Tài liệu Các phương pháp cán đặc biệt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ---------------o0o--------------- TIỂU LUẬN CÁN KÉO ÉP KIM LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CÁN ĐẶC BIỆT GVHD: ThS. NGUYỄN ĐĂNG KHOA SVTH : NGUYỄN DUY KHÁNH V1201633 NGUYỄN ĐỨC TRƯỜNG SƠN V1203164 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 1/2011 1 MỤC LỤC Lời nói đầu.................................................................................................................3 CHƯƠNG I: CÁN KIM LOẠI BỘT.........................................................................4 1.1 Khái quát về cán kim loại bột:.........................................................................4 1.2 Nguyên lý cán kim loại bột:............................................................................4 1.3. Quy trình công nghệ cán kim loại bột:...........................................................7 1.4 Ưu điểm của cán kim loại bột so với phương pháp cán thông thường:...........8 CHƯƠNG II: CÁN TRONG MÔI TRƯỜNG CHÂN KHÔNG & KHÍ TRƠ.........9 2.1 Khái quát về phương pháp:.................................................................................9 2.2 Các giải pháp cán trong môi trường chân không và khí trơ:...........................9 2.3 Ưu điểm của phương pháp:.............................................................................9 CHƯƠNG III: CÁN SIÊU ÂM...............................................................................11 3.1.Sơ lược về siêu âm:.......................................................................................11 3.1.1 Định nghĩa:.............................................................................................11 3.1.2 Các loại sóng siêu âm:............................................................................11 3.2 Phương pháp tạo ra sóng siêu âm:.................................................................12 3.2.1 Phương pháp cơ học:..............................................................................12 3.2.2 Phương pháp tử giao:..............................................................................12 3.2.3 Phương pháp điện thế:............................................................................13 3.3 Ứng dụng siêu âm trong ngành cán:..............................................................13 3.3.1 Tác dụng của siêu âm đến ứng suất vùng biến dạng:.............................14 3.3.2 Tác dụng của siêu âm đến chất bôi trơn:................................................16 CHƯƠNG IV: CÁN KHÔNG CÓ PHÔI THỎI (ĐÚC CÁN LIÊN TỤC).............17 4.1 Khái quát về phương pháp:...........................................................................17 4.2 Nguyên lý và các thông số của quá trình cán không phôi (cán liên tục):......18 4.