Mục đích chính của quá trình tạo hình bột kim loại là biến dạng tạo hình các hạt bột rời rạc thành bán sản phẩm, có một độ bền đủ đảm bảo giữ vững hình dạng trong thời gian vận chuyển và thiêu kết hoặc sản phẩm có kích th−ớc và hình dạng nhất định. Có nhiều ph−ơng pháp ép bột kim loại để tạo hình chi tiết. Tuỳ theo yêu cầu về hình dạng, kích th−ớc và các yêu cầu khác về cơ - lý tính của sản phẩm mà chúng ta lựa chọn ph−ơng pháp tạo hình thích hợp. Ph−ơng pháp biến dạng tạo hình đ−ợc sử dụng nhiều nhất và thích hợp với chi tiết nhỏ, hình dạng đơn giản là ph−ơng pháp ép một chiều hoặc ép hai chiều, nh−ng đơn giản và hiệu quả nhất là ép nguội một chiều trong khuôn kín kim loại rồi đem đi thiêu kết (hình 2.1). Trong tr−ờng hợp này dễ thiết kế và chế tạo khuôn ép, thiết bị ép cũng đơn giản, tuy nhiên, chất l−ợng vật ép từ bột không cao vì mật độ chi tiết đạt đ−ợc khi ép một chiều t−ơng đối thấp và không đồng đều so với lý thuyết, cũng nh− so với các ph−ơng pháp ép tiên tiến khác. Nh−ợc điểm cơ bản của ph−ơng pháp ép một chiều bột kim loại là chi tiết ép có hạn chế về kích th−ớc và hình dạng.
Trên hình 2.2 là mô hình ép vật liệu xốp nh− bột kim loại trong khuôn kín thông qua các đĩa cao su tròn với thể tích khoảng trống tới 60 ữ 70 % thể tích lòng khuôn ép của Zerling [25], còn trên hình 2.3 – biểu diễn ba giai đoạn khác nhau trong quá trình ép làm chặt vật liệu xốp. Trên hình 2.4 là đồ thị lý thuyết về sự biến đổi của mật độ vật ép trong quá tình ép ở ba giai đoạn nh− mô hình nói trên.
Theo quan điểm lý thuyết của một số nhà nghiên cứu khác trên thế giới trong các công trình [2, 3, 5, 6] thì nguyên lý cơ bản và mô hình biến dạng khi ép bột kim loại một chiều để tạo hình sản phẩm chi tiết máy luyện kim bột cho trên hình 2.1 ữ
2.4 Bản chất của quá trình ép trong khuôn kim loại là bột kim loại bị nén ép, thể tích vật thể bột kim loại ban đầu sẽ giảm đi một cách đáng kể. Sự thay đổi hình dạng ban đầu của vật thể bột đó khác với sự biến đổi hình dạng vật thể đặc trong quá trình
biến dạng dẻo, thể tích của nó không biến đổi trong quá trình ép. Thể tích vật thể bột kim loại trong quá trình ép bị biến đổi do sự chuyển dịch của các phần tử bột tới các khoảng trống và do biến dạng của chúng.
a) b)
Hình 2.1. Nguyên lý khuôn ép bột kim loại: 1- Chày ép trên;
2- Khuôn ép; 3- Bột ép; 4- Chày d−ới (đế khuôn)
Hình 2.2. Mô hình ép bột kim loại của Zerling:
a) – Trạng thái đổ bột tự do; b) – bắt đầu lèn chặt các lỗ hổng
a) b) c)
Hình 2.3. Mô hình các giai đoạn 1, 2, 3 kế tiếp nhau khi ép bột kim loại dẻo trong khuôn kín
Quỏ trỡnh biến dạng tạo hỡnh bột kim loại tiến hành theo 3 giai ủoạn như ủược mụ tả rất rừ trờn hỡnh 2.4:
Giai ủoạn 1: D−ới tác dụng của ngoại lực, các hạt kim loại chuyển động tự do, lấn chiếm dần các khoảng không gian trống theo quy luật trở kháng biến dạng nhỏ nhất, sau đó đ−ợc sắp xếp lại và lèn chặt, mật độ kim loại đạt đ−ợc giá trị cực đại khi áp lực ép t−ơng đối lớn (hình 2.4 a). Mối quan hệ giữa mật độ kim loại và lực ép hầu nh− mang tính tuyến tính.
