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 và 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
1. Giới thiệu về vật liệu siêu mịn:
Vật liệu siêu mịn (Ultrafine-grained material - UFG) là 1 loại vật liệu đa tinh thể với
các hạt có kích thước rất nhỏ nằm trong khoảng 100nm–1000nm. Nhờ vào kích thước
hạt siêu mịn, đặc tính của vật liệu UFG đã có những biến đổi mang tính đột biến và có
ý nghĩa lớn trong việc nâng cao cơ tính của vật liệu.
Phương trình Hall-Petch đã chỉ ra mối liên hệ giữa kích thước hạt và độ bền của vật
liệu đa tinh thể như sau:
y

Trong đó

=

o

+ kd-1/2

: ứng suất chảy của vật liệu.

y

o

: hằng số vật liệu hay ứng suất ban đầu, mô tả sự cản trở của

mạng tinh thể với chuyển động lệch.
k: hằng số dẽo, thể hiện vai trò của biên hạt.
Theo phương trình trên, ứng suất chảy tăng với sự giảm căn bậc 2 của kích thước hạt.
Việc giảm kích thước hạt dẫn đến tăng độ bền kéo mà không làm giảm tính dai, khác
với các phương pháp hóa bền khác như 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
2. Tổng quan về phương pháp SPD:
Hiện tại có rất nhiều phương pháp để làm giảm kích thước hạt. Theo các kết quả
nghiên cứu, các quá trình biến dạng đặc biệt là biến dạng ở nhiệt độ thấp đều làm giảm
kích thước hạt (cán, rèn, đùn…). Tuy nhiên các quá trình biến dạng thông thường này
1


chỉ có thể tạo nên độ biến dạng 80 – 90%, nếu ta tiếp tục cho gia tăng biến dạng sẽ gây
ra các vết rạn nứt tế vi bên trong vật liệu và dẫn đến phá hủy vật liệu. Mặt khác khi ta
thực hiện nhiều lần cán, kéo, ép… để gia tăng biến dạng thì kích thước tiết diện sản
phẩm trở nên rất nhỏ do đó không phù hợp để sử dụng trong các chi tiết kết cấu.
Để khắc phục vấn đề trên, các nhà khoa học trên Thế Giới đã nghiên cứu ra một
phương pháp làm nhỏ hạt mới đó là Severe Plastic Deformation (SPD). Nhờ có đặc

thù riêng của quá trình biến dạng trong điều kiện áp lực thủy tĩnh mà phương pháp
SPD có thể tạo nên một độ biến dạng lên đến 800 – 900% mà không gây phá hủy vật
liệu. Và phương pháp SPD vẫn có thể tạo nên một lượng biến dạng cực lớn mà không
làm thay đổi tiết diện sản phẩm.
Kích thước hạt của vật liệu sau khi được chế tạo bằng phương pháp SPD thông thường
nhỏ hơn 1 μm, tuỳ thuộc vào việc sử dụng các kỹ thuật khác nhau sẽ cho các kích
thước hạt khác nhau.
Kim loại có hạt siêu mịn tạo bởi phương pháp SPD thể hiện độ bền cao, tới mức có thể
được dùng như là kim loại có độ bền cực cao cùng khả năng tương thích với môi
trường tốt.
Việc nghiên cứu về vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn được chế tạo bằng kỹ thuật biến
dạng dẽo mãnh liệt SPD đang phát triển với một tốc độ ngày càng tăng. Trọng tâm của
các nghiên cứu hiện nay là tìm hiểu các tính chất của mẫu vật liệu dạng khối lớn của
các kim loại và các hợp kim thông dụng. Hướng sản xuất quy mô lớn đang phát triển,
mặc dù chậm hơn, nhưng rất cần được quan tâm.
3. Ứng dụng của vật liệu UFG sau khi tiến hành SPD:
Mục đích của phương pháp SPD là tạo ra các sản phẩm, chi tiết bằng kim loại có khối
lượng nhẹ, độ bền cao và tương thích với môi trường. So với phương pháp luyện kim
bột, phương pháp SPD cho phép tạo ra vật liệu nano có độ sạch cao hơn và có thể ứng
dụng cho qui mô công nghiệp.
Các loại bu lông làm từ hợp kim titan qua quá trình ECAP được sử dụng rộng rãi trong
công nghệ chế tạo ôtô và máy bay. Các loại đai ốc siêu nhỏ chế tạo từ thép cacbon
UFG sau khi ECAP
Một số hình ảnh về sản phẩm sử dụng vật liệu UFG sau khi qua SPD:

