Quy trình chế tạo kim loại: 4 kỹ thuật

Bài viết này đưa ra ánh sáng về bốn kỹ thuật hàng đầu được sử dụng trong quá trình chế tạo kim loại. Các kỹ thuật là: 1. Đúc 2. Tạo hình 3. Gia công 4. Hàn.

Kỹ thuật # 1. Đúc:

Đúc có lẽ là phương pháp lâu đời nhất được biết đến để tạo hình cho kim loại và hợp kim. Khi tìm thấy phù hợp, đó là con đường ngắn nhất từ ​​quặng đến sản phẩm cuối cùng và thường là kinh tế nhất. Mặc dù ngày nay các kỹ thuật đã được phát triển để đúc hầu hết tất cả các kim loại và hợp kim của chúng, nhưng vẫn có một số vật liệu cụ thể có đặc tính đúc rất vượt trội, ví dụ như gang xám.

Khả năng đúc của vật liệu phụ thuộc vào một số yếu tố, tính lưu động, độ co ngót, độ xốp, ứng suất và đặc tính phân tách. Chỉ số khả năng đúc của vật liệu cao nếu nó có tính lưu động cao, độ co thấp, ái lực thấp để hấp thụ khí, ứng suất thấp và cường độ đồng đều.

Những đặc điểm này được tìm thấy xảy ra chủ yếu trong các kim loại nguyên chất và eutectics, ít nhất là về mặt lý thuyết, một điểm nóng chảy xác định. Tuy nhiên, kim loại nguyên chất thường có cường độ thấp do đó chủ yếu là hợp kim được đúc cho hầu hết các ứng dụng thực tế. Do đó, sự lựa chọn rõ ràng rơi vào eutectics và hợp kim gần eutectic.

Đúc có thể được nhóm thành hai loại chính viz., Thỏi và đúc hình. Trong tổng số vật liệu đúc, gần 75% ở dạng thỏi. Tuy nhiên, mối quan tâm chính của chúng tôi trong cuộc thảo luận hiện tại là đúc hình.

Đúc có thể nặng từ vài gram đến nhiều tấn. Có lẽ, vật thể nặng nhất từng được tạo ra bằng cách đúc là bức tượng Clossus của Rhodes bằng đồng được bao gồm trong bảy kỳ quan của thế giới. Tuy nhiên, bỏ qua điều kỳ diệu là các vật đúc nặng ngày nay thường bao gồm các cấu trúc máy, bánh đà và tấm đế cho tua bin, v.v.

Đúc, theo quy luật, tốt ở cường độ nén nhưng có độ giãn dài kém và độ bền kéo thấp. Các vật liệu được coi là đặc biệt tốt để đúc bao gồm, ngoài gang, hợp kim của đồng, nhôm, niken kẽm và magiê.

Một số vật đúc điển hình bao gồm:

Ròng rọc, bánh đà, khối động cơ, giường máy công cụ, phôi bánh răng, lưỡi tuabin, ống gang, v.v.

Kỹ thuật # 2. Hình thành:

Sau khi đúc tuân theo quy trình tạo hình, trong đó các kim loại và hợp kim của chúng được tạo hình dạng mong muốn bằng áp lực, hoặc do tác động đột ngột như trong trường hợp búa đập hoặc bằng cách nhào chậm như trong máy ép thủy lực. Gia công cơ học của một kim loại dưới nhiệt độ kết tinh lại của nó được gọi là 'Gia công nguội' và hoàn thành trên nhiệt độ này được gọi là 'Gia công nóng'. Cả làm việc nóng và lạnh (hoặc hình thành) được thực hành rộng rãi trong ngành.

Hầu hết các vật liệu có thể được hình thành hoặc giả mạo, nhưng theo quy luật, các vật liệu phù hợp nhất để đúc có chất lượng hình thành kém. Nói chung, các vật liệu phù hợp nhất để tạo hình là những vật liệu có phạm vi lâu dài trong quá trình hóa rắn, ví dụ, hợp kim dung dịch rắn.

