất vật liệu, nhất là khi tiến hành đồng thời quá trình tổng hợp ép và thiêu kết hợp chất khó nóng chảy thì thời gian giữ đẳng nhiệt có thể tăng. Tăng kích thƣớc sản phẩm cũng cần tăng nhiệt độ thiêu kết và tăng thời gian giữ nhiệt. Việc xác định áp suất ép và thời gian giữ đẳng nhiệt chỉ có thể căn cứ vào kết quả thực nghiệm.
Phần lớn các liên kết khó nóng chảy rất nhạy cảm với "sốc nhiệt", vì vậy tốc độ làm nguội sau khi ép nóng cần nằm trong khoảng cho phép để không xảy ra nứt rạn sản phẩm. Cần phải làm nguội sản phẩm ép nóng xuống 10000C với tốc độ 100 độ/ phút sau đó mới có thể tăng tốc độ làm nguội. Sau ép nóng, sản phẩm từ vật liệu khó nóng chảy có chứa ứng suất do tốc độ làm nguội cao theo thiết diện khuôn ép, ngoài ra có thể xảy ra hiện tƣợng phân bố không đồng nhất các thành phần trong sản phẩm ép. Vì thế để đảm bảo độ đồng nhất về thành phần hoá học, cấu trúc và khử ứng suất trong sản phẩm, cần tiến hành ủ ở nhiệt độ (0,70- 0,75)Tnc trong vòng 2-3 giờ. Quá trình ủ đƣợc tiến hành trong lò Tamman có khí bảo vệ hoặc trong lò chân không với tốc độ làm nguội 10-20oC/phút. Sản phẩm nhận đƣợc thƣờng đƣợc phun cát để tách những mẩu grafít bám vào và chuyển sang giai đoạn tiếp theo là gia công cơ khí nhƣ mài, gia công tia lửa điện...
Trong quá trình ép nóng, xảy ra quá trình thiêu kết ở pha lỏng, kết quả là có khả năng các thành phần dễ chảy sẽ bị dồn nén vào lỗ xốp trong khuôn grafit và khe hở giữa chi tiết và thành khuôn ép, dẫn đến sự không đồng đều về thành phần trong toàn bộ thể tích sản phẩm, do đó có khả năng làm giảm độ bền của chi tiết. Thực tế việc tạo hình sản phẩm hợp kim cứng bằng phƣơng pháp ép nóng trong khuôn tại Trung tâm vật liệu đặc chủng -Viện công nghệ (Bộ quốc phòng) cho thấy độ rỗ xốp của sản phẩm không thấp hơn các sản phẩm ép nguội và thiêu kết thông thƣờng.
25
Điều đó có thể đƣợc giải thích là trong quá trình ép nóng, ở nhiệt độ cao trong thời gian ngắn có một số chất hóa hơi không kịp thoát ra ngoài đó tạo ra rỗ xốp.
Kỹ thuật ép nóng trong khuôn chỉ chế tạo đƣợc những chi tiết hình dạng tƣơng đối đơn giản và đơn chiếc. Bên cạnh đó, chi phí về khuôn grafit và năng lƣợng cho quá trình vận hành lớn, làm tăng giá thành của sản phẩm. Vì vậy, ép nóng trong khuôn không có hiệu quả trong ứng dụng công nghiệp.