Cán: Quá trình tạo hình kim loại cơ bản trong sản xuất thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Cán là một quá trình tạo hình kim loại trong đó kim loại được đưa qua một hoặc nhiều cặp trục lăn để giảm độ dày, làm cho độ dày đồng đều và/hoặc để tạo ra tính chất cơ học mong muốn. Đây là một trong những quá trình biến dạng cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp thép, chiếm khoảng 90% tất cả các sản phẩm kim loại được sản xuất.

Cán biến đổi cấu trúc vi mô đúc ban đầu của thép thành cấu trúc rèn có tính chất cơ học được cải thiện. Quá trình này tạo ra biến dạng dẻo phá vỡ cấu trúc dạng cây đúc và tạo ra cấu trúc hạt định hướng tinh tế hơn.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, cán chiếm vị trí trung tâm như một kỹ thuật gia công kim loại chính, kết nối quá trình sản xuất thép và sản xuất thành phẩm. Nó vừa là phương tiện định hình thép vừa là quy trình quan trọng để kiểm soát cấu trúc vi mô và tính chất của thép thông qua quá trình biến dạng.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, cán gây ra biến dạng dẻo thông qua chuyển động trật khớp trong mạng tinh thể thép. Khi vật liệu đi qua giữa các con lăn, ứng suất nén vượt quá giới hạn chảy, khiến trật khớp nhân lên và di chuyển dọc theo mặt trượt.

Quá trình biến dạng này dẫn đến sự kéo dài hạt theo hướng cán và tinh chỉnh hạt thông qua quá trình kết tinh lại khi thực hiện ở nhiệt độ cao. Sự chuyển động và tương tác của các vị trí sai lệch dẫn đến sự làm cứng khi cán nguội hoặc phục hồi động và kết tinh lại khi cán nóng.

Ứng suất được áp dụng khiến các kết cấu tinh thể phát triển, trong đó một số hướng tinh thể được căn chỉnh ưu tiên so với hướng cán. Các kết cấu này ảnh hưởng đáng kể đến tính dị hướng cơ học của sản phẩm cán.

Mô hình lý thuyết

Phương pháp tấm là mô hình lý thuyết chính để phân tích các quá trình cán, được von Kármán phát triển vào đầu thế kỷ 20. Phương pháp này coi vùng biến dạng là một thể liên tục và áp dụng các nguyên tắc cân bằng lực để dự đoán lực cán và yêu cầu về công suất.

Hiểu biết lịch sử phát triển từ các quan sát thực nghiệm đến các mô hình tính toán phức tạp. Công trình ban đầu của Siebel và Orowan đã thiết lập mối quan hệ cơ bản giữa lực lăn, diện tích tiếp xúc và ứng suất dòng chảy vật liệu.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm mô hình phần tử hữu hạn (FEM), tính đến biến dạng đàn hồi của các con lăn (làm phẳng con lăn), độ dốc nhiệt độ và sự tiến hóa của cấu trúc vi mô. Các phương pháp giới hạn trên cung cấp các giải pháp phân tích cho các mẫu biến dạng phức tạp hơn, trong khi các mô hình dẻo tinh thể kết nối biến dạng vĩ mô với các cơ chế trượt tinh thể.

Cơ sở khoa học vật liệu

Lăn ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tinh thể bằng cách kéo dài các hạt theo hướng lăn và nén chúng theo hướng vuông góc. Tại ranh giới hạt, biến dạng tạo ra các vùng năng lượng cao có thể đóng vai trò là các vị trí hạt nhân để kết tinh lại trong quá trình ủ tiếp theo.

Sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình cán phụ thuộc vào nhiệt độ, độ biến dạng và tốc độ biến dạng. Cán nóng (trên nhiệt độ kết tinh lại) tạo ra sự kết tinh lại và phục hồi động, trong khi cán nguội tạo ra năng lượng được lưu trữ thông qua quá trình làm cứng mà không cần kết tinh lại ngay lập tức.

