Đùn: Biến đổi thép thông qua quá trình biến dạng có kiểm soát

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Đùn là một quá trình tạo hình kim loại trong đó phôi vật liệu được ép qua khuôn có diện tích mặt cắt ngang nhỏ hơn, tạo ra sản phẩm có mặt cắt ngang đồng đều khớp với lỗ mở khuôn. Quá trình này biến đổi cấu trúc vi mô và tính chất của vật liệu đồng thời tạo ra các cấu hình phức tạp mà các phương pháp sản xuất khác khó có thể đạt được.

Đùn là một kỹ thuật biến dạng khối cơ bản trong quá trình gia công vật liệu, cho phép sản xuất các sản phẩm kim loại dài, thẳng với các mặt cắt ngang đồng nhất. Quá trình này tận dụng khả năng biến dạng dẻo của kim loại ở nhiệt độ cao để tạo ra các thành phần có độ hoàn thiện bề mặt và độ chính xác về kích thước tuyệt vời.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, đùn ép là một hoạt động tạo hình quan trọng, kết nối sản xuất kim loại cơ bản và sản xuất thành phần hoàn thiện. Nó cho phép chuyển đổi các thỏi đúc hoặc phôi thành các sản phẩm bán thành phẩm hoặc thành phẩm đồng thời tinh chỉnh cấu trúc hạt và tăng cường các tính chất cơ học thông qua biến dạng có kiểm soát.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, đùn liên quan đến dòng chảy dẻo của kim loại dưới lực nén vượt quá giới hạn chảy của vật liệu. Biến dạng này xảy ra thông qua chuyển động trật khớp trong mạng tinh thể, cho phép các mặt phẳng nguyên tử trượt qua nhau trong khi vẫn duy trì sự gắn kết của vật liệu.

Biến dạng dẻo nghiêm trọng trong quá trình đùn gây ra sự tinh chế hạt đáng kể thông qua quá trình kết tinh lại và phục hồi động. Các cơ chế này liên quan đến việc hình thành các hạt không biến dạng mới thay thế các hạt bị biến dạng, tạo ra cấu trúc vi mô tinh tế hơn với các tính chất cơ học được cải thiện.

Mẫu dòng chảy của kim loại trong quá trình đùn theo các đường dẫn phức tạp được xác định bởi hình dạng khuôn, điều kiện ma sát và tính chất vật liệu. Dòng chảy này tạo ra các kết cấu sợi đặc trưng, ​​trong đó các hạt bị kéo dài theo hướng đùn, dẫn đến các tính chất cơ học dị hướng trong sản phẩm cuối cùng.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính cho quá trình đùn là Định lý giới hạn trên, tính toán lực tối đa cần thiết để biến dạng bằng cách phân tích các trường vận tốc có thể chấp nhận được về mặt động học. Phương pháp này cung cấp ước tính thận trọng về áp suất đùn cần thiết để vượt qua sức cản và ma sát của vật liệu.

Sự hiểu biết về cơ học đùn đã phát triển đáng kể từ các phương pháp tiếp cận thực nghiệm ban đầu vào những năm 1800 đến các mô hình phân tích phức tạp vào giữa thế kỷ 20. Công trình của Siebel vào những năm 1920 và những đóng góp của Sachs vào những năm 1930 đã thiết lập mối quan hệ cơ bản giữa các thông số đùn và dòng vật liệu.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết thay thế bao gồm Phương pháp tấm, chia vùng biến dạng thành các phần tử vi phân để phân tích cân bằng lực, và Phân tích phần tử hữu hạn (FEA), sử dụng các phương pháp số để mô hình hóa các mẫu dòng vật liệu phức tạp và dự đoán sự hình thành khuyết tật trong quá trình đùn.

Cơ sở khoa học vật liệu

Quá trình đùn ảnh hưởng sâu sắc đến cấu trúc tinh thể bằng cách kéo dài các hạt theo hướng dòng chảy vật liệu, tạo ra cấu trúc vi mô dạng sợi. Tại ranh giới hạt, xảy ra hiện tượng cắt mạnh, có thể dẫn đến kết tinh lại động trong quá trình đùn nóng hoặc làm cứng biến dạng trong quá trình đùn lạnh.

Sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình đùn phụ thuộc vào nhiệt độ, tốc độ biến dạng và thành phần vật liệu. Đùn nóng thường tạo ra các hạt kết tinh lại có trục bằng nhau, trong khi đùn lạnh tạo ra các cấu trúc hạt dài, biến dạng cao với mật độ sai lệch tăng lên.

