A máy cắt kim loại là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong quá trình chuẩn bị mẫu - một vết cắt kém sẽ gây ra biến dạng, hư hỏng do nhiệt hoặc để lại vết ố mà sau đó không thể loại bỏ hoàn toàn bằng cách đánh bóng. Sự khác biệt giữa một mặt cắt có thể sử dụng được và một mẫu bị hỏng thường phụ thuộc vào ba yếu tố có thể kiểm soát được: lựa chọn lưỡi cắt, tốc độ cắt và cung cấp chất làm mát.
Tại sao chất lượng cắt quyết định kết quả của toàn bộ quá trình chuẩn bị mẫu
Cắt kim loại về cơ bản khác với cắt thô - mục tiêu là loại bỏ vật liệu có biến dạng cơ học tối thiểu và lượng nhiệt đầu vào tối thiểu, vì cả hai đều có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô đang được nghiên cứu. Một vết cắt tạo ra lớp biến dạng sâu hơn lớp mà các bước mài và đánh bóng tiếp theo có thể loại bỏ sẽ để lại các thành phần có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi, dẫn đến kết luận sai lệch về cấu trúc hạt, độ cứng hoặc phân bố pha.
Đây là lý do tại sao máy cắt kim loạis được chế tạo xung quanh các bánh xe cắt mài mòn thay vì cưa ma sát hoặc cưa băng - cắt mài mòn sẽ loại bỏ vật liệu thông qua hoạt động mài tốc độ cao, khi được kiểm soát đúng cách sẽ tạo ra bề mặt nhẵn, ít biến dạng, cần ít mài tiếp theo hơn để đạt đến khu vực quan tâm.
Kết hợp loại bánh xe cắt với độ cứng vật liệu
Bánh xe cắt mài mòn thường được phân loại theo hạt mài mòn của chúng (oxit nhôm hoặc cacbua silic) và độ cứng liên kết. Nguyên tắc chung là phản trực giác đối với nhiều người mới: vật liệu cứng hơn yêu cầu bánh xe liên kết mềm hơn , bởi vì liên kết mềm hơn sẽ giải phóng các hạt mài mòn xỉn màu nhanh hơn, liên tục để lộ các hạt sắc bén mới thay vì để bánh xe tráng men và tạo ra nhiệt dư thừa.
| Chất liệu | Loại mài mòn | Độ cứng liên kết |
|---|---|---|
| Kim loại màu mềm (Al, Cu, đồng thau) | Cacbua silic (SiC) | Liên kết cứng |
| Thép nhẹ và thép carbon thấp | Nhôm oxit (Al2O3) | Liên kết trung bình |
| Thép cứng, thép công cụ | Nhôm oxit (Al2O3) | Trái phiếu mềm |
| Gốm sứ, vật liệu tổng hợp | Kim cương hoặc CBN | Liên kết nhựa hoặc kim loại |
Đối với các vật liệu rất cứng hoặc giòn như cacbua thiêu kết, gốm sứ và linh kiện điện tử, cần có bánh xe kim cương hoặc CBN (nitrit boron khối), vì bánh xe oxit nhôm hoặc cacbua silic thông thường mòn quá nhanh và tạo ra nhiệt quá mức.
Tốc độ cắt, tốc độ tiến dao và vai trò của chúng trong việc tạo nhiệt
Hầu hết các máy cắt kim loại trong phòng thí nghiệm đều vận hành tốc độ bánh xe trong phạm vi 1.500–5.000 vòng/phút , với tốc độ tối ưu tùy thuộc vào đường kính bánh xe và vật liệu. Đường kính bánh xe lớn hơn thường yêu cầu RPM thấp hơn để duy trì cùng tốc độ cắt ngoại vi, đây là thông số thực sự chi phối hành động cắt và sinh nhiệt.
- Tốc độ tiến dao cao hơn làm giảm tổng thời gian cắt nhưng làm tăng nguy cơ quá nhiệt và cháy cục bộ, đặc biệt là trên các vật liệu nhạy cảm với nhiệt
- Tốc độ tiến dao thấp hơn tạo ra vết cắt sạch hơn với ít biến dạng hơn nhưng kéo dài thời gian chu kỳ và có thể làm tăng độ mòn bánh xe nếu quá chậm gây ra hiện tượng lắp kính
- Điều khiển cấp liệu tự động, có sẵn trên hầu hết các máy cắt chính xác, duy trì lực không đổi trên bánh xe bất kể đầu vào của người vận hành - quan trọng đối với khả năng tái tạo trên nhiều mẫu
- Các chế độ cắt xung hoặc dao động giúp giảm sự tích tụ nhiệt liên tục đối với các hợp kim nhạy nhiệt, bằng cách rút bánh xe lại trong thời gian ngắn để cho phép chất làm mát làm sạch vùng cắt
Hệ thống phân phối chất làm mát và tại sao tốc độ dòng chảy lại quan trọng như loại chất làm mát
Chất làm mát phục vụ hai mục đích trong quá trình cắt kim loại: loại bỏ nhiệt khỏi vùng cắt và loại bỏ các mảnh vụn mài mòn có thể làm tắc nghẽn bánh xe và giảm hiệu quả cắt. Chất làm mát hòa tan trong nước có chất ức chế ăn mòn là tiêu chuẩn cho vật liệu kim loại màu, trong khi chất làm mát chuyên dụng được sử dụng cho các vật liệu nhạy cảm khi tiếp xúc với nước, chẳng hạn như hợp kim magiê, có thể phản ứng với chất lỏng gốc nước.
Tốc độ dòng chảy và vị trí vòi phun thường được đánh giá thấp. Dòng chất làm mát không nhắm trực tiếp vào giao diện bánh xe-phôi mang lại lợi ích làm mát tối thiểu bất kể tổng khối lượng — hầu hết các máy cắt chính xác đều sử dụng vòi phun kép được đặt ở hai bên bánh xe để đảm bảo bao phủ trong suốt quá trình cắt, đặc biệt là khi bánh xe tiến sâu hơn vào các mẫu dày hơn.
Kẹp và cố định mẫu để cắt ổn định, lặp lại
Kẹp không đều là nguyên nhân phổ biến nhưng bị bỏ qua của các khuyết tật cắt. Mẫu dịch chuyển dù chỉ một chút trong quá trình cắt có thể gây ra hiện tượng lệch bánh xe, dẫn đến bề mặt cắt gợn sóng hoặc góc cạnh, gây phức tạp cho việc lắp và mài. Kẹp kiểu vise có ngàm kẹp có thể điều chỉnh phù hợp với các hình dạng không đều, trong khi đồ gá khối chữ V được ưu tiên cho các mẫu hình trụ như mặt cắt ngang thanh hoặc ống để tránh xoay dưới lực cắt.
Đối với các mẫu nhỏ hoặc dễ vỡ - kim loại tấm mỏng, dây điện hoặc gốm sứ giòn - các thiết bị cố định hỗ trợ thứ cấp hoặc vật liệu đệm thay thế thường được sử dụng để ngăn mẫu bị nứt hoặc văng ra khỏi kẹp khi bánh xe thoát ra khỏi vết cắt. Công suất cắt tối đa, thường được chỉ định là đường kính mẫu hoặc mặt cắt ngang lớn nhất mà máy có thể chứa, phải được kiểm tra với các kích thước mẫu thông thường vì vượt quá nó sẽ buộc phải cắt nhiều lần để định vị lại làm tăng nguy cơ lệch giữa các bề mặt cắt.
