CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT NỀN KIM LOẠI
2.2. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
2.2.2. Tạo hình vật liệu compozit
Nhiệm vụ của quá trình ép tạo hình là tạo ra các chi tiết có hình thù và kích thước nhất định, đồng thời tạo cho vật ép có độ bền cần thiết để giữ được hình dáng trong khi xử lý các giai đoạn tiếp theo. Mặt khác, vật ép phải đạt được mật độ cần thiết để sau khi thiêu kết chúng có được những cơ, lý tính mong muốn. Độ xít chặt của vật ép đóng vai trị chủ yếu đối với các tính chất quan trọng của chúng đặc biệt là khi tiến hành thiêu kết ở pha rắn.
Bản chất của q trình ép là biến dạng thể tích bột xốp bằng cách nén dẫn tới làm giảm thể tích của bột và định hình vật ép có hình dáng và kích thước mong muốn.
Thể tích của bột khi ép ln luôn thay đổi do sự biến dạng của các hạt riêng biệt. Khi tăng áp lực ép bột không sắp xếp lại được nữa, bột sinh ra phản lực chống lại. Nếu tăng lực ép tiếp, hạt lại biến dạng (đầu tiên ở biên hạt tiếp xúc vài chỗ tiếp xúc với thành khn).
Nếu vật liệu giịn sự biến dạng làm phá vỡ các điểm tiếp xúc trên bề mặt hạt cứng nếu các hạt cứng sẽ làm bào mịn khn.
Tùy theo u cầu về hình dạng, kích thước và u cầu khác về cơ – lý tính của sản phẩm mà ta lựa chọn được phương pháp tạo hình. Phương pháp biến dạng tạo hình
được sử dụng nhiều nhất và thích hợp nhất với các chi tiết nhỏ, hình dạng đơn giản là ép một chiều hoặc hai chiều (hình 2.6), các chi tiết lớn hoặc hình dạng phức tạp – ép
Hình 2.6. Sơ đồ khuôn ép [25]
.1. Khuôn ép; 2. Chày ép trên; 3. chày ép dưới; 4. Vật liệu bột và compozit hạt
thủy tĩnh, chi tiết trụ rỗng hoặc thanh dày – ép chảy, chi tiết dạng băng, thanh – cán, chỉ tiết dạng thành mỏng – phun phủ...
Bản chất của quá trình ép trong khn kim loại là vật liệu bột và compozit hạt bị ép, thể tích tồn phần của vật liệu bột và compozit hạt ban đầu sẽ giảm đi một cách
đáng kể. Sự thay đổi hình dạng bạn đầu của vật thể vật liệu bột và compozit hạt khác với sự biến đổi hình dạng vật thể đặc trong quá trình biến dạng dẻo – thể tích của nó khơng biến đổi trong q trình ép.
Khi nạp vật liệu bột và compozit hạt vào khuôn ép, giữa các hạt vật liệu bột và compozit hạt có khoảng trống chiếm 60 – 70% thể tích lịng khn tùy theo hình dạng hạt vật liệu bột và compozit hạt và trạng thái bề mặt của nó.
Thể tích tồn phần vật liệu bột và compozit hạt trong quá trình ép bị biến đổi là do sự chuyển dịch của các vật liệu bột và compozit hạt tới các khoảng trống và do biến dạng của các vật liệu bột và compozit hạt. Quá trình biến dạng tạo hình vật liệu bột và compozit hạt tiến hành theo các giai đoạn như sau (hình 2.7 và 2.8).