Đùn đùn minh họa các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản về biến dạng dẻo, làm cứng và quá trình phục hồi. Sự cân bằng giữa làm cứng biến dạng và làm mềm nhiệt trong quá trình đùn nóng quyết định cấu trúc vi mô và tính chất cuối cùng của sản phẩm đùn.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Áp suất đùn cần thiết để bắt đầu dòng kim loại chảy qua khuôn có thể được biểu thị như sau:

$$P = K \ln\left(\frac{A_0}{A_f}\right) + \alpha$$

Trong đó $P$ là áp suất đùn, $K$ là ứng suất chảy của vật liệu, $A_0$ là diện tích mặt cắt ngang ban đầu, $A_f$ là diện tích mặt cắt ngang cuối cùng và $\alpha$ biểu thị áp suất bổ sung do ma sát và công dư thừa.

Công thức tính toán liên quan

Tỷ lệ đùn, một thông số cơ bản trong quá trình đùn, được định nghĩa như sau:

$$R = \frac{A_0}{A_f}$$

Trong đó $R$ là tỷ lệ đùn, $A_0$ là diện tích mặt cắt ngang ban đầu của phôi và $A_f$ là diện tích mặt cắt ngang cuối cùng của sản phẩm đùn.

Độ biến dạng mà vật liệu phải chịu trong quá trình đùn có thể được tính như sau:

$$\varepsilon = \ln\left(\frac{A_0}{A_f}\right) = \ln(R)$$

Trong đó $\varepsilon$ là độ biến dạng thực và $R$ là tỷ lệ đùn. Công thức này giúp các kỹ sư dự đoán những thay đổi về tính chất vật liệu do quá trình biến dạng gây ra.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình toán học này giả định sự biến dạng đồng nhất và các đặc tính vật liệu đẳng hướng, điều này có thể không đúng đối với hình dạng khuôn phức tạp hoặc vật liệu có kết cấu ban đầu mạnh.

Các công thức này chính xác nhất đối với quá trình đùn trực tiếp các cấu hình đơn giản và có thể cần phải sửa đổi đối với quá trình đùn gián tiếp hoặc mặt cắt phức tạp khi dòng vật liệu không đồng đều.

Các công thức cơ bản này không đưa rõ tác động của nhiệt độ vào, do đó cần có các điều khoản bổ sung hoặc hệ số hiệu chỉnh khi mô hình hóa các quy trình đùn nóng trong đó ứng suất dòng chảy vật liệu thay đổi đáng kể theo nhiệt độ.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM B557 bao gồm thử nghiệm tính chất cơ học của hợp kim nhôm đùn, bao gồm độ bền kéo, giới hạn chảy và phép đo độ giãn dài.

ISO 6892 cung cấp các phương pháp chuẩn hóa để thử nghiệm độ bền kéo của vật liệu kim loại, áp dụng cho các sản phẩm thép đùn để xác định các tính chất cơ học.

ASTM E112 thiết lập các quy trình để xác định kích thước hạt trong các sản phẩm đùn, điều này rất quan trọng để so sánh cấu trúc vi mô với các tính chất cơ học.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy ép đùn thủy lực được trang bị cảm biến lực và đầu dò dịch chuyển được sử dụng để theo dõi mối quan hệ lực-dịch chuyển trong quá trình đùn. Các phép đo này cung cấp thông tin chi tiết về hành vi dòng chảy vật liệu và đặc điểm làm đầy khuôn.

Các kỹ thuật kính hiển vi quang học và điện tử cho phép mô tả đặc điểm cấu trúc vi mô của các sản phẩm đùn, tiết lộ kích thước hạt, hướng và phân bố pha. Các phân tích này giúp liên hệ các thông số xử lý với các cấu trúc vi mô thu được.

Các công cụ phân tích đặc tính tiên tiến như Khúc xạ tán xạ điện tử (EBSD) cho phép phân tích kết cấu của các sản phẩm đùn, cung cấp dữ liệu định lượng về hướng tinh thể ảnh hưởng đến tính dị hướng cơ học.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kéo tiêu chuẩn từ các sản phẩm đùn thường tuân theo kích thước ASTM E8, với chiều dài đo tỷ lệ thuận với diện tích mặt cắt ngang và được gia công cẩn thận để tránh tập trung ứng suất.

Chuẩn bị bề mặt để phân tích cấu trúc vi mô đòi hỏi phải mài, đánh bóng và thường xuyên khắc để lộ ranh giới hạt và pha. Các mẫu phải được cắt để bảo toàn thông tin định hướng so với hướng đùn.

