Quy trình rèn nguội: Nguyên lý, ưu điểm, ứng dụng và công nghệ chính

Rèn là một quy trình sản xuất trong đó lực nén được tác dụng lên phôi kim loại rắn, gây biến dạng dẻo và định hình lại thành hình dạng mong muốn. Không giống như đúc (đổ kim loại nóng chảy) hoặc gia công (loại bỏ vật liệu), rèn tinh chỉnh cấu trúc hạt của kim loại khi nó chảy, tạo ra các đặc tính cơ học đồng đều hơn và độ bền cao hơn—thường vượt trội hơn so với các chi tiết đúc hoặc gia công cùng loại vật liệu.

Dựa trên nhiệt độ xử lý, rèn thường được chia thành ba loại:

• Rèn nguội:Thực hiện ở nhiệt độ phòng cho đến giới hạn dưới của nhiệt độ kết tinh lại của kim loại (không gia nhiệt ở nhiệt độ cao).
• Rèn ấm:Tiến hành ở nhiệt độ trên nhiệt độ phòng nhưng dưới nhiệt độ kết tinh lại (thường là 300–800°C), cân bằng độ chính xác và nỗ lực biến dạng.
• Rèn nóng:Được thực hiện ở nhiệt độ trên nhiệt độ kết tinh lại của kim loại (ví dụ, thép 800–1250°C, hợp kim đồng 700–800°C).

1.0Định nghĩa cốt lõi và đặc điểm của rèn nguội

Rèn nguội, còn được gọi là tạo hình nguội, là một quy trình tạo hình chính xác được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc dưới ngưỡng kết tinh lại (ví dụ: thép <400°C, nhôm 100–200°C, đồng 200–300°C). Dưới áp suất cao từ bộ khuôn (thường là 500–2000 MPa), kim loại trải qua quá trình chảy dẻo, tạo ra các chi tiết có hình dạng và kích thước mong muốn với rất ít hoặc không cần loại bỏ vật liệu. Quy trình này dựa trên biến dạng dẻo ở nhiệt độ thấp để đạt được kết quả gần như hình dạng thực tế.

Các đặc điểm chính bao gồm:

• Phạm vi nhiệt độ xác định:Không cần gia nhiệt ở nhiệt độ cao; quá trình tạo hình được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc gần nhiệt độ phòng. Ma sát có thể làm tăng nhẹ nhiệt độ kim loại lên 250–300°C, nhưng vẫn thấp hơn mức kết tinh lại.
• Biến dạng áp suất cao:Máy ép cơ học hoặc thủy lực tác dụng lực dọc trục hoặc hướng tâm, buộc các nguyên tử phải sắp xếp lại dọc theo khoang khuôn. Quá trình này tuân theo nguyên tắc hằng số thể tích (giảm thiểu tối đa khối lượng hoặc thể tích).
• Độ chính xác cao và bề mặt hoàn thiện tốt:Độ chính xác kích thước có thể đạt IT6–IT9 (dung sai ±0,01–±0,1 mm). Giá trị độ nhám bề mặt có thể thấp tới Ra 0,4–3,2 μm, thường loại bỏ hoặc giảm thiểu nhu cầu gia công thứ cấp như khoan hoặc mài.
• Sử dụng vật liệu cao:Tỷ lệ sử dụng vật liệu đạt 85–95%, vượt xa gia công truyền thống (50–70%), giúp giảm đáng kể lượng phế liệu.

2.0Nguyên lý hoạt động của rèn nguội

Bản chất của rèn nguội là sự chảy dẻo của kim loại ở nhiệt độ thấp. Quá trình này thường bao gồm ba giai đoạn chính:

• Chuẩn bị phôi:
  • Nguyên liệu thô:Chọn kim loại dẻo như dây thép hoặc thanh thép (thường là thép có hàm lượng cacbon thấp, nhôm hoặc hợp kim đồng), cắt thành phôi có chiều dài cố định.
  • Xử lý bề mặt:Áp dụng các biện pháp điều trị khi cần thiết—chẳng hạn như phosphat hóa và xà phòng hóa đối với thép, hoặc lớp phủ bôi trơn rắn đối với nhôm—để giảm hệ số ma sát giữa kim loại và khuôn (giữ dưới 0,05). Điều này giúp giảm thiểu mài mòn khuôn và cải thiện dòng chảy kim loại.
• Ép khuôn:
  • Đặt phôi vào khoang khuôn được thiết kế chính xác và tạo áp suất cao bằng máy ép cơ học hoặc thủy lực.
  • Kim loại dần dần lấp đầy khoang khuôn, chuyển từ phôi thành chi tiết có hình dạng gần giống lưới.
  • Đối với các chi tiết phức tạp, cần nhiều giai đoạn tạo hình (ví dụ: rèn sơ bộ → rèn hoàn thiện). Điều này giúp tránh biến dạng quá mức trong một bước (thường giới hạn ở ≤50%), nếu không có thể gây nứt.
• Hậu xử lý:
  • Giảm căng thẳng:Rèn nguội gây ra làm việc cứng (tăng độ bền và độ cứng, nhưng giảm độ dẻo). Một số bộ phận cần ủ ở nhiệt độ thấp (ví dụ, thép được nung ở 200–300°C) để khôi phục độ dẻo.
  • Hoạt động hoàn thiện:Đối với các thành phần có dung sai cực kỳ chặt chẽ, có thể áp dụng thêm các quy trình ép mịn, đánh bóng hoặc các quy trình thứ cấp khác để nâng cao hơn nữa độ chính xác về kích thước và chất lượng bề mặt.