Hỡnh 2.4. ðường cong lý tưởng lốn chặt của bột kim loại (sự phụ thuộc của mật ủộ vật ộp vào ỏp lực nộn ộp): a) - Giai ủoạn 1: bột kim loại ủiền ủầy vào cỏc lỗ hổng lớn; b) - Giai
ủoạn 2: quỏ trỡnh ộp ổn ủịnh khi bắt ủầu cú biến dạng dẻo cỏc hạt bột kim loại; c) – Giai
ủoạn 3: ỏp lực ộp lớn hơn giới hạn bền và bắt ủầu phỏ huỷ mẫu ộp
Từủồ thị trờn hỡnh 2.5a ta dễ nhận thấy hiện tượng lốn chặt tớch cực sẽ xảy ra
ở giai ủoạn ủầu tiờn của quỏ trỡnh, khi mà cỏc hạt ủược sắp xếp lại ủú trong khụng gian vật chất của vật thể là liờn tục. Cỏc hạt kim loại nằm trong trạng thỏi tương ủối thuận lợi hơn sẽ chuyển dịch tới cỏc hốc khớ gần mỡnh nhất mà khụng xảy ra hiện tượng ma sỏt trờn bề mặt tiếp xỳc của chỳng. Sự chuyển dịch của cỏc hạt kim loại cú trạng thỏi tương ủối ớt thuận lợi hơn sẽ bị hóm lại do lực ma sỏt tồn tại trờn bề mặt tiếp xỳc cỏc hạt và trờn bề mặt tiếp xỳc với thành khuụn. Khi kết thỳc giai ủoạn 1, vật thể ộp cú mật ủộ cực ủại. Hiện tượng lốn chặt trong giai ủoạn 1 cú liờn quan trực tiếp ủến sự phỏ huỷ mối liờn kết giữa cỏc hạt kim loại bột và hoàn toàn do sự chuyển dịch tự do của cỏc hạt kim loại.
Giai ủoạn 2: Sau khi bột kim loại ủiền ủầy cỏc hốc khớ, quỏ trỡnh biến dạng dẻo bắt ủầu xảy ra (hỡnh 2.5b). Ban ủầu quỏ trỡnh biến dạng dẻo giới hạn trờn vựng tiếp xỳc giữa cỏc hạt kim loại bột, sau ủú thẩm thấu sõu vào cỏc hạt. Trạng thỏi bề
mặt bột kim loại thay ủổi, bề mặt tiếp xỳc giữa cỏc hạt kim loại tăng lờn, lực hỳt hấp dẫn cơ học giữa cỏc hạt kim loại cũng tăng. Riờng trong quỏ trỡnh ộp cỏc vật liệu giũn, hiện tượng biến dạng dẻo xảy ra cựng với hiện tượng phỏ hủy bề mặt tiếp xỳc và ủập nhỏ mịn cỏc hạt kim loại.
a)
b) c)
Hỡnh 2.5. Sơ ủồ nguyờn lý ộp tạo hỡnh chi tiết mỏy bằng bột kim loại theo [5]:
b)
Hỡnh 2.6. Sơ ủồ ộp bột kim loại một chiều tạo hỡnh mẫu (a); Sơ ủồ biến dạng của cỏc lỗ xốp theo A.P. Kolikov (b) theo [6]
a) b)
Hỡnh 2.7.Mụ hỡnh mụ phỏng khi ộp bột ụxit nhụm Al2O3 theo [3]:
a) Phõn bốứng suất khi nộn ộp mẫu trụ; b) Cấu trỳc cỏc hạt Al2O3 trước khi ộp
Giai ủoạn 3: Khi cỏc hạt kim loại chịu ỏp lực lớn hơn giới hạn bền, quỏ trỡnh phỏ hủy sẽ xảy ra. Hiện tượng biến dạng của từng hạt kim loại sẽ bắt ủầu ngay từ khi ỏp lực cũn thấp, trong khi ủú, hiện tượng trượt của từng hạt kim loại tiếp tục ngay cả
khi tải trọng lớn. Chớnh vỡ vậy, cú thể núi, ưu thế của sự chuyển dịch cỏc hạt kim loại ở giai ủoạn ủầu tiờn và sự biến dạng của cỏc hạt kim loại ở giai ủoạn sau ủú.
Kim loại càng dẻo thỡ khả năng lốn chặt càng dễ xảy ra dưới ỏp lực càng thấp do biến dạng cỏc hạt kim loại. ðối với kim loại cú giới hạn chảy lớn, cỏc giai ủoạn trượt và biến dạng khú phõn biệt hơn.Trường ứng suất và cỏc ủường cong mật ủộ lý thuyết khi ộp bột một chiều ủể tạo hỡnh ủó ủược nhiều nhà nghiờn cứu và tổng kết trong nhiều cụng trỡnh khoa học của mỡnh, trong ủú cú cỏc nhà nghiờn cứu Xụ Viết trước ủõy ủược cho trờn cỏc hỡnh 2.6 ữ hỡnh 2.8b.