Để có đặc tính toàn diện, cần lấy mẫu từ nhiều vị trí trong sản phẩm đùn để tính đến những biến thể tiềm ẩn về cấu trúc vi mô và tính chất trên toàn bộ mặt cắt ngang.

Thông số thử nghiệm

Quá trình giám sát đùn thường diễn ra ở nhiệt độ từ nhiệt độ phòng (đùn nguội) đến 1200°C (đùn nóng đối với thép), trong đó việc kiểm soát nhiệt độ chính xác là rất quan trọng để có kết quả đồng nhất.

Tốc độ ram trong quá trình thử nghiệm đùn thường nằm trong khoảng từ 1-50 mm/giây, với tốc độ cụ thể được lựa chọn dựa trên loại vật liệu và sự phát triển vi cấu trúc mong muốn.

Nhiệt độ của thùng chứa và khuôn, điều kiện bôi trơn và các thông số gia nhiệt phôi trước phải được kiểm soát cẩn thận và ghi chép lại để đảm bảo kết quả thử nghiệm có thể tái tạo được.

Xử lý dữ liệu

Đường cong lực-biến dạng từ các thử nghiệm đùn được ghi lại và xử lý kỹ thuật số để tính toán áp suất đùn, nhu cầu năng lượng và hành vi dòng chảy vật liệu.

Phân tích thống kê dữ liệu về tính chất cơ học thường bao gồm tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy để tính đến sự thay đổi của vật liệu.

Định lượng cấu trúc vi mô bao gồm phân tích hình ảnh kỹ thuật số để xác định phân bố kích thước hạt, thành phần pha và các thông số kết cấu có liên quan đến điều kiện xử lý.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi tỷ lệ đùn điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép Cacbon (1018-1045)	10:1 đến 25:1	900-1200°C, 5-15 mm/giây	Tiêu chuẩn ASTMA576
Thép không gỉ (304, 316)	8:1 đến 20:1	1050-1200°C, 3-10 mm/giây	Tiêu chuẩn ASTMA276
Thép công cụ (H13, D2)	6:1 đến 15:1	1100-1250°C, 2-8 mm/giây	Tiêu chuẩn ASTMA681
Thép tốc độ cao (M2, M4)	4:1 đến 12:1	1150-1250°C, 1-5 mm/giây	Tiêu chuẩn ASTMA600

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thép chủ yếu là do sự khác biệt về hàm lượng carbon và các nguyên tố hợp kim, ảnh hưởng đến ứng suất chảy và khả năng chống biến dạng trong quá trình đùn.

Tỷ lệ đùn cao hơn thường tạo ra cấu trúc hạt mịn hơn và cải thiện tính chất cơ học nhưng đòi hỏi áp suất đùn lớn hơn và có thể làm tăng nguy cơ hình thành khuyết tật.

Có một xu hướng rõ ràng tồn tại giữa các loại thép, với các hệ thống hợp kim phức tạp hơn (thép công cụ và thép tốc độ cao) đòi hỏi tỷ lệ đùn thấp hơn do khả năng chống biến dạng cao hơn và cửa sổ gia công hẹp hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến các đặc tính định hướng trong các sản phẩm đùn, vì kết cấu sợi được tạo ra trong quá trình đùn thường tạo ra độ bền cao hơn theo hướng song song với hướng đùn so với hướng ngang.

Hệ số an toàn cho các thành phần đùn thường nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2,5, với các giá trị cao hơn được áp dụng khi tính chất vật liệu có sự thay đổi đáng kể hoặc khi thành phần đảm nhiệm các chức năng cấu trúc quan trọng.

Việc lựa chọn vật liệu để đùn thường ưu tiên khả năng gia công nóng tuyệt vời, ứng suất chảy thích hợp ở nhiệt độ đùn và các yêu cầu về tính chất cuối cùng, trong đó hợp kim nhôm và đồng được ưu tiên cho các cấu hình phức tạp do khả năng đùn vượt trội so với thép.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Ngành công nghiệp ô tô sử dụng rộng rãi các thành phần thép đùn cho các bộ phận kết cấu, trục truyền động và các thành phần hệ thống treo, trong đó mặt cắt ngang đồng nhất và các đặc tính cơ học được cải thiện nhờ quá trình tinh chế hạt mang lại cơ hội giảm trọng lượng.

Các ứng dụng xây dựng tận dụng các phần thép đùn để làm giá đỡ kết cấu, lan can và các thành phần kiến ​​trúc, tận dụng khả năng tạo ra các cấu hình phức tạp với độ đồng nhất về kích thước và độ hoàn thiện bề mặt tuyệt vời của quy trình này.