2


Hình 2: Bu lông đai ốc độ bền cao bằng hợp kim Ti[4],tr45

Hình 3: Hình dáng bên ngoài và mặt cắt của bu lông siêu nhỏ làm từ thép cacbon
UFG.[5],tr31

Hình 4: Bề ngoài của chi tiết kiểu “Piston” sản xuất từ vật liệu nano Al1420.[6],tr7

Hình 5 : Tấm implants làm từ vật liệu Ti nano.[4],tr23.
3


4. Các phương pháp SPD:
Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được định nghĩa là quá trình tạo hình
kim loại với mức độ biến dạng dẻo lớn được đặt vào trong kim loại dạng khối để tạo
ra kim loại có kích thước hạt siêu mịn. Mục đích chính của phương pháp SPD là tạo
chi tiết có độ bền và nhẹ tương thích với môi trường. So với phương pháp luyện kim
bột, phương pháp SPD cho phép tạo ra vật liệu nano có độ sạch cao hơn và có thể ứng
dụng cho qui mô công nghiệp.
Trong phương pháp SPD, kim loại và hợp kim được biến dạng dẻo mãnh liệt bằng
nhiều kỹ thuật khác nhau. Các kỹ thuật thường dùng là kỹ thuật ép qua kênh có tiết
diện không đổi (ECAP); kỹ thuật xoắn dưới 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 chính trong phương pháp SPD:
a) Kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc tiết diện không đổi (ECAP):
Phương pháp ECAP được biết đến lần đầu tiên vào năm 1977, phương pháp này được
nghiên cứu bởi nhà khoa học người Nga Segal. ECAP là một trong những kỹ thuật
thích hợp cho phép tạo được vật liệu nano để nâng cao cơ tính cho kim loại giòn và
kém bền như Titan có kích thước hạt siêu mịn và có thể phát triển ở quy mô công
nghiệp.
Ưu điểm lớn nhất của kỹ thuật ECAP là cho phép chế tạo mẫu với kích thước lớn, tính
kinh tế và công nghệ cao – dễ thực hiện. Trong phương pháp này, biến dạng được tạo
thành bằng cách lặp đi lặp lại quá trình ép vật liệu trong kênh gấp khúc. Vì tiết diện

kênh không đổi nên tiết diện phôi ban đầu cũng không thay đổi do đó sản phẩm cuối
cùng có cấu trúc tương đối đồng nhất và không có hiện tượng rỗ xốp.

Hình 6: Sơ đồ minh họa kỹ thuật ECAP.[3],tr15
4


Một số kỹ thuật ECAP thông thường được sử dụng như kỹ thuật đùn mặt. Trong kỹ
thuật đùn mặt, quá trình gia công với biến dạng trượt thuần túy có thể lặp lại trong vật
liệu, vì thế cường độ biến dạng dẻo lớn được sinh ra bên trong vật liệu mà không làm
thay đổi kích thước mặt cắt ngang của phôi. Những kỹ thuật này còn có tên là ECAE –
đùn trong kênh gấp khúc có tiết diện không đổi hoặc ECAP.
Kỹ thuật ECAP sử dụng khuôn có thiết kế với hai thông số hình học đặc trưng là góc
kênh

và góc lượn

, trong đó góc kênh

là góc giao nhau giữa hai kênh và góc

lượn

là góc biểu thị phần cung ngoài nối giữa hai rãnh giao nhau của kênh kép

trong khuôn.
Độ biến dạng tương đương εN sau N lần ép được xác định bởi công thức:

ε=

1 
φ ψ 
 φ ψ 
2
cot
+
+
ψ
cos
ec


÷
 + ÷
2
2
3


 2 2 

Trong đó ε là tổng biến dạng, Ψ là góc lượn ngoài của kênh, Φ là góc kênh.

Hình 7: Sơ đồ minh họa kỹ thuật ECAE.[3],tr55
Kỹ thuật ECAP cũng tương tự kỹ thuật đùn mặt nhưng ở đây mẫu được ép một phía
(từ trên xuống) qua 2 kênh có tiết diện không đổi
Kênh bị uốn cong qua một góc 90 o, mẫu đưa vào trong kênh và được ép qua khuôn
bằng một chày ép. Trong kỹ thuật này mẫu được ép nhiều lần theo những lộ trình khác
nhau. Ở đây có bốn lộ trình cơ bản trong kỹ thuật ECAP. Trong lộ trình A, mẫu được
ép mà không xoay; trong lộ trình B A mẫu bị xoay 90o qua lại giữa các lần ép liên tiếp;

trong lộ trình BC mẫu bị xoay 90o theo chiều kim đồng hồ sau mỗi lần ép; trong lộ
trình C mẫu bị xoay 180o sau mỗi lần ép.
5


