Tổng quan nghiên cứu

Gia công kim loại bằng áp lực là phương pháp chủ đạo trong sản xuất các sản phẩm kim loại với hơn 70% sản phẩm kim loại được tạo ra bằng công nghệ cán. Năm 2012, sản lượng thép chưa qua gia công toàn cầu đạt khoảng hàng tỷ tấn, cho thấy tầm quan trọng của các phương pháp gia công áp lực truyền thống như cán, kéo, ép, rèn, dập. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống thường làm kim loại biến cứng, giảm độ dẻo và độ dai, gây hạn chế về tính chất cơ học của vật liệu. Do đó, công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được phát triển nhằm tạo ra vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn, tăng độ bền mà không làm giảm độ dai.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cán rung động ngang nhằm tạo độ bền cao cho hợp kim Al-Mg-Si, một loại hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện, có tính chống ăn mòn tốt và độ dẻo cao. Mục tiêu cụ thể là thiết kế máy cán tích hợp dao động ngang của trục cán, chế tạo và thử nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của dao động ngang đến cơ tính vật liệu sau cán. Nghiên cứu được thực hiện tại Tp. Hồ Chí Minh trong năm 2016, với phạm vi vật liệu là hợp kim Al-Mg-Si kích thước mẫu 150x20x5 mm.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ bền kéo tối đa của hợp kim lên đến 450 MPa với biên độ dao động 1,5 mm, đồng thời cải thiện độ nhẵn bóng bề mặt và tiết kiệm vật liệu. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ cán biến dạng dẻo mãnh liệt ứng dụng trong sản xuất công nghiệp hợp kim nhôm có cấu trúc hạt siêu mịn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) và công nghệ cán truyền thống. Hai nhóm phương pháp SPD được phân loại gồm:

  • Nhóm 1: Phương pháp gia công kim loại khối không liên tục như Ép kim loại qua góc kênh không đổi (ECAP) và Xoắn kim loại dưới áp lực cao (HPT). Các phương pháp này tạo ra vật liệu hạt siêu mịn nhưng năng suất thấp, kích thước phôi nhỏ.

  • Nhóm 2: Phương pháp gia công liên tục kim loại tấm như Cán dính tích luỹ (ARB), Cán kim loại qua góc kênh không đổi (ECAR), Cán kim loại với vận tốc hai trục khác nhau (HRDSR), và Cán tích hợp giao động dọc trục (TWVR). Nhóm này phù hợp sản xuất quy mô lớn, tạo hạt siêu mịn hiệu quả.

Ba đến năm khái niệm chính được áp dụng gồm: biến dạng dẻo mãnh liệt, cấu trúc hạt siêu mịn, dao động ngang trục cán, lực cán và biến dạng cắt. Ngoài ra, các hiện tượng sai lệch mạng tinh thể (điểm, đường, mặt, khối), hồi phục và kết tinh lại cũng được xem xét để giải thích sự thay đổi cấu trúc vật liệu sau gia công.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm tài liệu trong và ngoài nước về công nghệ SPD, hợp kim Al-Mg-Si, và các phương pháp gia công cán. Phương pháp nghiên cứu kết hợp phân tích lý thuyết, thiết kế kỹ thuật và thực nghiệm chế tạo máy.

Cỡ mẫu thí nghiệm là các thanh hợp kim Al-Mg-Si kích thước 150x20x5 mm, được gia công trên máy cán rung động ngang do nhóm nghiên cứu thiết kế. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đồng nhất vật liệu và quy trình chế tạo mẫu thống nhất để đảm bảo tính khách quan.

Phân tích lực cán, moment và công suất được thực hiện dựa trên các công thức kinh nghiệm và tính toán kỹ thuật, đồng thời sử dụng mô hình mô phỏng số để đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành như tần số, biên độ dao động, vận tốc trục cán.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, bao gồm các giai đoạn: tổng quan tài liệu, thiết kế máy, chế tạo cơ khí và điều khiển, thử nghiệm vận hành và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế và chế tạo thành công máy cán rung động ngang với hai trục cán quay ngược chiều, trong đó một trục có dao động ngang biên độ từ 0 đến 2 mm, tần số 5 Hz, vận tốc quay 2 vòng/phút. Máy vận hành ổn định, đáp ứng yêu cầu thí nghiệm.

  2. Ảnh hưởng của dao động ngang đến độ bền kéo của hợp kim Al-Mg-Si: Mẫu sau cán có độ bền kéo tối đa đạt 450 MPa tại biên độ dao động 1,5 mm, tăng đáng kể so với mẫu cán thông thường. Lượng ép 40% (giảm chiều dày từ 5 mm xuống 3 mm) được áp dụng trong 4 bước cán.

  3. Cấu trúc hạt siêu mịn được hình thành sau quá trình cán nhờ biến dạng dẻo mãnh liệt kết hợp dao động ngang, làm tăng mật độ sai lệch mạng tinh thể và tạo nhiều mầm kết tinh. Kích thước hạt giảm xuống dưới 1 µm, cải thiện độ bền mà không làm giảm độ dai.

  4. So sánh với các phương pháp SPD khác như ECAP, HPT, TWVR, máy cán rung động ngang có ưu điểm là chế tạo đơn giản, chi phí thấp, phù hợp cho nghiên cứu và sản xuất quy mô nhỏ đến trung bình. Tuy nhiên, cần tối ưu thêm các thông số vận hành để nâng cao hiệu quả biến dạng cắt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự tăng độ bền là do dao động ngang tạo ra biến dạng cắt lớn hơn, làm tăng mật độ sai lệch mạng tinh thể và kích thích quá trình kết tinh lại lần thứ nhất, hình thành hạt siêu mịn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về TWVR và HRDSR, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc tích hợp dao động ngang trong máy cán.

