Cán nguội là gì? Các nghiên cứu khoa học về Cán nguội

Định nghĩa cán nguội

Cán nguội là một phương pháp gia công cơ học kim loại trong đó vật liệu, chủ yếu là thép, được cán ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tái kết tinh, tức dưới khoảng 400°C đối với thép carbon thông thường. Đây là quá trình biến dạng dẻo mà không cần nung nóng, thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc gần nhiệt độ phòng.

Mục tiêu chính của cán nguội là cải thiện độ chính xác kích thước, tăng độ cứng, cải thiện chất lượng bề mặt và tối ưu hóa các tính chất cơ học. So với cán nóng, cán nguội không tạo lớp oxit bề mặt, giúp vật liệu có lớp hoàn thiện tốt hơn, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu thẩm mỹ cao hoặc cần mạ kẽm, sơn tĩnh điện.

Phương pháp này thường áp dụng cho thép tấm mỏng, dải cuộn, hoặc các chi tiết cần dung sai chặt chẽ. Tính chất sản phẩm sau cán nguội khác biệt rõ rệt so với sau cán nóng về độ cứng, độ dẻo, độ bền kéo và ứng suất dư.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý cơ bản của cán nguội là dùng hệ thống trục cán ép vật liệu kim loại đi qua khe hẹp giữa các trục, gây ra biến dạng dẻo nhằm giảm chiều dày, tăng chiều dài và cải thiện đặc tính cơ lý. Quá trình này đòi hỏi lực ép rất lớn do vật liệu không được nung mềm như trong cán nóng.

Khi một dải thép được đưa vào giữa hai trục quay ngược chiều nhau, áp lực tạo ra biến dạng dẻo trong vùng tiếp xúc. Biến dạng này làm tăng mật độ đứt gãy và làm thay đổi hướng sắp xếp hạt tinh thể, từ đó tăng giới hạn chảy và giảm độ dẻo của vật liệu.

Lực cán có thể được tính gần đúng bằng công thức: $F = \sigma \cdot b \cdot \Delta h$ trong đó $\sigma$ là ứng suất chảy trung bình, $b$ là chiều rộng dải thép, và $\Delta h$ là độ giảm chiều dày qua mỗi lần cán.

Đặc điểm kỹ thuật của cán nguội

Quá trình cán nguội có nhiều biến thể kỹ thuật tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm đầu ra. Một số đặc điểm kỹ thuật đáng chú ý bao gồm:

• Chiều dày vật liệu sau cán: 0.1 mm – 3.0 mm
• Tốc độ cán: 10 – 1200 m/phút tùy loại máy
• Độ chính xác chiều dày: ±0.01 mm hoặc thấp hơn
• Yêu cầu bề mặt: Ra < 0.5 µm cho các ứng dụng cao cấp

Các hệ thống cán hiện đại được trang bị cảm biến laser đo chiều dày, cảm biến lực phản hồi và điều khiển tự động (AGC – Automatic Gauge Control) để duy trì độ ổn định cao. Việc sử dụng dầu bôi trơn và hệ thống làm mát liên tục giúp giảm ma sát, tránh cháy bề mặt và tăng tuổi thọ trục cán.

Bảng dưới đây mô tả các thông số tiêu chuẩn trong một dây chuyền cán nguội:

Thông số	Giá trị điển hình
Chiều rộng cuộn cán	600 – 1600 mm
Chiều dày đầu vào	1.8 – 6.0 mm
Chiều dày sau cán	0.2 – 2.5 mm
Tốc độ cán	300 – 1000 m/phút

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm chính của cán nguội là tạo ra sản phẩm có độ chính xác cao, bề mặt nhẵn mịn, dễ tạo hình tiếp theo. Đặc biệt trong các ngành điện tử, cơ khí chính xác, ô tô và vật liệu xây dựng, cán nguội giúp nâng cao chất lượng vật liệu đầu vào cho các bước gia công như dập, uốn, hàn.

Một số ưu điểm cụ thể:

• Tăng giới hạn chảy và độ bền kéo
• Kiểm soát tốt độ dày và độ phẳng
• Giảm khuyết tật bề mặt, không có lớp oxit
• Dễ dàng áp dụng các lớp phủ bảo vệ như mạ kẽm

Tuy nhiên, do vật liệu bị làm cứng lại sau quá trình cán, khả năng uốn hoặc tạo hình tiếp theo sẽ giảm nếu không có xử lý nhiệt. Ngoài ra, lực cán lớn và yêu cầu thiết bị chính xác làm tăng chi phí đầu tư và vận hành. Các hạn chế này có thể được khắc phục bằng cách ủ mềm hoặc kết hợp với các quy trình cán liên tục – ủ liên tục (C.A.P.L).