Cán kết nối với các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản về biến dạng dẻo, làm cứng, phục hồi, kết tinh lại và phát triển hạt. Quá trình này minh họa cách biến dạng có kiểm soát có thể thiết kế cấu trúc vi mô để đạt được các đặc tính cơ học mong muốn.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Tham số cơ bản trong quá trình cán là độ lún, được định nghĩa là độ giảm độ dày:

$$d = h_0 - h_f$$

Ở đâu:
- $d$ = độ mớn nước tuyệt đối (mm)
- $h_0$ = độ dày ban đầu (mm)
- $h_f$ = độ dày cuối cùng (mm)

Tỷ lệ giảm được đưa ra bởi:

$$r = \frac{h_0 - h_f}{h_0} \lần 100\%$$

Công thức tính toán liên quan

Lực lăn có thể được tính toán bằng cách sử dụng:

$$F = w \cdot L \cdot \bar{p}$$

Ở đâu:
- $F$ = lực lăn (N)
- $w$ = chiều rộng dải (mm)
- $L$ = chiều dài tiếp xúc dự kiến ​​(mm)
- $\bar{p}$ = áp suất trung bình (MPa)

Chiều dài tiếp xúc dự kiến ​​được ước tính như sau:

$$L \approx \sqrt{R \cdot (h_0 - h_f)}$$

Trong đó $R$ là bán kính cuộn (mm).

Mô-men xoắn trên mỗi cuộn được tính như sau:

$$T = F \cdot a$$

Trong đó $a$ là cánh tay đòn (mm), thường được tính gần đúng là $L/2$.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định các con lăn cứng và biến dạng đồng nhất, điều này trở nên kém chính xác hơn khi biến dạng con lăn lớn hoặc khi cán các vật liệu có độ bền cao.

Phương pháp tấm có hiệu lực đối với tỷ lệ chiều rộng trên chiều dày lớn hơn 10, trong đó điều kiện biến dạng phẳng chiếm ưu thế. Đối với các dải hẹp hơn, hiệu ứng cạnh trở nên đáng kể và cần có mô hình 3D.

Các mô hình này giả định điều kiện đẳng nhiệt, điều này hiếm khi đúng trong quá trình cán công nghiệp khi nhiệt độ thay đổi theo độ dày và dọc theo hướng cán.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM A1030: Tiêu chuẩn thực hành để đo đặc tính phẳng của sản phẩm tấm thép.

ISO 9517: Vật liệu kim loại — Tấm và dải — Xác định tỷ lệ biến dạng dẻo.

ASTM E517: Phương pháp thử tiêu chuẩn cho tỷ lệ biến dạng dẻo r cho tấm kim loại.

ASTM E8/E8M: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để kiểm tra độ bền kéo của vật liệu kim loại, được sử dụng để đánh giá các đặc tính sau khi cán.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy cán có nhiều loại, từ quy mô phòng thí nghiệm (thường là cấu hình hai chiều cao) đến máy cán nhiều chân đế công nghiệp. Máy cán có dụng cụ đo lực cán, mô men xoắn và tốc độ bằng cảm biến lực, máy đo mô men xoắn và bộ mã hóa.

Máy đo độ dày quang học và laser liên tục theo dõi độ dày trong quá trình cán. Các hệ thống này sử dụng các nguyên lý truyền ánh sáng, phản xạ hoặc tam giác để đạt được độ chính xác ±1 μm.

Đặc tính nâng cao sử dụng nhiễu xạ tán xạ điện tử (EBSD) để phân tích kết cấu tinh thể và nhiễu xạ tia X để đo ứng suất dư gây ra do cán.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu chuẩn để đánh giá các sản phẩm cán thường tuân theo các kích thước được chỉ định trong ASTM E8/E8M, với chiều dài khổ là 50 mm và chiều rộng là 12,5 mm đối với vật liệu tấm.

Chuẩn bị bề mặt để phân tích cấu trúc vi mô đòi hỏi phải mài, đánh bóng đến độ bóng như gương và khắc bằng thuốc thử thích hợp (ví dụ: 2-5% Nital cho thép cacbon).

Các mẫu phải được lấy theo nhiều hướng khác nhau (hướng cán, hướng ngang và hướng 45° so với hướng cán) để xác định tính dị hướng gây ra bởi quá trình cán.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra tiêu chuẩn thường diễn ra ở nhiệt độ phòng (23 ± 5°C) trừ khi đánh giá các đặc tính ở nhiệt độ cao hoặc mô phỏng các điều kiện dịch vụ.