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc máy đúc liên tục:..........................................20 4.4 Kết luận:........................................................................................................24 2 Tài liệu tham khảo:..................................................................................................25 Lời nói đầầu Mặt dù ngày nay có nhiều loại vật liệu mới, vật liệu tiên tiến ra đời và liên tục phát triển như vũ bão. Song vật liệu kim loại là vật liệu quan trọng bậc nhất trong hầu hết tất cả các ngành công nghiệp bởi các tính năng ưu việt của nó như độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ dẻo và độ bền cao...và hơn hết là giá thành rẻ. Hơn 70% kim loại sản xuất ra phải qua khâu cán bởi vì năng suất và chất lượng của quá trình này cao hơn các phương pháp khác. Bên cạnh các phương pháp cán truyền thống, người ta đã tìm cách phát minh ra các phương pháp cán đặc biệt khác để nâng cao chất lượng quá trình cán và cải thiện cơ tính vật cán. Có nhiều phương pháp cán khác nhau, liểu tuận này nói về các phương pháp sau: cán kim loại bột, cán trong môi trường chân không và khí trơ, cán siêu âm, cán không có phôi thỏi. Mặc dù nhóm đã có cố gắng trong quá trình làm tiểu luận, tuy nhiên vẫn có nhiều sai sót, kính mong thầy có những đánh giá để giúp nhóm hiểu rõ, hiểu sâu hơn vấn đề. Chân thành cảm ơn thầy. 3 CHƯƠNG I: CÁN KIM LOẠI BỘT 1.1 Khái quát về cán kim loại bột: Vào năm 1843, G.Bexemer đã thực hiện cán bột kim loại đồng phốt pho để đạt được dải dẹp. Từ đó cán kim loại bột không được triển khai, mãi sau 100 năm mới có ứng dụng và phát triển trong sản xuất. Sản phẩm cán nhận được từ kim loại bột có một số ứng dụng ngày càng nhiều bởi nó có thể chế tạo ra những chi tiết mà các phương pháp khác không thể thực hiện được: độ xốp của chi tiết để làm màng lọc, làm bạc trượt sau khi cho ngậm dầu vào các lỗ xốp, hỗn hợp nhiều loại cấu tử kim loại khác nhau trong một khối, hỗn hợp kim loại và phi kim loại (kim loại + gốm sứ) làm dụng cụ cắt gọt. Sản phẩm từ kim loại bột qua biến dạng dẻo ngày càng được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật cao. 1.2 Nguyên lý cán kim loại bột: Hình 1.1: Cán kim loại bột 4 Trên hình là sơ đồ nguyên lý cán kim loại bột. Trục cán cuốn bột vào vùng biến dạng từ miệng ra của phễu chứa bột, nén chúng lại để tạo nên một khối nguyên. Khối nguyên này sau khi cán vẫn còn độ xốp khá lớn. Nếu cần sử dụng với độ xốp thấp, tức là hệ số p (độ đậm đặc), thì sau khi nung thêu kết, người ta đưa đi cán tiếp. Thậm chí có thể thực hiện cán, kéo cho tới khi độ xốp gần bằng không như sản xuất dây tóc bóng đèn tròn. Những thông số cơ bản khi cán kim loại bột như sau: Góc nạp liệu αo – là góc tính từ cửa nạp liệu H đến vùng biến dạng nén bột của trục cán. Tuy nhiên góc αo không ảnh hưởng đến độ xốp của dãy băng cũng như chiều dày của sản phẩm cán. Góc cán αC – chiều rộng vùng ăn của góc này hc là cơ sở để xác lập biểu đồ ứng suất tiếp xúc. Từ khoảng cách hc đó kim loại bột được ép – nén chặt lại và vượt qua cung ăn tạo nên hiện tượng vượt trước. Bắt đầu từ góc cán α C kim loại bột thay đổi độ xốp đến lúc ra khỏi vùng cán sẽ có sản phẩm với độ xốp thích hợp được tính trước. Góc nén αe là góc thoát ra khỏi vùng bị nén của trục cán. Góc đàn hồi của trục cán và bột sinh ra, vì quá trình cán kim loại bột được thực hiện ở trạng thái nguội Góc trung hòa  – là góc tạo bởi đường trung hòa giữa vùng trễ và vùng vượt trước. Ta biết rằng cán kim loại bột là làm thay đổi độ xốp của vật liệu. Thay cho định luật không thay đổi thể tích là hiện tượng không đổi khối lượng, thể hiện bởi quan hệ: hc .b0 .l0 . 