Nhiều tính chất hợp kim bị ảnh hưởng bởi bản chất của các dung dịch rắn, ví dụ: độ bền và độ cứng tăng theo lượng chất tan trong khi độ dẻo và độ dẫn điện bị giảm Chất lượng hình thành của vật liệu thường được gọi là khả năng định dạng cho vật liệu tấm và khả năng rèn cho dày hơn các phần và được liên kết với độ dẻo của vật liệu. Các quá trình có thể được bao gồm trong việc hình thành là các phương pháp tạo tấm như uốn, vẽ sâu, đùn, HERF (tạo tốc độ năng lượng cao), kéo sợi, uốn cuộn, tạo hình kéo dài; trong khi rèn có thể bao gồm đảo lộn, tiêu đề lạnh, xoay tròn, đúc, v.v.

Kiểm tra khả năng định dạng thường được thực hiện bằng kiểm tra uốn cong Erichsen trong đó vật liệu tấm được kéo dài cho đến khi nứt. Mặt khác, khả năng rèn là khả năng của kim loại bị biến dạng trong điều kiện rèn mà không bị nứt. Một trong những thử nghiệm khả năng giả mạo tốt nhất là thử nghiệm đảo lộn, được biểu thị bằng tỷ lệ đường kính đảo lộn tối đa có thể đạt được với đường kính thanh ban đầu. Đối với tiêu đề lạnh, tỷ lệ này thường được gọi là giới hạn tiêu đề.

Chỉ số rèn khả năng, F = D _m / D _i

Trong đó, D _i = Đường kính thanh ban đầu

D _m = Đường kính tối đa có thể đạt được bằng cách đảo lộn mà không bị nứt.

Vật liệu rèn:

Các vật liệu thường được tìm thấy xuất hiện trong ba loại tế bào đơn vị, BCC (khối trung tâm cơ thể), FCC (khối trung tâm mặt) và HCP (đóng gói lục giác) như trong hình 1.2 cùng với một số giếng kim loại được biết đến theo ba loại cấu trúc tế bào.

Các kim loại hình khối tập trung vào mặt nói chung có độ dẻo tốt nhất. Họ thường là những người dễ tha thứ nhất. Các kim loại đóng kín hình lục giác, ít được tha thứ nhất ở nhiệt độ phòng, nhưng hầu hết trong số chúng có thể được rèn nóng. Nếu một kim loại có thể được vẽ sâu ở dạng tấm, nó có thể được rèn nguội hoặc đầu lạnh ở dạng thanh, và nó cũng như vậy đối với tất cả các kim loại. Gia công tự do các lớp kim loại có khả năng rèn hạn chế.

Tốt nhất. Đồ dùng để rèn, lạnh hoặc nóng, hầu hết là hợp kim nhôm và đồng, bao gồm các kim loại tương đối tinh khiết. Thép carbon có 0, 25% carbon hoặc ít hơn thực sự được rèn nóng hoặc đầu lạnh. Carbon cao và thép hợp kim cao hầu như luôn được rèn nóng. Magiê là HCP có độ dẻo thấp ở nhiệt độ phòng nhưng dễ bị rèn nóng.

Hợp kim nhôm được rèn trong khoảng từ 385 ° C đến 455 ° C hoặc thấp hơn khoảng 40 ° C so với nhiệt độ hóa rắn. Hợp kim nhôm không hình thành quy mô trong các hoạt động rèn nóng, vì vậy tuổi thọ là tuyệt vời.

Đồng và đồng thau có 30% hoặc ít hơn kẽm có khả năng rèn tuyệt vời trong các hoạt động làm việc lạnh. Đồng thau kẽm cao có thể được rèn nguội ở một mức độ hạn chế nhưng là hợp kim rèn nóng tuyệt vời. Hợp kim magiê được rèn trên máy ép ở nhiệt độ trên 400 ° C. Ở nhiệt độ cao hơn, magiê phải được bảo vệ khỏi quá trình oxy hóa hoặc đánh lửa bởi một bầu không khí trơ của sulfur dioxide.

Khả năng rèn của các kim loại khác nhau để rèn gần, theo thứ tự giảm dần, đối với một số hợp kim phổ biến được nêu trong bảng 1.1:

Do hành động nhào trong việc rèn các thành phần được tạo ra bằng cách rèn thường mạnh nhất và đòi hỏi độ dày vật liệu ít nhất. Tất cả các thành phần quan trọng do đó thường được rèn.