Giai đoạn 1: dưới tác dụng của ngoại lực, các hạt vật liệu bột và compozit hạt
chuyển động tự do, chiếm dần các khoảng không gian trống theo quy luật trở kháng biến dạng nhỏ nhất, sau đó được xếp chặt lại và lèn chặt, mật độ vật liệu bột và compozit hạt đạt được giá trị cực đại khi ép lực tương đối lớn (hình 2.7a). Mối quan hệ giữa mật độ vật liệu bột và compozit hạt và lực áp hầu như mang tính tuyến tính. Từ đồ thị ta dễ nhận thấy hiện tượng lèn chặt tích cực sẽ xảy ra ở giai đoạn đầu tiên của quá trình, khi mà các vật liệu bột và compozit hạt được sắp xếp lại và bị biến dạng nhiều nhất dưới tác dụng của ngoại lực. Hiện tượng sắp xếp lại đó trong khơng gian vật chất của vật thể là liên tục, các hạt vật liệu bột và compozit hạt nằm trong trạng thái tương đối thuận lợi hơn sẽ dịch chuyển tới các hốc khí gần mình nhất mà khơng xảy ra hiện tượng ma sát trên bề mặt tiếp xúc của chúng.
Hình 2.7. Các giai đoạn ép vật liệu bột [25] Hình 2.8. Đường cong biến đổi mật độ vật
liệu bột và compozit hạt trong quá trình ép tạo hình [25]
Sự chuyển dịch của các vật liệu bột và compozit hạt có trạng thái tương đối ít thuận lợi hơn sẽ bị hãm lại do lực ma sát tồn tại trên bền mặt tiếp xúc các hạt và trên bề mặt tiếp xúc với thành khuôn. Khi kết thúc giai đoạn ép 1, vật thể ép có mật độ cực đại. Hiện tượng lèn chặt trong giai đoạn 1 liên quan trực tiếp đến sự phá hủy mối liên kết giữa các hạt vật liệu bột và compozit hạt và hoàn toàn do sự chuyển dịch tự do của các hạt vật liệu bột và compozit hạt.
Giai đoạn 2: Sau khi vật liệu bột và compozit hạt điền đầy các hốc khí, bị lèn
chặt, quá trình biến dạng dẻo bắt đầu xảy ra (hình 2.7b). Ban đầu quá trình biến dạng dẻo giới hạn trên vùng tiếp xúc giữa cá hạt vật liệu bột và compozit hạt, sau đó thẩm thấu sâu vào các hạt, trạng thái bề mặt vật liệu bột và compozit hạt thay đổi, bề mặt tiếp xúc giữa các hạt vật liệu bột và compozit hạt tăng lên. Lực hút hấp dẫn
cơ học giữa các hạt vật liệu bột và compozit hạt cũng tăng. Riêng trong quá tình ép các vật
liệu giòn, hiện tượng biến dạng dẻo xảy ra cùng với hiện tượng phá hủy bề mặt tiếp xúc và đập nhỏ các hạt.
Giai đoạn 3: Khi các hạt vật liệu bột và compozit hạt chịu áp lực lớn hơn giới
hạn bền, quá trình phá hủy sẽ xảy ra. Hiện tượng biến dạng của từng hạt vật liệu bột và compozit hạt sẽ bắt đầu ngay từ khi áp lực còn thấp, trong khi đó, hiện tượng trượt của từng hạt vật liệu bột và compozit hạt tiếp tục ngay cả khi tải trọng lớn, chính vì vậy ta có thể nói, ưu thế của sự chuyển dịch các hạt vật liệu bột và compozit hạt ở giai đoạn đầu tiên và sự biến dạng của các hạt vật liệu bột và compozit hạt ở giai đoạn sau đó. Vật liệu bột và compozit hạt càng dẻo thì khả năng lèn chặt càng dễ xảy ra dưới áp lực càng thấp do biến dạng các hạt vật liệu bột và compozit hạt. Đối với kim loại có giới hạn chảy lớn, các giai đoạn trượt và biến dạng khó phân biệt.