Tốc độ biến dạng khi thử nghiệm độ bền kéo của các sản phẩm cán thường nằm trong khoảng từ 10^-3 đến 10^-4 s^-1 theo ASTM E8/E8M.

Các thông số của quy trình cán bao gồm tốc độ cán (0,5-20 m/giây), độ giảm trên mỗi lần cán (thường là 10-30% đối với cán nóng, 5-15% đối với cán nguội) và nhiệt độ cán (1000-1250°C đối với cán nóng thép cacbon).

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu lực-độ dịch chuyển được thu thập thông qua hệ thống thu thập kỹ thuật số với tốc độ lấy mẫu từ 10-100 Hz trong quá trình cán trong phòng thí nghiệm.

Phân tích thống kê thường bao gồm việc tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn từ nhiều mẫu vật, với tối thiểu ba mẫu vật cho mỗi điều kiện.

Dữ liệu kết cấu từ EBSD hoặc nhiễu xạ tia X được xử lý bằng cách sử dụng các hàm phân bố hướng (ODF) để định lượng các hướng tinh thể ưa thích thu được từ quá trình cán.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Giảm giá điển hình cho mỗi lần vượt qua	Nhiệt độ lăn	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép Carbon Thấp	20-30% (nóng), 5-15% (lạnh)	850-1150°C (nóng), 20-100°C (lạnh)	Tiêu chuẩn ASTM A1011
Hợp kim thấp cường độ cao	15-25% (nóng), 3-10% (lạnh)	900-1200°C (nóng), 20-100°C (lạnh)	Tiêu chuẩn ASTM A1018
Thép không gỉ	10-20% (nóng), 2-8% (lạnh)	1050-1250°C (nóng), 20-100°C (lạnh)	Tiêu chuẩn ASTMA480
Thép công cụ	5-15% (nóng), 1-5% (lạnh)	1000-1200°C (nóng), 20-150°C (lạnh)	Tiêu chuẩn ASTMA681

Sự thay đổi trong mỗi phân loại chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng carbon và các nguyên tố hợp kim, ảnh hưởng đến ứng suất chảy và hành vi kết tinh lại.

Các giá trị này hướng dẫn thiết lập máy nghiền, nhưng phải được điều chỉnh dựa trên thành phần hợp kim cụ thể, các đặc tính cuối cùng mong muốn và khả năng của máy nghiền. Thép hợp kim cao hơn thường yêu cầu giảm ít hơn trên mỗi lần chạy do khả năng chống biến dạng cao hơn.

Có một xu hướng rõ ràng là việc tăng hàm lượng hợp kim đòi hỏi nhiệt độ cán cao hơn và giảm số lần cán trên mỗi lần để đạt được độ biến dạng tương tự mà không bị nứt hoặc mài mòn cán quá mức.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến các đặc tính định hướng (dị hướng) trong các sản phẩm cán khi thiết kế các thành phần. Hướng cán thường thể hiện độ bền cao hơn và độ dẻo thấp hơn so với hướng ngang.

Hệ số an toàn cho các sản phẩm cán thường nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2,5, với các giá trị cao hơn được áp dụng khi hướng tải vuông góc với hướng cán hoặc khi tính chất xuyên suốt là quan trọng.

Các quyết định lựa chọn vật liệu thường ưu tiên các sản phẩm cán có kết cấu phù hợp cho các hoạt động tạo hình cụ thể, chẳng hạn như kéo sâu (giá trị r cao) hoặc hoạt động kéo giãn (dị hướng phẳng cân bằng).

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Tấm thân xe ô tô cần có lịch trình cán được kiểm soát chính xác để đạt được khả năng định hình tối ưu trong khi vẫn duy trì được độ bền. Thép cường độ cao tiên tiến sử dụng các chiến lược cán và làm mát được thiết kế cẩn thận để phát triển các cấu trúc vi mô đa pha.

Thép kết cấu dùng trong xây dựng đòi hỏi phải có độ dày đồng đều, đạt được thông qua quá trình cán có kiểm soát giúp tinh chỉnh kích thước hạt và giảm thiểu sự phân tách ở đường tâm.

Thép đường ống sử dụng phương pháp cán có kiểm soát tiếp theo là làm nguội nhanh để tạo ra các cấu trúc vi mô hạt mịn với sự kết hợp tuyệt vời giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng hàn để phù hợp với môi trường vận hành khắc nghiệt.