Hình 8: Các lộ trình ép cơ bản trong ECAP.[4],tr22
Hiện tại phương pháp ECAP được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu cải tiến
thành nhiều dạng như: ECAD, ECAR, ECAE, I-ECAP…
Dựa trên kỹ thuật ECAP thông thường, các cải tiến nhằm đạt được cấu trúc nano tốt
hơn được nghiên cứu. Cải tiến đầu tiên là sử dụng áp suất ngược (back – pressure)
trong khuôn ECAP để tạo biến dạng trượt lớn, ngăn sự hư hỏng của phôi và tăng lượng
tổng biến dạng lên sau từng lần ép.
Với cùng nguyên lý hoạt động như kỹ thuật ECAP, người ta cải tiến bằng cách giảm số
lần lặp lại việc ép mẫu trong khuôn bằng việc tăng số lần gấp khúc của kênh trong
khuôn (hình 1.5). Sử dụng kênh gấp khúc hai lần, biến dạng trong một lần ép đạt được
gấp đôi và năng suất của kỹ thuật ECAP tăng lên. Ép theo hai hướng khác nhau với
năng lượng của chày ép bằng nhau có thể được sử dụng cho các quá trình lặp lại.
Trong quá trình này, tổng biến dạng tăng 2, 3 lần sau một lần ép.

Hình 9: Mô tả sơ đồ kỹ thuật ECAP với
áp suất ngược.[4],tr23

6

Hình 10: Sơ đồ mô tả kỹ thuật
ECAP với kênh được gấp khúc 2
lần.[4],tr26


Ngoài ra còn có thể sử dụng khuôn xoay (rotary – die) để loại bỏ những hạn chế trong

kỹ thuật ECAP thông thường (như mẫu phải được đẩy ra khỏi khuôn và được chèn lại
sau mỗi giai đoạn). Khuôn bao gồm hai kênh với cùng tiết diện, tại tâm chỗ giao nhau
sử dụng góc phù hợp. Ở lần đầu tiên, mẫu được đưa vào khuôn bằng một chày dập như
hình 11(a), và sau khi ép mẫu như trong hình 11(b), khuôn được xoay 90 o, và mẫu
được ép lại lần nữa như hình 11(c). Bằng cách sử dụng dụng cụ ECAP này, mẫu có thể
được ép bằng chày A với áp suất ngược từ chày B, tương tự như 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 được phát minh bởi Valiev vào năm 1989, trong phương pháp này, một
đĩa rất mỏng bị ép trong khuôn kín bởi áp suất cực cao, lực xoắn từ chày ép tác động
vào bởi ma sát tiếp xúc tại bề mặt giữa chày và đĩa.

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật HPT.[4],tr45
7


Nguyên lý của kỹ thuật HPT được thể hiện trong hình 12. Mẫu dùng để thử nghiệm có
đường kính 10 mm, bề dày 0,8 mm và kích thước hạt ban đầu khoảng 50 μm. Dụng cụ
gồm 2 phần gồm đe trên và đe dưới được làm bằng thép dụng cụ có độ bền cao với bề
mặt rãnh hình trụ (có đường kính 10 mm và sâu 0,25 mm) được nitrat hóa và gia công
cẩn thận ở trung tâm mỗi đe. Mẫu được đặt trong rãnh này và được bôi trơn bằng
MoS2. Khi áp tải vào, mẫu thí nghiệm có sự thay đổi nhỏ về chiều dày (khoảng 0,78
mm). Quá trình sản xuất bằng kỹ thuật HPT được tiến hành ở nhiệt độ phòng bằng
cách xoay đe dưới với tốc độ 1 vòng/phút so với đe trên, và dưới tải đặt vào 470 kN
tương ứng với áp lực đưa vào P = 6,0 GPa.
Đối với hợp kim Al – Mg – Sc, một vài mẫu bị biến dạng xoay 5 lần và những mẫu
khác được biến dạng xoay 1 lần theo hướng tiến về phía trước và 2 lần xoay ngược
chiều. Đối với Cu nguyên chất, tất cả các mẫu được biến dạng xoay 5 lần theo cùng

một hướng.
Nhược điểm của phương pháp này là mẫu ép ở dạng đĩa nhỏ và không thích hợp sản
xuất các vật liệu lớn dạng khối
Biến dạng khi xoắn được tính theo công thức:

ε=
Trong đó

y (r )
2π r
, y (r ) = n
t
3

r: khoảng cách từ trục của mẫu.
n: tốc độ quay.
t: độ dầy của mẫu.

