(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu chế tạo máy cán rung động ngang tạo độ bền cao cho hợp kim AL MG SI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VŨ HOÀNG CHƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY CÁN RUNG ÐỘNG NGANG
TẠO ÐỘ BỀN CAO CHO HỢP KIM Al-Mg-Si

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

S KC 0 0 4 8 4 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
----------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VŨ HOÀNG CHƯƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY CÁN RUNG ĐỘNG NGANG TẠO
ĐỘ BỀN CAO CHO HỢP KIM Al-Mg-Si

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1.TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC KẾT QUẢ
NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC ĐÃ CƠNG BỐ.
1.1.1TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.1.1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG ÁP LỰC TRUYỀN THỐNG
Gia cơng kim loại bằng áp lực thực chất là lợi dụng tính dẻo của kim loại để
làm thay đổi hình dạng, kích thước của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực. So với
phương pháp đúc, gia công biến dạng kim loại tạo ra sản phẩm có độ bền cao hơn,
chịu lực tốt hơn, độ chính xác, độ bóng bề mặt cao hơn, tiết kiệm kim loại và năng
suất lao động cao hơn. Trong năm 2012, sản phẩm thép chưa qua gia công toàn cầu
đạt 1.54 tỷ tấn. Điều này kéo theo việc sử dụng một số lượng lớn các phương pháp
gia công cho các loại vật liệu nói chung và thép nói riêng. Các phương pháp gia
công này bao gồm đúc, rèn, hàn… Tuy nhiên, có thể thấy rằng hơn 70% các sản
phẩm kim loại được sản xuất bởi công nghệ cán ở dạng này hoặc dạng khác. Vì vậy
có thể thấy tầm quan trọng đặt biệt của các công nghệ cán sử dụng cho việc tạo hình
kim loại. Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống được thể
hiện trong hình 1.1

1


Hình 1.1 sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống
(a)Cán; (b) kéo; (c) ép trực tiếp và gián tiếp; (d) rèn khuôn; (e) dập; (f) chồn
Nguồn: (Nguyễn Văn Thái, 2006; Võ Trần Khúc Nhã (biên dịch), 2007)
Sau khi qua các phương pháp gia công truyền thống để tạo hình và phơi thì
kim loại có xu hướng biến cứng, hoá bền nhưng độ dẻo và độ dai giảm hay có xu
hướng biến giịn . Vì vậy hiện nay trên thế giới cũng như ở nước ta đã và đang

nghiên cứu công nghệ mới để tạo ra vật liệu có độ bền cao nhưng khơng làm giảm
độ dai của vật liệu. Đó là cơng nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt.
1.1.1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT
(server plastic deformation – SPD)
Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được định nghĩa là
các q trình gia cơng kim loại với biến dạng dẻo rất lớn để tạo ra kim loại có hạt
siêu mịn (kích thước hạt trung bình nhỏ hơn 1µm). Mục đích của các phương pháp
SPD cho việc tạo ra kim loại có hạt siêu mịn là sản xuất ra các chi tiết có khối lượng
nhẹ hơn do đặc tính độ bền cao của nó và sự thân thiện với mơi trường. Các hạt có
kích thước nhỏ làm cho độ bền kéo tăng lên mà không làm giảm độ dai va đập của
kim loại, điều này khác so với các phương pháp hố bền như xử lý nhiệt.
Các q trình gia cơng SPD có thể chia thành hai nhóm chính. Nhóm thứ
nhất bao gồm các phương pháp SPD cho quá trình gia công các kim loại khối không
liên tục như: ép kim loại qua góc kênh khơng đổi (Equal chanel angular pressing,