Các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng bao gồm ống đùn cho bộ trao đổi nhiệt, lớp vỏ nhiên liệu hạt nhân và vận chuyển dầu/khí, trong đó bản chất liền mạch và cấu trúc vi mô được kiểm soát của các sản phẩm đùn giúp nâng cao hiệu suất trong điều kiện dịch vụ khắt khe.

Sự đánh đổi về hiệu suất

Tỷ lệ đùn thể hiện sự đánh đổi quan trọng: tỷ lệ cao hơn sẽ cải thiện độ tinh khiết của hạt và các đặc tính cơ học nhưng lại làm tăng áp suất cần thiết và mức tiêu thụ năng lượng, đồng thời có khả năng gây ra các khuyết tật như vỡ hạt ở giữa.

Chất lượng hoàn thiện bề mặt thường xung đột với tốc độ sản xuất vì tốc độ đùn cao hơn tạo ra nhiều nhiệt hơn thông qua biến dạng và ma sát, có khả năng gây ra các khuyết tật bề mặt như rách hoặc hoa văn dính.

Tuổi thọ khuôn và độ chính xác về kích thước sản phẩm là một yếu tố cân bằng khác, vì vật liệu khuôn cứng hơn có khả năng chống mài mòn tốt hơn nhưng dễ bị gãy giòn hơn dưới ứng suất cao của quá trình đùn thép.

Phân tích lỗi

Hỏng khuôn là một vấn đề phổ biến trong quá trình đùn thép, thường biểu hiện dưới dạng mòn, biến dạng dẻo hoặc gãy nghiêm trọng. Những hỏng hóc này là kết quả của sự kết hợp giữa áp suất tiếp xúc cao, chu kỳ nhiệt và mài mòn do cặn oxit.

Các khuyết tật đùn như hình thành ống (khoảng trống ở giữa) phát triển khi các mẫu dòng vật liệu tạo ra ứng suất kéo ở vùng trung tâm của sản phẩm đùn, đặc biệt là ở tỷ lệ đùn cao hoặc khi chuẩn bị phôi không đúng cách.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm tối ưu hóa thiết kế khuôn với góc tiếp cận và chiều dài ổ trục phù hợp, triển khai hệ thống bôi trơn thích hợp và kiểm soát cẩn thận sự phân bổ nhiệt độ phôi để đảm bảo dòng vật liệu chảy đồng đều.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến khả năng đùn thép, với mức carbon cao hơn làm tăng ứng suất chảy và giảm cửa sổ xử lý. Hàm lượng carbon tối ưu để đùn thường nằm trong khoảng 0,1-0,3% đối với thép kết cấu.

Các nguyên tố vi lượng như lưu huỳnh và chì có thể cải thiện khả năng đùn bằng cách hoạt động như chất bôi trơn bên trong giúp giảm ma sát và ứng suất chảy, mặc dù chúng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính khác như khả năng hàn hoặc khả năng chống ăn mòn.

Tối ưu hóa thành phần cho quá trình đùn thường liên quan đến việc cân bằng các thành phần thúc đẩy khả năng gia công (như niken trong thép không gỉ) với các thành phần tăng cường các tính chất cuối cùng (như crom để chống ăn mòn).

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ban đầu mịn hơn thường cải thiện khả năng đùn bằng cách tạo ra biến dạng đồng đều hơn và giảm nguy cơ nứt, đặc biệt là ở nhiệt độ đùn thấp hơn.

Sự phân bố pha ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất đùn, trong đó các cấu trúc đơn pha đồng nhất thường đùn dễ dự đoán hơn so với các vật liệu đa pha, trong đó các pha cứng hơn có thể gây ra tình trạng mất ổn định dòng chảy.

Các tạp chất và khuyết tật đóng vai trò là chất tập trung ứng suất trong quá trình đùn, có khả năng dẫn đến nứt hoặc khuyết tật bề mặt ở sản phẩm cuối cùng, khiến cho quy trình sản xuất thép sạch trở nên cần thiết để đùn thép chất lượng cao.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt trước khi đùn, đặc biệt là ủ thường hóa hoặc ủ cầu hóa, có thể cải thiện đáng kể khả năng đùn bằng cách tạo ra các cấu trúc vi mô đồng đều và mềm hơn.

Lịch sử làm việc cơ học ảnh hưởng đến hiệu suất đùn thông qua ứng suất tích lũy và sự phát triển kết cấu, trong đó phôi đúc thường yêu cầu nhiệt độ đùn cao hơn vật liệu rèn.