Sự đánh đổi về hiệu suất

Độ bền và khả năng định hình là sự đánh đổi cơ bản trong các sản phẩm cán. Cán nguội làm tăng độ bền thông qua quá trình làm cứng nhưng làm giảm khả năng định hình, đòi hỏi phải xử lý ủ tiếp theo cho nhiều ứng dụng.

Chất lượng hoàn thiện bề mặt thường cạnh tranh với năng suất, vì tốc độ cán cao hơn có thể dẫn đến khuyết tật bề mặt trong khi tốc độ chậm hơn làm giảm sản lượng máy nghiền. Sự cân bằng này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng ô tô tiếp xúc.

Các kỹ sư phải cân bằng giữa quá trình tinh chế hạt (để tăng độ bền) với quá trình phát triển kết cấu (để tạo hình) bằng cách tối ưu hóa nhiệt độ và lịch trình cán mỏng, đặc biệt là trong các loại thép cường độ cao tiên tiến.

Phân tích lỗi

Nứt cạnh là một chế độ hỏng hóc phổ biến trong quá trình cán, do ứng suất kéo tại các cạnh dải vượt quá độ dẻo của vật liệu. Điều này thường là kết quả của việc giảm quá mức mỗi lần đi qua hoặc xử lý cạnh không đúng cách của vật liệu đầu vào.

Sự phân tách (lỗi chia tách trung tâm) xảy ra khi tâm của dải di chuyển nhanh hơn bề mặt, tạo ra lực cắt bên trong lan truyền thành sự chia tách theo chiều dọc. Cơ chế này liên quan đến điều kiện ma sát và biến dạng không đồng nhất theo độ dày.

Những lỗi này có thể được giảm thiểu thông qua việc cắt cạnh đúng cách trước khi cán, lập lịch trình giảm dần và duy trì điều kiện bôi trơn thích hợp giữa trục cán và phôi.

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 hành vi lăn, với mỗi mức tăng 0,1% sẽ làm tăng ứng suất chảy khoảng 35-40 MPa, đòi hỏi lực lăn cao hơn và hạn chế khả năng giảm có thể đạt được.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh có thể phân tách thành ranh giới hạt, làm giảm độ dẻo nóng và tăng nguy cơ nứt cạnh trong quá trình cán, đặc biệt là ở nồng độ trên 0,025%.

Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, Ti, V) được thêm vào một cách chiến lược ở mức 0,02-0,1% để kiểm soát quá trình kết tinh lại trong quá trình cán nóng, cho phép tinh chế hạt thông qua quá trình ghim kết tủa ranh giới hạt.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ban đầu mịn hơn làm giảm lực cán cần thiết nhưng có thể đẩy nhanh quá trình kết tinh lại giữa các lần cán, có khả năng hạn chế hiệu ứng gia cường cuối cùng.

Sự phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hành vi cán, trong đó thép hai pha cần được kiểm soát nhiệt độ cẩn thận để duy trì sự cân bằng ferit-martensit mong muốn trong quá trình cán nóng.

Các tạp chất phi kim loại hoạt động như chất tập trung ứng suất trong quá trình cán, có khả năng hình thành các vết nứt khi kích thước của chúng vượt quá kích thước quan trọng (thường là >100 μm đối với sunfua và >20 μm đối với oxit).

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt trước khi cán có thể đồng nhất cấu trúc vi mô và hòa tan chất kết tủa, giảm lực cán yêu cầu từ 10-15% và cải thiện tính đồng nhất của biến dạng.

Cán có kiểm soát, trong đó biến dạng xảy ra dưới nhiệt độ kết tinh lại, tạo ra các hạt austenit dạng dẹt chuyển thành ferit mịn khi nguội, giúp tăng độ bền lên 20-30% so với cán thông thường.

Tốc độ làm nguội sau khi cán nóng ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất cuối cùng, trong đó làm nguội nhanh (>10°C/giây) thúc đẩy các sản phẩm chuyển đổi mịn trong khi làm nguội chậm (<1°C/giây) cho phép kết tủa và phát triển hạt.