Như vậy năng lượng sản sinh ra để thắng lực ma sát giữa các hạt vật liệu bột và compozit hạt với thành khuôn ép và làm biến dạng các hạt vật liệu bột và compozit hạt. Điều đó cuối cùng dẫn đến sự phân bố mật độ vật liệu bột và compozit hạt không đồng đều trong không gian vật chất của vật thể vật liệu bột và compozit hạt. Sự phân bố mật độ vật liệu bột và compozit hạt không đồng đều theo chiều cao phôi đặc biệt rõ nét khi chiều cao phôi lớn hơn chiều rộng ban đầu của nó. Bột và compozit bên dưới, ngược lại, có mật độ tăng từ ngoài vào trong [25].
Mật độ vật liệu bột và compozit hạt không đồng đều sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới sự phân bố biến dạng không đồng đều trong sản phẩm vật liệu bột và compozit hạt, ảnh hưởng tới cơ – lý tính, tính dẫn điện và tới sự khơng chuẩn về hình dạng và kích thước của sản phẩm ép. Để có độ hạt đồng đều, một trong các yếu tố cơ bản đó là phải có đủ khơng gian cho các bi nghiền và các hạt bột chuyển động tự do trong tang nghiền.
Ép với lực ép thấp khi ngắt lực ép, rút chày lên khơng hề có sự giãn nở đàn hồi của mẫu ép. Nếu lực ép tăng cao tới một mức nhất định thì bột mẫu ép sẽ rắn chắc hơn. Lực ép này nhờ bột cũng truyền ra thành khuôn theo hướng ngang và phản lực lại từ thành khuôn cũng bắt đầu ép lên mẫu theo hướng xuyên tâm. Sau khi mẫu đã chắc tới một mức độ nhất định, lực ép lại tăng tiếp tục thì sẽ có sự biến dạng đàn hồi, loại biến dạng có thể hồi phục sau khi ngắt lực ép. Lúc đó khn ép cũng giãn nở đàn hồi ở mức độ phụ thuộc vào độ cứng của khuôn. Ở cùng một lực ép, vật liệu bột mịn sẽ có tỷ trọng tươi cao hơn vật liệu thông thường là do các hạt bột mịn có khe trống giữa các hạt nhỏ, bột dễ dàng sắp xếp lại để điền vào khoảng trống đó. Ngồi ra, ở cùng một lực ép và kích thước hạt, bột kim loại và bột gốm có ứng suất hồn tồn khác nhau. Bột kim loại bị biến dạng dẻo khi ép. Biến dạng dẻo làm cho bột kim loại có tỷ trọng tươi cao hơn bột gốm. Vì vậy cần phải nhấn mạnh ở cùng một kích thước hạt của bột kim loại và bột gốm thì bột kim loại có tỷ trọng tươi cao hơn bột gốm mặc dù chúng được ép ở cùng một lực ép. Mẫu có tỷ trọng tươi cao thì mẫu thiêu kết cũng sẽ có tỷ trọng cao.
Với bột có tính dẻo lớn thì sự xít chặt xảy ra ngay khi lực ép nhỏ bột coi như là chênh lệch có xu hướng chảy về nhiều hướng. Dưới áp suất ép, bột có hành vi gần giống như chất lỏng tức là có chiều hướng chảy về mọi phía. Do đó xuất hiện áp suất ép lên thành khuôn. Nhưng bột khác chất lỏng ở chỗ là chất lỏng thì áp suất phân bố đều ở mọi hướng còn với bột áp suất phân bố không đều. Lực truyền lên thành khuôn bé hơn so với chiều ép và do đó mật độ trong vật ép sẽ khơng đồng đều. Do ma sát giữa thành khuôn và bột nên lực ép sẽ giảm theo chiều cao của mẫu. Ngồi ra trong
q trình ép các hạt bột bị đàn hồi và biến dạng dẻo, do đó trong vật ép sẽ tích lũy các ứng suất tương đối lớn. Vì vậy sau khi vật ép được lấy ra khỏi khn, các ứng suất đàn hồi tích lũy trong mẫu ép làm cho mẫu ép liên tục dãn nở ra các phía.