2


ECAP) được đưa ra đầu tiên bởi Segal (1977) và sau đó Valiev, Krasilnikov và
Tsenev (1991) đề xuất phương pháp xoắn kim loại dưới áp lực cao (High-preeure
torsion, HTP). Nhóm thứ 2 bao gồm các phương pháp SPD cho việc gia cơng liên
tục kim loại tấm như là: cán dính tích luỹ (Accumulative Roll-Bonding, ARB) được
nghiên cứu bởi Saito et al. (1998), quá trình lặp lại gấp nếp và nắn thẳng kim loại
(Repetititve Corugation ang Straightening, RCS) được khám phá bởi Huang et al.
(2001), cán kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channnel Angular Rolling,
ECAR) của Lee et al. (2003), q trình tương ứng ép kim loại qua góc kênh không
đổi (Equal Channel Angular Pressing-Conform, ECPA-conform) của Raab et al.
(2004), cán kim loại với vận tốc hai trục cán khác nhau với tỉ lệ cao (Hight-Ratio
Differental Speed Rolling, HRDSR) của Kim et al. (2006), và phương pháp gần đây
nhất là cán kim loại với sự tích hợp giao đơng dọc trục của truc cán (ThroughWidth Vibration Rolling. TWVR) của Hsieh et al. (2009, 2012).

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất
(a) ECAP; (b) HPT
Nguồn: (Segal, 1997; Valiev, Krasilnikvo và Tsenev, 1991)
Nguyên lý gia công của hai phương pháp trong nhóm thứ nhất được thể hiện
trong hình 1.2 ECAP (Hình 1.2a) là phương pháp đầu tiên của phương pháp SPD
được đưa ra để sản xuất các vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn và đã thu hút được sự

3


nghiên cứu của các nhà khoa học trong những năm gần đây (Valiev et al., 2000;
Kim et al., 2004; P.Quang et al.,2009). Trong quá trình ECAP, kim loại được ép qua
hai kênh có tiết diện mặt cắt khơng đổi và giao với nhau một góc ϕ. Kim loại bị biến
dạng mãnh liệt do bị biến dạng cắt tại khu vực giao nhau của hai kênh (khu vực
ABC với góc khn Ψ). Trong phương pháp HTP (hình 1.2b), kim loại bị nén với
áp lực cao đến vài GPa và đồng thời bị biến dạng xoắn. có thể thấy rằng hai phương
pháp này có thể tạo ra được vật liệu có hạt siêu mịn nhưng cả hai đều chưa thể đưa
vào sản xuất vơi quy mô lớn do các nhược điểm như: năng suất thấp và kích cỡ
phơi nhỏ. Vì vậy các phương pháp trong nhóm thứ hai sau đây có thể khắc phục
được những nhược điểm trên và có tiềm năng rất lớn cho việc sản xuất các vật liệu
có hạt siêu mịn với quy mô lớn.

4


Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai
(a)ARB; (b) RCS; (c) ECAR; (d) ECAP-conform; (e) HRDSR; (f) TWVR
Nguồn: (Saito et al., 1998; Huang et al., 2001; Lee et al., 2003; Raab et al., 2004;
Kim et al., 2006; Hsieh et al., 2009, 2012)

Nhóm thứ hai bao gồm các phươn pháp SPD cho việc sản xuất vật liệu có
hạt siêu mịn với kim loại có hạt siêu mịn với kim loại tấm phù hợp với quy mô
công nghiệp như: ARB, RCS, ECAR, ECAP-Conform, HRDSR và TWVR. Nguyên
lý gia cơng phổ biến của các phương pháp trong nhóm hai chủ yếu dựa vào sự kết
hợp của các phương pháp cán truyền thống và SPD để phù hợp cho việc sản xuất