Một số ví dụ điển hình của các thành phần giả mạo bao gồm:

Trục khuỷu, thanh nối, lực kéo và móc nâng, lò xo cuộn, trục, ống và ống liền mạch, thân vỏ, thanh, tấm, phần, ống dán răng, vv

Kỹ thuật # 3. Gia công:

Đó là quá trình tạo ra hình dạng mong muốn cho một vật liệu nhất định bằng cách loại bỏ vật liệu thừa hoặc không mong muốn bằng cách cắt ở dạng chip. Vật liệu dụng cụ cắt là do sự cần thiết cứng hơn và mạnh hơn vật liệu cần cắt. Các quy trình gia công thường được sử dụng là tiện, phay, khoan, tạo hình, lập kế hoạch, gia công, khoan, v.v.

Mặc dù máy tiện và máy phay đã được sử dụng liên quan đến chế tạo đồng hồ ngay cả trong thế kỷ mười lăm và mười sáu, nhưng hầu hết các quy trình này đã được đưa vào các ngành công nghiệp khối lượng cao trong các hình thức hiện tại của chúng để chế tạo các bộ phận động cơ hơi nước vào cuối thế kỷ XIX nhưng đã đến tuổi trong thế kỷ hiện tại.

Hầu như tất cả các vật liệu có thể được gia công mặc dù không dễ dàng như nhau. Theo quy định, các vật liệu cứng hơn có độ bền kéo cao sẽ khó gia công hơn. Ngoài ra, các vật liệu rất mềm gây rắc rối cho máy vì co giật xảy ra giữa vật liệu làm việc và dụng cụ. Vì vậy, có thể nói rằng có một phạm vi độ cứng cụ thể ở trên và dưới đó hiệu suất gia công giảm.

Để so sánh sự dễ dàng của việc cắt các vật liệu được đưa ra chỉ số gia công.

Khả năng gia công của vật liệu phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau và thường xem xét bốn trong số chúng, viz.:

(i) Tuổi thọ công cụ,

(ii) Lực cắt,

(iii) Bề mặt hoàn thiện và

(iv) Tiêu thụ điện năng.

Dựa trên các yếu tố này, thép cắt tự do được chỉ định bởi AISI (Viện thép và sắt Hoa Kỳ) là B 1112 với thành phần sau và biến thành 180 SFM (feet bề mặt mỗi phút) hoặc 55 SMM (mét bề mặt mỗi phút) được đưa ra chỉ số gia công trong số 100.

C = 0-13% (tối đa)

Mn = 0-9%

P = 0-1%

S = 0-2%

Sắt = nghỉ ngơi

Một số công thức đã được phát triển để xác định chỉ số khả năng gia công và một công thức như vậy được đưa ra bởi Janitsky như sau:

Ở đâu,

c = một chức năng của TS,

TS = độ bền kéo,

YP = điểm năng suất.

Các đặc tính vật liệu ảnh hưởng đến khả năng gia công của kim loại bao gồm:

1. Thành phần vật liệu:

Hàm lượng hợp kim cao và sự hiện diện của các vùi cứng như Al ₂ O ₃ trong thép cũng như hàm lượng carbon dưới 0, 30% hoặc trên 0, 60% làm giảm khả năng gia công trong khi một lượng nhỏ chì, mangan, lưu huỳnh và phốt pho cải thiện nó.

2. Cấu trúc kim loại:

Cấu trúc vi mô đồng nhất với các hạt nhỏ không bị xáo trộn giúp cải thiện khả năng gia công. Cấu trúc Lamellar trong thép carbon thấp và trung bình và cấu trúc hình cầu trong thép carbon cao cũng dẫn đến khả năng gia công tốt hơn.

3. Làm việc và xử lý nhiệt:

Gia công nóng các hợp kim cứng và gia công nguội các hợp kim mềm dẫn đến khả năng gia công được cải thiện.

Ủ, bình thường hóa và ủ, nói chung, cải thiện khả năng gia công. Làm nguội thông thường làm giảm khả năng gia công.