So sánh cán nguội và cán nóng

Cán nguội và cán nóng là hai quy trình có tính chất bổ sung, mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng phụ thuộc vào ứng dụng cuối. Cán nóng thích hợp cho sản xuất khối lượng lớn với tiết diện lớn, còn cán nguội được ưu tiên khi cần độ chính xác và chất lượng bề mặt cao.

So sánh chi tiết giữa cán nguội và cán nóng:

Tiêu chí	Cán nóng	Cán nguội
Nhiệt độ cán	> 900°C	< 50°C
Độ chính xác kích thước	Trung bình	Cao
Bề mặt	Thô, có lớp oxit	Nhẵn, bóng
Độ cứng	Thấp hơn	Cao hơn

Ứng dụng của cán nguội

Cán nguội được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đòi hỏi vật liệu có độ chính xác cao và bề mặt đẹp. Ví dụ: trong ngành sản xuất ô tô, các tấm thép cán nguội được dùng cho vỏ xe, cửa xe, khung gầm. Trong ngành xây dựng, thép hộp vuông, chữ nhật từ thép cán nguội là nguyên liệu chính cho hệ khung nhẹ.

Một số lĩnh vực sử dụng cán nguội:

• Ngành cơ khí chế tạo: trục, bánh răng, linh kiện chính xác
• Điện – điện tử: thép silic cho máy biến áp, motor
• Xây dựng: máng xối, khung trần, hệ vách
• Nội thất kim loại: tủ điện, vỏ thiết bị văn phòng

Quá trình ủ sau cán (annealing)

Vì cán nguội làm tăng độ cứng và giảm độ dẻo, nên sản phẩm thường cần được xử lý nhiệt để phục hồi tính chất cơ học. Quá trình ủ giúp tái kết tinh lại cấu trúc hạt, làm mềm vật liệu và loại bỏ ứng suất dư. Điều này giúp sản phẩm dễ uốn, dập hoặc hàn hơn trong các công đoạn sau.

Ủ có thể thực hiện theo mẻ hoặc ủ liên tục. Nhiệt độ ủ dao động từ 600°C đến 750°C tùy theo loại thép và độ cứng yêu cầu. Hệ thống khí bảo vệ thường là H2 hoặc hỗn hợp N2-H2 để tránh oxy hóa bề mặt.

Thiết bị và công nghệ cán nguội hiện đại

Công nghệ cán nguội hiện đại sử dụng các dây chuyền tích hợp cao, bao gồm máy cán nhiều trục (4 trục, 6 trục, 12 trục), hệ thống bôi trơn tự động, cảm biến đo online và điều khiển logic lập trình (PLC). Hãng Danieli (Ý), SMS Group (Đức) và Primetals (Nhật) là những nhà sản xuất thiết bị cán nguội hàng đầu thế giới.

Các công nghệ mới còn tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để điều chỉnh lực cán, nhiệt độ và tốc độ theo thời gian thực, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm lỗi sản phẩm.

Tiêu chuẩn và kiểm soát chất lượng

Sản phẩm thép cán nguội phải đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo phù hợp với ứng dụng công nghiệp. Một số tiêu chuẩn quốc tế thường áp dụng:

• JIS G3141 (Nhật Bản)
• ASTM A1008/A1008M (Mỹ)
• EN 10130 (Châu Âu)

Các chỉ tiêu kiểm soát chất lượng bao gồm:

• Chiều dày, độ phẳng, độ cứng (HV, HRB)
• Giới hạn chảy, độ bền kéo, độ giãn dài
• Độ nhám bề mặt (Ra)
• Kiểm tra khuyết tật: nứt, vết lượn sóng, rỗ bề mặt

Tài liệu tham khảo

1. Total Materia – Cold Rolling Process
2. ScienceDirect – Cold Rolling Overview
3. Primetals Technologies – Cold Rolling Mills
4. Danieli – Cold Rolling Mills
5. ResearchGate – Cold Rolling Process: A Review