5


với quy mơ lớn kim loại có hạt siêu mịn và chúng được thể hiện lần lượt trong hình
1.3. Các phương pháp như : ARB (hình 1.3a), RCS (hình 1.3b), ECAR (hình 13c),
ECAP-conform (hình 1.3d) đã được phát triển để tạo ra kim loại có hạt siêu mịn.
tuy nhiên, khả năng ứng dụng của các phương pháp này trong quy mơ cơng nghiệp
thấp do q trình gia cơng phức tạp, chất lượng bề mặt vật liệu xấu, kích cỡ phơi
nhỏ và kim loại bị hạn chế về độ lớn biên dạng. một phương pháp mới đã được
chứng minh là có thể sản xuất các tấm kim loại với bề mặt lớn có cấu trúc hạt siêu
mịn là HRDSR, được nghiên cứu bởi Kim et al. (2006). Nguyên lý của phưng pháp
này được thể hiện trong hình 1.3e. phương pháp HRDSR là phương pháp cán truyền
thống nhưng vận tốc của hai trục cán là khác nhau. Phôi được cán qua một bước cán
duy nhất với chiều dày giảm 70%. Phôi bị biến dạng cắt rất lớn và biến dạng khá
đồng đều dọc theo hướng chiều dày. Có thể thấy rằng phương pháp HRDSR có
tiềm năng rất lớn trong việc gia cơng hợp kim có độ bền cao như là hợp kim
nhơm. Hơn nữa, HRDSR là q trình gia cơng liên tục và chỉ yêu cầu qua duy nhất
một bước cán để tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn bên trong vật liệu. Phương pháp này
có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp trước. Tuy nhiên dù chỉ yêu cầu phôi chỉ
qua một lần cán nhưng chiều dày giảm khá lớn (70%) và trong q trình và trong
q trình gia cơng thì phôi bị biến dạng cắt chưa đạt hiệu quả cao. Các vấn để này
có thể được khắc phục trong phương pháp được phát triển gần nhất là TWVR (hình
1.3f)
Ngồi các phương pháp trên thì phương pháp cán lạnh (Cryorolling) đã được

sử dụng gần đây để kết hợp với các phương pháp SPD tạo ra vật liệu có hạt siêu
mịn. Cán lạnh là một quá trình xử lý đơn giản ở nhiệt độ thấp mà yêu cầu lực tác
dụng tương đối nhỏ để gây ra biến dạng dẻo mãnh liệt nhằm tạo các các đặc tính
cấu trúc tế vi kết tinh trong các loại vật liệu. Phương pháp sử dụng kỹ thuật cán
phơi có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nito lỏng được sử dụng rộng rãi để cải thiện các
tính chất của vật liệu. Cán lạnh có thể đáp ứng tốt cho các ứng dụng công nghiệp
quy mô lớn của các vật liệu có cấu trúc nano. Cán lạnh được xem là một trong số
con đường tiềm năng để sản xuất các hợp kim nhơm có hạt siêu mịn dạng khối. Độ

6


bề kéo và độ dai của vật liệu được cải thiện do sự loại bỏ quá trình hồi phục của vật
liệu trong suốt quá trình cán lạnh. Hơn nữa, cán lạnh có nhiều thuận lợi như việc
yêu cầu biến dạng dẻo thấp hơn, quy trình sản xuất đơn giản và khả năng sản xuất
vật liệu một cách liên tục (Hailiang et al.. 2012).
1.1.2 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1.1.2.1 CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC
Các nhà khoa học Đài Loan đã chế tạo thành cơng máy cán tích hợp giao
động ngang của trục cán. Máy có hai trục cán quay ngược nhau và được điều khiển
bằng động cơ thuỷ lực. Bên cạnh chuyển động quay, trục cán dưới đồng thời dao
động ngang dọc trục và cũng được điều khiển bởi động cơ thuỷ lực. Cả hai trục đều
có đường kính 150mm,và được điều khiển quay với vận tốc quay khơng đổi 2
vịng/phút. Trục cán dưới dao động ngang với tần số không đổi 5Hz và biên độ dao
động được thay đổi từ 0 đến 2.5 mm. Quá trình cán được tiến hành qua 4 bước cán
với mỗi bước cán thì chiều dày phơi giảm 40% với vật liệu phơi được tiến hành là
hợp kim nhơm Al6061.

Hình1.4 Sơ đồ nguyên lý của máy cán tích hợp dao động ngang
Nguồn: (Hsieh et al., 2009, 2012)

Thí nghiệm đã cho thấy tính khả thi của quá trình SPD. Sau quá trình cán,
mẫu khơng chỉ tăng kích thước chiều dài mà cịn tăng cả chiều rộng. Mẫu có độ bền
kéo tối đa là 450mpa ứng với biên độ là 1,5mm. Tuy nhiên thí nghiệm chưa đưa ra