Đọc sách được đề xuất:Giải thích về quy trình rèn: Các loại và kỹ thuật

3.0Ưu điểm và hạn chế của rèn nguội

Ưu và nhược điểm của rèn nguội liên quan trực tiếp đến đặc tính tạo hình ở nhiệt độ thấp của nó. So sánh như sau:

4.0Tám quy trình rèn nguội cốt lõi và ứng dụng công nghiệp của chúng

Với sự tiến bộ của công nghệ tạo hình kim loại, rèn nguội đã phát triển thành nhiều quy trình chuyên biệt. Mỗi quy trình được tối ưu hóa cho các yêu cầu tạo hình cụ thể, với mục tiêu chung là đạt được hiệu suất sản xuất cao với ít hoặc không cần gia công thứ cấp.  

Phun ra:

• Nguyên tắc:Phôi thép phải chịu áp suất cực cao (lên tới 20.000 kN, hoặc ~2007 tấn), ép kim loại qua lỗ khuôn để tạo thành hình dạng chi tiết, sau đó cắt theo chiều dài.
• Các phân nhóm:
  • Đùn về phía trước:Kim loại chảy theo cùng hướng với áp suất tác dụng; phù hợp với các bộ phận dài và rắn (ví dụ: trục).
  • Đùn ngược:Kim loại chảy ngược chiều với áp suất tác dụng; được sử dụng cho các bộ phận có đáy dày hơn, chẳng hạn như ống lót ổ trục hoặc cốc ổ trục.
  • Đùn ngang:Áp lực được áp dụng vuông góc với trục chính, thêm các đặc điểm phụ như lỗ bên hoặc gân.
• Ứng dụng:Hiệu quả trong việc tạo hình các thành phần có mặt cắt phức tạp như bánh răng nhiều răng và ống rỗng.

5.0Lựa chọn chất bôi trơn như một quy trình hỗ trợ quan trọng trong rèn nguội

Mặc dù rèn nguội được thực hiện ở nhiệt độ phòng, các thao tác như uốn và đùn tạo ra nhiệt ma sát. Do đó, chất bôi trơn rất cần thiết để đảm bảo tính ổn định của quy trình, ngăn ngừa khuyết tật và kéo dài tuổi thọ khuôn.

• Chức năng:Giảm thiểu khuyết tật khi tạo hình, giảm thiểu hiện tượng kẹt và cải thiện tuổi thọ của dụng cụ.
• Các loại phổ biến:
  • Lớp phủ hóa học:Kẽm photphat, photphat, canxi aluminat, nhôm florua (thích hợp cho thép và nhôm, tạo thành lớp bảo vệ chống mài mòn).
  • Chất bôi trơn dạng polymer/rắn:Nhiều loại lớp phủ polymer, chất bôi trơn graphite và loại không chứa graphite (graphite có khả năng bôi trơn mạnh; lớp phủ không chứa graphite được ưa chuộng cho các ứng dụng cần độ sạch cao như linh kiện điện tử).
• Nguyên tắc lựa chọn:Phải được điều chỉnh theo loại kim loại (ví dụ, thép sử dụng xà phòng phosphat; nhôm sử dụng chất bôi trơn rắn) và loại quy trình (ví dụ, đùn cần chất bôi trơn chịu áp suất cao, kéo cần chất bôi trơn ma sát thấp). Các quy trình phức tạp có thể yêu cầu công thức chất bôi trơn tùy chỉnh.

6.0Ứng dụng điển hình của rèn nguội

Nhờ độ chính xác, hiệu quả và tiết kiệm vật liệu, rèn nguội được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác và độ bền cao. Chỉ riêng ngành công nghiệp ô tô đã chiếm hơn 60% chi tiết rèn nguội.