0  hSF .b1.l1. SF hc .b0 .l0 Trong đó: - thể tích kim loại trước khi cán 5 hSF .b1.l1 - thể tích sản phẩm sau cán 0  SF , - tỷ trọng đóng của bột và độ xốp của sản phẩm sau cán Từ công thức trên ta tính được hc b .l .  0 0 0 hSF b1.l1. SF Quan hệ này được gọi là hệ số nén bột và ký hiệu là Z c, còn  SF 0 l1 l0 chính là hệ số kéo dài, là hệ số sít chặt. Nếu như ta dùng cơ cấu chặn bên hông của trục để tránh bột bị đổ ra ngoài, đó cũng chính là hạn chế dãn rộng, do đó có thể coi  ZC Z b1 1 b0 . Vậy: hc  hSF  ac2 6 D hSF , từ đó quan hệ tính cho hệ số kéo Zc  1  ac2 D 2 hSF Thực hiện thí nghiệm cho các quy trình cán kim loại bột và kết quả tính theo công thức trên, nhận thấy khi thay đổi khoảng cách giữa hai trục, hệ số sít chặt của sản phẩm không thay đổi. Paplop N.N thực hiện thí nghiệm và có những kết luận sau: Quá trình cán kim loại bột hình thành hai vùng. Trong đó vùng thứ nhất là vùng tuột bột xuống dưới do sức hút của trọng trường. Vùng thứ hai là vùng biến đổi độ xốp theo hai hướng của bột, theo chiều đứng và chiều ngang. Để nghiên cứu sâu hơn, người ta quay phim với tốc độ 24 hình/s. Tác giả đã nhận thấy, ở giai đoạn đầu, bột kim loại chuyển động bất định hướng và không đều. Tuy nhiên, ở vùng biến dạng thì tốc độ theo chiều ngang và chiều đứng gần như nhau. Quá trình cán kim loại bột chiều dày cảu sản phẩm cũng lớn hơn khe hở giữa hai trục vì trục cán, giá cán bị biến dạng đàn hồi, trong đó còn có phần sản phẩm bởi độ xốp có sự co giãn của không khí, thực hiện cán ở môi trường chân không thì sản phẩm sẽ có độ xốp thấp, cơ tính cao. 7 1.3. Quy trình công nghệ cán kim loại bột: Bột kim loại trước khi vào trục cán thô sẽ được thông qua hệ thống vách ngăn dẫn hướng để vào phễu chứa. Sau khi qua trục cán thô ta thu được dải băng kim loại có độ xốp cao. Dải băng này sau đó thông qua hệ thống lò nung và được các nóng lại (cán tinh) để giảm độ xốp cũng như cải thiện cơ tính cho sản phẩm. Sau đó dải băng kim loại được làm nguội và cuộn lại. 1.4 Ưu điểm của cán kim loại bột so với phương pháp cán thông thường: Không cần phôi đúc. Tạo vật liệu có độ xốp và vật liệu kết hợp. Hiệu suất sử dụng kim loại cao hơn. Lực cán nhỏ nên công suất máy thấp cũng như trục cán nhỏ. 8 9 CHƯƠNG II: CÁN TRONG MÔI TRƯỜNG CHÂN KHÔNG & KHÍ TRƠ 2.1 Khái quát về phương pháp: Khi yêu cầu sản phẩm kỹ thuật cao hoặc vật liệu khó biến dạng mà quá trình luyện kim đã sản xuất trong lò cao tần, lò điện xỉ, lò plasma... có sự bảo vệ với môi trường khí quyển, thì quá trình cán cũng được thực hiện trong chân không hay môi trường khí bảo vệ. Những sản phẩm đó thường được chế tạo các chi tiết của dụng cụ đo lường, chi tiết làm việc trong chân không, trong vũ trụ, hay các môi trường đặc biệt... Vào những năm 1953 – 1954 người ta đã làm thí nghiệm cán molipđen và Wonfram ở nhiệt độ 2000oC có khí bảo vệ. Như ta đã biết, khí hoạt tính có khả năng gây phản ứng hóa học với phôi khi thực hiện ở trạng thái nóng. Ngoài ra khí này còn có thể thâm nhập vào kim loại tạo nên hỗn hợp cứng có hại cho sản phẩm. 2.2 Các giải pháp cán trong môi trường chần không và khí trơ: Để thực hiện cán trong chân không hay trong môi trường có khí bảo vệ, có thể thực hiện theo các giải pháp dưới đây: Cả máy cán nằm trong buồng chân không hay buồng khí trơ; Chỉ đặt giá cán trong buồng chân không hoặc khí trơ; Chỉ đặt trục cán trong buồng chân không hoặc khí trơ. 2.3 Ưu điểm của phương pháp: Qua nhiều thực nghiệm, các nhà khoa học đã phát hiện rằng khi cán ngoài không khí hệ số ma sát tăng khi tăng tốc độ cán, còn khi cán trong chân không thì ngược lại. Cũng từ thí nghiệm người ta nhận thấy trong điều kiện chân không, khi tăng hệ số ma sát thì hệ số vượt trước giảm. 10 Khi cán trong chân không hay môi trường khí trơ, chất lượng sản phẩm tốt hơn hẳn so với khi cán thường. Do đó các chi tiết chất lượng thường được cán trong các môi trường này. 11 CHƯƠNG III: CÁN SIÊU ÂM 3.1.Sơ lược về siêu âm: 3.1.1 Định nghĩa: Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn 20.000 Hz. Có những đặc tính tương tự ánh sáng như tính phản xạ, khúc xạ, tách sóng, ... Lan truyền được trong môi trường là nhờ các phần tử vật chất làm nhiệm vụ truyền sóng Hình 3.1: Dao động sóng siêu âm 3.1.2 Các loại sóng siêu âm: Sóng dọc : còn gọi là sóng đàn hồi, dao động theo phương truyền sóng. Sóng dọc có thể lan truyền trong môi trường rắn, lỏng và khí Sóng ngang : sóng dao động vuông góc với phương truyền sóng. Sóng ngang phát sinh do khả năng chịu được các lực kéo, lực cắt tác dụng Sóng Rayleigh: còn gọi là sóng bề mặt, là các sóng chỉ chạy ở vùng bề mặt của môi trường 12 3.2 Phương pháp tạo ra sóng siêu âm: Thường dùng ba cách cơ học, tử giao và điện thế 3.2.1 Phương pháp cơ học: Dùng dụng cụ đặc biệt thông qua tác dụng ngoại lực cơ học để tạo ra các rung động có tần số siêu âm . Các dụng cụ đó thường là còi ganton, còi dung dịch , máy rung động khí, v.v... Phương pháp này rất phiền phức nên không còn sử dụng nữa. 3.2.2 Phương pháp tử giao: Cấu tạo là một thanh sắt từ - một tập hợp bởi nhiều vùng nguyên tố. Ở trạng thái bình thường thì hướng (biểu thị bằng các vector) của các vùng này không tuân theo một qui luật nào. Nếu đặt thanh sắt đó vào trong một từ trường ( đặt trong một cuộn dây có dòng điện xoay chiều chạy qua), các nguyên tố tự thay đổi hướng dẫn trùng với hướng của từ trường bên ngoài. Ứng suất phát sinh làm cho mạng tinh thể bị lệch. Mức độ lệch mạng phụ thuộc vào cường độ của từ trường bên ngoài. Tùy theo cường độ từ trường tác dụng và tùy từng vật liệu mà thanh sắt từ co lại hoặc dãn ra. Người ta nhận thấy sự thay đổi chiều dài của thanh sắt từ không phụ thuộc vào hướng từ hóa. Như vậy, nếu đặt chúng trong từ trường xoay chiều tần số f thì chúng sẽ rung động với tần số đó. Ngày nay, người ta dùng ferit làm đầu rung. Trọng lượng riêng của ferit ρ = 4,7 g/cm3, môđun đàn hồi E = 12,5.10-11 đyn/cm2 và tần số f = 258.000 Hz. Để khử dòng fuco người ta chế tạo đầu rung công suất cao làm bằng tôn lá thép tương tự lõi máy biến thế. Thường tạo ra sóng siêu âm có tần số 1mega héc. 13 3.2.3 Phương pháp điện thế: Năm 1880 Curie đã thấy rằng do áp lực bên ngoài mà một số vật liệu như thạch anh, đất đèn, bari tatinat, lithi sunfat,... được tích điện. Nếu thay đổi chiều lực tác dụng thì điện tích cũng đổi dấu. Lực tác dụng làm mạng tinh thể của các vật liệu kể trên bị biến dạng. Các điện tích dương và điện tích âm xê dịch làm phát sinh dòng điện ở mặt giới hạn của tinh thể. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng áp điện. Ngược lại, nếu làm cho các mặt giới hạn của tinh thể tích điện bằng cách đặt điện thế vào các mặt đó thì tinh thể sẽ thay đổi kích thước. Điện thế xoay chiều gây nên sự đổi dấu liên tục tại các mặt giới hạn theo nhịp điệu của tần số điện thế. Do đó, tinh thể cũng dãn ra, co lại theo nhịp điệu đó và phát ra các sóng cơ học. Nếu dùng điện thế tần số cao thì sóng siêu âm sẽ phát ra. 3.3 Ứng dụng siêu âm trong ngành cán: Dao động siêu âm tạo nên một vùng khá rộng, đủ để đưa vào các lĩnh vực cán, cụ thể là truyền trực tiếp dao động đó đến vùng biến dạng. Người ta nhận thấy dao động siêu âm ở vùng biến dạng, khi được truyền qua trục cán có thể có các hướng, như dao động dọc trục, dao động trục ngang và dao động xoắn. Đường kính trục cán cần phải nhỏ hơn độ dài sóng siêu âm. Tác dụng của sóng siêu âm : Làm giảm hệ số ma sát và kéo theo giảm lực cán – do giảm áp lực đơn vị tác dụng lên diện tich tiếp xúc và giảm tiết diện tiếp xúc. Từ đó làm giảm chi phí cho năng lượng quá trình cán Tăng tuổi thọ của trục cán Tăng hệ số đàn hồi của vật liệu – do thay đổi tổ chức sắp xếp Tăng hiệu quả của chất bôi trơn – do làm tăng khả năng hấp phụ 14 Độ chính xác và độ bóng của sản phẩm tăng – tần số siêu âm làm quá trình cán êm và giảm độ nhám bề mặt.Có hai cách tạo siêu âm cho trục cán: a.Cán với dao động ngang: sóng siêu âm dao động vuông góc với trục cán và tác động vào vùng biến dạng b.Cán với dao động dọc trục: sóng siêu âm dao động song song với trục cán. 3.3.1 Tác dụng của siêu âm đến ứng suất vùng biến dạng: So với cán thông thường, khi cán siêu âm ứng suất ở vùng biến dạng giảm do sóng siêu âm làm giảm hệ số ma sát ở vùng tiếp xúc. Từ nguyên nhân đó lực cán sẽ giảm. Trên hình 10.13 cho ta thấy, khi tăng biên độ dao động của sóng siêu âm, lực cán sẽ giảm. Ta kí hiệu np –hệ số biến đổi lực cán ta sẽ có: np  P  Ps .100% P Trong đó: P-là áp lực cán bình thường Ps-áp lực cán có tác động siêu âm 15 Hình 3.2: Sơ đồ cán siêu âm Trên các biểu đồ thực nghiệm cho ta các kết quả về mối quan hệ giữa lực cán và lượng biến dạng; hệ số vượt trước và lượng biến dạng: hệ số ma sát và lượng biến dạng. Khi lượng ép tới 40% hay hơn thì hiện tượng trượt giữa phôi cán và trục cán phát triển mạnh, hệ số ma sát giảm nhiểu, đồng thời làm tăng hiệu quả của chất bôi trơn và đặt biệt làm chất lượng bề mặt sản phẩm tăng. Khi tăng tốc độ vòng của trục cán siêu âm, lực cán sẽ tăng nhưng luôn luôn thấp hơn khi cán thường. Trường hợp cán siêu âm với dao động ngang (radial) trục. Các quy luật khi cán siêu âm dọc trục diễn ra như nhau. Giảm lực cán là yếu tố quan trọng, kéo theo hàng loạt những ưu điểm khác: giảm chi phí năng lượng cán, giảm hệ số đàn hồi trục cán, giá cán, tăng độ chính xác cho sản phẩm. Mặc dù cán siêu âm chưa phát triển rộng rãi, do kỹ thuật thực hiện còn một số khó khăn về giá cả, song trong tương lai khi phát triển kỹ thuật cao chắc chắn cán siêu âm sẽ nhận được sự quan tâm để đẩy mạnh sản xuất. 16 3.3.2 Tác dụng của siêu âm đến chất bôi trơn: Sóng siêu âm cũng tác động đến chất bôi trơn. Khi sóng siêu âm truyền dao động vào chất bôi trơn thì sẽ làm tăng khả năng hấp thụ của chất bôi trơn. Đồng thời, sóng siêu âm cũng làm tăng hoạt tính của chất bôi trơn lên – do dao động của các phân tử trong chất bôi trơn