7


được mối quan hệ giữa các yếu tố: tần số, biên độ dao động, lượng ép, vận tốc trục
cán đến độ bền của mẫu sau khi cán.
1.1.2.2 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
Hiện nay ở nước ta cũng đã có nhiều cơng trình nghiên cứu liên quan đến
lĩnh vực SPD mà đi đầu và có nhiều cơng trình nghiên cứu cơng bố trong nước là
viện khoa học và kỹ thuật vật liệu thuộc Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
những đóng góp trong việc phát triển phương pháp này ở việt nam là các nhà khoa
học thuộc Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội như: GSTS. Nguyễn Trọng Giảng,
GSTS. Đỗ Minh Nghiệp, Pgsts. Đào Minh Ngừng, TS. Phạm Quang.
Phương pháp SPD được nghiên cứu chủ yếu ở nước ta là ép kim loại qua góc
kênh khơng đổi (ECAP) vì phương pháp này khá đơn giản và phù hợp với điều kiện
nghiên cứu ở nước ta. Các cơng trình đã được cơng bố trong nước chủ yếu theo
hướng mơ hình hố và mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn ( Phạm
Quang, Đào Minh Ngừng, Đỗ Minh Nghiệp, 2010). Một số ít các cơng trình theo
hướng thực nghiệm như: nghiên cứu chế tạo một số hợp kim hệ Ti và Al cấu trúc
mịn, siêu mịn và nano bằng phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt đang được thực
hiện bởi PGSTS. Đào Minh Ngừng Và Nguyễn Đăng Khoa.
1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
- Thiết kế máy cán rung động ngang tạo độ bền cho hợp kim Al-Mg-Si
- Chế tạo, thử nghiệm máy cán rung động ngang.
1.3. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
1.3.1 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
Luận văn “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY CÁN RUNG ĐỘNG NGANG

TẠO ĐỘ BỀN CAO CHO HỢP KIM Al-Mg-Si” bao gồm các nội dung sau:
- Tổng quan về hiện tượng biến dạng dẻo mãnh liệt
- Quy cách mẫu thí nghiệm, vật liệu mẫu
- Đưa ra phương án thiết kế

- Tính tốn thiết kế máy cán rung động ngang trên cơ sở phương án thiết kế đã
chọn

8


- Chế tạo phần cơ khí và phần điều khiển
- Vận hành thử nghiệm máy
1.3.2 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
- Không đi sâu nghên cứu lý thuyết biến dạng dẻo, chỉ mang tính cập nhật cơ
sở lý thuyết làm cơ sở nghiên cứu phục vụ mục tiêu chính cho luận văn.
- Mơ hình máy cán tạo biến dạng dẻo mãnh liệt sử dụng nguyên lý cán kết hợp
rung động ngang của trục cán.
- Vật liệu nghiên cứu: hợp kim Al-Mg-Si
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu trong và ngồi nước có liên
quan đến nội dung nghiên cứu để làm cơ sở lý thuyết và tính tốn.
- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thiết kế mơ hình và tính tốn kiểm
nghiệm bền cho mơ hình. Chế tạo máy cán rung động ngang.

9


CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CÁC HIỆN TƯỢNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ HẠT
CỦA KIM LOẠI KHI GIA CÔNG BIẾN DẠNG DẺO
2.1.1CÁC HIỆN TƯỢNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ HẠT CỦA KIM LOẠI
KHI GIA CÔNG BIẾN DẠNG DẺO
- Sai lệch mạng tinh thể: sai lệch mạng tinh thể đóng vai trị rất quan trọng đối
với một số tính chất của tinh thể dưới tác dụng của ngoại lực như: biến cứng, biến
dạng dẻo… phụ thược vào kích thước ba chiều trong không gian, sai lệch điểm,
đường, mặt và khối
+ Sai lệch điểm: đó là các sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước
nguyên tử) theo ba chiều khơng gian (Hình 3.1). Một số sai lệch điểm điển hình là
nút trống, nguyên tử xen kẽ, nguyên tử tạp chất.

Hình 2.1 sai lệch điểm trong mạng tinh thể
(a)

Nút trống; (b) nguyên tử xen kẻ; (c) nguyên tử tạp chất
Nguồn: (Lê Công Dưỡng, 2000)

+ Sai lệch đường: là loại sai lệch có kích thước nhỏ theo hai chiều và lớn theo
chiều thứ 3 trong tinh thể. Các sai lệch điển hình như: lệch biên, lệch xoắn, lệch hỗn
hợp. Dựa vào lý thuyết lệch ngày nay đã có thể giải thích nhiều vấn đề về cơ tính, lý
tính của kim loại và hợp kim mà trước đây không thể giải thích được bằng lý thuyết
cổ điển.