Các yếu tố môi trường

Sự thay đổi nhiệt độ theo chiều rộng hoặc độ dày của sản phẩm cán có thể gây ra biến dạng khác nhau, dẫn đến các khuyết tật phẳng như các cạnh lượn sóng hoặc các nếp gấp ở giữa.

Môi trường ẩm ướt có thể đẩy nhanh quá trình làm mát trong quá trình cán nóng thông qua quá trình truyền nhiệt bay hơi tăng cường, có khả năng tạo ra các gradient cấu trúc vi mô không mong muốn nếu không được kiểm soát đúng cách.

Sự hình thành vảy oxit trong quá trình cán nóng tăng theo nhiệt độ và áp suất riêng phần của oxy, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và độ mòn của trục cán. Độ dày của vảy thường tăng ở mức 0,1-0,5 mm/phút ở nhiệt độ trên 1000°C.

Phương pháp cải tiến

Quy trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) kết hợp kiểm soát nhiệt độ chính xác với lịch trình giảm cán cụ thể để tinh chỉnh kích thước hạt thành 5-10 μm, tăng cả độ bền và độ dẻo dai lên 30-50% so với cán thông thường.

Tối ưu hóa bôi trơn có thể giảm lực lăn 15-30% trong khi cải thiện độ hoàn thiện bề mặt. Nhũ tương dầu trong nước (nồng độ 3-10%) phổ biến đối với cán nguội, trong khi cán nóng thường chỉ sử dụng nước để làm mát và loại bỏ cặn.

Hệ thống uốn và dịch chuyển trục cán bù trừ cho biến dạng đàn hồi của trục cán, cải thiện dung sai độ dày lên ±0,5% và độ phẳng xuống dưới 5 đơn vị I (độ lệch 5 mm/m so với độ phẳng hoàn hảo).

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Độ cứng khi làm việc mô tả sự gia tăng độ bền xảy ra trong quá trình cán nguội do sự nhân lên và tương tác của sự sai lệch, được định lượng bằng số mũ độ cứng khi làm việc (giá trị n).

Tính dị hướng đề cập đến sự thay đổi theo hướng của các tính chất cơ học do kết cấu tinh thể phát triển trong quá trình cán, được đo bằng tỷ số biến dạng dẻo (giá trị r).

Kết tinh lại mô tả quá trình hình thành các hạt mới, không bị biến dạng, thay thế các hạt bị biến dạng trong hoặc sau khi cán, kiểm soát kích thước và kết cấu hạt cuối cùng trong sản phẩm.

Các thuật ngữ này được kết nối với nhau thông qua mối quan hệ cơ bản giữa quá trình biến dạng, sự tiến hóa của cấu trúc vi mô và tính chất cơ học cuối cùng trong các sản phẩm cán.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A1018/A1018M cung cấp các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho thép tấm và thép dải hợp kim thấp cường độ cao và cacbon cán nóng, xác định giới hạn thành phần hóa học và các yêu cầu về tính chất cơ học.

Tiêu chuẩn EN 10149 quy định các yêu cầu đối với sản phẩm phẳng cán nóng làm từ thép cường độ cao dùng để tạo hình nguội, trong đó phần 1-3 bao gồm các cấp độ bền và quy trình gia công khác nhau.

Tiêu chuẩn JIS G3131 khác với tiêu chuẩn ASTM ở chỗ nêu rõ các yêu cầu về độ phẳng nghiêm ngặt hơn và bao gồm các thông số về khả năng tạo hình như giá trị r và giá trị n trong hệ thống phân loại của tiêu chuẩn này.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào mô hình hóa toàn bộ quy trình liên kết các thông số cán trực tiếp với cấu trúc vi mô và tính chất cuối cùng, cho phép tạo bản sao kỹ thuật số của các quy trình cán để tối ưu hóa thời gian thực.

Các công nghệ mới nổi bao gồm giám sát cấu trúc vi mô trực tuyến bằng kỹ thuật điện từ hoặc siêu âm, cho phép kiểm soát thích ứng các thông số cán dựa trên các đặc tính vật liệu đang thay đổi.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ tích hợp trí tuệ nhân tạo để điều khiển máy cán tự động, dự đoán và bù đắp những biến đổi trong quy trình trước khi chúng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, có khả năng giảm 30-50% biến đổi về tính chất.