7.0Sự khác biệt chính giữa rèn nguội và rèn nóng

Rèn nguội và rèn nóng khác nhau cơ bản về nhiệt độ gia công, đặc tính biến dạng, độ chính xác có thể đạt được và ứng dụng phù hợp. So sánh như sau:

8.0Công nghệ chính trong rèn nguội

Việc triển khai rèn nguội thành công phụ thuộc vào ba công nghệ cốt lõi quyết định trực tiếp đến chất lượng bộ phận và hiệu quả sản xuất:

Thiết kế và sản xuất khuôn mẫu:

• Vật liệu khuôn:Thép dụng cụ cường độ cao như Cr12MoV hoặc DC53 được sử dụng. Xử lý nhiệt chân không được áp dụng để đạt độ cứng HRC 58–62, đảm bảo khuôn có thể chịu được áp suất cao.
• Thiết kế khoang:Dòng chảy kim loại phải được mô phỏng để tránh tình trạng gấp khúc, nứt vỡ hoặc các khuyết tật khác. Đối với các chi tiết phức tạp, các gờ chuyển tiếp được tích hợp để dẫn hướng quá trình điền đầy đồng đều vào khoang khuôn.

Công nghệ bôi trơn:

• Mục tiêu cốt lõi:Duy trì hệ số ma sát dưới 0,05 giữa kim loại và khuôn để giảm thiểu mài mòn và kéo dài tuổi thọ khuôn.
• Giải pháp chung:Các thành phần thép thường trải qua phosphat hóa + xà phòng hóa Xử lý bề mặt, tạo thành lớp màng phosphate hấp thụ lớp xà phòng. Các thành phần nhôm được phủ chất bôi trơn rắn như molypden disulfide (MoS₂).

Lựa chọn vật liệu và xử lý trước:

• Yêu cầu về vật liệu:Kim loại có độ dẻo tốt và tỷ lệ giới hạn chảy trên độ bền kéo thấp được ưu tiên, chẳng hạn như thép ít cacbon (10#, 20#), thép hợp kim thấp (20Cr, 40Cr), nhôm nguyên chất (1060) và đồng thau (H62).
• Tiền xử lý:Thép có hàm lượng cacbon cao và thép hợp kim cao yêu cầu ủ hình cầu trước khi rèn để giảm độ cứng, cải thiện độ dẻo và ngăn ngừa nứt trong quá trình biến dạng.

9.0Quy trình rèn nguội: Những câu hỏi thường gặp (FAQ)

Câu 1: Sự khác biệt chính giữa rèn nguội và rèn nóng là gì?

A1: Rèn nguội được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn điểm kết tinh lại của kim loại, mang lại độ chính xác kích thước cao và độ hoàn thiện bề mặt tuyệt vời. Rèn nóng, được thực hiện ở nhiệt độ kết tinh lại cao hơn, cho phép biến dạng lớn hơn với lực nhỏ hơn nhưng thường đòi hỏi gia công phụ để đảm bảo độ chính xác.

Câu 2: Vật liệu nào phù hợp nhất để rèn nguội?

A2: Rèn nguội hoạt động tốt nhất với các kim loại dẻo như thép ít cacbon, nhôm, đồng và hợp kim của chúng. Các vật liệu giòn như gang không phù hợp.

Câu 3: Ưu điểm lớn nhất của rèn nguội là gì?

A3: Độ chính xác cao (IT6–IT9), bề mặt nhẵn (Ra 0,4–3,2 μm), tiết kiệm vật liệu (sử dụng lên đến 95%) và tiêu thụ năng lượng thấp (chỉ bằng 1/5–1/10 so với rèn nóng).

Câu 4: Những hạn chế chính của rèn nguội là gì?

A4: Chi phí khuôn cao, lựa chọn vật liệu hạn chế, độ dẻo giảm do quá trình tôi luyện và hình dạng phức tạp thường đòi hỏi nhiều giai đoạn rèn.

Câu 5: Rèn nguội được ứng dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp nào?
A5: Ngành ô tô chiếm ưu thế (hơn 60% phụ tùng), tiếp theo là ngành điện tử, máy móc, dụng cụ cầm tay và sản xuất thiết bị hạng nặng.

 

Tài liệu tham khảo

https://www.iqsdirectory.com/articles/forging/cold-forging.html

https://www.tfgusa.com/cold-forging/#FAQs

https://www.fictiv.com/articles/hot-forging-vs-cold-forging

https://www.forcebeyond.com/cold-forging/

https://ecenarro.com/blog-en/from-machining-to-cold-forging/