10


Hình 2.2 lệch trong mạng tinh thể
(a) Lệch biên; (b) lệch xoắn; (c) lệch hỗn hợp
Nguồn: (Lê Công Dưỡng, 2000)

+ Sai lệch mặt: là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều và nhỏ theo
chiều thứ 3, trong tinh thể sai lệch chủ yếu là biên giới hạt, biên giới siêu hạt, sai
lệch xếp, mặt đối tinh và mặt ngoài tinh thể.

11


Hình 2.3 Sai lệch mặt trong mạng tinh thể
(a) Biên giới hạt; (b) biên giới siêu hạt tạo nên do tường lệch
Nguồn: (Lê Công Dưỡng, 2000)
+ Sai lệch khối: những sai lệch có kích thước lớn theo ba chiều trong mạng
tinh thể gọi là sai lệch khối. Sai lệch khối vĩ mô là những sai hỏng sinh ra khi nấu,
đúc hợp kim như rỗ co, tập trung tạp chất, xỉ trong vật đúc.
- Hồi phục: ở nhiệt độ thấp trong kim loại đã qua biến dạng dẻo xảy ra các q
trình hồi phục, đó là các biến đổi nhỏ trong mạng tinh thể bị xô lệch như: giảm sai
lệch mạng nói chung, giảm mật độ lệch và ứng suất bên trong.
- Kết tinh lại lẩn thứ nhất: đây là giai đoạn quan trọng nhất với các đột biến về
cấu trúc mạng tinh thể, tổ chức tế vi và tính chất. Khi kim loại qua biến dạng dẻo
có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nhất định (gọi là nhiệt độ kết tinh lại, trong mạng tinh
thể bị xơ lệch có q trình hình thành các hạt mới khơng có các sai lêch do biến
dạng dẻo gây ra theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm như kết tinh.
Mầm là những vùng không chứa sai lệch do biến dạng dẻo; chúng sinh ra chủ
yếu ở những vùng bị xô lệch mạnh nhất, năng lượng dự trữ cao nhất nên kém ổn
định nhất do đó dễ trở về trạng thái cân bằng vơi ít sai lệch nhất. Như vậy kim loại
bị biến dạng dẻo cành mạnh, mầm kết tinh lại sẽ hình thành càng nhiều dẫn đến số
lượng hạt sinh ra càng lớn tạo điều kiện để các hạt có kích thước nhỏ hơn

12

- Kết tinh lại lần thứ hai: sau khi kết tinh lần thứ nhất nếu tiếp tục nâng cao
nhiệt độ hay kéo dài thời gian giữ nhiệt sẽ có quá trình sát nhập của các hạt nhỏ hơn
bao quanh vào hạt lớn, làm cho hạt lớn to thêm. Sự phát triển hạt là q trình tự
nhiên vì nó là giảm tổng biên giới hạt do đó làn giảm tổng năng lượng dự trữ. Quá
trình này là quá trình kết tinh lại lần thứ hai và thường phải tránh.
- Nhiệt độ kết tinh lại: là nhiệt độ nhỏ nhất tại đó xảy ra quá trình kết tinh lại
(tạo mầm và phát triển mầm) với tốc độ đáng kể. Do kết tinh lại phụ thuộc vào sự
dịch chuyển xa của nguyên tử nên nhiệt độ của q trình đó phụ thuộc vào nhiệt độ
nóng chảy
2.1.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ HẠT CỦA KIM LOẠI KHI GIA
CÔNG BIẾN DẠNG DẺO
- Mức độ biến dạng
+ Nói chung kim loại bị biến dạng dẻo càng mạnh, sau khi kết tinh lại hạt tạo
thành càng nhỏ, điều này được giải thích là do xơ lệch mạng mạnh tạo nên nhiều
mầm. Chính vì vậy ngồi lý do năng suất ra người ta thường gắng biến dạng với
lượng ép lớn để tạo ra hạt nhỏ khi kết tinh lại.
+ Biến dạng nhỏ với lượng ép 2÷8% chỉ tạo ra rất ít vũng xơ lệch nên tạo ra ít
mầm, hạt tạo thành rất lớn, độ biến dạng như vậy gọi là độ biến dạng tới hạn,
thường phải tránh.
- Nhiệt độ ủ và thời gian giữ nhiệt
+ Nhệt độ ủ: nhiệt độ ủ càng cao tốc độ tạo mầm và phát triển mầm đều tăng
nhưng tốc độ phát triển tăng nhanh hơn nên hạt to hơn.
+ Thời gian giữ nhiệt: thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ ủ càng dài càng có điều
kiện cho hạt phát triển nên hạt càng lớn.
Sau khi biến dạng nóng, nhiệt độ ngừng biến dạng càng cao thì hạt càng lớn.
Nhận xét chung cho các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD)
Các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt thực chất là làm gia tăng xô lệch
mạng để tạo ra nhiều mầm, từ đó sau khi kết tinh lại hạt tạo thành càng nhỏ.