tăng. Kéo theo đó là độ nhớt giảm. Công thức tính lực ma sát ướt: T = η. F.v/h T: lực ma sát ướt (kg) η: độ nhớt của chất bôi trơn ( kg.s/mm2 ) F: diện tích bề mặt trượt ( mm2 ) v: vận tốc trượt tương đối (mm/s ) h: chiều dày lớp bôi trơn (mm) Dựa vào công thức trên ta có thể thấy rằng lực ma sát sẽ giảm. Như vậy, sóng siêu âm cũng góp phần làm tăng hiệu quả của chất bôi trơn. 17 CHƯƠNG IV: CÁN KHÔNG CÓ PHÔI THỎI (ĐÚC CÁN LIÊN TỤC) 4.1 Khái quát vềầ phương pháp: Các phương pháp cán nóng hay cán nguội, cán siêu âm… đều có phôi dạng thỏi hay sliab (phiến), còn ở đây thực hiện lấy kim loại lỏng trong lò nấu. Ý tưởng cán không có phôi đã có từ năm 1848 do Bexemer nghĩ ra. Tuy nhiên ý tưởng đó rất lâu sau mới được thực tiễn ứng dụng đối với kim loại màu mà ngừơi có công là giám đốc nhà máy gia công áp lực kim loại màu Malen F.T. tại Peterbuar (nước Nga). Về cơ bản quá quá trình cán không phôi gồm hai công đoạn chính là đúc liên tục (như một máy tạo phôi) và quá trình cán liên tục, nhưng quá trình cán này có các đặc điểm rất khác so với cán thông thường. Hình 4.1: Quy trình công nghệ đúc cán liên tục 18 4.2 Nguyên lý và các thông số của quá trình cán không phôi (cán liên tục): Người ta nghĩ ra hai cách lấy kim loại lỏng từ trong lò: a.Lấy từ đáy lò rồi chuyển sang nằm ngang đưa vào máy cán b.Lấy kim loại lỏng tử bên hông rồi đưa vào cán theo chiều đứng. Về nguyên tắc cả hai không có gì khác biệt về lý luận cán. Hình 4.2: Sơ đồ cán phôi không thỏi Trên hình là sơ đồ nguyên lý lấy kim loại lỏng từ bên hông lò và đưa đến cán nằm để cán băng và cuộn lại. Máy cán có đường kính trục D=500mm, chiều dài thân trục L=1200mm. Máy thực hiện để cán băng nhôm dày 6-8mm, rộng 1000mm, cuộn vào rulô mỗi cuộn 10 tấn, tốc độ cán có thể thay đổi từ 0,1-2m/phút. Công suất động cơ 150kw, công suất máy cuộn 15kw. Lực kéo từ 0-30kN. Năng suất máy cán có thể đạt, khi chiều rộng phôi cán b=0,5m là 0,5T/h. Phương pháp cán không có phôi thỏi mà lấy trực tiếp từ kim loại lỏng trong lò, thực chất phải trải qua ba giai đoạn: 19 1-Lấy kim loại lỏng đưa vào trục cán –kiêm buồng kết kinh; 2-Kim loại kết tinh dần trong vùng tiếp xúc với trục cán; 3-Kim loại bị biến dạng dẻo. Tất cả các giai đoạn trên đều diễn ra trên bề mặt trục cán. So với các phương pháp cán bình thường, cán không có phôi thỏi khác cơ bản là trục cán. Ở đây trục cán có kết cấu rỗng bên trong, đưa nước với áp lực cao giải nhiệt cho kim loại lỏng để chúng mau chóng kết tinh. Như vậy trục cán vừa làm nhiệm vụ của mình là trực tiếp biến dạng phôi, vừa làm nhiệm vụ của buồng kết kinh. Hình 4.3: Biểu đồ kết tinh kim loại khi cán phôi không thỏi Nhiệt độ của kim loại lỏng chuyển vào trục cán đã dần dần hạ xuống khi đến vùng cán Z I và ZII thì gấn đến nhiệt độ kết tinh. Qua thực tế sản xuất thử, người ta đã xác định được là với góc 0,85-1,19 rad (50-70o) so với trục tung và vùng kết tinh, song ở lớp giữa vẫn còn lỏng. Như vậy vùng thứ ba ZIII –vừa có lớp kim loại rắn vừa có lớp kim loại sệt bên trong. Thực hiện việc cán không có phôi thỏi trên máy cán có đường kính làm việc D = 500mm cho ra sản phẩm tấm rộng 600mm và dày 8mm,với tốc độ cán điều chỉnh mềm từ 0,1 – 2m/phút. Tất nhiên tấc độ cán phải chậm để kim loại lỏng kịp kết tinh trong vùng cán. 20