Dựa trên kết quả của các nghiên cứu trước đây, các nghiên cứu hiện tại về HPT đã chú
trọng vào hai chủ đề đặc biệt là sự ảnh hưởng của hướng biến dạng xoắn đến sự hình
thành cấu trúc micro và tiềm năng sử dụng kỹ thuật HPT trong phương pháp SPD.
c) Kỹ thuật cán dính tích lũy (ARB):
Kỹ thuật ARB được Saito và công sự phát minh vào năm 1998. Nguyên lý của quá
trình này là lặp đi lặp lại quá trình cán dính truyền thống các tấm kim loại được chồng
lên nhau. Cụ thể là ta đặt hai tấm kim loại đã được xử lý sạch bề mặt lên nhau, sau khi
qua quá trình cán thông thường hai tấm sẽ dính chặt vào nhau. Tiếp theo tấm kim loại
sẽ được cắt làm đôi theo chiều dài, đem đi xử lý sạch bề mặt, đặt chồng lên nhau và
cán tiếp lần nữa. Việc làm trên sẽ được lặp đi lặp lại nhiều lần không giới hạn và sẽ đat
được lượng biến dạng rất lớn.

8


Hình 13: Sơ
cán dính tích
[4],tr47

đồ nguyên lý
lũy ARB.

Biến dạng của quá trình ARB sau n chu kỳ có thể được tính như sau:

ε=

3
t
1
ln(r ).r = 1 − = 1 − n
2
t0
2

Trong đó

to: bề dày ban đầu của các tấm kim loại đặt lên nhau.
t: bề dày của tấm kim loại sau khi cán dính.
r: độ giảm bề dày sau mỗi lần cán.
Mục đích của các nghiên cứu hiện tại về kỹ thuật ARB là để tạo ra tấm thép dạng khối
có cấu trúc hạt siêu mịn. Vì những tấm thép này hầu hết là vật liệu kết cấu đòi hỏi phải
có hạt cực mịn để làm tăng độ bền của thép, đồng thời giảm trọng lượng trong các

công trình xây dựng mà không cần phải thêm các nguyên tố hợp kim. Đây là một ưu
điểm giúp cho việc tái chế thép phế liệu tốt hơn.
Ngoài 3 kỹ thuật chính trên, các nhà khoa học còn phát minh ra nhiều kỹ thuật khác
như:

Kỹ thuật gấp và làm thẳng lập lại

ε = 4 ln

[(r + t ) / (r + 0.5t )]
3
9


Kỹ thuật rèn ép liên tục trong khuôn kín (CCDF).

ε =2

ln ( H / W )
3

Kỹ thuật đùn nén liên tục (CEC)

D
ε = 4π ln  ÷
d

Kỹ thuật rèn đa chiều (MDF)…
4.2 Tính chất của vật liệu sau khi thực hiện SPD:
Kim loại sau khi thực hiện quá trình SPD thường có cấu trúc hạt siêu mịn mà các

phương pháp xử lý cơ nhiệt truyền thống không thể nào đạt được. Và như vậy, vật liệu
kim loại SPD thể hiện các tính chất độc đáo và tuyệt vời như có độ bền rất cao so vật
liệu truyền thống với kích thước hạt thô, và khả năng tương thích với môi trường tốt.

Hình 14: Hình ảnh SEM bề mặt của Al 7075 qua 4 lần ép.[1],tr25

10


Hình 15: Hình ảnh SEM bề mặt của Al 7075 qua 8 lần ép.[1],tr26
Từ các ảnh chụp vi cấu trúc bằng TEM, các nhà khoa học mong rằng độ cứng và độ
bền kéo của vật liệu kim loại với cấu trúc hạt siêu mịn sẽ cao hơn. Rất nhiều nghiên
cứu khoa học tập trung vào độ bền và độ dẻo của nhiều loại vật liệu kim loại qua nhiều
kỹ thuật SPD. Vật liệu đã qua SPD nói chung là sẽ có độ bền cao so với các vật liệu
truyền thống. Độ bền của vật liệu liên tục tăng khi bị biến dạng và sau đó dần dần bão
hòa. Mặt khác, độ dẻo giảm mạnh khi biến dạng tương đối nhỏ, sau đó giữ nguyên giá
trị hay giảm nhẹ khi 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 Hoàng Oanh, Đỗ
Minh Nghiệp và Yong Jin Kim, Mô phỏng số 3D quá trình biến dạng dẻo khi ép
Titan trong kênh gấp khúc không đổi (ECAP), Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và 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