13

+ Nếu biến dạng càng mãnh liệt thì nhiệt độ sinh ra trong q trình gia cơng
càng lớn dẫn đến xảy ra hiện tượng hội phục làm giảm xô lệch mạng, từ đó làm
giảm mầm sinh ra và hạt sinh ra khi kết tinh lại sẽ lớn.
+ Nếu biến dạng khơng đủ mạnh thì xơ lệch mạng sinh ra sẽ ít hơn cũng làm
giảm mầm sinh ra và hạt sau kết tinh cũng sẽ lớn.
Vì vậy cần lựa chọn một mức biến dạng và tốc độ biến dạng hợp lí để nhiệt
độ sinh ra không quá cao nhằm làm cho tổng số lượng mầm sinh ra là lớn nhất, từ
đó ta có kích thước hạt sau kết tinh là lớn nhất.
2.2 TỔNG QUAN VỀ MÁY CÁN
2.2.1 CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA MÁY CÁN

Hình 2.4 sơ đồ máy cán
I-nguồn động lực; II-hệ thống truyền động; III-giá cán
1: trục cán; 2: nền gá cán; 3: trực truyền; 4: khớp nối trục truyền; 5: thấn gá
cán; 6: bánh răng chữ V; 7: khớp nối trục; 8: giá cán; 9: hộp phân lực; 10: hộp giảm
tốc; 11: khớp nối trục; 12: động cơ điện
Nguồn: ( Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, 2005)
Máy cán gồm 3 bộ phận chính dùng để thực hiện q trình công nghệ cán

14


-

Giá cán: là nơi tiến hành quá trình cán bao gồm : các trục cán, gối, ổ

đỡ trục cán, hệ thống nâng hạ trục cán, hệ thống cân bằng trục, thân máy, hệ thống
dẫn phôi, cơ cấu lật trở phôi

-

Hệ thống truyền động: là nơi truyền momen cho trục cán, bao gồm

hộp giảm tốc, khớp nối, trục nối, bánh đà, hộp phân lực.
-

Nguồn năng lượng: là nơi cung cấp năng lượng cho toàn máy, thường

dùng các loại động cơ điện một chiều và xoay chiều hoặc các máy phát điện.
2.2.2 PHÂN LOẠI MÁY CÁN
Các loại máy cán được phân loại theo cơng dụng, theo số lượng và phương
pháp bố trí trục cán và theo vị trí trục cán
a)

Phân loại theo công dụng

-

Máy cán phá: dùng để cán phá từ thỏi thép đúc gồm có máy cán phơi

thỏi Blumin và máy cán phoi tấm Slabin
-

Máy cán phôi: đặt sau máy cán phá và cung cấp phơi cho máy cán

hình và máy cán khác.
-

Máy cán hình cỡ lớn: gồm máy cán ray-dầm và máy cán hình cỡ lớn

-

Máy cán hình cỡ trung

-

Máy cán hình cỡ nhỏ

-

Máy cán tấm

-

Máy cán ống

-

Máy cán đặc biệt

b)

Phân loại theo cách bố trí gá cán

15


Hình 2.5 Phân loại máy cán theo cách bố trí giá cán
a-máy cán đơn, b-máy cán một hàng, c-máy cán hai cấp, d-máy cán nhiều cấp

e-máy cán bán liên tục, f- máy cán liên tục
Nguồn: ( Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, 2005)
-