Biểu đồ phân bố kích thước hạt và biểu đồ so sánh độ bền kéo giữa mẫu cán thông thường và mẫu cán rung động ngang sẽ minh họa rõ sự cải thiện tính chất vật liệu. Bảng số liệu lực cán, moment và công suất cũng cho thấy máy hoạt động ổn định trong giới hạn thiết kế.

Tuy nhiên, dao động ngang cũng làm tăng độ ồn và yêu cầu bảo trì cao hơn, cần nghiên cứu thêm về vật liệu ổ trục và cơ cấu tạo dao động để giảm thiểu nhược điểm này. So với các phương pháp SPD quy mô lớn, máy cán rung động ngang có thể được ứng dụng hiệu quả trong nghiên cứu và sản xuất hợp kim nhôm có độ bền cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thông số vận hành máy cán như biên độ dao động, tần số, vận tốc trục cán và lượng ép để đạt hiệu quả biến dạng dẻo mãnh liệt tối ưu, nâng cao độ bền và độ dai của hợp kim. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu và kỹ sư vận hành.

  2. Nâng cấp hệ thống ổ đỡ và cơ cấu tạo dao động sử dụng ổ trượt chịu va đập tốt và cơ cấu cam lệch tâm để giảm tiếng ồn và tăng độ bền máy. Thời gian: 3-6 tháng, chủ thể: bộ phận cơ khí và bảo trì.

  3. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại hợp kim nhôm khác và vật liệu kim loại màu nhằm đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao giá trị công nghệ. Thời gian: 12-18 tháng, chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất.

  4. Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất công nghiệp dựa trên máy cán rung động ngang, kết hợp với hệ thống điều khiển tự động và giám sát chất lượng để đảm bảo tính ổn định và năng suất. Thời gian: 18-24 tháng, chủ thể: doanh nghiệp và trung tâm nghiên cứu ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và phương pháp chế tạo máy cán biến dạng dẻo mãnh liệt, ứng dụng trong gia công hợp kim nhôm.

  2. Doanh nghiệp sản xuất hợp kim nhôm và kim loại màu: Áp dụng công nghệ cán rung động ngang để nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng độ bền và tiết kiệm vật liệu.

  3. Các viện nghiên cứu và trung tâm phát triển công nghệ vật liệu: Tham khảo mô hình thiết kế máy và kết quả thử nghiệm để phát triển các công nghệ gia công mới.

  4. Chuyên gia thiết kế máy công nghiệp và kỹ sư vận hành: Học hỏi kinh nghiệm thiết kế, lựa chọn cơ cấu truyền động, hộp giảm tốc, và hệ thống điều khiển tốc độ phù hợp với máy cán rung động ngang.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy cán rung động ngang có ưu điểm gì so với máy cán truyền thống?
    Máy cán rung động ngang tạo ra biến dạng dẻo mãnh liệt nhờ dao động ngang của trục cán, giúp tạo cấu trúc hạt siêu mịn, tăng độ bền mà không làm giảm độ dai. Ví dụ, độ bền kéo hợp kim Al-Mg-Si tăng lên 450 MPa so với cán thông thường.

  2. Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) là gì?
    SPD là quá trình gia công kim loại với biến dạng dẻo rất lớn nhằm tạo ra vật liệu có hạt siêu mịn (kích thước hạt <1 µm), cải thiện tính chất cơ học như độ bền và độ dai mà không cần xử lý nhiệt phức tạp.

  3. Tại sao chọn hợp kim Al-Mg-Si làm vật liệu thí nghiệm?
    Hợp kim Al-Mg-Si có độ dẻo cao, khả năng chịu biến dạng tốt, tính chống ăn mòn và cơ tính vượt trội so với nhôm nguyên chất, phù hợp cho nghiên cứu gia công biến dạng dẻo mãnh liệt.

  4. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu sau cán?
    Các yếu tố gồm biên độ và tần số dao động ngang, vận tốc trục cán, lượng ép và nhiệt độ gia công. Điều chỉnh hợp lý các thông số này giúp tối ưu cấu trúc hạt và tính chất cơ học.

  5. Máy cán rung động ngang có thể ứng dụng trong sản xuất quy mô lớn không?
    Hiện tại máy phù hợp cho nghiên cứu và sản xuất quy mô nhỏ đến trung bình do chi phí và thiết kế đơn giản. Tuy nhiên, với tối ưu và nâng cấp, công nghệ này có tiềm năng mở rộng quy mô công nghiệp.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy cán rung động ngang tạo biến dạng dẻo mãnh liệt cho hợp kim Al-Mg-Si.
  • Máy vận hành ổn định với biên độ dao động ngang đến 2 mm, tần số 5 Hz, vận tốc 2 vòng/phút.
  • Mẫu sau cán có độ bền kéo tối đa 450 MPa, tăng đáng kể so với cán truyền thống.
  • Cấu trúc hạt siêu mịn được hình thành, cải thiện tính chất cơ học mà không giảm độ dai.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu thông số vận hành, nâng cấp cơ cấu máy và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm mở rộng, đồng thời phát triển quy trình công nghệ sản xuất dựa trên máy cán rung động ngang để nâng cao chất lượng hợp kim nhôm trong thực tế.