Tốc độ làm mát sau khi đùn ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất cuối cùng, trong khi quá trình làm mát được kiểm soát cho phép làm cứng kết tủa trong một số hợp kim nhất định hoặc ngăn ngừa các chuyển đổi pha không mong muốn trong các hợp kim khác.

Các yếu tố môi trường

Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình đùn có thể khiến dòng vật liệu chảy không đồng đều, ngay cả những biến động nhỏ (±20°C) cũng có khả năng dẫn đến những thay đổi đáng kể về áp suất đùn và chất lượng sản phẩm.

Độ ẩm và điều kiện khí quyển ảnh hưởng đến hiệu quả bôi trơn và quá trình oxy hóa, đặc biệt là trong quá trình đùn nóng khi sự hình thành cặn ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và độ mài mòn của khuôn.

Việc lưu trữ lâu dài các sản phẩm đùn trong môi trường ăn mòn có thể dẫn đến nứt do ăn mòn ứng suất, đặc biệt là ở các thành phần có ứng suất dư từ quá trình đùn.

Phương pháp cải tiến

Quá trình xử lý nhiệt cơ thông qua nhiệt độ đùn được kiểm soát và xử lý nhiệt tiếp theo có thể tối ưu hóa cấu trúc hạt và hành vi kết tủa, tăng cường cả độ bền và độ dẻo dai.

Thiết kế khuôn tiên tiến sử dụng động lực học chất lưu tính toán và phân tích phần tử hữu hạn cho phép tạo ra đường dẫn dòng vật liệu được tối ưu hóa giúp giảm khuyết tật và cải thiện độ chính xác về kích thước.

Các phương pháp xử lý bề mặt như thấm nitơ hoặc áp dụng lớp phủ chuyển đổi có thể nâng cao hiệu suất của các sản phẩm đùn bằng cách cải thiện khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn hoặc tính thẩm mỹ.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Đùn nóng là quá trình được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại của vật liệu, cho phép biến dạng lớn hơn với lực thấp hơn do ứng suất chảy giảm ở nhiệt độ cao.

Đùn nguội là quá trình tạo hình dưới nhiệt độ kết tinh lại, tạo ra sự cứng khi làm việc và bề mặt có khả năng hoàn thiện tốt hơn nhưng đòi hỏi lực lớn hơn và hạn chế khả năng biến dạng có thể đạt được.

Đùn thủy tĩnh là một kỹ thuật chuyên biệt trong đó phôi được bao quanh hoàn toàn bởi môi trường chất lỏng có áp suất, giúp giảm ma sát và cho phép đùn các vật liệu giòn hoặc khó tạo hình.

Mối quan hệ giữa các thuật ngữ này phản ánh một loạt các phương pháp xử lý cân bằng giữa khả năng tạo hình, yêu cầu về năng lượng và tính chất của sản phẩm cuối cùng.

Tiêu chuẩn chính

ASTM B221 cung cấp các thông số kỹ thuật toàn diện cho các thanh, que, dây, hồ sơ và ống nhôm đùn và hợp kim nhôm, bao gồm dung sai kích thước, tính chất cơ học và yêu cầu thử nghiệm.

EN 755 là tiêu chuẩn châu Âu dành cho nhôm đùn và hợp kim nhôm, với nhiều phần đề cập đến các dạng sản phẩm và phương pháp thử nghiệm khác nhau.

JIS H4100 nêu chi tiết các tiêu chuẩn công nghiệp của Nhật Bản đối với thanh và cấu hình đồng đùn và hợp kim đồng, có sự khác biệt đáng kể so với các tiêu chuẩn ASTM về phạm vi thành phần cho phép và các yêu cầu về tính chất.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào biến dạng dẻo nghiêm trọng thông qua đùn góc kênh bằng nhau (ECAE) để sản xuất vật liệu có hạt siêu mịn với tỷ lệ độ bền trên trọng lượng đặc biệt.

Các công nghệ mới nổi như quy trình sản xuất đùn kết hợp đắp dần kết hợp tính nhất quán của đùn với tính tự do về mặt hình học của các kỹ thuật đắp dần để tạo ra các thiết kế linh kiện mới.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ nhấn mạnh vào hệ thống giám sát tại chỗ và kiểm soát thời gian thực, điều chỉnh các thông số đùn dựa trên hành vi dòng chảy vật liệu, cho phép xử lý thích ứng để có chất lượng sản phẩm đồng nhất hơn trên các vật liệu đầu vào khác nhau.