Các chỉ số gia công của một số vật liệu nổi tiếng được nêu trong bảng 1.2.

Một số ví dụ điển hình của các bộ phận gia công bao gồm vee-way, ghế van, lót xi lanh ô tô, răng bánh răng, trục vít, bộ phận máy, đai ốc và bu lông, v.v.

Kỹ thuật # 4. Hàn:

Hàn như thường được hiểu ngày nay là tương đối mới trong số các quá trình chế tạo mặc dù rèn rèn để tham gia các mảnh kim loại đã được thực hành ngay cả trước khi Chúa Kitô. Mặc dù có một số quy trình hàn được thiết lập tốt nhưng hàn hồ quang với các điện cực được phủ vẫn là quá trình hàn phổ biến nhất trên toàn thế giới.

Hàn hồ quang ở dạng hiện tại của nó xuất hiện trên bối cảnh công nghiệp vào năm 1880. Mặc dù có những tuyên bố mâu thuẫn về người phát minh ra quy trình này, nhưng thông thường nó được quy cho một người Nga tên là Slavianoff, người được cho là đã cấp bằng sáng chế vào năm 1881. Tuy nhiên, hàn hồ quang không được chấp nhận để chế tạo các thành phần quan trọng cho đến khoảng năm 1920. lớp phủ thời gian cho các điện cực đã được phát triển tốt.

Tuy nhiên, nhu cầu sản xuất quy mô lớn các mặt hàng nặng như tàu, bình chịu áp lực, xây dựng cầu và các loại tương tự đã cung cấp động lực cần thiết cho hàn đến tuổi và chiến tranh thế giới thứ hai đã khẳng định nó là quá trình chế tạo chính.

Hàn, là một quá trình nối hai hoặc nhiều phần vật liệu mặc dù cung cấp một khớp vĩnh viễn nhưng thường ảnh hưởng đến quá trình luyện kim của các thành phần. Do đó, nó thường đi kèm với xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) cho hầu hết các thành phần quan trọng.

Hầu hết các vật liệu có thể được hàn bằng cách này hay quá trình khác. Tuy nhiên, một số dễ hàn hơn những cái khác. Để so sánh sự dễ dàng này trong hàn, thuật ngữ 'khả năng hàn' thường được sử dụng. Khả năng hàn của vật liệu phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau như sự thay đổi luyện kim xảy ra do hàn, thay đổi độ cứng trong và xung quanh mối hàn, sự phát triển và hấp thụ khí, mức độ oxy hóa và ảnh hưởng đến xu hướng nứt của khớp. Tùy thuộc vào các yếu tố này, thép cacbon thấp (C <0-12%) có khả năng hàn tốt nhất trong số các kim loại. Khá thường các vật liệu có khả năng đúc cao thường có khả năng hàn thấp.

Các quy trình hàn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bao gồm oxy-axetylen, hồ quang kim loại thủ công hoặc hồ quang kim loại được che chắn (SMA), hồ quang chìm (SA), hồ quang kim loại khí (GMA), hàn hồ quang vonfram khí (GTA), hàn điện trở, hàn nhiệt và hàn áp lực lạnh. Hầu hết các quá trình này có các lĩnh vực ảnh hưởng đặc biệt như hàn điện trở là phổ biến với ngành công nghiệp ô tô, hàn nhiệt để nối đường ray tại chỗ. GM AW đặc biệt phù hợp để hàn các kết cấu thép carbon thấp cũng như hàn thép không gỉ và nhôm, GTAW phổ biến hơn với các ngành công nghiệp hàng không và hạt nhân, SAW cho đóng tàu, hàn áp lực lạnh của ngành chế biến thực phẩm và tương tự. Tuy nhiên, SMAW hoặc các quy trình hàn điện cực dính và hàn oxy-axetylen là các quy trình mục đích chung với một loạt các ứng dụng.

Một số ứng dụng điển hình của hàn bao gồm chế tạo tàu, bình chịu áp lực, thân ô tô, nền tảng ngoài khơi, cầu, ống hàn, niêm phong nhiên liệu hạt nhân và chất nổ, v.v.