Máy cán có một giá cán (máy cán đơn, a): loại náy chủ yếu là máy cấn

phôi thỏi Blumin hoặc máy cán phôi 2 hoạc 3 trục
-

Máy cán bố trí một hàng (b) được bố trí nhiều lỗ hình hơn

-

Máy cán bố trí 2 hay nhiều hàng (c, d) có ưu điểm là có thể tăng dần

tốc độ cán ở các giá sau cùng với sự tăng chiều dài của vật cán
-

Máy cán bán liên tục (e): nhóm gá cán thơ được bố trí liên tục, nhóm

cán tinh được bố trí theo hàng. Loại này thơng dụng khi cán thép hình cỡ nhỏ.
-

Máy cán liên tục (f): các gá cán được bố trí liên tục, mỗi gá chỉ thực

hiện một lần cán
c)

Phân loại theo số lượng và sự bố trí trục cán

-

Máy cán 2 trục đảo chiều

-

Máy cán 2 trục không đảo chiều

-

Máy cán 3 trục

-

Máy cán 4 trục

-

Máy cán nhiều trục

-

Máy cán hành tinh

-

Máy cán vạn năng

16

-

Máy cán trục nghiêng

Hình 2.7 Các loại gá cán
Nguồn: ( Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, 2005)
a-giá cán 2 trục, b-giá cán 3 trục, c-giá cán 3 trục lauta, d- giá cán 4 trục

Hình 2.9 Sơ đồ máy cán hành tinh
Nguồn: ( Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, 2005)
1-lò nung liên tục, 2-trục cán phá, 3-máy dẫn phôi,
4-trục cán hành tinh, 5-trục tựa, 6-trục sản phẩm

17


2.3 TỔNG QUAN VỀ NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM
2.3.1 CÁC TÍNH CHẤT CỦA NHƠM
Nhơm kí hiệu hóa học là AL thuộc phân nhóm chính 3, chu kỳ 3, số thứ tự 13
trong hệ thống tuần hồn của Mendeleep. Al có một đồng vị duy nhất ổn định và
khơng phóng xạ là Al2713 ngồi ra cịn có 3 đồng vị phóng xạ là Al2613 , Al2813,
Al2913, Al là kim loại không có chuyển biến thù hình chỉ có kiểu mạng tinh thể là
mạng lập phương diện tâm với thông số mạng a=4,0413A0, bán kính ngun tử của
nhơm là r= 1.43 A0 . Bán kính ion là 0.86 A0, nguyên tử lượng của Al:
1s22s22p23s23p1. Trong đó điện tử lớp 3p có năng lượng ion hóa nhỏ E = 5.98eV,
của 3s bằng 18.82eV và 28,44eV. Tương ứng với các thế ion ấy có thể xuất hiện các
ion Al+1 và Al+3
a)

Lý tính của nhơm
Nhơm là kim loại có độ dẫn điện dẫn nhiệt tương đối cao ( ρ=2,66.10-6

Ω.cm). Độ dẫn điện tùy thuộc vào độ sạch của nhơm và bằng 62÷ 66% của đồng.
Nhiệt độ nóng chảy của nhơm là 6600C. Nhiệt độ chảy tăng theo độ sạch của
nhơm.

Nhơm có nhiệt độ sơi là 20600C
Tỷ trọng của nhôm phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sạch của nhôm

Hệ số giãn nở nhiệt của nhôm phụ thuộc vào nhiệt độ:

18


b) Cơ tính của nhơm
Cơ tính của nhơm phụ thuộc vào độ sạch của nhơm, nhơm có độ dẻo cao, khả
năng chịu biến dạng dẻo ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao tốt nên dễ gia
công áp lực như cán, dập, kéo, rèn ở trạng thái nguội và trạng thái nóng ( ở
400÷4500C). khi gia cơng nguội xong thì thường đem ủ ở nhiệt độ
350÷5000C.
nhiệt độ nóng chảy của nhôm tương đối thấp (6600C). đây là một thuận lợi
cho quá trình nấu luyện hợp kim khi đúc. Hơn nữa nhờ ẩn nhiệt kết tinh lớn,
nhôm lỏng đông đặc chậm, có thể tiến hành biến tính và tinh luyện tương
đối dễ dàng, độ co ngót của nhơm lớn do vậy sự điền đầy khn kém nên
tính đúc của nhơm khơng cao.
Nhơm ngun chất khơng bền, cơ tính thấp:
Với nhơm 99,6% có σb = 7kg/mm2, HB = 19, δ = 2,3%
2.3.2 PHÂN LOẠI NHƠM
Thơng thường người ta phân loại nhơm căn cứ vào độ sạch của nhôm: nhôm

siêu sạch, nhôm sạch và nhôm sạch kỹ thuật ( Theo tiêu chuẩn Liên Xô
ГOXT 11069-64).

19


Bảng 2.1 phân loại nhơm

2.3.3 HỢP KIM NHƠM
Trong thực tế người ta sử dụng nhôm chủ yếu dưới dạng hợp kim. Về thành phần
thì nhơm là chủ yếu, ngồi ra cịn có các ngun tố khác đưa vào để cải thiện các
tính chất của nhơm.
Hợp kim nhơm có cơ tính tốt hơn nhôm nguyên chất, độ bền riêng cao, dễ chết tạo
và rẻ hơn nên ngày càng được sử dụng rộng rãi tron các ngành công nghiệp và dời
sống hàng ngày.

20


Hình 2.10 Phân loại hợp kim nhơm theo giản đồ pha
Hợp kim nhôm được chia thành:
-

Hợp kim nhôm biến dạng
+ Hợp kim nhơm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện
 Hợp kim nhôm với 4%Cu
 Hợp kim Al – Mg – Cu
 Hợp kim Al – Mg – Si
+ Hợp kim nhơm biến dạng khơng hóa bền được bằng nhiệt luyện
 Hợp kim hệ Al – Mn

 Hợp kim hệ Al – Mg

-

Hợp kim nhôm đúc
+ Hợp kim hệ Al – Si
+ Hợp kim hệ Al – Cu

21


2.4 MẪU THỬ


Yêu cầu chung của mẫu thí nghiệm:
 Độ nhám bề mặt phần làm việc của mẫu phải tương ứng với Ra = 0.32 – 0.16
µm theo TCVN 2511-78.
 Bề mặt mẫu khơng được có vết rỉ, vết rỗ, khuyết tật gia công, vết biến màu
nhiệt, nếu như các yếu tố này không được qui định nghiên cứu.
 Cắt các phôi, đánh dấu và gia công mẫu không được làm ảnh hưởng nhiều
đến các tính chất của vật liệu ban đầu. Nhiệt sinh ra trong gia công mẫu không được
gây ra biến đổi cấu trúc và những biến đổi hóa lý trong kim loại. Phải chọn lượng
dư gia cơng, các thơng số chế độ cắt và trình tự gia cơng sao cho ít gây biến cứng
nhất, tránh sinh nhiệt cục bộ quá lớn khi mài và sinh ra các vết nứt hoặc các khuyết
tật khác.. Phải làm sạch các bavia trên mẫu.
 Trong một loạt mẫu thử các mẫu phải cùng loại vật liệu, công nghệ chế tạo
mẫu phải giống nhau.
 Không được làm hư hỏng bề mặt khi do lần cuối các kích thước phần làm
việc của mẫu.
 Thí nghiệm cán được thực hiện trên các mẫu có mặt cắt trịn hình chữ nhật.

 Kích thước của mẫu thí nghiệm:
Mẫu thí nghiệm làm bằng vật liệu nhơm Al – Mg – Si có kích thước 150x20x5 mm

Hình 2.11 Kích thước mẫu thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm có thể thây đổi vật liệu và kích thước khác nhau tùy vào điều kiện
thí nghiệm


Vật liệu làm mẫu:
Mẫu thí nghiệm làm bằng hợp kim nhơm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt
luyện, thuộc hệ hợp kim Al – Mg – Si.

22


Hình 2.12 Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ pha Al – Mg – Si
ở 2000C (a) và 5500C (b)
Bảng 2.2 Thành phần hóa học của hợp kim nhơm Al – Mg – Si

23